基于正面碰撞的承载式车身前纵梁修复研究

白海，黄镇财，孟利清

（1.西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224；2.柳州职业技术学院汽车工程系，广西 柳州 545006）

基于正面碰撞的承载式车身前纵梁修复研究

白海1，黄镇财2，孟利清1

（1.西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 650224；2.柳州职业技术学院汽车工程系，广西 柳州 545006）

前纵梁是承载式车身的重要构件，在车辆正面碰撞事故中担负主要的吸能作用。汽车前纵梁碰撞损坏修复是事故车修复中很重要的维修工艺，常需要维修人员掌握多方面的知识。车身修复人员要保证车辆修复后不但能恢复外观的基本形状和尺寸，而且能最大限度地保证原车身的安全特性和抗碰撞性能。

承载式车身；正面碰撞；车身修复；前纵梁

CLC NO.: U472.41 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-122-04

引言

当前，绝大多数轿车和一些大型客车都以承载式车身为主要的车身结构，为了吸收碰撞时的能量，承载式车身通常设计成通过车身构件的折叠和破裂来吸收冲击能量[1]。作为承载式车身的重要构件，前纵梁在车辆正面碰撞事故中担负主要的吸能作用[2-3]。如何科学修复前纵梁碰撞损坏并最大限度地保证原车身的安全特性和抗碰撞性能，成为当前亟待解决的问题。

1、承载式车身正面结构分析

承载式车身结构取消了车架，而以车身兼起车架的作用，即将所有部件固定在车身上，所有的力也由车身来承受。承载式车身先经冲压薄金属材料板成形，然后采用焊接连接而成。它通常设计成通过车身构件的折叠和破裂来吸收冲击能量。碰撞时的大部分冲击能量由金属材料板件吸收，而碰撞冲击波的影响，是通过车身构件传递的。

通常，整个车身壳体按强度等级分为三部分，图1中A、B、C分别代表车身前部、中部及后部。为了保证车内人员的人身安全，车身在设计时，使乘客室尽可能具有最大的刚度，而使车身前部和后部具有较大的韧性。

前车身主要由前翼子板、前纵梁、前围板、前轮罩、发动机罩、发动机安装支撑架以及前保险杠等构件组成。大多数轿车的前部装有前悬架、转向装置和发动机总成。车身发生正面碰撞时，吸收碰撞能量的部件主要是车身前纵梁、前横梁、吸能盒等，三者的连接关系如图2所示。

前防撞梁位于白车身的最前端，在塑料保险杠壳体的后边，通过吸能盒和纵梁相连。在低速碰撞时，防撞梁通过其本身高强度的结构，将能量分散给吸能盒，以减轻车辆的损坏程度，进而降低维修成本。在高速碰撞时，防撞梁将碰撞能量均匀传递给左右纵梁等主要的承受部件。在碰撞过程中前防撞梁不能发生断裂失效，否则就不能在关键时刻起到传递和分解力的作用，所以防撞梁本身应该具有极高的强度。图3所示为正面碰撞时撞击力经过防撞梁的分解作用后的传递路线。

吸能盒的主要作用就是吸收撞击能量，以减少撞击对乘员的伤害。前防撞梁一般是和吸能盒焊接到一起后，通过螺栓连接到纵梁上。吸能盒的强度要适当的软，这样才能在碰撞中起到首先产生变形进而吸能的作用。吸能盒由开有很多溃缩槽的钢制材料制成，以降低局部强度，达到能在设定好的部位变形以吸收碰撞能量的目的。

前纵梁是前车身最主要的吸能部件，它直接焊接在车身下部，其上再焊接轮罩等构件（有的前轮罩与前纵梁为一体式）。纵梁构件的设计思路是尽可能地让它沿着轴向压溃变形，以控制弯曲变形量，从而获得满意的碰撞吸能效果。

