汽车前后防撞梁设计标准规范.docx

汽车前后防撞梁设计规范
一、  目标：
        指导汽车前后防撞梁总成设计；提供汽车前后防撞梁总成设计思绪。

  二、  范围：
      该规范适应于M1类车辆汽车前后防撞梁设计。关键介绍了汽车开发过程中汽车前后防撞梁总成作用及在整车中影响。首先对汽车前后防撞梁在整车中功效进行了概述，尤其是对汽车前后防撞梁碰撞性能做了具体描述；同时对汽车前后防撞梁总成设计关键点作了描述；最终对汽车前后防撞梁加工制造性作了叙述。

  三、规范性引用文件：
    下列文件对于本文件应用是必不可少。通常注日期引用文件，仅注日期版本适适用于本文件。通常不注日期引用文件，其最新版本（包含全部修改单）适适用于本文件。
GB 11551-  乘用车正面碰撞时乘员保护
GB 17354-1998  汽车前、后端保护装置
GB 2-  乘用车后碰撞燃油系统安全要求
C-NCAP 中国新车评定程序

    四、汽车前后防撞梁总成关键功效
    1、 汽车前后防撞梁总成功效概述
  汽车前后防撞梁总成，是车身第一次承受撞击力装置，也是车身中一个关键构件，其功效关键有：
   a.  保护保险杠在低速碰撞过程中尽可能不要破裂或发生永久变形。
   b.  保护车身骨架前后端纵梁在行人保护或可维修性碰撞时不发生永久变形或破裂。
   c.  在100%正面高速碰撞、后面高速碰撞时起到第一次吸能作用，在偏置碰撞中不仅起到第一次吸能作用，还能起到碰撞过程中均衡传输受力作用，预防车身左右两侧受力不均。

   2、汽车前后防撞梁总成碰撞性能概述
    前防撞梁总成碰撞性能
   前防撞梁总成碰撞性能关键需满足低速碰撞和高速碰撞两个部分法规要求。其中，
低速碰撞需满足法规要求为：  GB17354-1998  汽车前、后端保护装置。
高速碰撞需满足法规要求为：GB11551-  乘用车正面碰撞时乘员保护；
C-NCAP标准，需满足其100%正面碰撞和40%偏置碰撞要求。

3、低速碰撞对前防撞梁设计性能要求
   低速碰撞国家标准GB l7354—1998要求正撞速度为4km／h，车角碰撞速度为2.5 km／h，对车身要求就是车身本体、前防撞梁和吸能盒等不能有任何损坏，最好前保险杠也不能破裂或发生永久变形。
   在国外，从事汽车保险业务保险机构，通常采取15km／h碰撞试验来模拟最常见可维修碰撞，试验目标是要求尽可能降低零部件损坏以降低维修和保险费用。具体来说，通常要经过合理设计将损坏零件控制在翼子板、发动机罩盖、前保险杠系统、前格栅、前大灯等外表面零件和部分骨架件，比如前防撞梁和吸能盒等零件范围内。车身零体，尤其是纵梁不能产生任何变形。当然最好大灯支架、水箱上横梁等零件不要损坏，即使损坏，也要便于修复。在可维修碰撞中，合理设计传力路径是很关键，关键来说说汽车防撞梁吸能盒设计
     a、将吸能盒设计成和纵梁在同一轴线上，避免产生弯曲变形。
     b、在吸能盒上预设部分压溃筋，方便让吸能盒在轴向上发生压溃进而吸收全部能量，从而不对包含前纵梁在内车身本体产生损害。
     c、将这些轻易损坏部分骨架件，如前防撞梁和吸能盒设计成用螺栓和车身本体联结可拆卸结构，为降低维修和保险成本。

   4、  高速碰撞对前防撞梁设计性能要求
      现在设计上普遍接收和采取是将车身分为前中后3个吸能区，其中前吸能区关键由前防撞梁和吸能盒组成，利用强韧吸能材料尽可能多地经过变形吸收因撞击产生巨大能量，同时利用结构上受力连续进行左右分流并将能量向后面传输。中吸能区关键由前纵梁和副车架组成，经过合理变形来吸收大部分能量。后吸能区关键为高强度和刚度驾驶舱，设计上经过避开可能发生对乘员不利危险变形，降低正面碰撞造成对驾驶舱侵入和保持相对较低碰撞减速度，以此确保乘员安全。前中后3个吸能区是设置正面碰撞多层传力路径基础，设置正面碰撞多层传力路径目标也就是为表现3个吸能区优势，使能量能合理有效地吸收和传输。正面碰撞多层传力路径通常是3层。
    正面碰撞3层传力路径通常分为上中下3层，正面碰撞传力路径上层是由发动机舱上纵梁和前悬塔状形罩板等零件组成，吸收了部分以前部传来碰撞能量并把其它能量向A柱和前围及其加强梁进行分散传输。中层关键是由前纵梁组成，也包含了前防撞梁和吸能盒等，是关键传力路径。前防撞梁和吸能盒将接收到碰撞能量进行左右分流和初步吸收，并经过它们将能量往前纵梁延伸板、门槛、中央通道等分散传输。下层关键是由前副车架组成，吸收了部分以前部传来碰撞能量并把其它能量向前纵梁延伸板和门槛等分散传输。

