李亞妮 楊麗 張澤昭 習(xí)呂鵬

（陜西重型汽車有限公司，西安 710200）

1 前言

前下防護(hù)裝置是由橫向構(gòu)件組成的安裝或連接在車架或其他結(jié)構(gòu)件上的裝置，在商用車整車碰撞安全中起重要作用[1]。前下防護(hù)裝置設(shè)計(jì)直接影響整車碰撞結(jié)果。因此，標(biāo)準(zhǔn)GB 26511—2011《商用車前下部防護(hù)要求》強(qiáng)制規(guī)定了商用車前下防護(hù)裝置的安全性能要求。

目前，已開發(fā)使用的前下防護(hù)裝置，按照制造材料類型，主要有以下2 種：普通鋼材及鋁合金前下防護(hù)裝置。普通鋼材前下防護(hù)裝置優(yōu)點(diǎn)為成本低，缺點(diǎn)是質(zhì)量大，有悖于產(chǎn)品輕量化需求；鋁合金材料密度低，達(dá)到同樣強(qiáng)度條件下，比鋼材可降重40%左右，但應(yīng)用在前下防護(hù)裝置成本高[2]。熱成型鋼是減輕車身質(zhì)量、提高汽車抗沖擊和防撞性能的主要材料之一，將其應(yīng)用在前下防護(hù)橫梁，能夠很好地解決普通鋼材前下防護(hù)裝置笨重及鋁合金前下防護(hù)價(jià)格昂貴問題。與傳統(tǒng)冷沖壓工藝相比，輥壓成型工藝更容易控制回彈而實(shí)現(xiàn)較好的成型精度，尤其適宜于超高強(qiáng)鋼等低延伸率、高回彈的材料成型[3]。因此，采用熱成型鋼材料，通過零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從輕量化角度出發(fā)開發(fā)出一種滿足法規(guī)要求的前下防護(hù)裝置，并完成CAE 靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及剛性試驗(yàn)臺(tái)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 前下防護(hù)裝置設(shè)計(jì)要求

前下防護(hù)裝置一般位于車架下方、保險(xiǎn)杠的后方，根據(jù)商用車前下防護(hù)法規(guī)要求，前下防護(hù)裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸及強(qiáng)度要求。

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸要求

a.前下防護(hù)裝置的橫向構(gòu)件的斷面高度，對(duì)N3 類車輛不小于120 mm，寬度小于前輪擋泥板的最外寬，且單側(cè)至前輪最外處距離小于100 mm。裝置最下邊緣離地間隔小于400 mm。

b.前下防護(hù)裝置的外表面應(yīng)為光滑表面。螺釘或鉚釘?shù)念^部凸出該表面的高度不大于10 mm。

2.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求

2.2.1 加載點(diǎn)位置確定

按照法規(guī)要求，對(duì)N3 類商用車前下防護(hù)裝置，各P1 點(diǎn)與切向前軸上輪胎的最外側(cè)點(diǎn)的縱向平面的距離最大為200 mm，但不包括靠近地面的輪胎的膨脹；各P2 點(diǎn)與相互距離為700～1 200 mm（包括）的車輛的中間縱向平面相對(duì)稱，P3 點(diǎn)位于車輛的垂直縱向中間平面上。如果與前下防護(hù)相關(guān)的車輛結(jié)構(gòu)和部件位于完全與其縱向中間平面為軸對(duì)稱，則P1 和P2 點(diǎn)可只測(cè)左右兩側(cè)中的一個(gè)點(diǎn)，見圖1。

圖1 P1、P2、P3點(diǎn)示意

2.2.2 試驗(yàn)載荷的確定

加載頭的加載面高度不大于250 mm，寬度不大于400 mm，加載力平行于車輛的縱向中心平面，水平施加在各測(cè)試點(diǎn)上（若結(jié)構(gòu)對(duì)稱，可單側(cè)加載）。試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡可能快地施加作用力，裝置可經(jīng)受住至少0.2 s 的作用時(shí)間，加載力值如表1所示。

