汽车前后防撞梁设计规范

汽车前后防撞梁设计规范

汽车前后防撞梁设计规范

1.目的、范围

1.1目的

指导前后防撞梁总成设计；提供前后防撞梁总成设计的思路。

1.2 范围

该规范适应于M1类车辆前后防撞梁的设计。主要介绍了汽车开发过程中前后防撞梁总成的作用及在整车中的影响。首先对前后防撞梁在整车中的功能进行了概述，尤其是对前后防撞梁碰撞性能做了详细的描述；同时对前后防撞梁总成设计要点作了描述；最后对前后防撞梁的加工制造性作了阐述。2. 规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB 11551-2003 乘用车正面碰撞时的乘员保护

C-NCAP 中国新车评估程序2012版

GB20072-2006 乘用车后碰撞燃油系统安全要求

GB 17354-1998 汽车前、后端保护装置

GB/T 24550-2009 汽车对行人的碰撞保护

3. 前后防撞梁总成主要功能

3.1 前后防撞梁总成功能概述

前后防撞梁总成，是车身第一次承受撞击力的装置，也是车身中的一个重要构件，其功能主要有：

a.保护保险杠在低速碰撞过程中尽量不要破裂或者发生永久变形。

b.保护车身骨架前后端纵梁在行人保护或者可维修性碰撞时不发生永久变形或者破裂。

c.在100%正面高速碰撞、后面高速碰撞时起到第一次的吸能作用，在偏置碰撞中不仅起到第一次

吸能作用，还能起到碰撞过程中均衡传递受力的作用，防止车身左右两侧受力不均。

3.2 前后防撞梁总成碰撞性能概述

3.2.1前防撞梁总成碰撞性能

前防撞梁总成的碰撞性能主要需满足低速碰撞和高速碰撞两个部分的法规要求。

其中，低速碰撞需满足的法规要求为：

GB 17354-1998 汽车前、后端保护装置。

高速碰撞需满足的法规要求为：

GB 11551-2003 乘用车正面碰撞时的乘员保护；

C-NCAP标准，需满足其100%正面碰撞和40%偏置碰撞要求。

3.2.1.1 低速碰撞对前防撞梁设计的性能要求

低速碰撞的国家标准GBl7354—1998规定的正撞速度为4km／h，车角碰撞速度为2.5 km／h，对车身的要求就是车身本体、前防撞梁和吸能盒等不能有任何损坏，最好前保险杠也不能破裂或者发生永久变形。

目前国内外都没有可维修碰撞的国家标准。在国外，从事汽车保险业务的保险机构，一般用15km ／h的碰撞试验来模拟最常见的可维修碰撞，试验目的的是要求尽量减少零部件的损坏以减少维修和保险费用。具体来说，一般要通过合理设计将损坏零件控制在翼子板、发动机罩盖、前保险杠系统、前格栅、前大灯等外表面零件和部分骨架件，比如前防撞梁以及吸能盒等零件范围内。车身零体，特别是纵梁不能产生任何变形。当然最好大灯支架、水箱上横梁等零件不要损坏，即使损坏，也要便于修复。从图1可以看出，在可维修碰撞中，合理设计传力路径是非常重要的，以吸能盒的设计为例，来说明需注

