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2020年10月，國務院常務會會議通過了《新能源汽車產業發展規劃》。《規劃》表明，2021年起國家生態文明試驗區、大氣污染防治重點區域新增或更新公交、出租、物流配送等公共領域車輛，新能源汽車比例不低于80%。2020年11月，國務院辦公廳印發《新能源汽車產業發展規劃（2021～2035年）》，要求深入實施發展新能源汽車國家戰略，推動中國新能源汽車產業高質量可持續發展，加快建設汽車強國。

中國的新能源汽車發展勢頭強勁，國家為推動新能源汽車的發展，出臺了很多相關政策，而實際國產新能源汽車的發展也沒有辜負眾望，未來十年國產新能源汽車有望在世界汽車領域實現彎道超車。

新能源汽車的動力問題已經有了很多方案，如氫能源、電能源等，其中電能源應用最廣且效果甚佳，目前新能源汽車所暴露的最大問題就是關于汽車輕量化的問題，如何在保證可靠性能的前提下盡可能地減輕汽車重量，如何針對汽車結構、材料及工藝方面提出更加行之有效的輕量化方案是新能源汽車發展的主要問題之一。

汽車的前防撞梁是汽車最重要的安全裝置之一，本文將針對本公司新開發某款新能源車型前防撞梁的設計共同進行探討學習。

產品設計背景

產品設計作用

汽車前防撞梁在正常汽車使用中有著至關重要的作用。

第一，車輛在正常行駛的過程中，與正向的車輛或障礙物相撞，受到局部撞擊，前防撞梁需保證有足夠的強度和剛度，避免前防撞梁因強烈的撞擊折斷傷害車內乘客以及汽車內重要部件；

第二，在車輛正常行駛中與正向的車輛或障礙物發生低速相撞，前防撞梁需要保證沖擊避免損壞前大燈以及其他重要部件，最大程度的降低維修費用，這就需要使防撞梁除了有足夠的強度剛度外，還需要有優良的吸能特性；

第三，在高速行駛時，與正向來車或障礙物劇烈相撞，巨大的撞擊能量可以通過前防撞梁吸收并傳遞給車身整體，使沖擊能量均勻分布到車身結構，最大限度的吸收緩沖能量。

產品設計意義

汽車輕量化在新能源汽車的應用有著重大的意義，汽車每減重10%，它的燃油經濟性、加速性能、動力性能、負載性能均可得到一定程度地提升，同時，汽車尾氣的排放可減少7%以上，同理，可減少的能源消耗也將大于7%，質量減小，慣性減小，緊急制動距離也隨之縮短。

汽車的輕量化也是新能源能否快速發展的關鍵因素，對于新能源汽車而言，質量減輕10%，續航就可提升5%～6%，汽車輕量化可有效緩解能源供應壓力、環境保護壓力、和諧汽車社會壓力。實現汽車輕量化的主要方式是新材料、新工藝、新結構三個途徑，其中新型高強度、低密度和高減重潛力的材料及專用或適應性更強的新工藝對其影響巨大。

產品設計思路

產品結構要求

汽車前防撞梁作為在高速正向碰撞時吸收和傳遞能量的主要零件，在實現輕量化的同時，安全性必須嚴格把控。前防撞梁總成安裝位置位于前機艙，與縱梁端板、前端模塊通過螺栓連接，具體位置如圖1所示，圖中各個零件對其材料、屈服強度要求不同，如圖2，車身紅色部分防撞梁要求屈服強度高，車身黃色部分防撞結構件要求屈服強度稍低，粉色部分如吸能盒的屈服強度最低。

粉色部分主要起潰縮吸能的作用，在設計的時候就需要保證防撞梁的強度要大于吸能盒，這樣才能保證車身在受到撞擊時實現有序潰縮變形，達到最佳吸能效果，最大程度的保證車內人員以及汽車重要部件不受損害。

圖1 前防撞梁總成安裝位置

圖2 車身結構件強度標識

產品連接方式

前防撞梁與車身的固定方式采用螺栓連接，方便對其更換。前防撞梁主要由橫梁、吸能盒和安裝底板組成，通過焊接連接，吸能盒與安裝板采用焊接連接，安裝底板用于實現車體與部件的連接。如圖3所示，提升了安全性的同時，也防止了在輕碰撞時只更換吸能盒的不當操作，在輕度碰撞時，低屈服強度的吸能盒吸收能量，產生一定程度的潰縮，而防撞橫梁的屈服強度要比吸能盒高，所以不會產生太大程度的變形，但其內部已經產生變形，并不能有效保證安全性，所以需要更換前防撞梁總成。

圖3 前防撞梁總成

產品選材性能

橫梁作為前防撞梁主要剛性支撐件，在發生低速碰撞時，減輕車體前部電子元件的損傷并將能量傳遞給其他結構件，在高速碰撞時除了將能量傳遞也將抵擋障礙物直接損傷車體和乘客，吸能盒吸收并傳遞能量，同時在高速碰撞時發生變形保證橫梁的穩定性，該產品的材料性能如表1所示。

橫梁結構及工藝設計

拉彎成型工藝是通過設備拉伸缸鉗口夾住型材，并給材料施加一個預拉伸力，達到材料屈服強度，拉彎機回轉缸加載彎曲回轉，拉彎缸施加軸向拉彎力，如圖4所示，使型材圍繞拉彎模具做貼合運動產生塑性變形，根據材料的回彈情況增加補拉伸，工件在彎曲過程中，拉伸缸對材料始終施加軸向拉伸力，材料長度伸長部分始終被拉伸缸牽引補償，這就避免了材料起皺的趨勢，達到良好的弧度效果，拉彎原理圖如圖5所示。