表1 碰撞試驗(yàn)各測(cè)試點(diǎn)加載力

3 前下防護(hù)橫梁開發(fā)現(xiàn)狀

商用車前下防護(hù)裝置一般由防撞橫梁、加強(qiáng)板、左右安裝支座、塑料堵蓋等組成。防撞橫梁主要承受車輛碰撞時(shí)的沖擊力，加強(qiáng)板根據(jù)下防護(hù)裝置強(qiáng)度要求設(shè)計(jì)，使前下防護(hù)總成在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的同時(shí)，盡可能實(shí)現(xiàn)輕量化。安裝支座的作用是連接防撞橫梁和車架，同時(shí)起到傳遞沖擊力到車架的作用；塑料護(hù)蓋安裝在防撞橫梁的兩端起保護(hù)作用，防止金屬邊緣劃傷行人。

傳統(tǒng)的前下防護(hù)橫梁是由低強(qiáng)度鋼板經(jīng)冷沖壓成形，然后各零部件經(jīng)焊接加工成橫梁總成，隨著整車輕量化及碰撞安全性能要求的提升、先進(jìn)材料開發(fā)及工藝技術(shù)的完善，逐漸開發(fā)出高強(qiáng)度鋼板輥壓成型的橫梁、熱成型橫梁和鋁制橫梁。目前開發(fā)的各種工藝及典型斷面結(jié)構(gòu)橫梁如圖2所示。

圖2 不同工藝及其典型前橫梁截面形狀示意

根據(jù)前期研究[4]，在抗彎性能相當(dāng)?shù)那闆r下，輥壓成型橫梁的料厚最薄，熱成型橫梁的質(zhì)量最輕，而傳統(tǒng)的冷沖壓橫梁質(zhì)量最重；在等質(zhì)量的情況下，熱成型橫梁的抗彎性能最好，而傳統(tǒng)冷沖壓橫梁抗彎性能最差；在等料厚的情況下，輥壓前橫梁的抗彎性能較好，且隨著變形量的推移，同等抗彎強(qiáng)度的輥壓前橫梁的抗彎性能隨時(shí)間的推移衰減最小。根據(jù)上述研究成果，采用熱成型鋼是提高橫梁抗彎性能和實(shí)現(xiàn)輕量化的最佳方案。熱成型鋼橫梁采用輥壓成型工藝，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的同時(shí)，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化。

4 前下防護(hù)裝置方案優(yōu)化

4.1 傳統(tǒng)前下防護(hù)方案

某企業(yè)已開發(fā)的滿足法規(guī)要求前下防護(hù)橫梁總成有高強(qiáng)鋼與鋁合金2 種方案。高強(qiáng)鋼方案橫梁采用750 MPa 高強(qiáng)鋼材料，斷面外形尺寸120 mm×68 mm，橫梁重約17 kg?？紤]到P1、P2 點(diǎn)的強(qiáng)度要求，采用“U”型槽鋼對(duì)橫梁進(jìn)行加強(qiáng)，加強(qiáng)板重約14 kg；加強(qiáng)板焊接在橫梁內(nèi)側(cè)構(gòu)成橫梁總成，橫梁總成與左右連接支座螺接固定。鋁合金前下防護(hù)橫梁采用6xxx 鋁合金，橫梁截面為“目”字型，截面外形尺寸為120 mm×60 mm，橫梁通過布置在橫梁后方的斜支撐進(jìn)行加強(qiáng)。橫梁總成重約19 kg。橫梁總成與左右連接支架焊接。圖3 為傳統(tǒng)前下防護(hù)橫梁總成方案示意。

圖3 傳統(tǒng)前下防護(hù)橫梁總成方案示意

4.2 輕量化熱成型鋼方案

熱成型鋼前下防護(hù)裝置是在傳統(tǒng)高強(qiáng)鋼前下防護(hù)裝置基礎(chǔ)上，對(duì)橫梁進(jìn)行材料、工藝及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4.2.1 材料及工藝優(yōu)化

將橫梁材料由750 MPa 高強(qiáng)鋼優(yōu)化為1 500 MPa 超高強(qiáng)鋼，橫梁成型工藝由冷輥壓升級(jí)為熱輥壓成型。

4.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

橫梁截面尺寸由“日”字型優(yōu)化為異型截面管材，根據(jù)前期對(duì)不同材料強(qiáng)度級(jí)別、不同厚度前下防護(hù)研究結(jié)果可知[4]，截面寬度由68 mm 優(yōu)化為80 mm。結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖4 所示。

按照彎曲強(qiáng)度理論，彎曲作用下的變形或撓度不僅取決于載荷的大小，還與界面的幾何特性有關(guān)。矩形截面的慣性矩計(jì)算公式為表示的矩形截面尺寸如圖5 所示。

