前防撞横梁总成设计指南.doc

奇瑞汽车股份有限公司奇瑞汽车股份有限公司 前防撞横梁总成设计指南前防撞横梁总成设计指南 编制：编制： 审核：审核： 部门批准：部门批准： 技术委员会批准：技术委员会批准： 汽车工程研究院汽车工程研究院 车身部车身部 目目 录录 第一章概述1 1.1 该指南的主要目的1 1.2 该指南的主要内容1 第二章法规对比分析1 2.1 低速碰撞法规要求1 2.1.1 政府法规试验规范简介1 2.1.2 保险协会试验规范简介.4 2.2 高速碰撞法规要求5 第三章前防撞横梁的布置设计6 3.1 前防撞横梁离地高度布置要求.6 3.2 前防撞横梁距前保蒙皮、发动机盖前缘等部件的距离.9 3.3 前防撞横梁长度要求.12 第四章前防撞横梁结构设计13 4.1 前防撞横梁的安装方式.13 4.2 前防撞横梁的工艺分类.14 4.3 前防撞横梁的截面型式.16 4.4 前防撞横梁的轨迹曲线.19 4.5 吸能盒结构设计.20 4.5.1 常见吸能盒结构.20 4.5.2 特殊吸能盒结构.22 4.6 拖车钩结构设计.23 第五章前防撞横梁的材料定义及减重24 5.1 前防撞横梁材料选用.24 5.2 前防撞横梁减重设计.25 第六章前防撞横梁的 CAE 模拟分析26 6.1 典型截面的 CAE 对比分析26 6.2 前防撞横梁总成碰撞 CAE 模拟分析27 第七章前防撞横梁的设计趋势30 7.1 高强度材料运用.30 7.2 保护系统装配集成、前端模块轻量化.30 第一章第一章 概述概述 保险杠系统由保险杠蒙皮、吸能块、防撞横梁及小腿保护梁所组成。防撞横梁总成是 保险杠系统的重要组成部分，也是车身结构的重要组成部分，它在汽车低速碰撞中起着决 定性作用，同时在高速碰撞中也起着吸能和力量传导的重要作用。 1.11.1 该指南的主要目的该指南的主要目的 使大家对防撞横梁总成的设计有一个初步的思路，对需要满足的各种条件有一个比较 全面的基本认识。该指南的撰写主要解决以下两个方面的问题: 1）防撞横梁的设计需要满足哪些法规方面的要求； 2）防撞横梁结构设计需要考虑到的因素，包括材料选用、横梁截面设计、成型工艺选 择、拖车钩结构设计、吸能盒结构设计等。 1.21.2 该指南的主要内容该指南的主要内容 该指南围绕“防撞横梁设计”这个中心环节，内容主要从以下几个方面展开： 1）法规对比分析（低速碰撞、高速碰撞） ； 2）前期概念设计布置分析； 3）防撞横梁、吸能盒、拖车钩等部件结构设计，并辅以 Benchmark 资料供参考； 4）对于设计中涉及到的零部件材料、重量、成本、以及 CAE 模拟分析等问题，也给 予相应的简要说明 5）最后对整个前防撞系统及其前端模块的发展趋势作一个简单介绍。 第二章第二章 法规对比分析法规对比分析 2.12.1 低速碰撞法规要求低速碰撞法规要求 针对不同的市场，需要满足不同的技术法规要求，因此在目标市场确定以后，就应针 对相应的市场进行法规校核，前防撞横梁布置与造型息息相关，在造型初期就应该关注布 置空间，并对布置空间进行校核和提出要求。 法规体系主要包括政府法规和保险协会评测两部分。 学习法规重点关注其测试速度、碰撞器高度、碰撞器结构特点、测试内容、实 验考察重点、实验车测试状态。 2.1.12.1.1 政府法规试验规范简介政府法规试验规范简介 不同销售市场的法规代号见下表： 销售市场法规标准号备注 欧洲ECE R 42摆锤实验（一种摆锤）/滑车 加拿大CMVSS 215 最新修订版本测试速度与 ECE R42 一致 美国NHTSA Part 581摆锤实验（二种摆锤）+刚性壁障 中国GB 17354沿袭 ECE R42 的相关规定 以上三种法规试验考察的内容基本相同： 1)照明灯和信号灯装置应能持续正常工作并清晰可见； 2)发动机盖、行李箱盖和车门能正常开闭，汽车的侧门应在碰撞的作用下不能开启； 3)供油和冷却系统应无泄漏，油路或水路不堵塞，其密封装置与油箱和水箱盖能正常 工作； 4)排气系统不应损坏和错位； 5)传动系统、悬架系统（包括轮胎） 、转向和制动系统保持良好的调整状态并能正常 工作。 各国法规对比见表 2.1，GB17354-1998 与 ECE R42 基本一致，加拿大最新修订标准 CMVSS 215June，26 2008 与美国 NHTSA Part 581October，1 2006 基本一致，表中未 列出。 表 2.1 低速碰撞法规对比 备注：正向撞击时前后两次测试位置要求 Y 向300mm，具体撞击点任意选取。 欧标采用图 2.1 所示摆锤，美标采用图 2.1 及图 2.2 所示两种摆锤，高位摆锤旨在考 察防撞横梁对发动机盖及后盖的保护情况，在布置防撞横梁时，其截面需要高出发盖或后盖 表面一定距离（X 方向极值点），即图中 L4 值，如图 2.3 所示。 