新材料與新工藝在保險杠防撞梁中的應用與發展趨勢

劉志民 趙宗杰 倪慨宇

（1.中國核工業電機運行技術開發有限公司，北京 100043；2.新疆眾和股份有限公司,烏魯木齊 831499；3.無錫北辰匯智科技有限公司,無錫 214205）

主題詞：汽車輕量化 保險杠 防撞梁 多形態混合材料

1 前言

汽車輕量化是解決汽車油耗和排放問題的有效手段，汽車輕量化主要是從材料、結構設計和工藝方面來實現，其中材料輕量化的效果最顯著[1-11]。保險杠防撞梁系統承擔著汽車碰撞時能量傳遞與吸收的重要角色：例如汽車在低速碰撞時，防撞梁本體將碰撞能量及時傳遞至左右吸能盒，充分吸收碰撞能量，降低車輛受損程度。高速碰撞時，防撞梁本體發生塑性變形吸收能量，同時將能量傳遞給機艙前縱梁，通過車體骨架系統將能量分解，減小車輛受損與人員受傷害程度。因此，保險杠防撞梁也一直是輕量化技術應用的重點。

傳統防撞梁多采用高強度鋼板沖焊而成，工序復雜，質量較大。采用輕質材料，如鋁合金、鎂合金、碳纖維，是實現輕量化最直接有效方法。鋁合金由于成本最低，被認為是汽車輕量化最理想的材料。碳纖維材料具有更高的比強度與比剛度，但是由于其價格昂貴，應用較少[4]。

本文就保險杠防撞梁的應用現狀進行了研究，同時探討了新工藝技術，最后分析了新材料與新工藝技術在保險杠防撞梁應用的發展趨勢。

2 防撞梁材料的應用現狀

2.1 高強鋼材料

統計歷年來國內市場上213款車型的保險杠防撞梁材料運用情況，有118款車型采用高強鋼，95款車型采用鋁合金，可見保險杠防撞梁材料以高鋼鋼為主。

劉志民等對5年內市場上的104款主流車型進行調研，軸距為2 550～2 850 mm，價格在10～30萬元的中低端車型，高強鋼使用比例為42%，如表1所示。

表1 中低端主流車型保險杠防撞梁使用情況

由表1可知，其中高強鋼使用最多的為自主品牌，共25款。由此可見，中低端車型基于成本考慮，更多的采用成本低廉的高強鋼，歐洲、美系車更多考慮性能與舒適性，更傾向于采用鋁合金防撞梁。

2.2 鋁合金材料

鋁合金密度僅為鋼材的33.33%，用鋁合金材料代替傳統的鋼制材料，可有效實現約40%減重率，實現防撞梁系統的輕量化設計。從2008年至2022年的歷年歐洲車身會議，以及國內車身資料來看，國內外主流車型的鋁合金防撞梁主要集中體現在中高端車型，如奧迪A3、奧迪A4L、奧迪e-tron、奔馳A Class、路虎Evoque、捷豹I-PACE、標致308、標致308S、標致508、標致4008、雪鐵龍C5、歐寶Mokka、英朗、邁銳寶、君威、君越、福特E-Transit、福特focus、福特探險者、科魯茲、吉普自由俠、沃爾沃XC40電動、沃爾沃北極星、沃爾沃V60、冠道、豐田bZ4X、斯巴魯solterra、雷克薩斯_LCConvertible、豐田銳志、馬自達昂克賽拉、馬自達CX-60、榮威950、極氪_001、長安逸動、領克01PHEV、蔚來ES6、蔚來ES8、北京X7等。統計70款車型的防撞梁應用情況，按各車系分析如下：德系車的鋁合金防撞梁應用最廣，約占30%，美系占22%、日系占20%、自主車占19%、法系車應用最少，約占9%。

分析表明，鋁合金防撞梁一般采用擠壓鋁型材，截面形狀以“日字型”結構為主，約占70%，“目字型”占22%，“口字型”占8%。另外，擠壓鋁主要在前保險杠防撞梁體現，后保險杠防撞梁較少采用，如蔚來ES6、蔚來ES8、北京X7等，圖1為蔚來ES6擠壓鋁后保險杠防撞梁[12]。

圖1 蔚來ES6擠壓鋁后保險杠防撞梁[12]

鋁合金保險杠防撞梁本體材料牌號一般采用6xxx系鋁合金較多，如6082、6063、6061等。個別中高端車系采用7xxx系鋁合金，如蔚來汽車的ES8、豐田bZ4X，如圖2所示，豐田bZ4X的前保險杠防撞梁采用7xxx系擠壓鋁合金[13]。

圖2 豐田bZ4X的7xxx系擠壓鋁防撞梁[13]