圖5 矩形截面示意圖

從上述公式可以看出，Ix與矩形截面尺寸b3成正比，增加b值，可顯著提高型材Ix值。因此，熱成型鋼輕量化方案將型材b值由68 mm 提高到80 mm，在高度和厚度等同的情況下，顯著提升其彎矩值。在橫梁彎矩增加的情況下，考慮將加強(qiáng)板尺寸由1 700 mm 整體式“U”型優(yōu)化為分段式“U”型結(jié)構(gòu)，以期保證強(qiáng)度及剛度的前提下，實(shí)現(xiàn)橫梁總成輕量化。因加強(qiáng)板主要增加P1、P2 位置的強(qiáng)度及剛度，結(jié)合前期研究結(jié)果，在P2 點(diǎn)位置對(duì)稱布置長(zhǎng)300 mm 加強(qiáng)板與橫梁焊接。橫梁總成與支架采用螺栓連接，橫梁上螺栓孔為長(zhǎng)圓孔，方便安裝時(shí)進(jìn)行位置調(diào)整，熱成型鋼橫梁總成示意圖如圖6 所示。

圖6 熱成型鋼前下防護(hù)總成示意

5 強(qiáng)度分析驗(yàn)證

5.1 CAE結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

碰撞仿真分析時(shí)車架托架、支架總成及連接支架總成設(shè)為剛體并對(duì)以上零件全約束。

采用寬400 mm，高250 mm 的平面壓頭對(duì)P1、P2 點(diǎn)施加相應(yīng)的加載力，各加載點(diǎn)位置及載荷大小，按照法規(guī)GB 26511—2011《商用車前下部防護(hù)要求》的要求確定。施加載荷后防撞梁Z方向離地≤450 mm，X方向距離車輛最前端≤400 mm。

分析時(shí)，P1、P2 點(diǎn)加載頭施加一加載曲線，加載總時(shí)間為0.3 s，其中前0.1s 加載力從0 增加到80 kN（P2 點(diǎn)加載力為160 kN），后0.2 s 加載力保持80 kN（P2 點(diǎn)160 kN），加載面與下防護(hù)橫梁面面接觸。加載過程P1、P2 點(diǎn)X向位移及應(yīng)變結(jié)果如圖7 所示。

圖7 CAE分析結(jié)果

從分析結(jié)果可知，P1 點(diǎn)加載時(shí)，X向最大位移為64 mm；P2 點(diǎn)加載時(shí)，X向最大位移19 mm。兩點(diǎn)加載時(shí)，橫梁總成變形均小于法規(guī)要求的400 mm，加載過程所有材料的最大應(yīng)變也均小于其所使用材料得斷裂延伸率。CAE 分析結(jié)果表明優(yōu)化方案滿足法規(guī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

5.2 碰撞試驗(yàn)分析

為進(jìn)一步證明熱成型鋼前下防護(hù)橫梁總成的吸能性及耐撞性，采用剛性試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證碰撞過程橫梁加載力與位移的變化過程，如圖8 所示。

圖8 剛性試驗(yàn)臺(tái)碰撞試驗(yàn)結(jié)果

從碰撞試驗(yàn)結(jié)果可知，按照GB 26511—2011《商用車前下部防護(hù)要求》的試驗(yàn)要求，P1、P2、P3點(diǎn)均滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，該前下防護(hù)裝置滿足要求。

5.3 優(yōu)化方案分析

傳統(tǒng)前下防護(hù)方案與熱成型鋼方案其質(zhì)量對(duì)比分析如表2 所示。

表2 不同方案橫梁總成質(zhì)量及成本分析

6 結(jié)論

a.熱成型鋼前下防護(hù)裝置CAE分析結(jié)果與剛性試驗(yàn)臺(tái)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果吻合，驗(yàn)證結(jié)果均滿法規(guī)GB 26511—2011《商用車前下部防護(hù)要求》的要求；

b.相比普通高強(qiáng)鋼前下防護(hù)橫梁總成，在同等抗彎強(qiáng)度情況下，熱成型鋼前下防護(hù)橫梁總成可實(shí)現(xiàn)降重11kg，降幅37%。

c.相比鋁合金前下防護(hù)橫梁總成，熱成型鋼前下防護(hù)方案在質(zhì)量接近的情況下成本降低40%。