CN115285229B - 一种加强管总成、汽车的a柱以及加强管总成的设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种加强管总成、汽车的A柱以及加强管总成的设计方法，加强管总成装设在A柱的腔体中，所述加强管总成包括加强管，所述加强管通过热气胀形工艺成型，所述加强管随形于所述A柱的腔体。该申请中在A柱的腔体内设置随形的加强管总成，可以在有限空间内提高A柱的强度，满足25％偏置碰安全性能的要求，而且不影响整车造型，不会影响驾驶员的视野。

Description

一种加强管总成、汽车的A柱以及加强管总成的设计方法

技术领域

本发明涉及汽车部件加工技术领域，具体涉及一种加强管总成、汽车的A柱以及加强管总成的设计方法。

背景技术

汽车A柱的设计直接影响车辆的行驶安全性。A柱在设计时存在一个矛盾：一般情况下，驾驶员通过A柱处的视线，双目重叠角为5至6°，如果按照驾驶员的舒适角度出发，这个重叠角越小越好，A柱越薄越好，这样A柱结构强度偏弱，在实际碰撞过程中容易导致A柱挤压变形影响乘员生存空间和单侧车门受挤压变形导致前门无法开启，影响乘员逃生时机，对乘员的生命安全产生影响；但从汽车的强度角度出发，设计A柱时必须保证A柱的高强度，合理的强度会避免A柱产生褶皱或者弯曲大变形，从而可以保护乘员空间和为乘员提供逃生机会。

为了应对碰撞速度提高所带来车身变形的风险，汽车厂家在设计A柱结构时，往往通过以下几种方式进行结构加强，包括：增加材料厚度、增加材料强度、增加A柱腔体面积、采用激光拼焊板等等几种方式；这几种方式在增强A柱强度的同时会增加车重、增加工艺难度、增大A柱宽度影响驾驶员视野和增加生产成本等，不利于低成本、轻量化车身开发。

发明内容

本申请提供一种A柱的加强管总成，装设在A柱的腔体中，所述加强管总成包括加强管，所述加强管通过热气胀形工艺成型，所述加强管随形于所述A柱的腔体。

在一种具体实施方式中，所述加强管总成还包括设置于所述加强管的多个连接部，至少部分所述连接部用于连接所述A柱的所述侧围外板，或所述内板，或所述侧围外板和所述内板之间的加强结构。

在一种具体实施方式中，所述加强管与所述A柱的腔体的内壁贴合或部分贴合或具有间距。

本申请还提供一种汽车的A柱，所述A柱包括侧围外板、内板，所述侧围外板、所述内板之间设置上述任一项所述的A柱的加强管总成。

本申请还提供一种A柱的加强管总成的加工方法，所述加强管总成为上述任一项所述的加强管总成，包括下述步骤：

根据A柱的腔体，设置模具，模具的型腔和A柱的腔体对应；

选取空心管，将空心管置于所述型腔内，并通过热气胀形工艺进行加工，使空心管变形并与所述型腔的内壁贴合，从而加工出与所述型腔的形态相同的空心管，该空心管为所述加强管总成的加强管，以加工出所述加强管总成。

