汽車輕量化是解決汽車油耗和排放問題的有效手段,，汽車輕量化主要是從材料,、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝方面來實(shí)現(xiàn)，其中材料輕量化的效果最顯著,。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],。

1.1高強(qiáng)鋼材料

統(tǒng)計(jì)歷年來國(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10～30萬元的中低端車型，高強(qiáng)鋼使用比例為42%,，如表1所示,。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,。

表1中低端主流車型保險(xiǎn)杠防撞梁使用情況

1.2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ES6,、蔚來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ES6,、蔚來ES8,、北京X7等，圖1為蔚來ES6擠壓鋁后保險(xiǎn)杠防撞梁[12],。

圖1蔚來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]

1.3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,。

（a）雪佛蘭克爾維特黃貂魚

（b）雪佛蘭Corvette碳纖維復(fù)合材料防撞梁

圖3碳纖維的保險(xiǎn)杠防撞梁[14]

1.4金屬與碳纖維混合

由于材料成本與制造工藝的限制[15,16,17,18],，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LS DYNA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

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 Wie?mann聯(lián)合開發(fā)了管件熱氣脹成形與淬火工藝(ACCRA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,，再通過約60 MPa的內(nèi)高壓熱氣體脹形至最終產(chǎn)品,。開發(fā)防撞梁應(yīng)用于福特野馬、?？怂管囆?。

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)三維熱彎淬火技術(shù)（Three Di?mensional 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超高強(qiáng)鋼管件熱輥彎工藝[20],，通過將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)與無模彎曲技術(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 000MPa,，抗拉強(qiáng)度大于1 300 MPa,。因此，可以通過材料減薄和結(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)那疤嵯拢ㄟ^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]

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,。

參考文獻(xiàn)