汽車前防撞梁橫梁的截面主要有“口”“日”“目”“田”等，本產品選用“目”截面型材，可有效提升產品的強度。常規的截面有開口形式和閉口形式，從結構強度上來講，閉口形式的要優于開口形式，從輕量化的角度上來講，開口形式優于閉口形式。本產品采用的是熱處理可強化鋁合金，也稱航空硬鋁，實質上輕量化已經得到了很大程度地提升，采用閉口形式可有效提升防撞梁的強度，使輕量化和強度盡量達到一個絕對平衡的狀態。

圖4 拉彎設備作業

圖4 拉彎設備作業

圖5 拉彎設備原理

吸能盒結構設計

如圖6所示，為吸能盒數模結構，單獨的“口”型界面無法滿足碰撞要求強度，為了加強結構強度中間設有加強筋，吸能盒在理想狀態下，在受到輕度碰撞時可以發生變形吸能，保護汽車內部結構，而在重度撞擊時可以吸收能量并且發揮出更高的強度效果，本產品吸能盒半包裹橫梁截面，受到撞擊時，兩側向中間擠壓，如圖7所示，可達到更好的強度效果。

圖6 前防撞梁吸能盒

圖7 前防撞梁吸能盒受力分析

如圖8，發成碰撞時前防撞梁橫梁把力傳遞給車身各個結構件，隨著力的增大，屈服強度最低的吸能盒吸能優先發生潰縮，潰縮方向按照三角方向可達到最佳的潰縮效果，為了使潰縮方向按照標準方向潰縮，吸能盒上設置了潰縮引導。

圖8 前防撞梁吸能盒潰縮試驗

產品設計分析

產品材料介紹

該前防撞梁所用材料為鋁合金，牌號為6082和6063，鋁合金的密度是鋼材的三分之一，同體積下鋁合金的質量為鋼的三分之一。在防撞梁的應用中，鋁合金材料要比鋼材料減重35%～60%，在防撞梁發生碰撞時，鋁材料要比鋼材料多吸收50%～70%的沖擊能量，鋁材料有較好的耐腐蝕性，便于再次回收利用，各零件普遍所用的材料如表2。本產品橫梁部分選用6082-T6，如上文所述，可達到高強度、低重量的效果。吸能盒選用6063-T6，可達到良好的吸能效果。

新材料拓展

在這個新型技術及材料不斷更迭的時代，鋁合金的風靡也可能是一時的，未來幾年汽車是否會大量采用鋁合金材料仍存在很大的不確定性，下面為國內外關于汽車前防撞梁新型材料研究成果:

玻璃鋼（玻璃纖維增強塑料），在同等強度要求下，它的成本要比鋁合金材料低2～3倍，甚至比金屬材料還要低20%～30%，并且制作周期要相比金屬材料短10%，該材料相對密度在1.5～2之間，只有普通碳鋼的1/4到1/5，拉伸強度、彎曲強度和壓縮強度可達到400MPa以上，它具有塑料的耐腐蝕、絕緣、工藝性好等優點，也有著鋁合金材料的高強度、熱性能良好等優點，但是也存在彈性模量小、不能長期暴露在高溫場合等缺點。

泡沫鋁合金（泡沫鋁），該材料是在純鋁或鋁合金中加添加劑發泡而成，具有密度小、高沖擊能量吸收、耐高溫、耐腐蝕、隔音防震、低導熱、易加工等優點，它的密度是金屬鋁的0.1～0.4倍，高比剛度。

碳纖維，是一種由碳元素組成的特種纖維，它導電、導熱，并且強度較高，呈纖維狀，柔軟，可塑性較強。目前在汽車領域的應用遠不及鋁合金，其原因主要在于碳纖維制造成本高昂，難以回收利用，并且制造過程復雜，但是如寶馬、奔馳、奧迪等這些車企都成立了關于碳纖維的研究公司，可見碳纖維有著很大的發展前景。

產品設計選材

本文關于防撞梁的設計將應用在某款高端輕量化電動汽車上，該款汽車為轎車，汽車地盤較低，并且動力較強，這就需要保證駕駛安全的前提下將汽車的輕量化發揮到極致，所以，對于橫梁以及吸能盒均采用鋁合金材料，前防撞梁橫梁是采用鋁合金材料拉彎成型的，吸能盒則采用機加成型，安裝板以及支架同樣采用鋁合金材料，這種選材方法極大地減輕了前防撞梁總成的重量，各個零件總重量為8.037kg，如表3所示。

結論

汽車的前防撞梁是汽車重要安全部件之一，其中橫梁又是前防撞梁的核心零件，其安全性尤為重要。前防撞橫梁選用6082-T6合金鋁板，是一種可熱處理強化的合金鋁板，相比而言具有良好的焊接性，中等強度，并且耐腐蝕，質量輕，在高速船只上應用較多，這些優勢同樣也適用于汽車前防撞梁，易于滿足安全性能及實現輕量化。

鋁合金材質的前防撞梁在滿足設計要求的同時，其屈服強度、剛度以及模態均要優于鋼制前防撞梁，并且鋁合金材質在吸振性能上要更加優良，提升了整車的NVH性能，可以給使用者更加直接純粹的舒適，進而提升整車的性能。吸能盒的結構減小了正面受力的變形量，增大了截面受力，有效的改善了吸能盒的吸能特性和潰縮特性，使整車的安全性及耐撞性得到提升。

來源：網絡

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