在一种具体实施方式中，空心管的选取具体包括：

确定A柱腔体内最小面积的第一横截面，并通过第一横截面确定加强管在所述第一横截面位置的周长，通过该周长确定选取的圆形的空心管的最大直径。

在一种具体实施方式中，确定所述加强管在所述第一横截面位置的周长具体包括：

在所述第一横截面去除尖锐区域和狭窄区域后获得封闭的第一区域，所述第一区域向内偏置预定距离后形成封闭的第二区域，所述第二区域的周长为所述加强管的周长。

在一种具体实施方式中，所述型腔的设置具体包括：

选取一条引导线，所述引导线为所述A柱的腔体的中心线；

获得所述A柱的多个横截面，继而获得所述加强管的多个设计截面；

将多个所述设计截面以所述引导线为中心线进行切向相连形成所述加强管的形状；

所述型腔与所述加强管的形状相同。

在一种具体实施方式中，每个所述横截面获得对应的设计截面至少包括下述方式：

在所述横截面去除尖锐区域和狭窄区域后获得封闭的第一区域，所述第一区域向内偏置预定距离后形成封闭的第二区域，所述第二区域为对应的所述设计截面。

在一种具体实施方式中，每个所述设计截面的周长不超过所述空心管在热气胀形后的最大周长。

在一种具体实施方式中，所述引导线的获取包括下述步骤：

将所述A柱沿车辆的前后方向予以正投影，获得A柱的外轮廓线和内轮廓线的第一中心参考线，以此为基准线做垂直于正投影的第一基准面；

将所述A柱沿车辆的左右方向予以正投影，获得A柱外轮廓线和内轮廓线的第二中心参考线，以此为基准线做垂直于正投影的第二基准面；

将所述第一基准面和所述第二基准面相交获得的相交线，确定为所述引导线。

在一种具体实施方式中，对所述空心管进行预加工以与所述型腔形态大体一致，再置入所述型腔内热气胀形形成所述加强管。

该申请中在A柱的腔体内设置随形的加强管总成，可以在有限空间内提高A柱的强度，而且不影响整车造型，无需增加A柱的腔体面积，不会影响驾驶员的视野。

附图说明

图1为本申请实施例所提供的A柱的爆炸图；

图2为加强管总成设置到A柱内后的示意图；

图3为图2中A柱内设置的加强管的示意图；

图4为图3的主视图；

图5为图4的右视图；

图6为图4的俯视图；

图7为本申请实施例中加强管形状的设计流程图；

图8为进行图7中设计流程的过程图；

图9为图8中A柱的第一横截面的视图；

图10为在图9的基础上设计加强管的在第一横截面位置的外轮廓的示意图；

图11为A柱在无热气胀形加强管和有热气胀形加强管两种情况下的碰撞分析动态对比示意图。

图1-11中附图标记说明如下：

100-A柱；

1-侧围外板；

2-上加强板；3-下加强板；4-门槛横梁；

5-加强管总成；51-第一连接支架；52-第二连接支架；53-第三连接支架；54-第三连接支架；55-加强管；

6-上内板；7-下内板。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1-6，图1为本申请实施例所提供的A柱100的爆炸图；图2为加强管总成5设置到A柱100内后的示意图，未示意内板；图3为图2中A柱100内设置的加强管55的示意图；图4为图3的主视图；图5为图4的右视图；图6为图4的俯视图。

汽车的两侧均设有A柱100，A柱100是车辆左前方或右前方连接车顶和前舱的连接柱，即挡风玻璃和左、右车门之间的立柱，A柱100既起到支撑作用，也起到门框的作用。

如图1所示，A柱100包括侧围外板1和内板，该实施例中侧围外板1为整体式，内板为分体式结构，包括上内板6和下内板7，可知内板设置为整体式也可以，侧围外板1靠近车外，内板靠近车内。侧围外板1和内板可以沿周向围合形成A柱100的腔体。值得注意的是，本实施例中在A柱100的腔体中设置有加强管总成5，加强管总成5包括作为主体的加强管55和多个连接部，多个连接部可以设置在加强管55长度方向的不同位置，连接部可以焊接到加强管55上，连接部用于连接到A柱100的内板，也可以连接到侧围外板1。

作为具体的方案，如图1所示，A柱100的腔体内还可以设置加强结构，加强结构包括图1中所示的上加强板2、下加强板3、门槛横梁4，上加强板2、下加强板3可以分别和侧围外板1的上段部分、下段部分连接，此时，腔体由加强结构和内板围合形成。侧围外板1的下段部分还向车内延伸形成底段，门槛横梁4和侧围外板1的底段连接，即侧围外板1大致呈C形，实际上内板6、加强管55、加强结构都是大致为C形，内板的底段的长度短于侧围外板1的长度，上述部件组成形成的A柱100本身也是大致为C形。

此时，加强管55的连接部可以直接连接到上加强板2、下加强板3、门槛横梁4，以间接地连接到A柱100的侧围外板1。本实施例中，连接部具体是图3中所示的连接支架，加强管55上共设置四个连接支架，分别是第一连接支架51、第二连接支架52、第三连接支架53以及第四连接支架54，以将加强管55的两端通过第一连接支架51、第四连接支架54分别与上加强板2、侧围外板1连接，加强管55的中部通过第二连接支架52与下内板7连接，加强管55在其底段靠近第一连接支架51的位置还设置与内板连接的第三连接支架53，连接支架可以焊接连接到对应的内板、侧围外板1或者上加强板2上。当然，加强管55上也可以设置少于四个或者多余四个的连接支架，只要实现加强管55在A柱100内的固定稳定即可，本实施例对此不作过多限定，但在两端、中部设置连接支架从长度方向来说，连接部位沿分布均匀，固定效果较好，而且和侧围外板1、内板、上加强板2均建立连接，连接可靠。

该实施例中在A柱100的腔体内设置随形的加强管总成5，可以在有限空间内提高A柱100的强度，而且不影响整车造型，也不需要选用高成本高强度的材质制作A柱100，可以有效控制生产的成本，而且无需增加A柱的腔体面积、车重，不会影响驾驶员的视野。

本实施例中，加强管55和A柱100的腔体随形，即加强管55并非一般的圆形管、方形管等，加强管55是不规则形状的异形管。本申请所述的随形，不要求和腔体形状完全相同，加强管55的内壁可以和A柱100腔体的内壁(腔体的内壁包括部分侧围外板1的壁面、内板的壁面、上加强板2、下加强板3的壁面)贴合或者部分贴合或者具有较小的间距，这样，可以将腔体的空间充分利用，设置的加强管55的横截面可以尽量大，从而尽可能地提高加强管55的强度，同时也就提升了A柱100的强度。

