鋁合金前保險杠橫梁的應用研究

王智文，孫希慶，項生田，蘆 連，李 軍

(1.北京汽車集團有限公司新能源汽車管理部,北京 101300； 2.奇瑞汽車股份有限公司汽車工程研究院，蕪湖 241009)

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2015064

鋁合金前保險杠橫梁的應用研究

王智文1，孫希慶2，項生田2，蘆 連2，李 軍2

(1.北京汽車集團有限公司新能源汽車管理部,北京 101300； 2.奇瑞汽車股份有限公司汽車工程研究院，蕪湖 241009)

為某車型設計并試制了一種鋁合金前保險杠橫梁，其質量比原來的DP1200超高強鋼制的原型減輕了35%。在25km/h車速的碰撞試驗時，鋁合金保險杠橫梁的第一個加速度峰值比鋼制橫梁大2.6g，且最大峰值出現的時間提前了5ms，說明鋁合金保險杠橫梁能更好地保護駕乘人員的安全。仿真結果表明，在10km/h車速的正面碰撞時，鋁合金前保險杠橫梁的最大侵入量比鋼制橫梁小7mm，而吸能量比鋼制橫梁增加了70%。

汽車輕量化；保險杠橫梁；鋁合金；碰撞

前言

汽車碰撞事故中發生概率最高的是汽車前部的碰撞，占事故總數的27%[1]。前保險杠橫梁位于汽車前端，是前端碰撞事故中首先接觸的安全部件，在減輕對車外行人和車內駕乘人員的損傷，降低低速碰撞事故中車輛的損壞等方面起著重要的作用。

前保險杠橫梁作為汽車車身的安全部件，在要求其具有高的安全性的同時還必須考慮輕量化。近年來，由于對節能和環保的重視，汽車輕量化已經成為各大汽車企業提高競爭力的重要方向，而使用鋁合金代替鋼鐵材料則是各國汽車制造商采用的減輕質量的主要手段之一[2]。與傳統的鋼材相比，鋁合金有密度小、比強度高和耐蝕性好等優點。在對2002-2013年的歐洲白車身會議參展車型的用材分析發現，變形鋁合金材料在車身上的用量越來越大，主要用于發動機蓋、翼子板和前后保險杠橫梁等零件。而國內自主品牌企業對鋁合金保險杠橫梁的研究尚處在起步階段，相信不久的將來，鋁合金保險杠橫梁也會被大量應用于自主品牌轎車的車身上。

1 保險杠橫梁的技術要求與選材

保險杠橫梁的作用和技術要求有：(1)當車輛與行人發生碰撞事故時，最大限度地減輕對行人的傷害；(2)當車輛發生低速碰撞時，保護冷卻系統等部件，確保汽車的前縱梁不會發生變形，降低車輛的修復成本；(3)當車輛發生高速碰撞時，將碰撞中產生的能量能盡可能均勻地傳遞到車身結構的吸能零件，并確保前縱梁壓潰后內侵量不能過大[3]；(4)前保險杠橫梁是車輛約束系統的控制單元(ECU)最先感知車輛碰撞減速度的部件，橫梁的強度對ECU判斷安全氣囊點火時刻具有重要意義。

此外，保險杠橫梁的設計要求質量輕，便于拆裝更換，維修簡便；制造工藝要簡單，成本低等。

在保險杠橫梁的選材方面，目前主要有鋼和鋁兩種。要提高保險杠橫梁的防護能力則須提高其吸收能量的能力，材料吸能量的能力與材料的強度和厚度都呈正比。但在車身結構設計中，不可能通過無限增加鋼材厚度達到提高材料吸能量的目的。因此，既滿足強度又滿足輕量化的高強度鋼被用作保險杠橫梁。除采用高強度鋼板進行冷沖壓外，還有輥壓成形和熱沖壓成形等先進的成形工藝被用來制作高強度保險杠橫梁。

鋁合金的密度約為鋼的1/3，正是因為鋁合金材料更輕，所以是車身輕量化設計中非常重要的材料[4]。鋼制保險杠加強橫梁采用提高鋼板強度，減小厚度，以提高材料吸收能量的性能。而鋁合金保險杠加強橫梁則是通過優化結構，設置不同壁厚來提高吸能性能。經過合理設計的鋁合金保險杠橫梁不僅比鋼制保險杠橫梁更輕，而且可以吸收更多的能量。

