前防撞横梁总成设计指南.doc

1、设计指南 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：2009.09.10 编者：张锋 杨金秀 版次：（00） 页次：- 1 -奇瑞汽车股份有限公司前防撞横梁总成设计指南编制：审核：部门批准：技术委员会批准：汽车工程研究院 车身部设计指南 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：2009.09.10 编者：张锋 杨金秀 版次：（00） 页次：- I -目 录第一章 概述 .11.1 该指南的主要目的 .11.2 该指南的主要内容 .1第二章 法规对比分析 .12.1 低速碰撞法规要求 .12.1.1 政府法规试验规范简介 .12.1.2 保险协会试验规范简介 .42.2 高速碰撞法规要求 .5第三章

2、前防撞横梁的布置设计 .63.1 前防撞横梁离地高度布置要求 .63.2 前防撞横梁距前保蒙皮、发动机盖前缘等部件的距离 .93.3 前防撞横梁长度要求 .12第四章 前防撞横梁结构设计 .134.1 前防撞横梁的安装方式 .134.2 前防撞横梁的工艺分类 .144.3 前防撞横梁的截面型式 .164.4 前防撞横梁的轨迹曲线 .194.5 吸能盒结构设计 .204.5.1 常见吸能盒结构 .204.5.2 特殊吸能盒结构 .224.6 拖车钩结构设计 .23第五章 前防撞横梁的材料定义及减重 .245.1 前防撞横梁材料选用 .245.2 前防撞横梁减重设计 .25第六章 前防撞横梁的 C

3、AE 模拟分析 .266.1 典型截面的 CAE 对比分析 .266.2 前防撞横梁总成碰撞 CAE 模拟分析 .27第七章 前防撞横梁的设计趋势 .307.1 高强度材料运用 .307.2 保护系统装配集成、前端模块轻量化 .30设计指南 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：2009.06.10 编者：张锋 杨金秀 版次：（00） 页次：- 1 -第一章 概述保险杠系统由保险杠蒙皮、吸能块、防撞横梁及小腿保护梁所组成。防撞横梁总成是保险杠系统的重要组成部分，也是车身结构的重要组成部分，它在汽车低速碰撞中起着决定性作用，同时在高速碰撞中也起着吸能和力量传导的重要作用。1.1 该指南的主要目的

4、使大家对防撞横梁总成的设计有一个初步的思路，对需要满足的各种条件有一个比较全面的基本认识。该指南的撰写主要解决以下两个方面的问题: 1）防撞横梁的设计需要满足哪些法规方面的要求；2）防撞横梁结构设计需要考虑到的因素，包括材料选用、横梁截面设计、成型工艺选择、拖车钩结构设计、吸能盒结构设计等。1.2 该指南的主要内容该指南围绕“防撞横梁设计”这个中心环节，内容主要从以下几个方面展开：1）法规对比分析（低速碰撞、高速碰撞） ；2）前期概念设计布置分析；3）防撞横梁、吸能盒、拖车钩等部件结构设计，并辅以 Benchmark 资料供参考；4）对于设计中涉及到的零部件材料、重量、成本、以及 CAE 模拟

5、分析等问题，也给予相应的简要说明5）最后对整个前防撞系统及其前端模块的发展趋势作一个简单介绍。第二章 法规对比分析2.1 低速碰撞法规要求针对不同的市场，需要满足不同的技术法规要求，因此在目标市场确定以后，就应针对相应的市场进行法规校核，前防撞横梁布置与造型息息相关，在造型初期就应该关注布置空间，并对布置空间进行校核和提出要求。法规体系主要包括政府法规和保险协会评测两部分。学习法规重点关注其测试速度、碰撞器高度、碰撞器结构特点、 测试内容、实验考察重点、实验车测试状 态。2.1.1 政府法规试验规范简介不同销售市场的法规代号见下表：销售市场 法规标准号 备注欧洲 ECE R 42 摆锤实验（一

6、种摆锤）/滑车加拿大 CMVSS 215 最新修订版本测试速度与 ECE R42 一致美国 NHTSA Part 581 摆锤实验（二种摆锤）+刚性壁障中国 GB 17354 沿袭 ECE R42 的相关规定以上三种法规试验考察的内容基本相同：1)照明灯和信号灯装置应能持续正常工作并清晰可见；2)发动机盖、行李箱盖和车门能正常开闭，汽车的侧门应在碰撞的作用下不能开启； 设计指南 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：2009.06.10 编者：张锋 杨金秀 版次：（00） 页次：- 2 -3)供油和冷却系统应无泄漏，油路或水路不堵塞，其密封装置与油箱和水箱盖能正常工作；4)排气系统不应损坏和错

