CN107628115B - 一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构，包括前纵梁内、外板，前纵梁内板包括第一前端翻边、上下侧翻边、圆柱压痕诱导结构、纵向加强筋、第一纵向小加强筋、刚度弱化区以及第一后端翻边，前纵梁外板包括第二前端翻边、横向诱导槽、第二纵向小加强筋以及第二后端翻边；前纵梁内板分成四个功能区域，每个功能区域对应一个等厚度区，相邻两个功能区域通过厚度过渡区实现连续过渡连接；功能区域A、B截面形状呈凹字型，功能区域C、D截面形状为单帽型。本发明能根据各功能区域的结构特点，发挥不同的功能作用；还能充分利用前纵梁碰撞压溃区的变形空间，最大程度吸收碰撞能量，实现前纵梁最大程度的轻量化和耐撞性设计。

Description

一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构

技术领域

本发明属于汽车前纵梁的结构设计领域，尤其涉及一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构。

背景技术

汽车前纵梁是整车碰撞工况中最重要的吸能部件和传力结构，前纵梁的吸能能力和变形模式决定了整车碰撞加速度响应的好坏以及乘员舱侵入量的大小。随着汽车轻量化和整车碰撞安全性法规的日趋严格，解决前纵梁的轻量化和耐撞性设计问题成为新的研究热点，前纵梁的结构轻量化和耐撞性设计主要包括优化前纵梁的厚度分布和截面形状两种途径。针对前纵梁厚度分布的设计问题，中国专利200820238454.2公开了一种分段式激光拼焊汽车前纵梁结构，包括纵梁前段、纵梁中段和纵梁后段，三者厚度依次呈递增趋势，这种前纵梁结构在满足碰撞安全性能的前提下，实现了轻量化设计。但是由于激光拼焊结构在焊缝位置存在厚度突变，会导致焊缝区域的碰撞变形模式稳定性较差，并且焊缝硬度通常比母材高2～3倍，零件制造成本随着焊缝数量的增加而增加，从而限制了激光拼焊前纵梁结构在汽车上的大规模推广应用。为克服激光拼焊结构焊缝位置性能突变的不足，中国专利201310523023.6公开了一种连续变截面汽车前纵梁及其制备方法，该前纵梁包括纵前梁前段和前纵梁后段，二者的厚度依次呈递增趋势，并利用激光焊接、点焊工艺和粘接工艺实现前纵梁过渡区的厚度连续变化；然而，该前纵梁结构的厚度分布没有根据汽车前舱的总布置参数进行合理分段划分，容易导致在高速碰撞工况下传递到乘员舱的碰撞力过大、加速度峰值偏高以及防火墙侵入量过大等问题，不利于乘员安全。针对前纵梁结构的截面设计问题，中国专利201510942088.3公开了一种中央贯穿凹陷加强的前纵梁结构，中国专利201510942103.4公开了一种三腔体多层焊接前纵梁，这些前纵梁结构可以有效改善传统截面的前纵梁变形不稳定的问题，并且在一定程度上提高了前纵梁的碰撞吸能能力，然而以上前纵梁结构的截面形状较为单一，没有根据前纵梁不同设计区域的功能需求设计相应合理的截面形式，导致前纵梁的碰撞吸能效率仍然较低。

尽管上述汽车前纵梁结构在一定程度上实现了前纵梁的轻量化和耐撞性设计，但仍无法充分利用碰撞压溃区的变形空间，并且会导致碰撞时传递到乘员舱的力过大、加速度峰值偏高等问题，不利于乘员的安全保护。

发明内容

为此，本发明结合汽车前舱的总布置边界条件以及前纵梁的实际变形特点，将其划分为4个功能区域，并利用连续变厚度柔性轧制技术，创新性的提出一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构；旨在充分利用前纵梁碰撞压溃区的变形空间，最大程度的吸收碰撞能量，实现对前纵梁最大化的轻量化和耐撞性设计。