2、汽车正面碰撞理论

根据汽车事故数据统计，碰撞事故包括正面碰撞、侧面碰撞、翻滚、追尾等。汽车前部正面碰撞的比率占总事故的67%左右，因此正面碰撞对生命的危害性也是最大的。而在正面碰撞时，动能主要通过车身前部的塑性变形来吸收，因此研究车身变形吸能区域时，要将重点放在车身前部，即发动机舱的“压溃区”， 车身前纵梁、前防撞横梁、车身轮罩等是影响车辆前部正面碰撞吸能性能的主要部件[4]。车辆正面碰撞的理想特性如图4所示，图中显示了正面碰撞中，车身前部的三个变形吸能区段以及各自的作用。

(1) 第一区段为行人保护和车辆低速防护区。在该区段内，车辆的变形及受冲击力都比较小，以利于保护行人和车辆。此区域前部是前保险杠的外表面，光滑柔软的塑料蒙皮能够减少被撞行人受到的伤害；中部是可变形的塑料骨架；内部是前防撞横梁，采用刚性金属骨架结构，可为车辆前车身提供有效的低速保护。

(2) 第二区段为相容区，即车辆中速碰撞吸能区。该区段的设计必须确保不同质量的两车相撞时，能在两个撞区产生最佳的能量分布，且变形力值应均匀，即在中速碰撞过程中，能量被均匀地吸收，尽量降低撞击加速度峰值。综合考虑，将车辆前车身设计的“软”一些，这样，正面碰撞的能量靠前车身的变形来吸收，并通过纵梁将撞击力导入乘客室底板总成中。

(3) 第三区段为自我保护区。在高速碰撞时，该区段保证汽车乘员室具有自身保护能力，车身结构在这个区段应有较大的刚度，从悬架到车身前围板之间的变形力急剧上升，阻止变形扩展到乘客室。在结构上，要将乘客室设计的相对强些，保证在碰撞过程中为乘员提供足够的生存空间。相应的，汽车前部的发动机、变速器等动力总成必须采用相应的措施，使其向下转移，而不致侵入乘客室。

在正面碰撞事故中，车身前部结构吸收的能量约占80%，驱动部件和车身前围板各占约10%。车身前部机构吸收的能量中，约有70%分配给车身前纵梁，25%分配给车身前防撞横梁和车身轮罩，5%分配给车身翼子板和发动机罩[5]。由此可见，前纵梁在吸收车身正面碰撞能量中起到举足轻重的作用。

前纵梁的前端位于第一变形区段内，设置有易于轴向压溃的结构，例如吸能盒。前纵梁的前部和中部位于第二变形区段内，这部分前纵梁设计成笔直的，采用不等厚钢板材质。一般来说，纵梁的中部采用高强度钢材的大截面设计，整体强度较前部大的多，这样的话，在前端吸能盒未完全变形时，保证纵梁中部不变形，从而达到逐级吸能的目的。前纵梁的后部则位于第三变形区段，这部分前纵梁采用更高强度的钢板且增加了板厚，一般设计成向下弯曲的形状。此外，为了抵御局部弯曲变形，还会在弯曲部位设置加强筋，此处是极易变形但又不能严重变形的区域。

3、承载式车身前纵梁的修复

通过上述分析可知，汽车前纵梁碰撞损伤修复是事故车修复中非常重要的维修工艺。对于轻微碰撞事故，只需要简单的钣金整形及涂装就可以了，但如果是严重的事故，前纵梁变形较大，这时就需要采取比较复杂的校正或更换工艺。

3.1 承载式车身前纵梁的拉伸校正

对于弯折变形不很严重的前纵梁而言，其校正修复从测量开始。车身相关零部件拆解之后，使用车身电子测量设备对受损部位进行检测，找到车身中部前后没有受到变形影响的4个点，调平车身并根据维修手册确定车身高度设计基准面，对比基准点的实际高度尺寸，推测车身高度实际基准面，然后测量受损部位的实际尺寸，并与维修手册给的标准尺寸进行对比，确定前纵梁的损伤范围并制定维修方案[6]。

