基于碰撞性能要求的汽车防撞梁概述

殷俊龙

摘 要：防撞梁是汽车碰撞系统中的重要零件，承担能量吸收与传递的重要角色。文章阐述了不同碰撞工况对于防撞梁的性能要求，介绍了不同防撞梁的概念形式，以及其特点，帮助工程人员在设计初期选择防撞梁形式。文末就新能源汽车趋势下，延伸出防撞梁开发所面临的挑战。关键词：防撞梁;汽车碰撞中图分类号：U463  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）08-98-03

Abstract： Crash beam is an important part in automobile crash system. It plays a vital role in energy absorbing and transferring. This article described beam performance requirement at different crash condition， introduced different kind of beam concept and also its character， which helps engineers to understand how to choose a beam concept at design phase. At the end， the article listed the challenges in beam development under the trend of new energy vehicle.Keywords： Crash beam; Vehicle crashCLC NO.： U463  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）08-98-03

1 引言

汽车的前后端碰撞系统一般由保险杠、泡沫吸能器以及防撞梁组成。保险杠作为塑料外观件更多的作用是体现造型意图以及承载电子元器件，其与泡沫吸能器对碰撞性能的贡献主要在低速碰撞以及行人保护。当在可修复性以及高速碰撞工况下，防撞梁承担更重要的角色，通过吸收以及传递碰撞的能量来降低碰撞对汽车以及乘员的伤害。

一个典型的防撞梁如图1。分别由1-横梁、2-吸能盒以及3-安装底板三个主要部分构成。

每个部分的功能各不相同。1-横梁提供防撞梁的主体强度，在X方向（为便于表述，本文定义整车的长度方向为X方向）上为保险杠提供刚性支撑;2-吸能盒实现能量传递并保证碰撞中防撞梁溃缩的稳定性;3-安装底板保证防撞梁與车身链接的可靠性。

2 主要性能

防撞梁所考核的碰撞工况有：低速碰撞，行人保护碰撞，可修复性碰撞以及高速碰撞。

低速碰撞主要考核2.5km/h以及4km/h情况下对车辆自身的保护，核心是避免法规零件的损坏（如灯、反射片以及前后盖开锁）。该工况碰撞速度低，防撞梁主要作用为对保险杠本体X方向上的支撑，避免低速碰撞情况下出现较大的倾入量。

行人保护碰撞考核40km/h速度情况下对行人的保护，其核心是避免在碰撞中车辆对行人造成致命伤害。在这种工况下防撞梁的主要作用是与保险杠形成对行人腿部的特别是膝关节。

可修复性碰撞考核10km/h以及16km/h速度情况下防撞梁对车身零件的保护。车身零件通过焊接装配，维修难度大成本高，因此防撞梁在碰撞过程中要吸收尽可能多的能量，并防止车身零件发生塑性变形，这种工况要求防撞梁设计不能过强。

高速碰撞工况考核50km/h及以上速度情况下防撞梁能量的吸收以及力传递的稳定性。高速碰撞工况下，防撞梁无法吸收所有的碰撞能量，更重要的是保证碰撞能量向纵梁的传递。在该工况下我们需要在前期设计中关注防撞梁的吸收能量过程的稳定性，所谓稳定性即：碰撞过程中，防撞梁不能发生偏折，必须先于纵梁压溃[1]。

由此可知，防撞梁的设计是强与弱的权衡，需要兼顾不同碰撞速度情况下的性能需求，对结构设计优化提出较大挑战。

3 常见防撞梁概念

防撞梁有以下常见的几种形式：

3.1 钢材辊压防撞梁

辊压成型工艺是通过顺序配置的轧辊，把金属板带进行横向弯曲，形成特定断面的型材[2]。

这种概念的防撞梁生产效率高，材料利用率高。但受限于辊压工艺，防撞梁的截面设计局限性较大，如图2，常规的截面有开口以及闭口两种形式，从结构的强度上，闭口要优于开口。

