劉志民 趙宗杰 倪慨宇

（1.中國(guó)核工業(yè)電機(jī)運(yùn)行技術(shù)開發(fā)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(wú)錫北辰匯智科技有限公司,無(wú)錫 214205）

主題詞：汽車輕量化 保險(xiǎn)杠 防撞梁 多形態(tài)混合材料

1 前言

汽車輕量化是解決汽車油耗和排放問(wèn)題的有效手段，汽車輕量化主要是從材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝方面來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中材料輕量化的效果最顯著[1-11]。保險(xiǎn)杠防撞梁系統(tǒng)承擔(dān)著汽車碰撞時(shí)能量傳遞與吸收的重要角色：例如汽車在低速碰撞時(shí)，防撞梁本體將碰撞能量及時(shí)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(shí)，防撞梁本體發(fā)生塑性變形吸收能量，同時(shí)將能量傳遞給機(jī)艙前縱梁，通過(guò)車體骨架系統(tǒng)將能量分解，減小車輛受損與人員受傷害程度。因此，保險(xiǎn)杠防撞梁也一直是輕量化技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)。

傳統(tǒng)防撞梁多采用高強(qiáng)度鋼板沖焊而成，工序復(fù)雜，質(zhì)量較大。采用輕質(zhì)材料，如鋁合金、鎂合金、碳纖維，是實(shí)現(xiàn)輕量化最直接有效方法。鋁合金由于成本最低，被認(rèn)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(qiáng)度與比剛度，但是由于其價(jià)格昂貴，應(yīng)用較少[4]。

本文就保險(xiǎn)杠防撞梁的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，同時(shí)探討了新工藝技術(shù)，最后分析了新材料與新工藝技術(shù)在保險(xiǎn)杠防撞梁應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

2 防撞梁材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 高強(qiáng)鋼材料

統(tǒng)計(jì)歷年來(lái)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上213款車型的保險(xiǎn)杠防撞梁材料運(yùn)用情況，有118款車型采用高強(qiáng)鋼，95款車型采用鋁合金，可見保險(xiǎn)杠防撞梁材料以高鋼鋼為主。

劉志民等對(duì)5年內(nèi)市場(chǎng)上的104款主流車型進(jìn)行調(diào)研，軸距為2 550～2 850 mm，價(jià)格在10～30萬(wàn)元的中低端車型，高強(qiáng)鋼使用比例為42%，如表1所示。

表1 中低端主流車型保險(xiǎn)杠防撞梁使用情況

由表1可知，其中高強(qiáng)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(qiáng)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?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制材料，可有效實(shí)現(xiàn)約40%減重率，實(shí)現(xiàn)防撞梁系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)。從2008年至2022年的歷年歐洲車身會(huì)議，以及國(guó)內(nèi)車身資料來(lái)看，國(guó)內(nèi)外主流車型的鋁合金防撞梁主要集中體現(xiàn)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(biāo)致308、標(biāo)致308S、標(biāo)致508、標(biāo)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(xiǎn)者、科魯茲、吉普自由俠、沃爾沃XC40電動(dòng)、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(dá)昂克賽拉、馬自達(dá)CX-60、榮威950、極氪_001、長(zhǎng)安逸動(dòng)、領(lǐng)克01PHEV、蔚來(lái)ES6、蔚來(lái)ES8、北京X7等。統(tǒng)計(jì)70款車型的防撞梁應(yīng)用情況，按各車系分析如下：德系車的鋁合金防撞梁應(yīng)用最廣，約占30%，美系占22%、日系占20%、自主車占19%、法系車應(yīng)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(jié)構(gòu)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(xiǎn)杠防撞梁體現(xiàn)，后保險(xiǎn)杠防撞梁較少采用，如蔚來(lái)ES6、蔚來(lái)ES8、北京X7等，圖1為蔚來(lái)ES6擠壓鋁后保險(xiǎn)杠防撞梁[12]。

圖1 蔚來(lái)ES6擠壓鋁后保險(xiǎn)杠防撞梁[12]

鋁合金保險(xiǎn)杠防撞梁本體材料牌號(hào)一般采用6xxx系鋁合金較多，如6082、6063、6061等。個(gè)別中高端車系采用7xxx系鋁合金，如蔚來(lái)汽車的ES8、豐田bZ4X，如圖2所示，豐田bZ4X的前保險(xiǎn)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(fù)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(xiǎn)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(guó)纖維復(fù)合材料拉擠公司Thomas Technik+Innovation合作開發(fā)，這款保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，是汽車行業(yè)第一款采用彎曲的多空心拉擠碳纖維技術(shù)生產(chǎn)的碳纖維防撞梁。另外，碳纖維復(fù)合材料也在中高端車型中得到應(yīng)用，2021年歐洲車身會(huì)議展示的雪佛蘭Corvette碳纖維復(fù)合材料保險(xiǎn)杠防撞梁[14]，圖3（b）所示。