2.3 碳纖維復合材料

碳纖維材料昂貴，為追求較高的性能，僅在跑車中采用碳纖維的保險杠防撞梁，如蘭博基尼Essenza SCV12車型、2020款雪佛蘭克爾維特黃貂魚，見圖3（a）所示，防撞梁由順普公司與德國纖維復合材料拉擠公司Thomas Technik+Innovation合作開發，這款保險杠設計與制造技術，是汽車行業第一款采用彎曲的多空心拉擠碳纖維技術生產的碳纖維防撞梁。另外，碳纖維復合材料也在中高端車型中得到應用，2021年歐洲車身會議展示的雪佛蘭Corvette碳纖維復合材料保險杠防撞梁[14]，圖3（b）所示。

圖3 碳纖維的保險杠防撞梁[14]

2.4 金屬與碳纖維混合

由于材料成本與制造工藝的限制[15-18]，金屬與碳纖維混合材料應用從2010年才逐漸開始，主要用于提高汽車的碰撞吸能性、NVH舒適性、車身零件的承載能力。圖4為德國本特勒開發的鋁合金/碳纖維混合材料構成的前防撞梁，該結構的混合方式是通過先熱模壓固化的方式，實現材料混合，這種防撞梁在提高碰撞吸能同時，實現減重45%。

圖4 本特勒開發的鋁合金/碳纖維防撞梁[16]

本文通過有限元模擬，對鋁合金/碳纖維混合材料的保險杠后防撞梁的輕量化進行了研究。針對某款車型的保險杠后防撞梁總成，綜合考慮材料與成型工藝的可行性，設計了HC340LA高強鋼、6082鋁擠壓、7075鋁熱沖壓、7075鋁合金/碳纖維混合材料的4種結構后防撞梁總成，如圖5所示。

圖5 設計的4種材料防撞梁總成

通過LSDYNA軟件對后防撞梁的低速碰撞進行模擬，得到的結果如表2所示，4種材料的后防撞梁結構均滿足52 mm的侵入量要求。7075鋁/碳纖維混合后防撞梁總成的輕量化效果最佳，質量僅為1.10 kg，HC340LA后防撞梁總成質量最大，為4.82 kg，其余見表2。

表2 后防撞梁低速碰撞分析結果

3 新工藝技術

目前普遍應用的保險杠防撞梁成型工藝有沖壓、超高強鋼熱成型、輥壓和鋁擠壓。碳纖維材料的成型工藝以熱模壓固化為主，其次是以美國順普公司為代表的可彎曲多空心拉擠成型工藝。

隨著管件應用的發展，超高強度材料開始應用到高剛性的管狀結構上，國內外很多學者都開展了管件熱成形技術研究。德國蒂森克虜伯與Linde+Wiemann聯合開發了管件熱氣脹成形工藝，將預先制備的異型管件加熱到奧氏體化溫度區間，再通過約60 MPa的內高壓熱氣體脹形至最終產品。新日鐵住金公司采用在線彎曲與淬火強化復合技術（Three Dimensional Hot Bending and Direct Quench，3DQ）實現了1 500 MPa管件的加工制造[19]。

寶鋼在3DQ基礎上，提出一種新型加工工藝[20]，通過將電磁感應加熱技術與無模彎曲技術相結合，可以加工同時具有超高強度、變曲率和復雜截面特征的管件零件，其工藝原理如圖6所示。加熱后的管件同時進行在線淬火和彎曲成形，成形后的零件材料主要組織為馬氏體，材料屈服強度大于1 000 MPa，抗拉強度大于1 300 MPa。因此，可以通過材料減薄和結構優化，進一步實現輕量化，同時原材料成本低于鋁合金，成本和結構性能上優于鋁合金擠壓防撞梁。

圖6 超高強鋼管件熱輥彎工藝原理[20]

圖7是寶鋼開發超高強鋼熱輥彎前保險杠防撞梁總成，在結構性能相當的前提下，通過材料高強化與零件截面高剛性設計，熱輥彎防撞梁零件質量增加8%，總成質量增加14%，輕量化水平接近鋁合金設計方案，具有良好的輕量化效果。

圖7 超高強鋼熱輥彎前防撞梁[20]

4 輕量化的發展趨勢

隨著汽車制造新工藝與新裝備的發展，以及鋁合金、碳纖維成本下降，保險杠防撞梁輕量化技術由高端車向中低端車應用發展。綜合考慮性能與成本，未來防撞梁輕量化技術發展的將呈現以下特點：

（1）高端車型保險杠防撞梁以鋁合金為主，同時向鋁合金和碳纖維混合材料方向發展；

（2）中低端車保險杠防撞梁由低成本的高強鋼為主，同時鋁合金比重逐漸增大；

（3）碳纖維防撞梁，將繼續在跑車車型中應用；

（4）新材料的應用將推進新工藝技術向多樣化發展；

（5）超高強鋼3D熱輥彎防撞梁，將在中端車型中推廣應用。