  五、 汽车后防撞梁总成碰撞性能
   后防撞梁总成碰撞性能关键需满足低速碰撞和高速碰撞两个部分法规要求。其中，
低速碰撞需满足法规要求为：GB 17354-1998  汽车前、后端保护装置。
  高速碰撞需满足法规要求为：GB 2-  乘用车后碰撞燃油系统安全要求。
  低速碰撞对后防撞梁设计性能要求：后防撞梁总成需满足低速碰撞性能要求同前防撞梁总成。
  高速碰撞对后防撞梁设计性能要求：国家标准GB 2-要求：碰撞器撞击表面应平坦，高度大于800mm，撞击器表面下边缘至地面间隙应为175±25mm，后防撞梁对后碰关键贡献为利用吸能盒压溃变形吸收能量，缓解碰撞刚性变形，确保燃油箱周围安全变形空间。所以在设计后防撞梁及吸能盒时，需综合考虑下面三方面：
   a、确保基础许可变形量。许可变形量，决定了碰撞过程中平均减速度。汽车纵向变形量和平均减速度是成反比。平均减速度作为汽车结构耐碰撞性关键设计指标，在设计开始阶段就必需综合考虑确定。
   b、确保基础许可变形空间。确保许可变形空间是指汽车在发生碰撞后，变形区域不会对乘员和危险部件（如油箱、燃汽罐）形成威胁和伤害，而且包含后部许可变形区域内塑性变形不会造成在碰撞过程中车门打开、碰撞后车门锁死等情况发生。
  c、调整截面形状(经过吸能筋和加强筋部署)、厚度、尺寸和结构形式等使结构变形阻力保持在合适水平，并重视局部弱化使整车刚度分配符合设计标准及能量吸收曲线图，增大撞击吸收能量腔型结构。

   六、汽车前后防撞梁总成设计关键点概述
1.汽车前后防撞梁总成设计，关键是依据市场法规和标准来定义前防撞梁总成性能。如：法规前碰ODB定义、汽车前后防撞梁低速碰撞吸能、压溃空间、C NCAP试验ODB碰撞标准、整车性能等。为满足这些要求，我们需要对汽车前后防撞梁碰撞性能敏感性，如：汽车前后防撞梁部署高度、结构、压溃空间、截面面积、材料等进行研究。

2、整车碰撞对汽车前后防撞梁部署要求
   汽车前后防撞梁部署高度由前纵梁高度来决定，假如此高度匹配不合理会造成前纵梁在碰撞过程中压溃失稳，造成前纵梁后端大弯曲变形很可能对乘员舱侵入量过大。

   汽车前后防撞梁安装位置，除需满足上述碰撞要求相容性原理，即两车发生正面相撞时，不适宜防撞梁高度既保护不到本身，还会对对方车辆造成巨大伤害；还需要依据车身高度，轮毂直径大小来综合评定，并没有一个明确标准。通常车型安装高度在400-500mm左右，但假如超出520mm，则会对C NCAP等相关碰撞试验成绩造成影响。
    确保和周围件间隙≧10mm。前防撞梁总成通常是螺接到机舱纵梁上，误差积累大，同时车身前端安装有很多子件，故要求前防撞梁总成和周围件间隙在10mm 以上。
    在X 向预留出70mm 行人保护缓冲空间。

3 、汽车前后防撞梁总成结构形式
标准汽车前后防撞梁总成通常由防撞梁本体和吸能盒组成，部分车型还包含拖车钩螺纹管，为降低维修成本，防撞梁通常采取螺栓连接固定在车身上。

   4、前后防撞横梁结构形式
  前防撞横梁结构关键有四种方法：冷冲压不一样技术对应优化断面，有不一样程度差异。
    冷冲压拼焊前防撞横梁保持了和车身其它钣金相同制造技术，不需要单独生产线，故制造成本低廉，不足在于重量大，不便于车身轻量化。通常材料选择HC420/780DP或HC550/980DP，具体结构、材料依据车型差异及CAE分析对应选择。
    辊压成形前防撞横梁，需要一条专用辊压线，其断面为箱体结构，类似双层板，重量方面优势不大。通常材料选择HC420/780DP或HC550/980DP，料厚1.8mm，具体依据车型差异及CAE分析对应选择。依据现在供给商制造工艺限制，现在合理防撞梁半径R≥2700mm。
   热冲压前防撞横梁，需要一条专用热成形加工线及专用模具，综合成本较高，优势在于重量轻。
    铝制前防撞横梁，需要专用设备及工装，综合成本较高，优势在于重量轻。   