意的设计细节。

a.将吸能盒设计成和纵梁在同一轴线上，避免产生弯曲变形。

b.在吸能盒上预设一些压溃筋，以便让吸能盒在轴向上发生压溃进而吸收所有能量，从而不对包括前

纵梁在内的车身本体产生损害。

c.将这些容易损坏的部分骨架件，如前防撞梁和吸能盒设计成用螺栓和车身本体联结的可拆卸结构，

为减少维修和保险成本。

图1 可维修性碰撞前防撞梁吸能盒设计细节

3.2.1.2 高速碰撞对前防撞梁设计的性能要求

目前设计上普遍接受和采用的是将车身分为前中后3个吸能区，如图2所示。

图2 车身前中后3个吸能区

其中前吸能区主要由前防撞梁和吸能盒组成，利用强韧的吸能材料尽可能多地通过变形吸收因撞击产生的巨大能量，同时利用结构上的受力连续进行左右分流并将能量向后面传递。中吸能区主要由前纵梁和副车架组成，通过合理变形来吸收大部分能量。后吸能区主要为高强度和刚度的驾驶舱，设计上通过避开可能发生对乘员不利的危险变形，减少正面碰撞导致的对驾驶舱的侵入和保持相对较低的碰撞减速度，以此保证乘员的安全。前中后3个吸能区是设置正面碰撞多层传力路径的基础，设置正面碰撞多层传力路径的目的也就是为体现3个吸能区的优势，使能量能合理有效地吸收和传递。正面碰撞多层传力路径一般是3层。

正面碰撞3层传力路径一般分为上中下3层，图3为正面碰撞3层传力路径，由图3可以看出，正面碰撞传力路径上层是由发动机舱上纵梁和前悬塔状形罩板等零件组成，吸收了部分从前部传来的碰撞能量并把其余能量向A柱和前围及其加强梁进行分散传递。中层主要是由前纵梁组成，也包括了前防撞梁和吸能盒等，是主要的传力路径。前防撞梁和吸能盒将接受到的碰撞能量进行左右分流和初步吸收，并通

过它们将能量往前纵梁延伸板、门槛、中央通道等分散传递。下层主要是由前副车架组成，吸收了部分从前部传来的碰撞能量并把其余能量向前纵梁延伸板和门槛等分散传递。

图3 正面碰撞3层传力路径

3.2.2后防撞梁总成碰撞性能

后防撞梁总成的碰撞性能主要需满足低速碰撞和高速碰撞两个部分的法规要求。

其中，低速碰撞需满足的法规要求为：

GB 17354-1998 汽车前、后端保护装置。

高速碰撞需满足的法规要求为：

GB20072-2006 乘用车后碰撞燃油系统安全要求。

3.2.2.1 低速碰撞对后防撞梁设计的性能要求

后防撞梁总成需满足的低速碰撞性能要求同前防撞梁总成，详见3.2.1.1条论述。

3.2.2.2 高速碰撞对后防撞梁设计的性能要求

国标GB20072-2006规定：碰撞器撞击表面应平坦，高度不小于800mm，撞击器表面下边缘至地面的间隙应为175±25mm，图4至图5为后碰前后状态对比图。后防撞梁对后碰的主要贡献为利用吸能盒的压溃变形吸收能量，缓解碰撞刚性变形，保证燃油箱周围安全的变形空间。因此在设计后防撞梁及吸能盒时，需综合考虑下面三方面：

a.保证基本的许可变形量。许可变形量，决定了碰撞过程中的平均减速度。汽车的纵向变形量与平均

减速度是成反比的。平均减速度作为汽车结构耐碰撞性的主要设计指标，在设计开始阶段就必须综合考虑确定。

b.保证基本的许可变形空间。保证许可变形空间是指汽车在发生碰撞后，变形区域不会对乘员和危险

部件（如油箱、燃汽罐）形成威胁和伤害，而且包括后部许可变形区域内的塑性变形不会导致在碰撞过程中车门打开、碰撞后车门锁死等状况发生。

c.调整截面形状(通过吸能筋与加强筋的布置)、厚度、尺寸和结构形式等使结构的变形阻力保持在适

当水平，并重视局部弱化使整车刚度分配符合设计原则及能量吸收曲线图，增大撞击吸收能量的腔型结构。

图4 后碰前状态图5 后碰后状态

4. 前后防撞梁总成设计要点概述

4.1 前后防撞梁总成设计要点概述

前后防撞梁总成设计，主要是根据市场法规和标准来定义前防撞梁总成的性能。如：法规前碰ODB 的定义、前后防撞梁低速碰撞吸能、压溃空间、C NCAP试验ODB碰撞标准、整车性能等。为满足这些要求，我们需要对前后防撞梁的碰撞性能的敏感性，如：前后防撞梁的布置高度、结构、压溃空间、截面面积、材料等进行研究。