7、位；5)传动系统、悬架系统（包括轮胎） 、转向和制动系统保持良好的调整状态并能正常工作。各国法规对比见表 2.1，GB17354-1998 与 ECE R42 基本一致，加拿大最新修订标准CMVSS 215June，26 2008 与美国 NHTSA Part 581October，1 2006 基本一致，表中未列出。 表 2.1 低速碰撞法规对比备注：正向撞击时前后两次测试位置要求 Y 向300mm，具体撞 击点任意选取。欧标采用图 2.1 所示摆锤，美标采用图 2.1 及图 2.2 所示两种摆锤，高位摆锤旨在考察防撞横梁对发动机盖及后盖的保护情况，在布置防撞横梁时，其截面需要高出 发盖或后

8、盖表面一定距离（X 方向极值点） ，即图中 L4 值，如图 2.3 所示。设计指南 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：2009.06.10 编者：张锋 杨金秀 版次：（00） 页次：- 3 -图 2.1 低位摆锤（NHTSA PART 581、CMVSS 215、ECE R42）图 2.2 高位摆锤（NHTSA PART 581、CMVSS 215）图 2.3 高位摆锤碰撞示意图说明：L1：低位摆锤上端与发盖距离L2：高位摆锤上端与发盖距离L3：摆锤下端与防撞横梁距离L4：高位摆锤上端与发盖实际距离(不含吸能泡沫)若采用低位摆锤，则摆锤上端与发盖距离为 L1L3;若采用高位摆锤，则摆锤上端

9、与发盖距离为 L4;高位摆锤与低位摆锤的主要区别在于高位摆锤上端突出，减小了摆锤与车身之间的距离。设计指南 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：2009.06.10 编者：张锋 杨金秀 版次：（00） 页次：- 4 -2.1.2 保险协会试验规范简介在低速碰撞法规中，除了上述国家强制标准外还有保险公司的检测规范，对比见表2.2。表 2.2 低速碰撞保险协会测试规范对比表 2.3 低速碰撞保险协会新增测试内容对比设计指南 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：2009.06.10 编者：张锋 杨金秀 版次：（00） 页次：- 5 -备注：政府法规原文中测试高度是地面与摆锤中心线的距离，而保险协

10、会的模拟保险杠测试高度是地面与模拟保险杠下端的距离（表 2.3 已经转化为地面与模拟保险杠中心的距离）。IIHS 刚性壁障测试是否被模拟保险杠测试取代暂未查到明确文献。关于车辆质量定义，请查阅其它相关资料，在此不予赘述。目前各保险协会的测试标准存在一些差异，在模拟保险杠测试中，主要是模拟保险杠的离地高度不一样。IIHS 正碰高度为 457mm，角部 15%重叠偏置碰撞高度为 406；RCAR 前部正碰高度为 455mm，后部正碰高度一般取 405mm 或者 455mm，其值可以结合销售市场来定；RCAR(AZT)目前仅实施了前后正碰实验，而 IIHS 则将 15%重叠偏置碰撞也引入了测试实验中

11、，显然在模拟保险杠测试中，IIHS 较目前 RCAR 的要求高。但在刚性壁障碰撞中，AZT 的速度却比 IIHS 高 7 Km/h。2.2 高速碰撞法规要求在高速碰撞试验中前防撞横梁也参与部分吸能作用，特别是在 40%偏置碰撞中把部分碰撞力传导到另一侧纵梁。因此，在高速碰撞中前防撞横梁的设计也是非常重要的。下面简单总结一下各种高速碰撞法规及非官方检测规范的试验标准,见表 2.42.5：表 2.4 高速碰撞法规法规名称 美国（FMVSS 208） 欧洲（ECE R94） 中国（CMVDR 294）碰撞形式1、 正面碰撞（刚性壁）2、30倾角倾斜刚性壁障40%重叠，可变形壁障 正面碰撞（刚性壁）碰

12、撞速度 48.3 Km/h 56 Km/h 50Km/h国家强制性法规检测的试验方法有三种：完全正面与刚性壁碰撞，30角与刚性壁碰撞，40%偏置与可变形壁障碰撞。除了国家强制法规外，还有非官方检测规范，如：IIHS、各种 NCAP 等。表 2.5 非官方检测规范法规名称 IIHS EuroNCAP C-NCAP碰撞形式 40%重叠，ODB，0 40%重叠，ODB，01、40%重叠，ODB，0，V12、完全重叠，刚性壁,V2碰撞速度 64 Km/h 64 Km/h V1=56 Km/h；V2=50 Km/h在各种试验规范中，40%偏置碰撞法规或标准主要有：C-NCAP、ECE R94、EuroN

13、CAP、IIHS。各法规和标准规定的 ODB 是相同的，因此对前保横梁的设置要求也是相同的，如图 2.4 所示。设计指南 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：2009.06.10 编者：张锋 杨金秀 版次：（00） 页次：- 6 -图 2.4 40%偏置碰撞可变形壁障第三章 前防撞横梁的布置设计前防撞横梁的布置需要考虑各种法规试验规范要求，以达到最大的吸能效果，有效地保护车身其它部件。结合上述各种试验规范，前防撞横梁的布置需要考虑的因素主要有：前防撞横梁中心离地高度、前防撞横梁横的长 度（Y 向）、前防撞横梁距前保蒙皮、冷凝系统等部件的距离、前防撞横梁距发动机盖前缘距离、前防撞横梁距大灯表面