图 2.1 低位摆锤（NHTSA PART 581、CMVSS 215、ECE R42） 图 2.2 高位摆锤（NHTSA PART 581、CMVSS 215） 图 2.3 高位摆锤碰撞示意图 2.1.22.1.2 保险协会试验规范简介保险协会试验规范简介 在低速碰撞法规中，除了上述国家强制标准外还有保险公司的检测规范，对比见表 说明：说明： L1：低位摆锤上端与发盖距离 L2：高位摆锤上端与发盖距离 L3：摆锤下端与防撞横梁距离 L4：高位摆锤上端与发盖实际距离(不含吸能泡沫) 若采用低位摆锤，则摆锤上端与发盖距离为 L1L3; 若采用高位摆锤，则摆锤上端与发盖距离为 L4; 高位摆锤与低位摆锤的主要区别在于高位摆锤上端突出， 减小了摆锤与车身之间的距离。 2.2。 表 2.2 低速碰撞保险协会测试规范对比 表 2.3 低速碰撞保险协会新增测试内容对比 备注：政府法规原文中测试高度是地面与摆锤中心线的距离，而保险协会的模拟保险 杠测试高度是地面与模拟保险杠下端的距离（表 2.3 已经转化为地面与模拟保险杠中心的距 离）。IIHS 刚性壁障测试是否被模拟保险杠测试取代暂未查到明确文献。 关于车辆质量定义，请查阅其它相关资料，在此不予赘述。 目前各保险协会的测试标准存在一些差异，在模拟保险杠测试中，主要是模拟保险杠 的离地高度不一样。IIHS 正碰高度为 457mm，角部 15%重叠偏置碰撞高度为 406；RCAR 前 部正碰高度为 455mm，后部正碰高度一般取 405mm 或者 455mm，其值可以结合销售市场来定； RCAR(AZT)目前仅实施了前后正碰实验，而 IIHS 则将 15%重叠偏置碰撞也引入了测试实验 中，显然在模拟保险杠测试中，IIHS 较目前 RCAR 的要求高。但在刚性壁障碰撞中，AZT 的 速度却比 IIHS 高 7 Km/h。 2.22.2 高速碰撞法规要求高速碰撞法规要求 在高速碰撞试验中前防撞横梁也参与部分吸能作用，特别是在 40%偏置碰撞中把部分 碰撞力传导到另一侧纵梁。因此，在高速碰撞中前防撞横梁的设计也是非常重要的。 下面简单总结一下各种高速碰撞法规及非官方检测规范的试验标准,见表 2.42.5： 表 2.4 高速碰撞法规 法规名称美国（FMVSS 208）欧洲（ECE R94）中国（CMVDR 294） 碰 撞 形 式 1、 正面碰撞（刚性壁） 2、30倾角倾斜刚性壁障 40%重叠，可变形壁障正面碰撞（刚性壁） 碰撞速度 48.3 Km/h56 Km/h50Km/h 国家强制性法规检测的试验方法有三种：完全正面与刚性壁碰撞，30角与刚性壁碰 撞，40%偏置与可变形壁障碰撞。除了国家强制法规外，还有非官方检测规范，如：IIHS、 各种 NCAP 等。 表 2.5 非官方检测规范 法规名称 IIHSEuroNCAPC-NCAP 碰 撞 形 式40%重叠，ODB，040%重叠，ODB，0 1、40%重叠，ODB，0，V1 2、完全重叠，刚性壁,V2 碰撞速度 64 Km/h64 Km/h V1=56 Km/h；V2=50 Km/h 在各种试验规范中，40%偏置碰撞法规或标准主要有：C-NCAP、ECE R94、EuroNCAP、IIHS。各法规和标准规定的 ODB 是相同的，因此对前保横梁的设置要 求也是相同的，如图 2.4 所示。 图 2.4 40%偏置碰撞可变形壁障 第三章第三章 前防撞横梁的布置设计前防撞横梁的布置设计 前防撞横梁的布置需要考虑各种法规试验规范要求，以达到最大的吸能效果，有效地 保护车身其它部件。 结合上述各种试验规范，前防撞横梁的布置需要考虑的因素主要有：前防撞横梁中心 离地高度、前防撞横梁横的长度（Y 向）、前防撞横梁距前保蒙皮、冷凝系统等部件的距离、 前防撞横梁距发动机盖前缘距离、前防撞横梁距大灯表面距离等。 3.13.1 前防撞横梁离地高度布置要求前防撞横梁离地高度布置要求 碰撞器主要有以下几种类型：摆锤、模拟保险杠、固定刚性壁障或移动刚性壁障（移 动小车） 。各种法规的碰撞器中心离地高度存在差别，具体见表 3.1。由于刚性壁障在高度 方向都比较长，可以不予考虑，在进行布置时，在高度方向主要考虑防撞梁是否与摆锤或 模拟保险杠达到一定的重叠量。 表 3.1 各国法规碰撞器中心离地高度表 碰撞器类型法规碰撞器中心离地高度(mm) ECE R42(欧洲)445(高度固定) GB17354-1998(中国)445(高度固定) NHTSA Part581(美国)406508(高度随测试位置变化) 摆锤 CMVSS 215（加拿大）406508(高度随测试位置变化) IIHS(美国)456(任意一侧)、507(中心位置) 模拟保险杠RCAR（汽车修理协会）455/505(根据销售市场，结合其他法规选取) 从上表可以看出，摆锤中心离地高度在 406mm508mm 范围内；模拟保险杠中心离地高 度在 455mm507mm 范围内。