乘用車前保橫梁總成的布置設計

梁澤華，席遠軍，劉洪峰，史英鵬

（1.北京汽車制造廠有限公司，北京 100000；2.天津華尚思坦德汽車技術有限公司，天津 300000；3.華晨寶馬汽車有限公司，沈陽 110000）

0 引 言

前保橫梁總成是前保險杠系統（包含前保險杠殼體、前保橫梁總成）中的重要部件，主要由前保橫梁本體、左右吸能盒及緩沖泡沫組成。其主要作用是在發生低速碰撞時，能夠有效保護發動機罩、前大燈、霧燈和水箱等，降低維修成本。一個好的保險杠系統，在發生低速碰撞時，碰撞的能量基本上由前保橫梁總成及前保險杠殼體通過變形來吸收，其他部件應當保持完好。為了實現前保險杠系統的上述功能，本文將就前保橫梁總成的布置設計進行闡述。

1 前保橫梁總成的形式

目前市場上乘用車的前保橫梁總成多種多樣，主要區別體現在前保橫梁本體上。前保橫梁本體從材質上區分，有鋁合金、超高強度鋼板；從制造工藝上區分，有輥壓成型、沖壓成型、鑄造成型、熱成型等等，在此不作贅述。

2 前保橫梁總成的布置設計

前保橫梁總成的布置設計，還要圍繞前保險杠系統的功能及相關法規進行，如《汽車前、后端保護裝置，GB17354-1998》《行人保護法規，2003/102/EC》。主要確定以下幾個參數：1）前保橫梁總成中心離地高度H；2）前保橫梁本體高度h；3）前保橫梁本體寬度W；4)緩沖泡沫厚度T；5）吸能盒長度L（見圖1）。

2.1 前保橫梁總成中心離地高度H

在確定前保橫梁總成中心離地高度之前，先看一下相關法規的試驗方法。歐洲的RCAR（汽車修理研究協會）的前保險杠試驗方法［1］要求：1）前部碰撞壁障離地高度為455±3 mm，碰撞塊本身高度100 mm，則碰撞塊中心離地高度約505 mm（455+100/2）之間（見圖2）；2）壁障中心線應與車輛中心線對齊。

我國標準要求，碰撞器的基準高度為445 mm［2］。

另外，出于降低維修成本方面的考慮，撞擊過程中要保護發動機罩、水箱、前大燈、霧燈等零部件，僅靠前保險杠殼體的剛度顯然是不夠的，就需要前保橫梁總成共同承擔撞擊力,則前保橫梁總成中心離地高度最好能與碰撞塊中心離地高度保持一致或者相當。

圖1 前保橫梁總成參數

圖2 RCAR 碰撞器參數［1］

從上述內容可以看出，RCAR 和我國標準中碰撞器的基準高度是不同的，設計之初就要考慮車輛的銷售區域問題，在歐洲市場，前保橫梁總成中心離地高度應在505 mm 左右，而在中國市場，則在445 mm 左右。當然，以上尺寸為最優尺寸，實際在設計過程中受到方方面面的限制，但不能偏離過大。

2.2 前保橫梁本體高度h

圖3 ［1］ 有效高度測量方法

圖4 垂向重疊尺寸測量方法

在探討前保橫梁本體高度之前先了解兩個定義：前保橫梁本體有效高度和前保與壁障垂向重疊尺寸。

前保橫梁本體有效高度：移除前保橫梁總成上的可拆卸部件（如緩沖泡沫）之后，用車輛縱向垂直平面與前保橫梁本體相交，得到該位置斷面，沿車輛縱向移動橫向垂直平面與斷面接觸，在此基礎上再向內側偏置10 mm，與斷面相交于上下兩點，這兩點的垂直距離即為前保橫梁本體有效高度（見圖3）。

前保與壁障垂向重疊尺寸是指碰撞避障與前保橫梁本體有效高度在垂直方向上的交集（見圖4）。

RCAR 要求前保與壁障垂向重疊尺寸大于75 mm［1］，否則難以保證前保險杠系統功能，即前保橫梁本體高度≥前保橫梁本體有效高度≥前保與壁障垂向重疊尺寸≥75 mm。

2.3 前保橫梁本體寬度

圖5 車輛寬度測量方法［1］

RCAR 的試驗方法要求：1）車角必須有前保橫梁本體保護；2）前保橫梁本體寬度不小于車輛寬度的70%。

車角指車輛和車輛縱向對稱面呈60°角的鉛垂面的切點［2］。

車輛寬度指前軸對應位置的輪眉寬度（見圖5）。

前保橫梁本體寬度是指前保橫梁本體兩端的距離（見圖6 和圖7），但是如果兩端本體高度不能滿足前保與壁障垂向重疊尺寸≥75mm 的要求，則兩端寬度不計入前保橫梁本體寬度（見圖8）。

我國也對“車角”位置有碰撞試驗的要求［2］。

綜上所述，前保橫梁本體的寬度不應小于以下 任 一 尺 寸：1）左右車角間的距離；2）車輛寬度的70%。

圖6 ［1］

圖7 ［1］

圖8 ［1］

2.4 緩沖泡沫的厚度

據車輛安全專家分析，行人在與車輛的碰撞中，要減小腿部的損傷，保險杠在撞擊過程中需要有50~75mm 的變形量［3］。因此，前保橫梁本體與前保險杠殼體之間預留與之相當的變形空間，而在此空間內填充緩沖泡沫。

緩沖泡沫由一種輕質多孔的材料組成，具有密度低、比強度高等優點，具有減震吸能的特性，如EPP（膨脹聚丙烯）、PU（聚氨酯）、PS（聚苯乙烯）。緩沖泡沫功能：1）吸收能量，保護前保險杠內側零部件免于毀壞；2）緩沖吸能，保護行人，避免行人腿部與車輛剛性接觸。

綜上所述，在前保險杠試驗區域［4］內，緩沖泡沫的厚度至少保證60~80 mm，具體數值還需結合布置空間及CAE 分析結果確定。

2.5 吸能盒的長度

在車輛行駛速度較快、發生碰撞的情況下，僅靠前保險杠殼體及緩沖泡沫吸能顯然是不夠的，為了避免機艙縱梁受損，增加維修成本，在前保橫梁本體和機艙縱梁之間增加潰縮吸能部件，即吸能盒。

吸能盒與機艙縱梁通過螺栓連接，在發生碰撞時，從前保險杠殼體、緩沖泡沫、前保橫梁本體、吸能盒逐級通過變形吸收能量，保護成本較高的部件。吸能盒的長度是吸收能量多寡的重要原因之一，為了能吸收足夠的能量，一定要有足夠的長度。通常吸能盒的長度在100~150 mm 之間。

3 結 語

根據在設計開發過程中的經驗及相關法規，列出了前保橫梁總成的布置設計要點，給出了這些要點的布置方法，能夠達到提高效率，降低開發成本的目的。

［1］ Research Council for Automobile Repairs.RCAR Bumper Test Issue 2.0［S］.

［2］ 國家質量技術監督局.GB17354-1998 汽車前、后端保護裝置［S］.北京：中國標準出版社，1999.

［3］ 王秀麗.基于行人小腿保護的汽車保險杠改進研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

［4］ 中國國家質量技術監督局.GB/T24550-2009 汽車對行人的碰撞保護［S］.北京：中國標準出版社，2010.