本发明的技术方案是：

一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构，包括前纵梁内板和前纵梁外板，所述前纵梁内板包括上侧翻边和下侧翻边，所述前纵梁内板和前纵梁外板在上侧翻边和下侧翻边处分别通过点焊工艺连接，并形成一个封闭的腔体；所述前纵梁内板分为功能区域A、B、C、D，相邻两个功能区域通过厚度过渡区域A₁、B₁、C₁实现连续过渡连接；所述功能区域A包括第一前端翻边和四个圆柱压痕诱导结构，所述第一前端翻边和前防撞梁通过点焊工艺连接，四个圆柱压痕诱导结构对称分布于前纵梁内板的棱角位置；所述功能区域A的前纵梁内板的上侧翻边棱线和下侧翻边棱线沿着车辆X方向延伸且形成直线状；所述功能区域B设有纵向加强筋，所述纵向加强筋设于前纵梁内板的中间位置，且贯穿分布于功能区域A和功能区域B；所述功能区域B的前纵梁内板的上侧翻边棱线沿着车辆前后方向延伸且形成直线状，下侧翻边棱线沿着车辆X方向向下延伸且形成直线状；所述功能区域C设有两个第一纵向小加强筋和刚度弱化区，两个第一纵向小加强筋平行分布于前纵梁内板的中间位置，刚度弱化区位于纵向加强筋和第一纵向小加强筋中间，主要用于诱导前纵梁产生车辆Y方向的折弯变形；所述功能区域C的前纵梁内板的上侧翻边棱线和下侧翻边棱线沿着车辆X方向延伸且形成直线状；所述功能区域D设有第一后端翻边，所述第一后端翻边和防火墙通过点焊工艺连接，所述功能区域D的前纵梁内板的上侧翻边棱线沿着车辆前后方向延伸一段后再向下延伸且形成折直线状，下侧翻边棱线沿着车辆X方向向下延伸且形成直线状；所述前纵梁外板包括第二前端翻边、四个横向诱导槽、两个第二纵向小加强筋以及第二后端翻边，第二前端翻边和前防撞梁通过点焊工艺连接，第二后端翻边和防火墙通过点焊工，四个横向诱导槽平行分布于前纵梁外板前端，两个第二纵向小加强筋平行分布于前纵梁外板后端。

上述方案中，所述前纵梁内板的每个功能区域对应一个等厚度区，所述功能区域A的厚度T_A、功能区域B的厚度T_B以及功能区域C的厚度T_C之间的大小关系为T_A<T_B，T_B>T_C；功能区域D的厚度T_D与其他三个功能区域厚度的大小关系需根据前纵梁在实际车型中的设计需求确定；所述厚度过渡区域A₁、B₁、C₁的厚度分布呈线性变化。

上述方案中，所述功能区域A、B的截面形状均呈凹字型，所述功能区域C、D的截面形状均为单帽型截面。

上述方案中，所述前纵梁外板可以与前纵梁内板采用同种材料制备，也可以采用异种材料制备；所述前纵梁外板可以采用等厚度，也可以采用与前纵梁内板功能区域相同的厚度分布形式；所述前纵梁内板通过柔性轧制工艺轧制而成。

本发明的有益效果是：

1)本发明结构只包含前纵梁内板和前纵梁外板，减少了前纵梁的零件数量和焊点数量，可以节省部分价格昂贵的模具加工费、提高前纵梁总成的装配效率。

2)本发明前纵梁结构根据汽车前舱的总布置边界条件以及前纵梁的实际变形特点，合理划分前纵梁内板的功能区域，充分发挥不同功能区域的功能作用，既可以提高前纵梁的碰撞吸能能力，又可以改善前纵梁的碰撞变形模式。

3)本发明前纵梁结构采用合理的厚度分布形式，提高了前纵梁结构的材料利用率，实现了其轻量化设计；同时由于采用柔性轧制技术，使得前纵梁内板表面没有焊缝引起的厚度突变，其表面质量好，连接强度高，应力分布连续。