车身校正时，需遵循的基本原则有两点：一是“后进先出”原则，即对整车维修或某个部件的维修过程中，先维修间接损伤，再维修直接损伤。二是“先里后外”原则，即先维修中段，再维修前段和后段；先维修纵向的变形，再维修侧面的变形[7]。

进行拉伸校正的具体操作步骤如下。

首先，要对车身进行固定，可使用通用定位夹具固定受损车身的前纵梁。进行拉伸校正时，为了防止车体移动，在实施基本固定的前提下，应当根据产生推、拉作用力的作业点和方向，对分散推、拉作用力等位置的支点进行辅助固定，以防二次损伤的产生。

接着，按照与碰撞力相反的方向进行粗拉伸。要按照从里往外、从中间往两边以及从下往上的顺序进行修复。对于损伤部件，要先修结构件，再修覆盖件。拉伸时，要确保拉伸的方向和角度、拉塔上拉链固定的高度、拉伸时拉力的大小，并分多次进行多点拉伸。牵引力的强度要做到从大到小、逐渐变化，以确保精度拉伸。

然后，要按照“拉伸——保持平衡——再拉伸——再保持平衡”这样的操作步骤循环往复。同时，要边拉边敲，以释放应力。

最后，要确保拉伸中的不断测量，以预估弹性回弹，防止拉伸过度。

3.2 承载式车身前纵梁的更换

实际的车身修复过程中，一旦遇到折曲、弯曲严重或已破裂的纵梁，常常放弃对原纵梁的拉伸、整形修复，而是先经过粗放拉伸，接着对原损伤纵梁进行科学分割，最后更换新的纵梁组件。对于需要进行更换作业的承载式车身前纵梁而言，依据其损伤程度不同，可采用截梁局部更换、主体局部更换、整体更换等更换工艺[8]。

3.2.1 截梁局部更换

承载式车身遭遇正面撞击后，如果车身最前端局部严重折曲、折褶甚至撕裂，而中间和后部没有变形、移位，或者前纵梁组件主体没有太大的变形，再或中后部的变形、移位很容易通过对该纵梁的测量、拉伸，从而校正到位。这时，往往只需要对纵梁的损伤部位运用气动、手动割锯或等离子切割器进行局部切割分离。在进行局部切割更换时，焊接缝位一定要插入连接件，一般连接件厚度应与纵梁主体相同，宽度在30-60mm之间。这里说明一点，使用的拆车件要求是基本没有损伤存在的，切割分离必须符合前面提到的要求，当然，这些操作的前提是必须征得车主的同意。

3.2.2 前纵梁主体局部更换

汽车受到正面撞击后，一般会造成局部瞬间受力严重，前端变形、折曲严重而无法修复，后部由于吸能区的作用，几乎没有变形或只有少许移位，同时，损伤纵梁经过粗放拉伸，已经回位，所有控制点的三维参数已符合原设计标准，这时可以考虑只更换前部纵梁主体，对于纵梁后根位加强件、连接件则使用气动或电动钻进行钻削剔除。然后，用钣金锤加工整理前纵梁与车身连接部位构件的形状，使其充分吻合，再使用大力钳并借助千斤顶，对新纵梁组件进行固定。测量其它控制点的三维数据，调整合格后进行焊接。在上述过程中，比对测量无误后，码焊到位。试装副车架，并试装外观覆盖件。最后，对钻削孔用惰性气体保护焊全部焊接。这种操作对焊接点位的整形和加工要求都比较高，各控制点三维数据的误差一般控制在±2mm之内，以提高修复质量。

3.2.3 前纵梁整体更换

当承载式车身前纵梁发生折曲变形、弯曲严重甚至破裂时，常采取整体更换的方法对事故车进行修复。首先，对损伤板件运用气动、电动孔钻、孔锯进行分离，再使用等离子切割器对角落部位进行瞬间分割，最后，将新更换的纵梁通过惰性气体保护焊或CO2气体保护焊等焊接方式焊到车身上[9]。这样做的优点有四方面：一、保证了前纵梁整体更换的完整性；二、由于所有的分离、切割与焊接点的位置相对较为隐蔽，焊接后的外观效果十分显著；三、更换后，前纵梁的功能没有受到任何损失；四、由于乘客室底板前后纵向加强件在纵梁主体根部和地板加强件上存在有一个定位孔，使前纵梁的安装定位十分地方便快捷。

