2020年10月，國務(wù)院常務(wù)會會議通過了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》?！兑?guī)劃》表明，2021年起國家生態(tài)文明試驗區(qū)、大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域新增或更新公交、出租、物流配送等公共領(lǐng)域車輛，新能源汽車比例不低于80%。2020年11月，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021～2035年）》，要求深入實施發(fā)展新能源汽車國家戰(zhàn)略，推動中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，加快建設(shè)汽車強(qiáng)國。

中國的新能源汽車發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，國家為推動新能源汽車的發(fā)展，出臺了很多相關(guān)政策，而實際國產(chǎn)新能源汽車的發(fā)展也沒有辜負(fù)眾望，未來十年國產(chǎn)新能源汽車有望在世界汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車。

新能源汽車的動力問題已經(jīng)有了很多方案，如氫能源、電能源等，其中電能源應(yīng)用最廣且效果甚佳，目前新能源汽車所暴露的最大問題就是關(guān)于汽車輕量化的問題，如何在保證可靠性能的前提下盡可能地減輕汽車重量，如何針對汽車結(jié)構(gòu)、材料及工藝方面提出更加行之有效的輕量化方案是新能源汽車發(fā)展的主要問題之一。

汽車的前防撞梁是汽車最重要的安全裝置之一，本文將針對本公司新開發(fā)某款新能源車型前防撞梁的設(shè)計共同進(jìn)行探討學(xué)習(xí)。

產(chǎn)品設(shè)計背景

產(chǎn)品設(shè)計作用

汽車前防撞梁在正常汽車使用中有著至關(guān)重要的作用。

第一，車輛在正常行駛的過程中，與正向的車輛或障礙物相撞，受到局部撞擊，前防撞梁需保證有足夠的強(qiáng)度和剛度，避免前防撞梁因強(qiáng)烈的撞擊折斷傷害車內(nèi)乘客以及汽車內(nèi)重要部件；

第二，在車輛正常行駛中與正向的車輛或障礙物發(fā)生低速相撞，前防撞梁需要保證沖擊避免損壞前大燈以及其他重要部件，最大程度的降低維修費(fèi)用，這就需要使防撞梁除了有足夠的強(qiáng)度剛度外，還需要有優(yōu)良的吸能特性；

第三，在高速行駛時，與正向來車或障礙物劇烈相撞，巨大的撞擊能量可以通過前防撞梁吸收并傳遞給車身整體，使沖擊能量均勻分布到車身結(jié)構(gòu)，最大限度的吸收緩沖能量。

產(chǎn)品設(shè)計意義

汽車輕量化在新能源汽車的應(yīng)用有著重大的意義，汽車每減重10%，它的燃油經(jīng)濟(jì)性、加速性能、動力性能、負(fù)載性能均可得到一定程度地提升，同時，汽車尾氣的排放可減少7%以上，同理，可減少的能源消耗也將大于7%，質(zhì)量減小，慣性減小，緊急制動距離也隨之縮短。

汽車的輕量化也是新能源能否快速發(fā)展的關(guān)鍵因素，對于新能源汽車而言，質(zhì)量減輕10%，續(xù)航就可提升5%～6%，汽車輕量化可有效緩解能源供應(yīng)壓力、環(huán)境保護(hù)壓力、和諧汽車社會壓力。實現(xiàn)汽車輕量化的主要方式是新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)三個途徑，其中新型高強(qiáng)度、低密度和高減重潛力的材料及專用或適應(yīng)性更強(qiáng)的新工藝對其影響巨大。

產(chǎn)品設(shè)計思路

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求

汽車前防撞梁作為在高速正向碰撞時吸收和傳遞能量的主要零件，在實現(xiàn)輕量化的同時，安全性必須嚴(yán)格把控。前防撞梁總成安裝位置位于前機(jī)艙，與縱梁端板、前端模塊通過螺栓連接，具體位置如圖1所示，圖中各個零件對其材料、屈服強(qiáng)度要求不同，如圖2，車身紅色部分防撞梁要求屈服強(qiáng)度高，車身黃色部分防撞結(jié)構(gòu)件要求屈服強(qiáng)度稍低，粉色部分如吸能盒的屈服強(qiáng)度最低。

粉色部分主要起潰縮吸能的作用，在設(shè)計的時候就需要保證防撞梁的強(qiáng)度要大于吸能盒，這樣才能保證車身在受到撞擊時實現(xiàn)有序潰縮變形，達(dá)到最佳吸能效果，最大程度的保證車內(nèi)人員以及汽車重要部件不受損害。