4)本发明前纵梁结构采用变截面形状，并合理布置诱导结构及加强筋的位置，既可以改善前纵梁的变形模式，又可以提高其吸能能力。

附图说明

图1是本发明一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构示意图，图1(a)是本发明前纵梁结构正视图，图1(b)是本发明前纵梁结构后视图；

图2是本发明前纵梁结构功能区域A和功能区域B的前纵梁截面示意图；

图3是本发明前纵梁结构功能区域C和功能区域D的前纵梁截面示意图；

图4是本发明前纵梁结构与传统前纵梁结构不同设计状态对比示意图，图4(a)是本发明前纵梁结构图，图4(b)是传统前纵梁结构图；

图5是本发明前纵梁结构与传统前纵梁结构的前纵梁内板厚度分布对比示意图；

图6是本发明前纵梁结构与传统前纵梁结构的加速度波形对比示意图；

其中：1-前纵梁内板，1-1-第一前端翻边，1-2-上侧翻边，1-3-下侧翻边，1-4-圆柱压痕诱导结构，1-5-纵向加强筋，1-6-刚度弱化区，1-7-第一纵向小加强筋，1-8-第一后端翻边，2-前纵梁外板，2-1-第二前端翻边，2-2-横向诱导结构，2-3-第二纵向小加强筋，2-4-第二后端翻边。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1(a)、(b)是本发明一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构的结构示意图，包括前纵梁内板1和前纵梁外板2，前纵梁内板1通过柔性轧制工艺轧制而成：首先利用TRB(连续变厚度轧制工艺)轧制出与前纵梁内板厚度分布一致的变厚度钢板，再利用冲压工艺将变厚度钢板冲压成为变厚度前纵梁内板；前纵梁内板1包括上侧翻边1-2和下侧翻边1-3，前纵梁内板1和前纵梁外板2在上侧翻边1-2和下侧翻边1-3处分别通过点焊工艺连接，并形成一个封闭的腔体；前纵梁内板1包括四个功能区域A、B、C、D，功能区域A包括第一前端翻边1-1和四个圆柱压痕诱导结构1-4(圆柱压痕诱导结构1-4用于诱导前纵梁产生规则的折叠变形)，第一前端翻边1-1和前防撞梁通过点焊工艺连接，四个圆柱压痕诱导结构1-4对称分布于前纵梁内板1的棱角位置；功能区域A的前纵梁内板1的上侧翻边棱线和下侧翻边棱线沿着车辆X方向延伸且形成直线状；功能区域B设有纵向加强筋1-5(纵向加强筋1-5用于增强前纵梁前端的刚度、提高碰撞吸能)，纵向加强筋1-5设于前纵梁内板1的中间位置，且贯穿分布于功能区域A和功能区域B；功能区域B的前纵梁内板1的上侧翻边棱线沿着车辆前后方向延伸且形成直线状，下侧翻边棱线沿着车辆X方向向下延伸且形成直线状；功能区域C设有两个第一纵向小加强筋1-7(第一小纵向加强筋1-7用于提高该功能区域的刚度)和刚度弱化区1-6(刚度弱化区1-6用于诱导前纵梁产生Y向折弯变形，降低碰撞力和加速度峰值)，两个第一纵向小加强筋1-7平行分布于前纵梁内板1的中间位置，刚度弱化区1-6位于纵向加强筋1-5和第一纵向小加强筋1-7中间，主要用于诱导前纵梁产生车辆Y方向的折弯变形；功能区域C的前纵梁内板1的上侧翻边棱线和下侧翻边棱线沿着车辆X方向延伸且形成直线状；功能区域D设有第一后端翻边1-8，第一后端翻边1-8和防火墙通过点焊工艺连接，功能区域D的前纵梁内板1的上侧翻边棱线沿着车辆前后方向延伸一段后再向下延伸且形成折直线状，下侧翻边棱线沿着车辆X方向向下延伸且形成直线状。

前纵梁外板2包括第二前端翻边2-1、四个横向诱导槽2-2、第二纵向小加强筋2-3以及第二后端翻边2-4，第二前端翻边2-1和前防撞梁通过点焊工艺连接，第二后端翻边2-4和防火墙通过点焊工艺连接，四个横向诱导槽2-2平行分布于前纵梁外板2前端，两个第二纵向小加强筋2-3平行分布于前纵梁外板2后端。