国标及欧标各种测试高度保持不变，布置上一般比较好满足， 美国和加拿大标准高度在一定范围内浮动，对布置空间要求明显增加，汽车修理协会的模 拟保险杠高度取值也相对固定。 由于实车与数据存在一定的误差（底盘悬架调校、整车重量误差、制造误差等），因此实 际做布置时还需要考虑整车制造误差。B 平台制造误差取 18mm，考虑两种极限情况，则北 美前防撞横梁中心线离地高度为 388mmH526mm，防撞横梁布置在 457mm 附近比较合理； 欧洲前防撞横梁中心线离地高度为 427mmH463mm，防撞横梁布置在 445mm 附近比较合 理；保险协会前防撞横梁中心线离地高度为 437mmH525mm，防撞横梁布置在 481mm 附 近比较合理；各测试规范碰撞器中心离地高度见图 3.1。 图 3.1 各测试规范碰撞器中心离地高度（已考虑 18mm 误差） 正面偏置碰撞可变形壁障高度设置见图 3.2，布置时需将高速碰撞与低速碰撞结合在 一起考虑。 200mm 330mm 试验载荷状态 下的地面线 图 3.2 40%重叠，正碰 ODB 壁障布置高度 下面以图示的方式对前防撞横梁的高度布置进行相关说明（图 3.33.5）： 图 3.3 前防撞横梁的布置 H1 随测试法规和测试位置变化而变化；重叠量 H2 一般要求 3540mm，RCAR 建议重 叠量要达到 75mm 以上，有效重叠量也与供应商的设计能力有关，目前国内防撞横梁供应商 普遍不具备设计能力，国外供应商一般要求重叠量 H2 至少达到 28mm 以上；H4 值 RCAR 要求达到 100mm 以上，一般设计到 100120mm 左右。 B 平台制造误差取 18mm（其它平台结合自身车型特点选取合适值） ，实际校核和设计过 程中需要将这一因素考虑在内。取两种极限情况进行校核，第一种情况是实车的防撞横梁 中心离地高度比理论值偏高，即整车相对抬高 18mm，校核时需要将摆锤降低 18mm（地面线 和车身数据保持不变） ，3D 数据中摆锤中心实际离地高度为 H118 mm（H1 取法规中摆锤 的最低位置） ，由此可见，理论上重叠量减少 18mm，如图 3.4 所示；第二种情况是实车的 防撞横梁中心离地高度比理论值偏低，即整车相对降低 18mm，校核时需要将摆锤升高 18mm（地面线和车身数据保持不变） ，3D 数据中摆锤中心实际离地高度为 H1+18 mm（H1 取 法规中摆锤的最高位置） ，如图 3.5 所示。 图 3.4 极小值摆锤重合度示意图 图 3.5 极大值摆锤重合度示意图 实际情况下，极小值位置容易出现摆锤重合度不够的问题，在造型和布置允许的前提 下，前期一定要尽量修改局部造型。 对于 RCAR，针对有效重叠量特别制定了一套明确的测量方法，有效重叠量要求达到 75mm 以上。有效重叠量的大小直接影响整个保险杠系统对车辆的保护效果。具体测量方法 请查阅 Rcar bumper test procedure issue1 2007。 由于重合度受横梁截面长度（Z 向） 、销售市场（法规测试高度不一致） 、碰撞器高度 调整区间、车辆实验状态（空载、加载等）影响，因此要找出适合所有市场的布置区间较 H1 摆锤中心离地高度 H2 摆锤与防撞横梁有效重叠量 H3 摆锤撞击面高度（114mm） H4 防撞横梁截面高度 难，现以北美市场举例说明如何布置防撞横梁截面 Z 向高度。 先假定防撞横梁截面 Z 向高度可做到 110mm，利用 CATIA 草图绘制功能，在整车坐标 下绘制出摆锤、模拟保险杠和 ODB 壁障高度调整区间，再根据最低允许重合度来调整横梁 截面布置区间（该例按照最低重合度 28mm 来布置） ，从图 3.6 可以看出，在优先满足摆锤测 试要求前提下，模拟保险杠的重合度最小可达到 41mm，横梁截面中心高度在 442mm472mm 之间布置均可满足要求。其他法规碰撞器中心高度基本也在该区间之类， 因此布置时优先在该区间选取，然后进行相关的法规校核，再不断调整，选取最合适的位置。 图 3.6 北美市场防撞横梁布置示意图 由于造型和其他因素的限制，防撞横梁截面不可能任意加大，进气格栅面积有相应的 技术要求，防撞横梁高度太高将影响冷凝系统的散热面积，两者需要兼顾考虑。 3.23.2 前防撞横梁距前保蒙皮、发动机盖前缘等部件的距离前防撞横梁距前保蒙皮、发动机盖前缘等部件的距离 在低速碰撞中，前保险杠系统应具备最佳的吸能效果，以求最大程度保护车辆零部件 不受损坏，保证车辆仍能顺利行驶到维修或救护站。