CN103625553A - 一种基于内嵌碳纤维的方锥形铝合金汽车前纵梁 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于内嵌碳纤维的方锥形铝合金汽车前纵梁，其特点在于：前纵梁的截面由两部分组成，分别是铝合金外壁和碳纤维加强板，铝合金外板具有弹性模量小和良好的变形模式，且碳纤维加强板很强的碰撞吸能能力。利用这两种新材料组合在一起，再加上一种方锥形结构就能够满意地协调在碰撞安全设计过程中高吸能、低碰撞加速度峰值和良好的压溃模式三者之间的矛盾，对于提高碰撞性能和轻量化有重要的促进意义。

Description

一种基于内嵌碳纤维的方锥形铝合金汽车前纵梁

技术领域

本发明涉及汽车制造中的前纵梁设计技术领域，具体涉及一种基于内嵌碳纤维的方锥形铝合金汽车前纵梁。

背景技术

前纵梁是汽车碰撞安全设计的重要部件。在汽车正面碰撞过程中，前纵梁的吸能占总能量的50%～70%，在偏置碰撞中占总能量的30%～50%。前纵梁在所有车身部件中吸收的碰撞能量最多，而且其吸能特性和变形模式决定了碰撞过程中的加速度响应和力的传递路径，因此各大汽车企业把前纵梁的优化设计作为车身安全和轻量化设计的重要环节。传统的汽车前纵梁设计采用高强钢板作为材料，来抵抗碰撞过程中的结构大变形。根据设计经验和碰撞试验统计结果，若前纵梁板太薄，则溃缩模式不理想，若太厚又容易使得前纵梁在碰撞过程中发生弯折现象。传统的基于高强钢材质的前纵梁设计，无法满意地协调在碰撞安全设计过程中高吸能、低碰撞加速度峰值和良好的压溃模式三者之间的矛盾。图2显示出电动汽车骨架及前纵梁位置图，其中2-1表示前纵梁的位置。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种基于内嵌碳纤维的方锥形铝合金汽车前纵梁，在实现比目前主流的高强钢前纵梁结构具备更高的吸能能力、更低乘员碰撞加速度峰值和良好的压溃模式，解决前纵梁设计过程中的难题，达到三方面指标的平衡。

概况来说，对于本发明的技术方案，从材料的角度看，首先选取铝合金和碳纤维轻量化高性能材料作为前纵梁设计的材料。从结构的角度看，利用方锥形的结构设计，此结构使两种材料在碰撞中越挤越紧，从而达到前纵梁最大化吸能和良好压溃模式的目的。从装配方式上看，铝合金外壁和碳纤维的装配表面具有相同的锥度，装配简单，可以自动定位，只需把碳纤维从铝合金前纵梁后端装入即可。

解决上述技术问题采取的技术构思为:为了减少碰撞加速度峰值，采取方锥形结构，利用新结构和新材料组合能够满意地协调在碰撞安全设计过程中高吸能和良好的压溃模式之间的矛盾。在新结构设计中，铝合金外壁引导变形模式，碳纤维吸收更多的碰撞能量，两者从碰撞变形模式和碰撞吸能上达到互补，从而获得这种先进的前纵梁。

一种基于内嵌碳纤维的方锥形铝合金汽车前纵梁，包括铝合金外壁、碳纤维加强板和铝合金尾板三个组成部分，在生产时，先生产铝合金外壁、碳纤维加强板和铝合金尾板；然后进行铝合金外壁和碳纤维加强板的装配，由于铝合金外壁和碳纤维加强板的装配表面具有相同的锥度，所以可以把碳纤维加强板从铝合金外壁的尾端直接装入；然后把尾板焊接到铝合金外壁的尾部，最后把所形成的前纵梁焊接到车身上。其特征在于，铝合金外壁的制造工艺为由铸造工艺完成或者由其四个组成部分焊接而成或者由冲压变形后的两块冲压板焊接而成；碳纤维加强板的制造工艺为按照碳纤维尾端的截面尺寸制造等截面叉形碳纤维加强板，然后用剪切工具按照前纵梁外壁的锥度剪切而成；铝合金尾板是一块方形薄板，可以剪切而成。

采用本发明的技术方案所带来的技术效果是：该前纵梁结构采用铝合金和碳纤维等具有优良力学性能的材料，结合方锥形结构设计，可以很好的协调压溃碰撞模式、高吸能和最小碰撞加速度峰值三者之间的矛盾，使汽车具备更好地碰撞安全性能；使用轻质材料，使得前纵梁结构质量相比普通高强钢结构下降很多，有利于汽车轻量化设计，降低油耗；同时具有良好的装配方式，由于前纵梁采用的是方锥形结构，铝合金外壁和碳纤维的装配表面具有相同的锥度，所以只需要把生产好的碳纤维从前纵梁后端装入即可，可以自动定位。前纵梁自身装配简单，相比于传统设计来讲无需焊接，成本较低。

附图说明

现在将描述如本发明的优选但非限制性的实施例，本发明的这些和其他特征、方面和优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显而易见，其中：