2 鋁合金保險杠橫梁的設計與制造工藝

圖1為鋼制保險杠橫梁總成模型。針對鋁合金材料具有較好成形性的特點，設計了一種薄壁、中空且帶有加強筋的斷面結構，橫梁的截面呈“目”字形，在保證前保險杠橫梁質量盡可能輕的同時，要求獲得最大的碰撞安全性能。鋁合金保險杠橫梁總成的形狀和結構如圖2所示。由于原鋼制保險杠橫梁總成已經充分進行了輕量化設計，采用了輥壓成形的DP1200超高強度鋼材料，整個保險杠橫梁總成的質量僅為6.7kg，但是采用鋁合金后，仍能減輕質量35%，達到4.4kg。

由鋁合金型材加工生產該鋁合金保險杠橫梁大致過程：根據保險杠橫梁的尺寸采用高速鋸切機對鋁合金型材進行鋸切；然后根據產品設計的弧度，將鋸切后的鋁合金型材在模具中進行壓彎成形；單個零件加工完成后，再對其進行時效處理，以保證鋁合金的強度和耐蝕性能；最后采用鎢極氬弧焊將單個零件焊接組裝在一起。橫梁的截面如圖3所示。

3 性能測試與模擬分析

為滿足保險杠橫梁的性能要求，選用材料為6082-T6鋁合金，該鋁合金材料的屈服強度為290MPa，抗拉強度為340MPa，且延伸率可達20%，在鋁合金中屬于較高強度的材料。

為考察沒有誘導槽的鋁合金吸能盒的壓潰性能，首先單獨對吸能盒進行碰撞試驗。為保護碰撞臺車，將吸能盒安裝在自制的一截類似縱梁上進行試驗，且將臺車配重到實際車型的質量，同時考慮到吸能盒的充分壓潰變形，選用的試驗速度為20km/h。試驗后的吸能盒照片如圖4所示。由圖可以看出，雖然鋁合金吸能盒沒有壓潰誘導槽，但是其壓潰模式比較理想，而且多次試驗結果的一致性較好。

為更全面地考察鋁合金前保險杠橫梁總成的性能，且結合文獻[5]中的分析，選用25km/h的速度進行正面碰撞試驗。由于鋼制橫梁和鋁合金橫梁均呈弧形，所以中心點與剛性障礙壁接觸后兩種材料的橫梁均先被壓平，而由于鋁合金吸能盒沒有誘導槽，剛度較大，所以在鋁合金橫梁被壓平后，吸能盒才發生變形。雖然鋼制橫梁選用了超高強度材料，但是厚度小，橫梁的剛度并不很大，且鋼制吸能盒具有誘導槽，導致在橫梁被壓平的同時吸能盒也發生壓潰變形。該變形過程與仿真分析結果吻合較好。

鋼制保險杠和鋁合金保險杠橫梁在25km/h速度下的臺車碰撞試驗的加速度-時間曲線如圖5所示。由圖可以看出，鋼制保險杠橫梁在碰撞過程中，加速度的上升較為平緩，平均加速度值較小，橫梁的承載力較弱。由于超高強度鋼的保險杠橫梁其剛度較普通鋼鐵材料大，所以吸能盒在10ms左右即開始發生變形，出現加速度的第一個峰值11.5g，到54ms時吸能盒完全壓潰，加速度達到最大峰值20.71g。而鋁合金保險杠橫梁在碰撞過程中直到13ms時，吸能盒才開始變形而出現第一個尖峰，且峰值較大，為14.1g，說明碰撞開始階段，鋁合金保險杠橫梁吸能效果明顯。而且第一個加速度峰值大，更有利于車輛約束系統ECU的響應，更有利于駕乘人員的安全。到49.2ms時吸能盒已經完全壓潰，加速度達到峰值為20.83g，該峰值與鋼制保險杠橫梁的加速度峰值基本一致，但是出現的時間卻提前了5ms，這對汽車駕乘人員的安全具有重大意義，由此可見，鋁合金保險杠橫梁的安全性能比鋼制橫梁好。

根據試驗工況和配重建立仿真模型，模型包含前保險杠橫梁總成系統和試驗臺車。其中鋁合金前保險杠為擠壓成形，截面各處厚度不一致，模型中采用不同厚度的殼單元來模擬。最后采用LS-DYNA軟件進行仿真。仿真和試驗結果的對比如圖6所示。從圖6看出，仿真分析結果與試驗結果比較接近，模型準確性較好。