保险公司也期望损坏的零件最少，以 降低车辆的维修成本。 前大灯局部造型中，一般要求大灯陷入前保险杠里面一定深度，以确保在 30 o 角碰中前保系统有一定的吸能空间，不至于损坏较贵的前大灯。在造型上，要避免所 有信号灯直接暴露在碰撞部位；前防撞横梁布置的有效空间也是至关重要的，在前防撞横 梁的前面需要足够的空间布置吸能块，在前防撞横梁的后面与冷凝器之间需要有足够的变 形吸能空间，否则将会直接损坏冷凝系统，对这些区域在前期造型和后期设计过程中应重 点关注。 前期数据校核和布置时，分别考察 Y=0 和 30角位置法规满足性，见图 3.7、图 3.8。 图 3.7 Section Y 位置 H0 摆锤中心离地高度 L8 摆锤与前大灯距离 图 3.8 Section 30角位置(前大灯) 布置参考值可查阅表 3.2，数据多来源于 3D 数据和拆车测量，仅供参考。 表 3.2 布置参考值（不完善，待补充） 参考值经验 值 CAMERY （美标） YARIS (美标) JD23A (美标) JD24A (美标) JD23S (美标) JD12A (欧标) 碰撞器和发盖间隙（L7） 85901851024193234 碰撞器和前大灯间隙 （L8） 7010585687271146 参考值 S18 (S01) S12S11GM (MATIZ) TOTOTA (AYGO) 碰撞器和发盖间隙（L7） 碰撞器和前大灯间隙（L8） 46748060120 H0 碰撞器中心离地高度 L1 吸能块厚度 L2 前防撞横梁截面宽度 L3 前防撞横梁与冷凝器距离 L4 前保蒙皮与中冷器距离 L5 摆锤与小腿保护梁距离 L6 防撞横梁截面前端与发盖前缘距离。 L7 前保蒙皮与发盖前沿距离 A发盖前端造型倾角（与行人膝部弯曲角相关） 在布置防撞横梁截面时，截面在 X 方向的极值需要高出发盖前缘一定距离（图 3.7 中 L6 值） ，针对欧标 ECE R42 4Km/h 碰撞速度，要求 L610mm，针对北美旧标准 NHTSA PART 581 8Km/h 碰撞速度，要求 L620mm。此值仅供参考，由于车辆和测试装置的重量不同， 需要吸收的能量大小也不尽相同，因此需要 CAE 分析验证。 由于涡轮增压发动机才配备中冷器，并且布置位置比较靠下，一般来讲摆锤测试的时 候不会碰到，但刚性壁障测试时会碰到，前防撞横梁与冷凝器距离 L3、前保蒙皮与中冷器 距离 L4 布置得越大越好，但受我司发动机尺寸影响，布置空间比较有限。表 3.3 列出了部 分车型的布置数据，仅供参考。 表 3.3 冷凝系统布置参考值（不完善，待补充） 参考值经验值 JD23A 防撞横梁与冷凝器距离（L3） 128 前保蒙皮与中冷器距离（L4） 179 吸能块对低速碰撞具有一定的贡献，从保护发动机盖的角度来讲，吸能泡沫较硬比较 好，但由于对行人保护的要求越来越高，吸能泡沫和前保蒙皮设计得偏软比较有利。吸能 块厚度，前保蒙皮与发动机盖前沿距离，以及发动机盖前沿的倾斜角度与行人上腿部保护 息息相关，前期布置应该预留充足的空间，如图 3.9 所示，表 3.4 提供了一些参考值。 行人上腿弯曲角度、膝关节剪切位移及腿部加速度受造型影响较大（法规具体要求请 查阅行人保护相关法规） ，同时吸能泡沫采用不同的材料，对这几个测量值影响也很大，因 此供应商介入得越早越好。 表 3.4 吸能块布置空间 加速度限值保护部位布置空间 L1（吸能块厚度参考 值） Tibia acc 200 g (Phase 1)上腿部45 Tibia acc 170 g (Phase 2 & Euro NCAP)上腿部75 图 3.9 行人腿部碰撞示意图 要降低加速度，减少膝部剪切位移和上腿部弯曲角度，需要不断调整吸能泡沫的材料 性能，以调整其压缩量和吸能比率，同时现在的车型大多都在小腿部位增加一个小腿保护 梁，防止行人卷入车辆底部造成更大的伤害，见图 3.10。 图 3.10 雪铁龙凯旋行人保护结构 对于 S 平台的小车来讲，30角位置还需要关注横梁与冷凝系统两侧的距离，B 平台 车型一般来说此部位空间相对来说较充裕，如图 3.11 所示。由于横梁弯曲，散热器的最左 端离横梁最近，最好也保持 30mm 左右的间距。受 A 面形状限制，横梁和保险杠的间距在接 近侧碰位置时会减小。为了安装泡沫，此距离不能太小，这和泡沫的厚度有关系，泡沫的 厚度在 10mm 以下很难生产成型，在 15mm 时可以成型，但泡沫很薄，容易断裂，影响性能， 不能达到好的吸能效果。所以在设计时，最好让此处的间距大于 20mm。 