浅谈汽车铝合金防撞梁设计应用

宋小宁+钱钧+王耘+吴向东+马建峰

摘 要：随着汽车工业不断发展，国家法律法规的不断完善，汽车轻量化已成为汽车发展的主要方向，也是降低汽车排放、降低油耗的有效措施。防撞梁作为汽车前、后保护装置的重要组成部分，在车辆发生低速碰撞时能有效吸收碰撞能量，保护车辆，降低维修成本。传统防撞梁多采用高强板冲焊而成，重量较重。文章主要研究一款铝合金前防撞梁的结构设计，通过对比分析其性能优于高强板件，满足整车低速碰撞等性能要求，且有效降低了产品重量，实现轻量化。

关键词：防撞梁；前后端保护装置；低速碰撞；铝合金；轻量化

中图分类号：U466 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）32-0131-02

引言

防撞梁是汽车前、后端保护装置的重要组成部分，在车辆发生低速碰撞时，防撞梁部分可以将碰撞能量及时传递至左右吸能盒等吸能部件，充分吸收碰撞能量，降低车辆低速碰撞受损程度，起到保护车辆前后端车灯、锁体、冷却系统等主要部件的作用。

传统防撞梁多采用高强板冲焊而成，工序复杂，重量较重。而铝合金密度仅为钢材的1/3，用铝合金材料代替传统的钢制材料，可有效实现约40%减重率，实现车身系统的轻量化设计。本文以一款铝制前防撞梁为例，重点介绍了铝制防撞梁的结构设计及优化措施，通过与传统钢制防撞梁的对比分析，得出铝制防撞梁在实现轻量化的同时能满足整车低速碰撞的性能要求。

1 铝合金防撞梁介绍

1.1 铝合金防撞梁主要构成

车辆的前后保护装置主要包括保险杠总成、防撞梁总成、吸能垫。防撞梁总成为主要的吸能部件，铝合金防撞梁总成基本构成与传统件相同，主要包括防撞横梁、左右吸能盒、左右安装基板、拖钩套筒及支架类。各部件间主要通常是通过焊接、螺栓固定两大工艺进行连接（图1）。其中防撞横梁、吸能盒为主要的吸能部件，其结构设计尤为重要。

1.2 铝合金防撞梁工艺

鋁合金防撞横梁主要是将挤压型材经过锯切、弯曲、铣削等工序加工成型后，再进行热处理，最后焊接或螺栓连接而成。有些产品还会根据外观需要对其进行表面阳极氧化、喷涂等处理，以满足耐磨性和光洁度等要求。铝合金防撞梁总成具体工艺过程如下：

型材坯料——锯切——弯曲成型——冲孔修边——焊接——清洗——时效处理——钻洗切削——焊接/装配——成品检验。

2 一款铝合金防撞梁的设计

以江淮汽车某轻量化项目为例，以成熟的钢制件性能为目标，通过对比分析，重点介绍了铝合金防撞梁设计过程及CAE分析、实验验证等。该车型为一款7座MPV，现有前防撞梁总成为传统钢制件，防撞横梁料厚为1.5mm，断面结构形式为“C”，重量为5.5kg。铝合金轻量化防撞梁是基于安装方式不变的前提下进行相关设计。

2.1 铝合金防撞梁外轮廓尺寸设计

按照GB 17354汽车前后端保护装置法规要求，碰撞基准高度为445mm，在此高度上，车辆无论处于整车整备质量状态时或是处于加载试验车质量状态时均具有有效的保护装置。所以在铝合金防撞梁设计中首先根据该MPV车型整备质量姿态、加载姿态的地面线确认防撞梁在整车的布置位置。同时以满足该车型前保险杠造型为前提，通过布置分析，为了确保在实际碰撞中防撞梁能有效吸能，最终确定了防撞横梁Z向轮廓尺寸100mm，X向轮廓尺寸为40mm，Y向轮廓尺寸为1080mm。