圖1 前防撞梁總成安裝位置

圖2 車身結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度標(biāo)識

產(chǎn)品連接方式

前防撞梁與車身的固定方式采用螺栓連接，方便對其更換。前防撞梁主要由橫梁、吸能盒和安裝底板組成，通過焊接連接，吸能盒與安裝板采用焊接連接，安裝底板用于實現(xiàn)車體與部件的連接。如圖3所示，提升了安全性的同時，也防止了在輕碰撞時只更換吸能盒的不當(dāng)操作，在輕度碰撞時，低屈服強(qiáng)度的吸能盒吸收能量，產(chǎn)生一定程度的潰縮，而防撞橫梁的屈服強(qiáng)度要比吸能盒高，所以不會產(chǎn)生太大程度的變形，但其內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生變形，并不能有效保證安全性，所以需要更換前防撞梁總成。

圖3 前防撞梁總成

產(chǎn)品選材性能

橫梁作為前防撞梁主要剛性支撐件，在發(fā)生低速碰撞時，減輕車體前部電子元件的損傷并將能量傳遞給其他結(jié)構(gòu)件，在高速碰撞時除了將能量傳遞也將抵擋障礙物直接損傷車體和乘客，吸能盒吸收并傳遞能量，同時在高速碰撞時發(fā)生變形保證橫梁的穩(wěn)定性，該產(chǎn)品的材料性能如表1所示。

橫梁結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計

拉彎成型工藝是通過設(shè)備拉伸缸鉗口夾住型材，并給材料施加一個預(yù)拉伸力，達(dá)到材料屈服強(qiáng)度，拉彎機(jī)回轉(zhuǎn)缸加載彎曲回轉(zhuǎn)，拉彎缸施加軸向拉彎力，如圖4所示，使型材圍繞拉彎模具做貼合運(yùn)動產(chǎn)生塑性變形，根據(jù)材料的回彈情況增加補(bǔ)拉伸，工件在彎曲過程中，拉伸缸對材料始終施加軸向拉伸力，材料長度伸長部分始終被拉伸缸牽引補(bǔ)償，這就避免了材料起皺的趨勢，達(dá)到良好的弧度效果，拉彎原理圖如圖5所示。

汽車前防撞梁橫梁的截面主要有“口”“日”“目”“田”等，本產(chǎn)品選用“目”截面型材，可有效提升產(chǎn)品的強(qiáng)度。常規(guī)的截面有開口形式和閉口形式，從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上來講，閉口形式的要優(yōu)于開口形式，從輕量化的角度上來講，開口形式優(yōu)于閉口形式。本產(chǎn)品采用的是熱處理可強(qiáng)化鋁合金，也稱航空硬鋁，實質(zhì)上輕量化已經(jīng)得到了很大程度地提升，采用閉口形式可有效提升防撞梁的強(qiáng)度，使輕量化和強(qiáng)度盡量達(dá)到一個絕對平衡的狀態(tài)。

圖4 拉彎設(shè)備作業(yè)

圖4 拉彎設(shè)備作業(yè)

圖5 拉彎設(shè)備原理

吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖6所示，為吸能盒數(shù)模結(jié)構(gòu)，單獨(dú)的“口”型界面無法滿足碰撞要求強(qiáng)度，為了加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度中間設(shè)有加強(qiáng)筋，吸能盒在理想狀態(tài)下，在受到輕度碰撞時可以發(fā)生變形吸能，保護(hù)汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而在重度撞擊時可以吸收能量并且發(fā)揮出更高的強(qiáng)度效果，本產(chǎn)品吸能盒半包裹橫梁截面，受到撞擊時，兩側(cè)向中間擠壓，如圖7所示，可達(dá)到更好的強(qiáng)度效果。

圖6 前防撞梁吸能盒

圖7 前防撞梁吸能盒受力分析

如圖8，發(fā)成碰撞時前防撞梁橫梁把力傳遞給車身各個結(jié)構(gòu)件，隨著力的增大，屈服強(qiáng)度最低的吸能盒吸能優(yōu)先發(fā)生潰縮，潰縮方向按照三角方向可達(dá)到最佳的潰縮效果，為了使?jié)⒖s方向按照標(biāo)準(zhǔn)方向潰縮，吸能盒上設(shè)置了潰縮引導(dǎo)。