图1是前纵梁的不同截面图；

图2是电动汽车车身骨架及前纵梁位置图；

图3是前纵梁的爆炸图；

图4是铝合金外壁零件图；

图5是碳纤维加强板零件图；

图6是铝合金尾板零件图。

具体实施方式

以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。

参考图4-6，本专利方锥形铝合金汽车前纵梁的结构有三个部分组成：铝合金外壁1、碳纤维加强板2和铝合金尾板3。其装配工艺过程是：先生产铝合金外壁1、碳纤维加强板2和铝合金尾板3，然后把碳纤维加强板2从形成为方形环绕的铝合金外壁1尾端装入，最后把尾板3焊接到铝合金外壁1的尾部，从而完成前纵梁的制造。

以下是关于三个零件的制造工艺：

铝合金外壁1的制造工艺：由于国内对于变截面的铝合金方管应用不是很多，所以可以采用拼接的方式制造变截面的铝合金外壁。例如铝合金外壁可以由铸造工艺完成或者由其四个组成部分焊接而成，也可以由冲压变形后的两块冲压板焊接而成（如图4）。

碳纤维加强板2的制造工艺：按照碳纤维尾端的截面尺寸制造等截面叉形碳纤维加强板，然后用剪切工具按照前纵梁外壁的锥度剪切而成（如图5）。

铝合金尾板3是一块方形薄板，其制造工艺非常简单，可以剪切而成（如图6）。

在某款自主设计的电动车中，由于有轻量化和碰撞压缩空间较小的限制，传统的高强钢前纵梁难以满足设计要求，而本专利设计的基于内嵌碳纤维的方锥形铝合金汽车前纵梁可以满足设计要求。

对于有类似要求的车身也可以根据自身的实际情况选择如图1截面的前纵梁，前纵梁截面主要有铝合金外壁截面和碳纤维加强板截面组成，两者在性能上的侧重点是不一样的，铝合金外壁侧重于引导良好的变形模式，碳纤维侧重于更大的吸能。图1中有两排前纵梁截面，上面一排的结构相对于第二排简单，侧重于优良的变形模式，而下面一排侧重于更多的碰撞吸能。根据实际情况的分析，本文提到的电动车选择的是如图3的前纵梁，这种结构的结构相对简单，制造工艺容易实现，成本也不高。

这种设计的优点在于：通过合理的结构设计，才能最大化发挥材料的力学特性和得到良好的压溃模式。首先，采用方锥形结构，使得前纵梁的前端比后端软，可以有效地降低碰撞初始加速度峰值。其次，两种材料在方锥结构的引导下越挤越紧，达到最大吸能效果。这种结构装配简单，装配成本较低。把图5的碳纤维结构从图4的铝合金外壁尾端装入，然后用图6的铝合金尾板焊接在图4铝合金外壁的尾端，完成整个前纵梁的制造，最后把整个前纵梁焊接到车身上即可。在碰撞过程中，碰撞能量传递到前横梁上，横梁的能量迅速传递到前大梁上，本专利设计的前纵梁在保证良好的变形模式的情况下，最大量地吸收碰撞能量，从而保护好乘员的安全。

选择这种前纵梁的原因在于：铝合金具有良好的塑性，很容易冲压成各种复杂的零件，在碰撞中有良好的压溃模式，可以引导整个前纵梁的碰撞变形。铝合金弹性模量小，可很好的吸收冲击能量，可以减小碰撞时的碰撞力峰值，在发生事故时有利于保证碰撞车辆和乘员的安全，而且其密度小，是较好的前纵梁材料。但是铝合金吸收的能力有限，如果前纵梁全部使用铝合金材料，会导致前纵梁的厚度过厚，或者导致前纵梁过长。碳纤维作为复合材料，其具有比吸能大的特点，但是复合材料是脆性材料，只有通过合理的结构形式才能充分发挥其比吸能大的优势。综合这两种材料的特点，利用铝合金良好的压溃模式和碳纤维高比吸能两种材料各自的优势，提出一种在铝合金前纵梁内填充高性能的碳纤维材料的设计方法。

Claims (1)

1.一种基于内嵌碳纤维的方锥形铝合金汽车前纵梁，包括铝合金外壁（1）、碳纤维加强板（2）和铝合金尾板（3）三个组成部分，在生产时，先生产铝合金外壁（1）、碳纤维加强板（2）和铝合金尾板（3）；然后进行铝合金外壁（1）和碳纤维加强板（2）的装配，由于铝合金外壁（1）和碳纤维加强板（2）的装配表面具有相同的锥度，所以可以把碳纤维加强板（2）从铝合金外壁（1）的尾端直接装入；然后把尾板（3）焊接到铝合金外壁（1）的尾部，最后把所形成的前纵梁焊接到车身上，其特征在于，铝合金外壁（1）的制造工艺为由铸造工艺完成或者由其四个组成部分焊接而成或者由冲压变形后的两块冲压板焊接而成；碳纤维加强板（2）的制造工艺为按照碳纤维尾端的截面尺寸制造等截面叉形碳纤维加强板，然后用剪切工具按照前纵梁外壁的锥度剪切而成；铝合金尾板（3）是一块方形薄板，可以剪切而成。

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