5、后防撞横梁结构形式
    后防撞横梁制造关键为冷冲压和铝制，冷冲压横梁通常为U形截面结构，通常材料选择HC250/450DP、HC340/590DP，具体形状、材料依据车型差异及CAE分析对应选择。

6、吸能盒设计要求
      吸能盒上通常需部署2至3条吸能筋，关键目标是便于低速碰撞时吸收足够能量，确保车身本体不被破坏。同时设计吸能筋时需遵照以下4条标准：
     a. 加强筋轴线必需垂直于受力方向，不然在振动时会引发扭转；
     b. 必需沿支撑之间最短距离部署；
     c. 采取交叉筋时，应考虑在交叉点轻易产生应力集中，相对减小了交叉点刚性，所以在交叉点要注意圆角过渡，圆角半径应大于筋宽度两倍；
     d. 加强筋形状在平或稍凸起零件上，加强筋应沿零件对角线部署，在深弯曲零件上应垂直于零件弯曲轴线。
定义防撞梁本体和吸能盒截面尺寸：Z 向高度、Y 向宽度、X 向长度： A 级车型吸能盒在X 向长度通常在120mm 左右，A0 级车型长度约在100 mm。横梁本体X 向截面尺寸受吸能盒和保险杠位置所限制，故不能取值太大，通常在55mm。能够依据钣金材料等级、整车受力大小和整车安全星级等综合原因而调整。
     吸能盒Z向高度、Y向宽度和纵梁截面基础一致，偏差小于5mm。吸能盒和纵梁中心轴线一致。

7、前拖车钩结构设计要求
    前拖车装置工作方法（如：螺接、挂钩）和部署位置；通常前拖车装置采取螺接方法。部署
位置，理论上期望拖车装置对称中心线和机舱纵梁中心重合，或偏离距离越小越好。
    挂钩或螺母套关键配合尺寸；依据整车装备质量，确定拖车装置所需要承受载荷，选择适宜螺母套及拖钩，企业现有M20 螺纹规格，不一样车型能够通用。

8、防撞梁和车身连接标准件采取8.8级M8螺栓。

  七、 防撞梁总成设计经验
1、  吸能盒螺栓固定点分布要求尽可能靠近吸能盒，均匀分布。
    四个螺栓连接点分布距吸能盒偏远，碰撞中受到扭转力或拉力作用造成前纵梁前安装板和前防撞梁安装板连接处开口。
    优化方案：将螺栓安装点靠近吸能盒安装。
2、  吸能盒和防撞梁及安装板连接必需可靠，确保连接强度。
    中心柱碰撞及偏置碰撞时因为吸能盒和安装板点焊强度不足，造成吸能盒脱落，
    优化方案：加强连接强度，将点焊改为二保焊，并增加焊接点。
3、  前纵梁前安装板和纵梁连接必需可靠，确保强度。
    偏置碰及正碰时，前纵梁前安装板和纵梁焊点强度不足，造成防撞梁车身连接板从纵梁脱落。
    优化方案：加强安装板和纵梁连接强度，增加焊接面及焊点。
4、  汽车前后防撞梁工艺制造性能
    冷冲压钢板根据其拉伸屈服强度Rp0.2可分为：一般钢（Rp0.2>120 N/mm2兆帕）、强度钢（Rp0.2>180兆帕）、高强度钢板（Rp0.2>260兆帕）、特高强度钢板（Rp0.2>340兆帕）和超高强度钢板（Rp0.2>620兆帕）。另外还有超高强度热成型钢板，其拉伸屈服强度达成1000兆帕以上，这相当于在一平方厘米面积上承受10000千克压力。汽车前后防撞梁本体在高速碰撞时因为需要承受较大冲击载荷，通常需采取屈服强度620兆帕以上超高强度钢板或更高超高强度热成型钢板；吸能盒通常需采取强度稍低特高强度钢板。
依据材料选择不一样，防撞梁本体通常采取辊压成型或热成型工艺来制作，中国因为缺乏可维修性成本碰撞法规约束，有些车型后防撞梁本体也采取一般冲压工艺。下面分别列出上述两种制作工艺优缺点：
   a.   辊压成型：相对于一般冲压工艺，辊压成型材料利用率较高、零件刚性好，可实现制作零件屈服强度高，可达620兆帕以上；不过辊压成型模具投入较大，批量生产量不大时单件成本会较高，同时因为辊压工艺先冲孔再成型工艺特点，零件孔位、型面精度通常比一般冲压零件会差。
   b.    热成型：相对于一般冲压工艺，热成型工艺零件刚性好，强度大，可实现制作零件屈服强度高，可达1000兆帕以上；不过热成型一次性设备投入很大，批量生产量不大时单件成本很高。