3.2 铝材挤出型防撞梁

铝材挤出成型，是将高温软化的铝锭在铝挤压机的强力挤压下流过铝挤型模具，成形成复合要求形状的铝型材产品。

铝合金密度仅为钢材的1/3，采用该工艺成型的防撞梁相对于钢材防撞梁可实现减重，减重率可达40%左右[3]，并且防撞梁的截面设计更加自由，留给设计优化的空间较大。如图3，常见的截面有口字形，日字形以及目字形，不同的截面主要的区别在于中间连接筋的数量，连接筋越多，横梁的强度越高。

3.3 热成型冲压防撞梁

热成型工艺是把传统的热锻造与冷冲压技术相结合的一种制造高强度冲压件工艺技术。它一般采用高强度硼合金钢，由于含有微量的硼元素，可以提高钢板的淬透性[4]。

热冲压成型防撞梁一般为开口式，性能一般优与辊压成型以及铝制防撞梁，但重量优势小。如图4，由于防撞梁是通过冲压成型的，其外表面形状可以做的更为复杂。而复杂的外轮廓可以提高横梁的强度，也提高了设计上的自由度。

3.4 复合材料防撞梁

复合材料防撞梁的初衷是通过纤维增强树脂代替传统金属材料防撞梁，在不降低防撞梁性能的前提下实现减重目标。如图5，有学者设计了一款整体式碳纤维增强树脂基复合材料保险杠，达到了减重34.6%的轻量化效果[6]。但复合材料防撞梁的实际应用较少，其高速碰撞性能仍需要进一步研究。

基于不同概念防撞梁的特点，前期的设计选型可从重量，成本，性能几个角度入手。

（1）重量目标严格的情况下应优选铝材挤出型防撞梁或复合材料防撞梁;

（2）成本导向时，应首先考虑辊压成型防撞梁;

（3）对梁的强度要求较高，则可考虑热成型防撞梁。

4 新能源汽车对防撞梁设计的挑战

新能源车由于电池系统重量的增加，导致整车重量远远超过燃油车。在这样的背景下，防撞梁的设计面临两大挑战：

4.1 性能

由于车重的差别，同车型燃油版防撞梁将无法满足电动版车型的性能目标。相同碰撞速度前提下，如果车身零件相同，意味着电动版车型的防撞梁需要吸收更多的能量，横梁需要加强，同时还要兼顾过强的设计可能带来的可修复性碰撞失效。

目前新能源汽车一般将电池布置在下车体上并与平台集成，碰撞中对电池的保护关注度较高，特别是对于后碰工況，对于后梁的性能要求也将提升。

4.2 重量

减重是新能源汽车的一个重要命题。相同材料以及工艺，性能要求的提高势必导致防撞梁结构设计加强，重量的上升不可避免。铝材虽然在重量上相较钢材有优势，但性能上却不一定能满足更高的要求。复合材料防撞梁虽然在重量上优势最为明显，但其对中高速碰撞能量的吸收效果仍有待研究。

5 结语

本文通过阐述防撞梁的性能目标以及常见的防撞梁概念

形式，希望能给工程人员在防撞梁的前期设计提供一定的参考。随着新能源汽车的涌现，相信将来能看到更新颖、更优秀的防撞梁设计。

参考文献

[1] 危海烟，吴朝晖，董瑞强.防撞梁在汽车碰撞中的性能要求及评估方法研究[J].机电工程技术.2019（06）：120-123.

[2] 刘继英，李强.辊压成形在汽车轻量化中应用的关键技术及发展[J].汽车工艺与材料.2010（2）：18-21.

[3] 宋小宁，钱钧，王耘，吴向东，马建峰.浅谈汽车铝合金防撞梁设计应用.2017（32）：131-133.

[4] 吕嘉豪，应宛松.热成形钢防撞梁性能研究[J].精密成形工程. 2016（1）：96-100.

[5] 徐虹，沈永波，谷诤巍，孟佳，于思彬，李欣.汽车超强钢热成型试验[J].吉林大学学报.2011（41）：111-114.

[6] 王庆，卢家海，刘钊，朱平.碳纤维增强复合材料汽车保险杠的轻量化设计[J].上海交通大学学报.2017（2）：136-141.