图 3.11 30角位置横梁与冷凝系统距离 3.33.3 前防撞横梁长度要求前防撞横梁长度要求 摆捶撞击 30角方向，过撞击切入点与车辆 X 轴向呈 30角做一直线，要求前防撞横 梁在 Y 向左右延伸超过所作的直线 100mm（此值偏大，由于造型影响，一般只有 40mm） ，如 图 3.12 所示。 为了减重，实际长度应该根据 CAE 分析进行调整，力求设计到最短。 图 3.12 前防撞横梁长度要求示意图 为了有效保护大灯，横梁前端表面需要高出大灯表面一定距离。理论设计尽量按此布 置，如果造型上大灯比较靠后，若吸能块可以满足要求，就不需要做出类似雅阁的结构 （30角位置额外增加一块凸出的横梁） ，如图 3.13 所示。 图 3.13 雅阁 30角碰增强结构 第四章第四章 前防撞横梁结构设计前防撞横梁结构设计 在明确车型需要满足的市场范围，确定前防撞横梁的布置方案后，进行前防撞横梁的 结构设计。在低速碰撞中，希望前防撞横梁有充分的变形，最大限度的吸收能量，在 40% 偏置碰撞中，希望前防撞横梁有足够的强度，尽量多的传导力到另一侧纵梁上，使左右纵 梁同时变形吸收能量。在某种意义上讲，也就是前防撞横梁的强度设计。 4.14.1 前防撞横梁的安装方式前防撞横梁的安装方式 在发生低速碰撞时，前防撞横梁发生损坏，为了维修方便，前防撞横梁要求设计成安 装件。目前公司已经针对前防撞横梁安装制定了统一的标准，具体标准请查阅技术委员会 制定的相关文件（关于规范各设计院保险杠横梁安装方式的通知关于规范各设计院保险杠横梁安装方式的通知） 。同时，尽量将左右安装 板，左右吸能盒设计成左右通用件，以降低成本。 安装螺栓焊接于纵梁一端的安装板上，因此所有螺柱的轴线要求与 X 轴平行，不允许 出现夹角，因出现夹角后总成转配困难。如图 4.1 所示。 图 4.1 装配状态示意图 4.24.2 前防撞横梁的工艺分类前防撞横梁的工艺分类 前防撞横梁本体一般采用三种成型工艺：冲压成型、滚轧成型和压铸成型，其中冲压 包括冷成型和热成型两种。也有部分车型采用钢管梁的形式，还有少量车型采用玻璃钢等 材料，如图 4.24.6 所示。 图 4.2 冲压冷成型前防撞横梁总成结构 1、横梁本体 2、吸能盒 3、安装板 图 4.3 冲压热成型前防撞横梁总成结构 图 4.4 滚压成型前防撞横梁总成结构 图 4.5 压铸成型前防撞横梁总成结构（合金材料） 图 4.6 钢管焊接前防撞横梁总成结构（长安铃木雨燕） 冲压成型是由钣金冲压后再焊接而成，优点在于结构灵活，可变截面设计。缺点是材 料利用率低，由多个零件焊接而成，工序多，工装多，重量较重。高强度钣金冲压成型困 难，不利于选用具有高屈服强度的材料。为了解决这个难题，目前一些车型开始采用热成 型件。热成型工艺可以成型屈服强度在 1200MPa 以上的材料，由于解决了高强度钢板冲压 成型的问题，因此整个前防撞横梁的结构可以相对简化，达到减重和提高强度的双重要求。 但是热成型件工艺相对冷成型要复杂得多，投入工装费用也很高。 滚轧成型是由钣金等截面由滚轧模具滚压成型，优点在于材料利用率高，可设计成单 个零件，重量轻，可适用于特高强度的钣金成型。滚轧成型已经被越来越广泛的应用，缺 点在于难于实现变截面设计。 各种工艺有着不同的优缺点，根据车型销售市场和定价，选用合适的工艺。 4.34.3 前防撞横梁的截面型式前防撞横梁的截面型式 前防撞横梁的截面形式多样，冲压成型对截面限制较少，可以变截面设计，热成型钣 金型面设计比冷成型更灵活，可以根据需要调整型面。滚压成型由于等截面的要求，截面 形状相对规整，常见的截面形状如图 4.7 所示。 图 4.7 滚压成型截面形状 一般采用第一种截面形式的比较多，其强度也比较高，因此也被广泛采用。在保证冷 凝器与前防撞横梁、前保蒙皮与前防撞横梁之间的空间足够的前提下，前防撞横梁的截面 设计得越大越好。在 Z 方向的高度不能影响迎风面积，在设计截面大小时可参考样车的截 面大小，设计时可初步设计为 H=120mm，B= 85mm，根据 CAE 碰撞分析的结果适当调整截面 高度和宽度，在满足要求的情况下尽量减小截面，以节约成本和减重。 当出现摆锤重合度不够的情况后，可采用图 4.8 所示的结构，在横梁本体下端烧焊摆 锤捕捉板。 图 4.8 摆锤捕捉板示意图（B22 Rear Bumper Beam） 当出现与其他部件干涉的情况时，可考虑滚压成型后再切除或压扁干涉部位，如图 4.9 所示。 图 4.9 干涉处理方法 横梁本体截面一般设计成封闭截面，这样可以大大提高强度，增加吸能比率。表 4.1、4.2 列出了部分车型的横梁本体截面形式和尺寸，可供参考。 表 4.1 B 平台前防撞横梁截面（Y=0 Section） 车型 B12B13B14B21B22B23 截 面 示 意 图 成型冲压滚压滚压冲压滚压冲压 表 4.2 其它车型前防撞横梁截面（Y=0 Section） 车型 CamryLexusM11 截 面 示 意 图 图 4.104.12 为几款前防撞横梁总成，结构可供参考。 