圖7為吸能盒截面力的仿真分析結果。由圖可以看出，鋁合金吸能盒的第一個截面力峰值較大，說明該吸能盒的承載力較大，碰撞過程中不易于壓潰，但是一旦被壓潰即可展現出較好的吸能效果。經過臺車碰撞試驗發現，吸能盒的壓潰效果比較理想。

根據汽車廠家對保險杠橫梁零件正碰的設計技術要求，即在10km/h的速度下進行正面碰撞時，橫梁侵入后不能碰到冷凝器，即允許的橫梁最大侵入量小于120mm?；诖艘?，對兩種材料的橫梁總成進行仿真對比，結果如圖8所示。由圖可以看出，正面碰撞后，不論是鋼制橫梁還是鋁合金橫梁，其形狀均由原弧形變得平直，且鋼制吸能盒已經發生壓潰變形，但是鋁合金吸能盒基本沒有發生變形。這說明鋁合金橫梁及吸能盒的剛度均較大。另外，經過仿真分析發現，正面碰撞速度為10km/h時，鋼制橫梁的最大侵入量為77mm，而鋁合金橫梁的最大侵入量為70mm，鋼制橫梁的侵入量比鋁合金的大，但均滿足小于120mm的技術要求。

圖9為在10km/h的碰撞速度下，兩種材料的保險杠橫梁吸能仿真分析。由圖可以看出，在該碰撞速度下，鋼制前保險杠橫梁的吸能量為1 823J，而鋁合金前保險杠橫梁的吸能量為3 107J，鋁合金前保

險杠橫梁的吸能量較鋼制零件提高了70%。這也說明鋁合金前保險杠橫梁的低速碰撞性能更優，安全性更高。

4 結論

(1) 設計的“目”字形截面的鋁合金前保險杠橫梁較原車型的DP1200超高強度鋼制橫梁零件仍減輕質量35%，輕量化效果明顯。

(2) 以25km/h的速度進行臺車正面碰撞時，鋁合金保險杠橫梁的第一個加速度峰值較大，且最大峰值的出現時間較鋼制橫梁提前了5ms，可以更好地保護駕乘人員的安全。

(3) 鋁合金保險杠橫梁在10km/h的正面碰撞速度下最大侵入量為70mm，比鋼制橫梁小7mm，安全性能更高，且鋁合金保險杠橫梁的吸能量較鋼制零件提高了70%。

[1] 魏顯坤.轎車保險杠吸能特性分析與試驗研究[D].重慶:重慶理工大學,2012.

[2] 丁向群,何國求,陳成澍,等.6000 系汽車車用鋁合金的研究應用進展[J].材料科學與工程學報,2005,23(2):302-305.

[3] 周榮,孟巖,徐梟,等.汽車先進的整車與總成開發技術跟蹤和研究[R].中國汽車技術研究中心,2008.

[4] 馬鳴圖,游江海,路洪洲.汽車輕量化以及鋁合金汽車板的應用[J].新材料產業,2009(9):34-37.

[5] 萬銀輝,王冠,劉志文,等.6061鋁合金汽車保險杠橫梁的碰撞性能[J].機械工程材料,2012,36(7):67-71.

A Research on the Application of Aluminum Alloy Front Bumper Beam

Wang Zhiwen1, Sun Xiqing2, Xiang Shengtian2, Lu Lian2& Li Jun2

1.NewEnergyVehicleManagementDept.,BAICGROUP,Beijing101300;2.InstituteofAutomotiveEngineering,CheryAutomobileCo.,Ltd.,Wuhu241009

The aluminum alloy front bumper beam for a vehicle is designed and trial-produced with a mass 35% lighter than original bumper beam of DP1200 ultra high strength steel. In a frontal crash test with a speed of 25km/h, the first acceleration peak for aluminum alloy bumper beam is 2.6ghigher and 5ms earlier, compared with that for steel one, meaning that aluminum alloy bumper beam can better protect the safety of driver and occupants. The results of simulation show that in a frontal crash with a sped of 10km/h, the maximum intrusion for aluminum alloy bumper beam is 7mm smaller and the energy absorption is 70% more, compared with steel bumper beam.

vehicle lightweighting; bumper beam; aluminum alloy; crash

原稿收到日期為2014年8月11日，修改稿收到日期為2014年11月20日。