功能区域A、B的截面形状均呈凹字型(图2)，这种截面形式增加了超折叠单元的数量，增加碰撞吸能和碰撞力；功能区域C、D的截面形状均为单帽型截面(图3)，功能区域A和功能区域B用于使前纵梁产生相对稳定的轴向压溃变形，是主要的碰撞吸能区；功能区域C与发动机的布置空间有关，由于发动机在正面碰撞过程中几乎不吸收碰撞能量，并可视为刚体，因此功能区域C主要用于传递碰撞力；功能区域D主要用于吸收剩余碰撞能量，抵抗前纵梁根部位置发生过大的弯曲变形。前纵梁内板1的每个功能区域对应一个等厚度区，相邻两个功能区域通过厚度过渡区域A₁、B₁、C₁实现连续过渡连接，即前纵梁内板1包括四个等厚度区和三个厚度过渡区。功能区域A的厚度T_A、功能区域B的厚度T_B以及功能区域C的厚度T_C之间的大小关系为T_A<T_B，T_B>T_C；功能区域A和功能区域B的前纵梁内板厚度依次递增是为促进前纵梁产生规则的由前向后的折叠变形，增加碰撞吸能；功能区域C的厚度较低是因为此位置为前置前驱车型发动机的安装区域，刚度较大，为实现轻量化设计将功能区域C处的前纵梁内板厚度设计较低；由于功能区域D的作用主要是用于吸收剩余碰撞能量，抵抗前纵梁根部位置发生过大的弯曲变形，所以该功能区域刚度不能过高也不能偏低，因此该功能区域厚度需要根据前纵梁在实际车型中的设计需求确定；所述厚度过渡区域A₁、B₁、C₁的厚度分布呈线性变化。

前纵梁外板2可以与前纵梁内板1采用同种材料制备，也可以采用异种材料制备；前纵梁外板2可以采用等厚度，也可以采用与前纵梁内板1功能区域相同的厚度分布形式。

为验证本发明前纵梁结构的优越性，现分别将本发明前纵梁结构与传统前纵梁结构在等质量和等性能下条件下进行比较。

图4是本发明前纵梁结构与传统前纵梁结构不同设计状态对比示意图。其中，传统前纵梁由前纵梁内板、前纵梁外板以及加强板构成，截面形式为单帽型；本发明结构只包括前纵梁内板和前纵梁外板。

图5是本发明前纵梁结构与传统前纵梁结构的前纵梁内板厚度分布对比示意图：其中，传统前纵梁结构的内板和外板均为等厚度板，厚度为1.6mm；本发明前纵梁结构的外板与传统前纵梁外板相同，厚度为1.6mm，本发明前纵梁结构的内板为变厚度板，厚度分布形式如图5所示。

图6是本发明前纵梁结构与传统前纵梁结构的整车加速度波形对比示意图，表1列举了本发明前纵梁结构与传统前纵梁结构在等质量和等加速度峰值(简称“等性能”)条件下的对比结果。由表1和图6的对比结果可知：在等性能条件下，本发明前纵梁结构相比传统前纵梁结构质量减少16.509％；在等质量条件下，本发明前纵梁结构相比传统前纵梁结构整车加速度峰值下降24.745％，并且第一台阶的加速度水平G₁得到一定程度的提升，第二台阶的加速度水平G₂得到一定程度的下降，有利于降低乘员的伤害指标。

表1本发明前纵梁结构与传统前纵梁结构性能对比

综上所述，本发明前纵梁结构相对于传统前纵梁结构能够根据各自功能区域的结构特点，发挥不同的功能作用；充分利用前纵梁碰撞压溃区的变形空间，最大程度的吸收碰撞能量，实现对前纵梁最大化的轻量化和耐撞性设计。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的设计人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进方案，都应视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构，包括前纵梁内板(1)和前纵梁外板(2)，其特征在于：所述前纵梁内板(1)包括上侧翻边(1-2)和下侧翻边(1-3)，所述前纵梁内板(1)和前纵梁外板(2)在上侧翻边(1-2)和下侧翻边(1-3)处分别通过点焊工艺连接，并形成一个封闭的腔体；所述前纵梁内板(1)分为功能区域A、B、C、D，相邻两个功能区域通过厚度过渡区域A₁、B₁、C₁实现连续过渡连接；