图 4.10 热成热防撞横梁（Benter Design） 图 4.11 滚压成型防撞横梁 图 4.12 压铸成型防撞横梁（Hydro Design） 备注：此节仅列出常见横梁截面形状，未对各种截面进行对比分析，不同的截面，以及 不同的截面尺寸设计，其性能存在较大差异。关于截面分析，请参阅本指南第六章前防撞 横梁的 CAE 模拟分析。 4.44.4 前防撞横梁的轨迹曲线前防撞横梁的轨迹曲线 横梁 Y 方向引导线主要受外部造型和行人保护吸能泡沫厚度两个因素影响，引导线的 设计的一般思路如下： 1、布置好前防撞横梁中心线高度后，在此高度作一平行于 XY 平面的辅助平面 ，用 此平面与前保蒙皮相交，得出一条交线，将该交线沿+X 方向偏移足够距离（吸能块的厚度） ，一般可初步设计为 95mm，吸能块空间可适当减小（根据 CAE 分析不断调整） ，偏移后的 交线与 XZ 平面相交得出交点 A。 2、30角碰撞区域吸能块厚度一般要求不小于 60mm，将摆锤与前保蒙皮的接触点沿 摆锤撞击面的法线方向移动 60mm，得到点 B(点 B 有可能不在辅助平面 上，此时需要将 其沿 Z 向投影到该平面上)，然后以 XZ 平面镜像得出点 C，在辅助平面 内作一个圆，使 A、B、C 三点在圆周上，即得出引导线。可适当调整 A、B 两点位置，使圆的半径尽可能为 整数，以方便制造。 3、根据选择好的截面沿引导线扫掠，即可得到横梁的主体数据。注意为满足 30角 碰撞，引导线需要延伸超过碰撞点 100mm（实际上由于造型的影响往往很难达到 100mm，尽 可能做大） 。 备注：对于滚压或压铸件，一般均采用等曲率弧线作为引导线，为了避让其他部件或其 他需要，后期再采用切除和压扁等工序作进一步加工处理。横梁中间一段设计成弧形或者与 Y 轴平行，谁更有利于碰撞吸能，并没有确凿的数据可以证明，因此设计时建议主要根据布 置空间来定。 4.54.5 吸能盒结构设计吸能盒结构设计 由于低速碰撞要求车身部件发生碰撞以后可维修，因此前纵梁不允许有大的变形。也 即只允许防撞横梁和吸能盒发生变形，这就要求吸能盒的抗载能力低于前纵梁。针对每个 车型，由于前纵梁的截面大小，材料选用以及车身质量等因素不一致，因此纵梁抗载能力存 在差别，需要结合 CAE 对该车型纵梁的抗载能力分析来设计吸能盒。 4.5.14.5.1 常见吸能盒结构常见吸能盒结构 吸能盒截面形式多样，有正方形、长方形、多边形等，其长度主要结合整车布置来设 定，部分车型由于布置的影响，没有了吸能盒的布置空间，这不利于低速碰撞。因此布置 上要尽量避免出现这种情况。初始设计截面大小可根据纵梁截面来确定，后期根据 CAE 分 析结果调整材料、料厚以及溃缩引导筋，为了利于压溃，吸能盒一般设计成倒金字塔形状， 吸能盒的理想压溃状态如图 4.13 所示。 图 4.13 吸能盒理想变形模式 表 4.3 列出了部分车型的吸能盒结构供参考 序号车型材料 1 雪铁龙凯旋铝合金 2 本田雅阁（无吸 能盒） 3 雷诺新风景二代钢材（材料信息不详） （通过螺栓与横梁本 体连接） 4 雪佛兰科鲁兹铝合金 5 宝马 E60材料信息不详（通过 螺栓与铝合金横梁本 体连接） 6 奔驰 Smart钢材（材料信息不详） 7 沃尔沃 C70钢材（材料信息不详） 4.5.24.5.2 特殊吸能盒结构特殊吸能盒结构 新 Audi A6 保险杠由一个铝制横梁构成，该横梁通过新开发的专用安全支架用螺栓固 定在纵梁上。专用安全支架也称为剪力匣，它在车辆发生正面碰撞和稍呈对角方向的碰撞 时，通过剪切作用来吸收碰撞能量。在车速不超过 15 Km/h 的情况下，专用安全支架可以 防止位于其后的车辆焊接结构受到严重损坏。在发生对角方向的碰撞时，撞击的能量通过 保险杠的弯曲和变形来吸收，如图 4.144.15 所示。 图 4.14 Audi A6 前碰吸能盒 图 4.15 Audi A6 And A4 后碰吸能盒 Audi A4 前碰撞吸能盒采用可退缩式结构,具体是采用液压缸或挤压式机械结构还不明 确，如图 4.16 所示。该结构作用与 A6 相同，在车速不超过 15 Km/h 的情况下，该退缩机 构可以防止位于其后的车辆焊接结构受到严重损坏，在发生对角方向的碰撞时，撞击的能 量通过保险杠的弯曲和变形来吸收，如图 4.16。 图 4.16 Audi A4 前碰吸能盒 4.64.6 拖车钩结构设计拖车钩结构设计 拖车钩有相应法规要求（77/389/EEC） ，拖钩沿车身纵向受拉力或压力，受力大小要求 最少大于车身满载重量的一半，拖车钩安装套管不超出车身，在牵引过程中，不能对拖钩 或拖绳造成损坏，结构上要求快速安装，方便快捷，拖钩开口尺寸不得小于 25mm。