圖8 前防撞梁吸能盒潰縮試驗

產(chǎn)品設(shè)計分析

產(chǎn)品材料介紹

該前防撞梁所用材料為鋁合金，牌號為6082和6063，鋁合金的密度是鋼材的三分之一，同體積下鋁合金的質(zhì)量為鋼的三分之一。在防撞梁的應(yīng)用中，鋁合金材料要比鋼材料減重35%～60%，在防撞梁發(fā)生碰撞時，鋁材料要比鋼材料多吸收50%～70%的沖擊能量，鋁材料有較好的耐腐蝕性，便于再次回收利用，各零件普遍所用的材料如表2。本產(chǎn)品橫梁部分選用6082-T6，如上文所述，可達(dá)到高強(qiáng)度、低重量的效果。吸能盒選用6063-T6，可達(dá)到良好的吸能效果。

新材料拓展

在這個新型技術(shù)及材料不斷更迭的時代，鋁合金的風(fēng)靡也可能是一時的，未來幾年汽車是否會大量采用鋁合金材料仍存在很大的不確定性，下面為國內(nèi)外關(guān)于汽車前防撞梁新型材料研究成果:

玻璃鋼（玻璃纖維增強(qiáng)塑料），在同等強(qiáng)度要求下，它的成本要比鋁合金材料低2～3倍，甚至比金屬材料還要低20%～30%，并且制作周期要相比金屬材料短10%，該材料相對密度在1.5～2之間，只有普通碳鋼的1/4到1/5，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度可達(dá)到400MPa以上，它具有塑料的耐腐蝕、絕緣、工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，也有著鋁合金材料的高強(qiáng)度、熱性能良好等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在彈性模量小、不能長期暴露在高溫場合等缺點(diǎn)。

泡沫鋁合金（泡沫鋁），該材料是在純鋁或鋁合金中加添加劑發(fā)泡而成，具有密度小、高沖擊能量吸收、耐高溫、耐腐蝕、隔音防震、低導(dǎo)熱、易加工等優(yōu)點(diǎn)，它的密度是金屬鋁的0.1～0.4倍，高比剛度。

碳纖維，是一種由碳元素組成的特種纖維，它導(dǎo)電、導(dǎo)熱，并且強(qiáng)度較高，呈纖維狀，柔軟，可塑性較強(qiáng)。目前在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用遠(yuǎn)不及鋁合金，其原因主要在于碳纖維制造成本高昂，難以回收利用，并且制造過程復(fù)雜，但是如寶馬、奔馳、奧迪等這些車企都成立了關(guān)于碳纖維的研究公司，可見碳纖維有著很大的發(fā)展前景。

產(chǎn)品設(shè)計選材

本文關(guān)于防撞梁的設(shè)計將應(yīng)用在某款高端輕量化電動汽車上，該款汽車為轎車，汽車地盤較低，并且動力較強(qiáng)，這就需要保證駕駛安全的前提下將汽車的輕量化發(fā)揮到極致，所以，對于橫梁以及吸能盒均采用鋁合金材料，前防撞梁橫梁是采用鋁合金材料拉彎成型的，吸能盒則采用機(jī)加成型，安裝板以及支架同樣采用鋁合金材料，這種選材方法極大地減輕了前防撞梁總成的重量，各個零件總重量為8.037kg，如表3所示。

結(jié)論

汽車的前防撞梁是汽車重要安全部件之一，其中橫梁又是前防撞梁的核心零件，其安全性尤為重要。前防撞橫梁選用6082-T6合金鋁板，是一種可熱處理強(qiáng)化的合金鋁板，相比而言具有良好的焊接性，中等強(qiáng)度，并且耐腐蝕，質(zhì)量輕，在高速船只上應(yīng)用較多，這些優(yōu)勢同樣也適用于汽車前防撞梁，易于滿足安全性能及實現(xiàn)輕量化。

鋁合金材質(zhì)的前防撞梁在滿足設(shè)計要求的同時，其屈服強(qiáng)度、剛度以及模態(tài)均要優(yōu)于鋼制前防撞梁，并且鋁合金材質(zhì)在吸振性能上要更加優(yōu)良，提升了整車的NVH性能，可以給使用者更加直接純粹的舒適，進(jìn)而提升整車的性能。吸能盒的結(jié)構(gòu)減小了正面受力的變形量，增大了截面受力，有效的改善了吸能盒的吸能特性和潰縮特性，使整車的安全性及耐撞性得到提升。

來源：網(wǎng)絡(luò)

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