14、距离等。3.1 前防撞横梁离地高度布置要求碰撞器主要有以下几种类型：摆锤、模拟保险杠、固定刚性壁障或移动刚性壁障（移动小车） 。各种法规的碰撞器中心离地高度存在差别，具体见表 3.1。由于刚性壁障在高度方向都比较长，可以不予考虑，在进行布置时，在高度方向主要考虑防撞梁是否与摆锤或模拟保险杠达到一定的重叠量。表 3.1 各国法规碰撞器中心离地高度表碰撞器类型 法规 碰撞器中心离地高度(mm)ECE R42(欧洲) 445(高度固定)GB17354-1998(中国) 445(高度固定)NHTSA Part581(美国) 406508(高度随测试位置变化)摆锤CMVSS 215（加拿大） 40650

15、8(高度随测试位置变化)IIHS(美国) 456(任意一侧)、507(中心位置)模拟保险杠 RCAR（汽车修理协会） 455/505(根据销售市场，结合其他法规选取)从上表可以看出，摆锤中心离地高度在 406mm508mm 范围内；模拟保险杠中心离地高度在 455mm507mm 范围内。国标及欧标各种测试高度保持不变，布置上一般比较好满足，美国和加拿大标准高度在一定范围内浮动，对布置空间要求明显增加，汽车修理协会的模设计指南 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：2009.06.10 编者：张锋 杨金秀 版次：（00） 页次：- 7 -拟保险杠高度取值也相对固定。由于实车与数据存在一定的误差（

16、底盘悬架调校、整 车重量 误差、制造 误差等），因此实际做布置时还需要考虑整车制造误差。 B 平台制造误差取 18mm，考虑两种极限情况， 则北美前防撞横梁中心线离地高度为 388mmH526mm，防撞横梁布置在 457mm 附近比较合理；欧洲前防撞横梁中心线离地高度为 427mmH463mm，防撞横梁布置在 445mm 附近比较合理；保险协会前防撞横梁中心线离地高度为 437mmH525mm，防撞横梁布置在 481mm 附近比较合理；各测试规范碰撞器中心离地高度见图 3.1。图 3.1 各测试规范碰撞器中心离地高度（已考虑 18mm 误差）正面偏置碰撞可变形壁障高度设置见图 3.2，布置时需

17、将高速碰撞与低速碰撞结合在一起考虑。20m30m 试 验 载 荷 状 态下 的 地 面 线图 3.2 40%重叠，正碰 ODB 壁障布置高度下面以图示的方式对前防撞横梁的高度布置进行相关说明（图 3.33.5）：设计指南 编号：前防撞横梁总成设计指南编制日期：2009.06.10 编者：张锋 杨金秀 版次：（00） 页次：- 8 -图 3.3 前防撞横梁的布置H1 随测试法规和测试位置变 化而变化；重叠量 H2 一般要求 3540mm，RCAR 建议重叠量要达到 75mm 以上，有效重叠量也与供应商的设计能力有关，目前国内防撞横梁供 应商普遍不具备设计能力，国外供 应商一般要求重叠量 H2 至

18、少达到 28mm 以上；H4 值 RCAR要求达到 100mm 以上，一般 设计到 100120mm 左右。B 平台制造误差取 18mm（其它平台结合自身车型特点选取合适值） ，实际校核和设计过程中需要将这一因素考虑在内。取两种极限情况进行校核，第一种情况是实车的防撞横梁中心离地高度比理论值偏高，即整车相对抬高 18mm，校核时需要将摆锤降低 18mm（地面线和车身数据保持不变） ，3D 数据中摆锤中心实际离地高度为 H118 mm（H1 取法规中摆锤的最低位置） ，由此可见，理论上重叠量减少 18mm，如图 3.4 所示；第二种情况是实车的防撞横梁中心离地高度比理论值偏低，即整车相对降低 1

19、8mm，校核时需要将摆锤升高18mm（地面线和车身数据保持不变） ，3D 数据中摆锤中心实际离地高度为 H1+18 mm（H1 取法规中摆锤的最高位置） ，如图 3.5 所示。图 3.4 极小值摆锤重合度示意图 图 3.5 极大值摆锤重合度示意图实际情况下，极小值位置容易出现摆锤重合度不够的问题，在造型和布置允许的前提下，前期一定要尽量修改局部造型。对于 RCAR，针对有效重叠量特 别制定了一套明确的测量方法，有效重叠量要求达到75mm 以上。有效重叠量的大小直接影响整个保险杠系统对车辆的保护效果。具体测量方法请查阅 Rcar bumper test procedure issue1 2007。H1 摆锤中心离地高度H2 摆锤与防撞横梁有效重叠量H3 摆锤撞击面高度（114mm ）H4 防撞横梁截面高度