2.2 铝合金防撞梁主断面设计

整车碰撞过程中，防撞横梁主要将碰撞能量传递到吸能盒上，所以对横梁强度要求比较高。通常铝合金防撞横梁断面多为多腔形，以“日”字形、“田”字形居多。基本料厚多为2.5mm。材料多采用6系或7系的合金挤压型材，例如6082、6351、7A53等系列。吸能盒主要通过自身的压溃变形将碰撞中产生的能量转换成内能，且抗载能力需低于前纵梁，故要选用具备较好吸能性的材料，例如常用的6063、 6060，典型断面为“口”字形、“日”字形、六边形等。基本料厚2.2mm至3.0mm。基板和拖钩套要求具有较高的承载能力，多采用6063、6082、6060等材料，基本料厚约4mm至5mm。

在该MPV车型铝合金防撞梁设计中，首先以钢制横梁最大承载力9.2kN为目标值，通过不断优化截面、料厚，通过与钢制件对比分析，最终设计铝合金防撞横梁截面为“日”字型，左右吸能盒截面为“口”字形。各零部件材料、料厚清单如表1。通过理论计算，铝合金相对钢制防撞梁减重2.22kg，减重率达40.4%。

2.3 铝合金防撞梁结构设计

确定了防撞横梁、左右吸能盒截面，主要结合前保险杠型面及纵梁面前后空间来设计前防撞横梁弧度、吸能盒长度，最终完成铝合金防撞梁结构设计。该MPV车型防撞横梁弧度约达R2000。同时为了满足基本成型工艺要求，结构设计中主要设计要点如下：（1）为了满足挤压铝合金成型工艺，防撞横梁、左右吸能盒的最小圆角均设计为R3，方便成型。（2）为了满足横梁与吸能盒焊接工艺要求，焊接边宽度设计≥8mm。（3）为了满足焊接时焊接枪头部操作空间，焊枪头周边安全间隙≥8mm。（4）该车型的铝合金前防撞梁因需要布置整车拖钩套筒，在“日”字型防撞梁横梁设计时要结合整车拖钩布置高度进行相应避让。（5）为了确保与钢制防撞梁装配通用性，铝合金防撞梁仍采用8个螺栓与前纵梁固定，螺栓表面的锌铝涂层处理会生成氧化膜，具备自修复功能，且铝合金防撞梁与金属纵梁板之间通过塑料前端模块相隔，避免因电位差导致腐蚀，具备良好的耐腐蚀性。

2.4 铝合金防撞梁焊接工艺

铝合金焊接形式主要有MIG焊接、TIG焊接、冷敷金属焊接CMT等，该MPV车型铝合金前防撞梁总成主要采用脉冲MIG焊接，其优点在于可控制脉冲式送丝，可实现无焊渣无飞溅焊接；数字式焊接系统，焊接温度冷热交替，大大降低焊接热的产生，减少被焊接件的热变形；可设置熔滴的参数，实现更好的焊缝厚度过渡。设计中主要结合产品本身结构，综合考虑产品总成焊接方便性制定焊接工序，具体如下：

拖钩套筒与防撞横梁焊接——左吸能盒与防撞横梁焊接——右吸能盒与防撞横梁焊接——左安装板与防撞横梁焊接——右安装板与防撞横梁焊接。

2.5 铝合金前防撞梁CAE分析

完成了铝合金前防撞梁空间布置分析及结构设计后，借助于计算机辅助计算进行相关分析。经过分析，铝合金前防撞梁拖钩强度满足GB32087-2015《轻型汽车牵引装置》中10种工况，残余位移均小于1mm，塑性应变小于1%。因其封闭多腔的结构特征，拖钩强度性能相对传统钢制件更优。同时也满足GB 17354《汽车前后端保护装置》法规要求，具体分析结果见表2。

2.6 铝合金前防撞梁实验验证

通过实验验证，该MPV车型铝合金前防撞梁焊接强度、拖钩强度、碰撞性能、耐腐蚀性能等均满足整车性能要求。

3 结束语

本文主要论述了一款MPV车型铝合金前防撞梁的设计应用。铝合金前防撞梁技术就是通过铝合金材料代替传统的钢制件，通过截面、料厚等结构优化设计，在满足产品综合性能的前提下有效实现产品轻量化设计，减重率达30%～40%。且通过实验验证，该铝合金前防撞梁满足整车性能要求，为后续车型轻量化开发提供一定参考。

参考文献：

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