4.1.1 整车碰撞对前后防撞梁的布置要求

前后防撞梁的布置高度由前纵梁的高度来决定，如果此高度匹配不合理会导致前纵梁在碰撞过程中压溃失稳，导致前纵梁后端大弯曲变形很可能对乘员舱侵入量过大。图6至图8为某车型前防撞梁偏置碰变形图；图9至图10为某车型后防撞梁吸能盒后碰变形前后对比图。

图6 CNCAP偏置碰撞布置高度

图7 C NCAP偏置碰撞30毫秒压溃图片

图8 C NCAP偏置碰撞100毫秒压溃图片

图9 后碰前吸能盒状态图10 后碰后吸能盒状态前后防撞梁的安装位置，除需满足上述碰撞要求的相容性原理，即两车发生正面相撞时，不合适的防撞梁高度既保护不到自身，还会对对方车辆造成巨大伤害；还需要根据车身高度，轮毂直径的大小来综合评定，并没有一个明确的标准。一般车型的安装高度在400-500mm左右，但如果超过520mm，则会对C NCAP等相关碰撞试验的成绩造成影响。

4.1.2 前后防撞梁结构设计简述

前后防撞梁总成一般由防撞梁本体和吸能盒组成，现在开发的新车型还包含拖车钩，如图11所示。其中防撞梁一般为抵抗碰撞变形，需要采用热成型或者辊压工艺来实现。采用热成型工艺时，防撞梁一般设计成开口法兰结构；采用辊压工艺时，一般设计成封闭截面结构，如图12所示。

吸能盒上面一般需布置2至3条吸能筋，主要目的是便于低速碰撞时吸收足够的能量，保证车身本体不被破坏。同时设计吸能筋时需遵循以下4条原则：

a.加强筋的轴线必须垂直于受力方向，否则在振动时会引起扭转；

b.必须沿支撑之间最短距离布置；

c.采用交叉筋时，应考虑在交叉点容易产生应力集中，相对减小了交叉点的刚性，所以在交叉点要注

意圆角过渡，圆角半径应大于筋的宽度的两倍；

d.加强筋的形状在平的或稍凸起的零件上，加强筋应沿零件对角线布置，在深弯曲的零件上应垂直于

零件的弯曲轴线。

为降低维修成本，前防撞梁一般采用螺栓连接固定在车身上。因此为满足安装工具空间及保证足够的吸能要求，吸能盒的长度一般要求达到100~150mm。

图11 某车型前防撞梁结构

图12 a.开口法兰截面 b.封闭截面

5. 前后防撞梁的工艺制造性能

冷冲压钢板按照其拉伸屈服强度Rp0.2可分为：普通钢（Rp0.2>120 N/mm2兆帕）、强度钢（Rp0.2>180兆帕）、高强度钢板（Rp0.2>260兆帕）、特高强度钢板（Rp0.2>340兆帕）和超高强度钢板（Rp0.2>620兆帕）。另外还有超高强度热成型钢板，其拉伸屈服强度达到1000兆帕以上，这相当于在一平方厘米面积上承受10000公斤的压力。前后防撞梁本体在高速碰撞时由于需要承受较大的冲击载荷，一般需采用屈服强度620兆帕以上的超高强度钢板或者更高的超高强度热成型钢板；吸能盒一般需采用强度稍低的特高强度钢板。

根据材料选择不同，防撞梁本体一般采用辊压成型或者热成型工艺来制作，国内由于缺少可维修性成本碰撞法规约束，有些车型后防撞梁本体也采用普通冲压工艺。下面分别列出上述两种制作工艺的优缺点：

a. 辊压成型：相对于普通冲压工艺，辊压成型材料利用率较高、零件刚性好，可实现制作的零件屈服

强度高，可达620兆帕以上；但是辊压成型模具投入较大，批量生产量不大时单件成本会较高，同时由于辊压工艺先冲孔再成型的工艺特点，零件孔位、型面精度一般比普通冲压零件会差。

b. 热成型：相对于普通冲压工艺，热成型工艺零件刚性好，强度大，可实现制作的零件屈服强度高，

可达1000兆帕以上；但是热成型一次性设备投入很大，批量生产量不大时单件成本很高。

吸能盒

前防撞梁

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