所述功能区域C设有两个第一纵向小加强筋(1-7)和刚度弱化区(1-6)，两个第一纵向小加强筋(1-7)平行分布于前纵梁内板(1)的中间位置，刚度弱化区(1-6)位于纵向加强筋(1-5)和第一纵向小加强筋(1-7)中间，主要用于诱导前纵梁产生车辆Y方向的折弯变形；所述功能区域C的前纵梁内板(1)的上侧翻边棱线和下侧翻边棱线沿着车辆X方向延伸且形成直线状。

2.根据权利要求1所述的一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构，其特征在于：所述功能区域A包括第一前端翻边(1-1)和四个圆柱压痕诱导结构(1-4)，所述第一前端翻边(1-1)和前防撞梁通过点焊工艺连接，四个圆柱压痕诱导结构(1-4)对称分布于前纵梁内板(1)的棱角位置；所述功能区域A的前纵梁内板(1)的上侧翻边棱线和下侧翻边棱线沿着车辆X方向延伸且形成直线状。

3.根据权利要求1所述的一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构，其特征在于：所述功能区域B设有纵向加强筋(1-5)，所述纵向加强筋(1-5)设于前纵梁内板(1)的中间位置，且贯穿分布于功能区域A和功能区域B；所述功能区域B的前纵梁内板(1)的上侧翻边棱线沿着车辆前后方向延伸且形成直线状，下侧翻边棱线沿着车辆X方向向下延伸且形成直线状。

4.根据权利要求1所述的一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构，其特征在于：所述功能区域D设有第一后端翻边(1-8)，所述第一后端翻边(1-8)和防火墙通过点焊工艺连接，所述功能区域D的前纵梁内板(1)的上侧翻边棱线沿着车辆前后方向延伸一段后再向下延伸且形成折直线状，下侧翻边棱线沿着车辆X方向向下延伸且形成直线状。

5.根据权利要求1所述的一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构，其特征在于：所述前纵梁外板(2)包括第二前端翻边(2-1)、四个横向诱导槽(2-2)、两个第二纵向小加强筋(2-3)以及第二后端翻边(2-4)，第二前端翻边(2-1)和前防撞梁通过点焊工艺连接，第二后端翻边(2-4)和防火墙通过点焊工艺连接，四个横向诱导槽(2-2)平行分布于前纵梁外板(2)前端，两个第二纵向小加强筋(2-3)平行分布于前纵梁外板(2)后端。

6.根据权利要求1所述的一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构，其特征在于：所述前纵梁内板(1)的每个功能区域对应一个等厚度区，所述功能区域A的厚度T_A、功能区域B的厚度T_B以及功能区域C的厚度T_C之间的大小关系为T_A<T_B，T_B>T_C；功能区域D的厚度T_D与其他三个功能区域厚度的大小关系需根据前纵梁在实际车型中的设计需求确定；所述厚度过渡区域A₁、B₁、C₁的厚度分布呈线性变化。

7.根据权利要求1所述的一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构，其特征在于：所述功能区域A、B的截面形状均呈凹字型，所述功能区域C、D的截面形状均为单帽型截面。

8.根据权利要求1所述的一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构，其特征在于：所述前纵梁外板(2)与前纵梁内板(1)采用同种材料制备，或者采用异种材料制备；所述前纵梁外板(2)采用等厚度，或者采用与前纵梁内板(1)功能区域相同的厚度分布形式。

9.根据权利要求1所述的一种用于功能定制的汽车变厚度、变截面前纵梁结构，其特征在于：所述前纵梁内板(1)通过柔性轧制工艺轧制而成。