圖3 碳纖維的保險(xiǎn)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(yīng)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(guó)本特勒開發(fā)的鋁合金/碳纖維混合材料構(gòu)成的前防撞梁，該結(jié)構(gòu)的混合方式是通過(guò)先熱模壓固化的方式，實(shí)現(xiàn)材料混合，這種防撞梁在提高碰撞吸能同時(shí)，實(shí)現(xiàn)減重45%。

圖4 本特勒開發(fā)的鋁合金/碳纖維防撞梁[16]

本文通過(guò)有限元模擬，對(duì)鋁合金/碳纖維混合材料的保險(xiǎn)杠后防撞梁的輕量化進(jìn)行了研究。針對(duì)某款車型的保險(xiǎn)杠后防撞梁總成，綜合考慮材料與成型工藝的可行性，設(shè)計(jì)了HC340LA高強(qiáng)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(jié)構(gòu)后防撞梁總成，如圖5所示。

圖5 設(shè)計(jì)的4種材料防撞梁總成

通過(guò)LSDYNA軟件對(duì)后防撞梁的低速碰撞進(jìn)行模擬，得到的結(jié)果如表2所示，4種材料的后防撞梁結(jié)構(gòu)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(zhì)量?jī)H為1.10 kg，HC340LA后防撞梁總成質(zhì)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(jié)果

3 新工藝技術(shù)

目前普遍應(yīng)用的保險(xiǎn)杠防撞梁成型工藝有沖壓、超高強(qiáng)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(guó)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(yīng)用的發(fā)展，超高強(qiáng)度材料開始應(yīng)用到高剛性的管狀結(jié)構(gòu)上，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都開展了管件熱成形技術(shù)研究。德國(guó)蒂森克虜伯與Linde+Wiemann聯(lián)合開發(fā)了管件熱氣脹成形工藝，將預(yù)先制備的異型管件加熱到奧氏體化溫度區(qū)間，再通過(guò)約60 MPa的內(nèi)高壓熱氣體脹形至最終產(chǎn)品。新日鐵住金公司采用在線彎曲與淬火強(qiáng)化復(fù)合技術(shù)（Three Dimensional Hot Bending and Direct Quench，3DQ）實(shí)現(xiàn)了1 500 MPa管件的加工制造[19]。

寶鋼在3DQ基礎(chǔ)上，提出一種新型加工工藝[20]，通過(guò)將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)與無(wú)模彎曲技術(shù)相結(jié)合，可以加工同時(shí)具有超高強(qiáng)度、變曲率和復(fù)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(shí)進(jìn)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(qiáng)度大于1 000 MPa，抗拉強(qiáng)度大于1 300 MPa。因此，可以通過(guò)材料減薄和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化，同時(shí)原材料成本低于鋁合金，成本和結(jié)構(gòu)性能上優(yōu)于鋁合金擠壓防撞梁。

圖6 超高強(qiáng)鋼管件熱輥彎工藝原理[20]

圖7是寶鋼開發(fā)超高強(qiáng)鋼熱輥彎前保險(xiǎn)杠防撞梁總成，在結(jié)構(gòu)性能相當(dāng)?shù)那疤嵯?，通過(guò)材料高強(qiáng)化與零件截面高剛性設(shè)計(jì)，熱輥彎防撞梁零件質(zhì)量增加8%，總成質(zhì)量增加14%，輕量化水平接近鋁合金設(shè)計(jì)方案，具有良好的輕量化效果。

圖7 超高強(qiáng)鋼熱輥彎前防撞梁[20]

4 輕量化的發(fā)展趨勢(shì)

隨著汽車制造新工藝與新裝備的發(fā)展，以及鋁合金、碳纖維成本下降，保險(xiǎn)杠防撞梁輕量化技術(shù)由高端車向中低端車應(yīng)用發(fā)展。綜合考慮性能與成本，未來(lái)防撞梁輕量化技術(shù)發(fā)展的將呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

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

（2）中低端車保險(xiǎn)杠防撞梁由低成本的高強(qiáng)鋼為主，同時(shí)鋁合金比重逐漸增大；

（3）碳纖維防撞梁，將繼續(xù)在跑車車型中應(yīng)用；

（4）新材料的應(yīng)用將推進(jìn)新工藝技術(shù)向多樣化發(fā)展；

（5）超高強(qiáng)鋼3D熱輥彎防撞梁，將在中端車型中推廣應(yīng)用。