轿车前碰撞横梁的轻量化设计

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Light W eighting Design for the Front Collision Beam of CarHETao . ZANGJi-song 。 GAOHui-rain。

(1.North China Institute of Aerospace Engineering.Langfang 065000；2.Beijing Benz Automobile Corporation。Beijing 101100 China)[Abstract] Based on the comprehensive analysis of the background and necessity of the automobile light-weighting。the paper described the ways to realize the light-weighting of automobile-while taking the frontcollision beam of car as an example。introduces the method and process of automotive light weighting de-sign.Finaly the results are verified by experiments。which shows the front collision light-weighing beam1ight stil1 meets the performance index。

Key words： colision beam；lightweight；design汽车轻量化是-个完整的概念，汽车轻量化 ，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下 ，旧能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染.叫作为有效的节能手段 ，汽车轻量化技术已经成为当前汽车开发设计中的重要研究课题之-。

1 汽车轻量化的背景及必要性伴随着我国国民经济的发展和人口交通出行的需求(图 1所示)，汽车正逐步成为家庭的生活必需品，在-段时间内我国汽车工业的发展势头迅猛强劲(如图 2所示)。

B产销量 万辆- 产量增长- 销量撑萎. [ ：鼍 l， - ， 、 J～曩翟--目1 匿 墨-lI I2001 2O02 2003 2004 2005 2O06 2007 2008 20o9 20i0 2叭1同比增长图 1各种交通出行方式对比 图2 2001-2011年中国汽车产销量和增长幅度Fig.1 Comparison ofvarious modes oftransportation Fig.2 The growth rate ofthe 2001-2011 China s automobile production and sales随着汽车销售量及整车保有量的增加，我国对石油的消耗和依赖日益加剧.根据《BP世界能源统计2010)的数据 ，按照 2008年全球石油产能 8 650万桶/年 ，世界石油储藏量仅能维持 30年 的石油消耗 ；美 国国内石油产能仅 占到石油消耗总量的 4O ，整个欧洲石油产能仅 占到石油消耗总量的3O ，而我 收稿 日期：2012-11-26基金硬目：河北势技厅资助项目(12K3912d)；河北省高校先进制造技术与生产过程自动化应用技术研发中心资助项 目通信作者：何涛(1975～ )，男，河北 景县人，讲师.E-mail：hexieyi###tom.corn% %% 5 4 3 3 2 211 5 O裟 裟 勰 裟 裟 。

88 湘 潭 大 学 自 然 科 学 学 报 2013拒(1)塑料在汽车制造中扮演着重要的角色.从发动机的空气进气系统、冷却系统到发动机部件 ，塑料不仅使发动机系统更容易设计和装配，而且也使发动机重量更轻.进气管、气门室罩盖、油底壳等都有应用塑料的实例.以气门室罩盖为例，不但质量减轻 50 ，且成本降低 3O [5]。

(2)用铝合金代替传统的钢铁，采用铝合金车身可使整车质量减轻3O ～4O%，使用铝合金缸盖和缸体，可使发动机减重 30 ，铝合金车轮减重可达 50 左右[2]。

铝合金作为轻量化的理想材料，被广泛用于轻型发动机缸盖和缸体的制造，其质量与铸铁件相比可减轻-半左右.轻型发动机离合器壳主要采用铝合金制造，也有用更轻的镁铝合金材料.重型发动机采用铝合金飞轮壳的越来越多，水泵、机油泵铝合金壳体的应用也越来越多。

(3)镁是地球上储量最丰富的轻金属之-、质量最轻的实际应用金属结构材料 ，密度为 1.75～1.9Og/cm。，比重比铝还轻 1/3，易于加工、压铸经济.镁合金的张度和弹性模量较低，但它有高的比张度和比刚度 ].镁合金有很高的阻尼容量和良好的减振性能，最大特点是阻尼减振性和抗凹性好，特别是易于再生利用.镁是理想 的金属结构材料，主要应用于气门室罩盖和其他盖板。

(4)钛的密度为 4.5 g/cm。，是铁的 1/2；热胀系数小 ，可作为耐热材料用于发动机气门与气 门座；制成的钛合金抗拉强度最高可达 1 500 MPa[7]，性能甚至超过高强度钢 ，在常用工程材料中比强度也是最高的；钛合金可在 550℃高温下工作，性能优于铝合金；与钢铁相比，钛合金具有低温韧性良好、比断裂韧性高以及 良好的加工适应性等优点。

4 轿车前碰撞横梁的开发实例4.1 首先是铝合金前碰撞横梁总成设计铝的特点主要有 ：密度低 ，是钢的 1/3；高的耐蚀性 ；好的铸造性 ；良好的耐磨性.铝经合金化可使抗拉强度提高到 45#钢水平，以铝代钢可望减轻重量 5O%.鉴于以上 ，对于横梁及底板我们选用材料为 6061-X T7铝合金.在考虑了横梁相关连接部位的因素后，对其进行了结构设计(如图4所示).铝合金前碰撞横梁的重量 2.46 kg，相对于原钢质碰撞横梁(4.34 kg)，减重率达46%左右。

4.2 碰撞性能分析图4 前碰撞横梁Fig.4 The 60nc colision beam对铝合金前碰撞横梁进行了装车对比实验(图 5，图 6所示)，主要验证其耐撞性能。

- - - - - - B柱左侧下方加速度- - B柱右侧下方加速度图5钢质前碰撞横梁正碰加速度曲线Fig.5 The acceleration curve ofsteel frontcollision beam while touching表 1 钢质前碰撞横梁加速度峰值Tab.1 The peak acceleration of the steelfront beam colisionB柱左侧下方加速度峰值 40.0 gB柱右侧下方加速度峰值 38.1 g- - - - - · B柱左侧下方加速度- - B柱右侧下方加速度图6铝合金前碰撞横梁正碰加速度曲线Fig.6 The acceleration curve of the aluminumaloy丘0nt collision beam while touching表 2 铝合金前碰撞横梁加速度峰值Tab.2 The peak acceleratiOn of thealuminum aloy front COllisjon beamB柱左侧下方加速度峰值l37.7 gB柱右侧下方加速度峰值l38.9 g第 2期 何 涛，等 轿车前碰撞横梁的轻量化设计 89总装装车实验表明(表 I，表 2所示)，铝合金前碰撞横梁满足碰撞性能要求。

5 结束语轻量化前碰撞横梁的研发，严格按照欧洲新产品开发流程，通过对前碰撞横梁的优化、总装装车试验，积累了大量的试验数据，为后续的新产品研发奠定了坚实基础。