为了尽 量降低防撞横梁的变形，拖车钩安装点设计时尽量靠近吸能盒一侧，目前多数车型设计在 吸能盒位置，前拖车钩也常设计在副车架上（与副车架结构有关） 。概念数据设计后需要 CAE 分析其强度是否满足要求，如图 4.17 所示。现在大多数车型拖钩安装以后，钩子部位 均位于前保蒙皮以外，因此挂钩不会与蒙皮干涉，当挂钩位于蒙皮里面以后，需要校核牵 引绳索是否与蒙皮干涉（Y、Z 向各 30） 。表 4.4 列出了其他车型拖钩布置情况，供参考。 加载工况（满载质量的 1/2）目标值 F1=0o压应力 F2=0o拉应力 残余变形 3mm 拖钩强度要求F3=30o拉应力残余变形6mm 图 4.17 CAE 模拟分析工况 表 4.4 其它车型前拖车钩结构 车型 M11B22B21/B12/B25 图 片 位置布置在吸能盒位置横梁本体上副车架上 车型雪铁龙凯旋斯柯达明锐奔驰 Smart雪铁龙凯旋 图 片 位置横梁本体上靠近吸能盒吸能盒靠近吸能盒 拖钩安装螺纹管优先考虑沿用其他车型，螺纹直径大小根据车辆重量，参照各平台其 他车型选取。目前公司大部分车型安装螺纹管结构不合理，一方面导致螺母焊接易变形， 拖车钩难以拧入；另一方面拖车钩受力条件不好，容易弯曲。建议后序车型将螺纹孔设计 成阶梯孔，如图 4.18 所示。在安装时光孔部位可以用来导向和定位，当拖车存在一定角度 时，通过该孔与拖车钩圆柱体外壁配合，受力情况将得到改善，不会出现从螺纹根部弯曲 的现象，如图 4.19 所示。 图 4.18 螺纹管结构 图 4.19 拖车钩变形情况 第五章第五章 前防撞横梁的材料定义及减重前防撞横梁的材料定义及减重 前防撞横梁总成主要由横梁本体和吸能盒两部分组成，材料定义没有明确的规定，需 要根据销售市场、成本以及 CAE 分析来定。在此仅罗列一些车型的 Benchmark 数据供参考。 5.15.1 前防撞横梁材料选用前防撞横梁材料选用 前防撞横梁强度，是保险杠设计中需要关注的焦点。主横梁的作用是将任何形式的偏 置碰撞产生的能量，尽可能均匀地分布到两个吸能元件上，使能量最大限度均匀地被吸能 元件吸收，并将碰撞力均匀传递到两个纵梁。 显而易见，高强度的横梁更有利于碰撞能量的均匀分布。但在设计中，不可能通过无 限制增加钢材厚度达到增加强度的目的。出于节油考虑，目前各个汽车生产厂商对整车重 量控制越来越严格。一般情况下，前防撞横梁的分配重量占整车重量的 0.3左右。 如何找到这个平衡点，需要通过 CAE 计算来决定。在欧洲，横梁的钢材普遍使用抗拉 强度高达 12001300MPa 的钢材。例如大众保罗、途安前横梁用的是热成型 1300MPa 高强 度钢。根据 CAE 计算结果，如果用 420MPa 的中等强度钢等效替代厚度至少要达到 6mm，其 重量将大大增加。由此可见，为了解决强度和重量的矛盾，高强度钢在前防撞横梁中的应 用具有非常积极的意义。表 5.1 列出了奇瑞部分车型前防撞横梁总成的材料定义，可供设 计参考。 表 5.1 B 平台部分车型前防撞横梁总成材料定义 车型 B12B21 截面 示意 图 成型工艺冷冲压冷冲压 目标市场中国/欧洲中国/欧洲 材料 料厚 1、 外板 B340/590DP/1.5 2、 内板 B340/590DP/2.0 3、 加强板 B400/780DP/1.8 4、 吸能盒本体 SPHE/1.8 5、 横梁总成安装板 QSTE420/3.5 1、 外板 H340LAD+Z/1.8 2、 内板 H340LAD+Z/1.5 3、 吸能盒本体 H340LAD+Z/3.0 4、 横梁总成安装板 H340LAD+Z/1.8 车型 B13B14B22B23 截面 示意 图 成型滚压滚压滚压冲压 目标 市场 中国/欧洲中国/欧洲中国/欧洲中国/欧洲 材料 料厚 1、横梁本体 B340/590DP/2.0 1、横梁本体 B340/590DP/2.0 1、横梁本体 DOC190M(1300Mpa) 2、安装板 HSLA steel（344Mpa） 1、外板 H260YD+Z 100/2S/1.2 2、内板 H260YD+Z 100/2S/1.8 3、吸能盒本体 H260YD+Z 100/2S/1.5 4、横梁总成安装板 B340LA/2.0 5.25.2 前防撞横梁减重设计前防撞横梁减重设计 前防撞横梁减重主要从材料厚度入手，由于冷成型的局限性，材料屈服强度越高，成 型越困难，因此选材一般都在 B400/780DP 以下，要提高整个横梁的性能，往往需要增加加 强板，由内板、外板、加强板构成封闭截面，由于零件多，因此减重困难。热成型可以加 工屈服强度更高的材料，在减小材料厚度的情况下，同时可以提升横梁的性能。