4、结论

对于承载式车身而言，前纵梁是汽车车身的重要构件，在发生正面碰撞事故时，担负主要的吸能作用。前纵梁的修复工艺十分复杂，需要维修人员综合运用多方面的知识，例如车身的结构和特点、汽车正面碰撞理论、金属材料的力学性能、合理的维修方案、修复设备的规范操作等，只有这样，才能在汽车碰撞修复作业中，采用正确的工艺方法，让车身不但恢复外观的基本形状和尺寸，而且能最大限度地保证它的强度和耐久性，进而提高汽车维修后的安全性能。

[1]张湘衡.车身碰撞后的校正[J].汽车维修与保养,2009(7):69-72.

[2]张建,柳东威,张子鹏.基于有限元分析的乘用车前纵梁安全设计[J].汽车实用技术,2012(4):41-45.

[3]苏国栋,董小瑞.汽车前纵梁碰撞性能影响因素的仿真研究[J].汽车实用技术,2014(4):52-56.

[4]朱莎.轿车正面碰撞的前纵梁仿真研究[D].武汉:武汉理工大学,2011:2-3.

[5]赵跃平,张湘衡.从车身结构谈汽车安全(二)[J].汽车维护与修理,2012(11):86-90.

[6]郭有瑞.事故受损车前纵梁弯曲的校正修复[J].汽车维修,2013(11):12-13.

[7]王莹.饭金技术在事故车维修中的应用[J].现代企业教育,2014(12):490-491.

[8]顾平林,嵇尚珠.承载式车身前纵梁的更换工艺[J].汽车维护与修理,2010(7):83-84.

[9]刘亮.轿车车身吸能区的修理[J].汽车维护与修理,2010(7):82-83.

4、实施及效果

以上改进方案均得以顺利实施，目前放置冷铁安全可靠，现场环境显著改善。

5、结束语

在PLC程序中增设定时器，是解决放置冷铁安全隐患以及改善Z8025冷芯盒射芯机作业环境的主要方法，另外，普遍的观点认为，Z8025冷芯盒射芯机吹气过程的两个阶段低压吹气芯子硬化，高压吹气阶段净化芯子，现场不可能有大量三乙胺余气，但是不管高压吹气还是低压吹气，均吹入的是100℃的三乙胺与压缩空气的混合物，这样最终芯盒中和吹气罩中不可避免有残余的三乙胺余气。因此，让上下芯盒合模尾气管抽气保持5秒再分开是改善作业环境的关键。

参考文献

[1]《LHS2010树脂混砂系统使用说明书》，济南优茵科信铸造机械工程有限公司.

[2]《LHS2010树脂混砂系统PLC程序》，济南优茵科信铸造机械工程有限公司.

[3]《西门子300指令（1）》，Foxit reader 3.0.

Study on Repair of Front Longitudinal Beam of Frameless Body Based on Frontal Crash

Bai Hai1, Huang Zhencai2, Meng Liqing1
(1.School of Mechanical and Transportation, Southwest Forestry University, Yunnan Kunming 650224; 2. Department of Automotive Engineering, Liuzhou Vocational and Technical College, Guangxi Liuzhou 545006)

Front longitudinal beam which is an important component of the frameless body plays a major in vehicle frontal collision energy absorbing effect. Damagerepair maintenance of front longitudinal beam collision is very important process in accident vehicle repair. So maintenance people need to master knowledge in all aspects. Body repair people should ensure not only the basic shape and size of vehicle repair can restore the appearance, but also maximize the safety characteristics of the original body and the anti-impact performance.

frameless body; frontal collisions; body repair; front longitudinal beam

U472.41

A

1671-7988(2015)04-122-04

白海，硕士研究生，助教，就读于西南林业大学机械与交通学院，主要从事载运工具运用及车身修复研究。