滚压成型 也可以加工屈服强度较高的材料，滚压成型后通过焊接形成封闭的截面，同样可以在减薄 料厚的情况下达到提升横梁性能的目的。从结构上入手，可以考虑开设部分减重孔。 减重需要 CAE 的分析指导，是个不断优化的过程，在满足性能的前提下，将料厚调整 到最佳值。 第六章第六章 前防撞横梁的前防撞横梁的 CAECAE 模拟分析模拟分析 6.16.1 典型截面的典型截面的 CAECAE 对比分析对比分析 CAE 部对几种常见的保险杠横梁截面的力学特性作了对比分析，并结合车辆轻量化的 要求，对其中一种典型截面参数进行了优化分析，讨论了截面形状和板厚对截面抗弯系数 的影响。 图 6.1 为几种常见的保险杠横梁的截面形状，其中 a、b、c 采用冲压工艺实现，d 采 用辊压工艺实现，e 采用压铸工艺实现。 （a） （b） （c） （d） （e） 图 6.1 各种典型的保险杠横梁截面形状 图 6.2 优化前的截面 图 6.3 优化后的截面 图 6.1 中各截面均为对称结构，截面的参数如图 6.2 所示，A 为半截面的高，C 为截面 的宽度，D 为焊接边的宽度，V1、V2 为内板凸起的高度和宽度。一般情况下，参数 A 和 C 受造型、总布置的限制，设计时这两个参数都是确定下来的。在上述的几种截面中，对应 的参数都相同。取 A45mm，C45mm，D15mm，V120mm，V230mm，板厚 t1.5mm。 应用 Hypermesh 软件中的 Hyperbeam 功能，计算出上述几种保险杠横梁截面的截面参数如 表 6.1 所示。 表 6.1 几种保险杠横梁截面的截面参数 abcde IZ (mm4)100888194354185723150111182251 ymax (mm)28.928626.454523.923123.863622.5 WZ (mm3)3487.57346.717763.36290.368100.03 S (mm2)315495585495540 WZ/S(mm)11.0714.8413.2712.7115.00 其中，IZ为绕 z 轴的惯性矩，ymax为截面在 y 方向上离形心的最长距离，WZ为抗弯截 面系数，S 为围成截面的材料的面积。x，y，z 为过形心的主轴，其中，高度方向为 z 轴， 宽度方向为 y 轴，截面关于 y 轴对称。WZ/S 可以简单的理解为单位面积上的抗弯截面系数。 从表 6.1 中的数据可以看出，截面 e 的抗弯截面系数最大，但考虑到工艺方面的因素， 截面 b 和 c 在实际中的使用要比截面 e 广泛一些，其中截面 b 的应用最为普遍。 通过上述的计算分析，可以得到下面的结论和经验。 在相同的布置空间和板厚下，截面 e 的抗弯截面系数最大，截面 a 最小。因此在设计 截面时，尽可能的设计成封闭截面。在实际生产中，由于工艺的简便性和容易实现轻量化， 截面 b 和 c 的应用最为广泛。 6.26.2 前防撞横梁总成碰撞前防撞横梁总成碰撞 CAECAE 模拟分析模拟分析 前防撞横梁的设计并不是单独的，它是前保险杠系统设计的一部分。因此，前防撞横 梁需要和吸能泡沫结合在一起考虑，设计出前保险杠系统最大的吸能效果，最大限度地保 护照明灯、信号装置及冷系统等，满足低速碰撞和行人保护的法规要求。要做到这些，需 要 CAE 部门和供应商的大力支持和协作，在此仅对涉及到的相关问题作一个简要说明。 前保险杠系统满足法规设计中，以加拿大 CMVSS 215 要求最高，其次是 NHTSA Part581，最后是 ECE 42。因此，在针对不同的市场前保险杠系统可以设计成不一样，这 样可以节省成本。 前保险杠系统满足保险公司规范设计中，无论是 Allianz 还是 IIHS 的试验规范，都是 以前保险系统最大吸能效果为设计原则，最大限度保护车辆其它零部件的损伤程度最小， 从而最大限度地减小维修成本。 Allianz 是 40%偏置以 16Km/h 的速度与刚性壁障碰撞，碰撞后车体不可避免的会产生 变形，涉及到外表件损坏一般会包括：发动机盖、前翼子板、前格栅、前大灯、前雾灯等， 发动机舱内零部件包括：冷凝器、散热器、布置在纵梁前部的部分发动机附件及电器元件 等。参见图 6.4 所示的 CAE 模拟分析。 图 6.4 碰撞后发动机舱零件的损伤情况 在维修方面，要求发动机盖及前翼子板变形小，维修方便，前大灯及前雾灯等重要电 器元件在车体形变后，电器主体元件不被损坏，这是由电器元件自己结构设计及安装点设 计决定的。另外，发动机舱内碰撞区域内尽量不要布置贵重的零件，以避免维修费用的提 高。 在吸能方面主要考察前保险杠系统及前纵梁的吸能效果，特别是吸能盒充分变形吸收 能量，允许前纵梁的前部发生部分变形而参与部分能量的吸收，