该实施例中的加强管55安装到A柱100的腔体内后，加强管55的外壁与A柱100腔体的内壁可以具有间距，该间距例如是3-5mm，这样，加强管55与侧围外板1、内板以及上加强板2、下加强板3不发生干涉、不接触，如此一方面便于装配，防止加工误差导致安装困难，另一方面，加强管55不与上述A柱100的部件接触可以降低异响的风险。当然，加强管55的局部也可以与A柱100腔体的内壁接触贴合，此时可以在加强管55用于接触A柱100腔体内壁的部分设置连接点，比如为焊缝，以进行直接焊接，保障连接效果和一体性。

为了加工出和A柱100的腔体大致随形的异形的加强管55，本实施例中采用的加工工艺为热气胀形工艺，即将空心管材加热至一定温度后，在模具内实现内高压成形，再淬火处理的一种成形工艺。

对于本实施例中的加强管55，加工步骤如下：

一、根据A柱100的腔体，设置模具，模具的型腔和A柱100的腔体对应；即型腔与腔体随形，同样，这里的随形不要求完全相同，后面会详细介绍具体的随形设计方法；

二、选取空心管，将空心管置于型腔内，并通过热气胀形工艺进行加工，使空心管变形并与型腔的内壁贴合，从而加工出与型腔的形态相同的空心管，该空心管即所需的加强管55。

需要说明的是，上述提到空心管为异形截面的结构，则将选取的原材料空心管置入型腔之前，可以预先对空心管进行初加工，比如进行挤压，使通常为圆形的空心管向型腔的形状靠近，加工为与模具的型腔形态大体一致，比如对于截面积较大的位置，使其扩展，进行初加工后的空心管局部还可能存在凹陷，与型腔的形态仍然存在差距，可以通过热气胀形工艺进行调整，使空心管的关闭与型腔的内壁贴合。相较于直接将空心管置于型腔中进行热气胀形，初加工的方式可以降低热气胀形的难度，满足热气胀形的变形量要求。

此外，步骤一中提到，模具的型腔(即加强管55的形状)和A柱100的腔体对应，即前述的大致随形，并不要求和A柱100的腔体完全相同，因为A柱100的腔体形状不规则，包括例如狭窄区域、尖角区域等，如果加强管55的形状与此类区域也随形，则会大幅增加加工工艺的难度，并且即便空心管布置到该区域对强度的提高也有限，故本实施例中并不将加强管55布置到此类区域。

请进一步参考图7-9理解，图7为本申请实施例中加强管55形状的设计流程图；图8为进行图7中设计流程的过程图；如图9所示，图9为图8中A柱100的第一横截面J1的视图。

加强管55、和加强管55形状相同的型腔的设计过程包括下述步骤：

S1、对A柱100的截面进行分析，确定A柱100腔体内最小面积的横截面。

图7、9中，第一横截面J1为A柱100的腔体中面积最小的横截面，目前通过三维软件UG、CATIA、PRE/E等都可以检测出模型的最小横截面，比如通过UG软件的建模操作界面，进行剖切平面，拖动剖切平面即可看到A柱100腔体的横截面变化情况，从而寻找到最小面积的横截面。当然，根据原始的设计图，也可以计算获得，对此不作限制。

S2、确定加强管55直径和设计引导线。

请继续参考图10，图10为在图9的基础上设计加强管55的在第一横截面J1位置的外轮廓的示意图。

第一横截面J1中，由上加强板2和上内板6围合形成的腔体部分为类似三角形，最上方具有一个尖角，下方的一部分则比较狭窄，如前所述，加强管55如果要完全贴合到该狭窄部分，则加工工艺上难度会增加，而且狭窄的加强管55部分对于强度的提升有限。故图9中，由虚线将第一横截面J1中腔体的区域圈出主要区域，作为第一区域A，腔体的狭窄、尖锐的部分予以去除，即第一区域A的轮廓线不存在狭窄、尖锐的部分。图9中虚线圈出的第一区域A即是加强管55需要布置的区域。

考虑到加工误差和便于装配，以及上述提到的加强管55与腔体的内壁具有间距可以减少异响，可以在上述第一区域A的基础上，向第一区域A内偏置预定距离，该预定距离例如是3-5mm，可以根据实际需求进行调整。如此，可以得到与第一区域A形态相同但是周长较小、内缩的第二区域B，如图10所示，为了减少应力集中对强度的影响，第二区域B的角部位置进行倒圆角设计，从而获得加强管55的第一设计截面。确定第一设计截面后，可以测量第一设计截面的周长C，通过周长C计算等周长情况下的圆的直径D1，以此选择原材料口空心管，考虑到热气胀形该工艺中的制造公差，空心管的直径可以选取为D1’＝D1-ΔD，比如周长C＝111mm，则对应于等周长的圆的直径D1＝C/π＝111/3.14＝35.35mm，即加强管55最大可以选择直径大约为35mm的圆形空心管作为原材料空心管，但考虑到热气胀形工艺中的制造公差，比如热气胀形后周长增加较多，防止无法装入到A柱内，故空心管的实际选用直径D1’可以小于上述计算获得的理论直径D1，比如减去公差的影响值ΔD，可选择D1’＝34mm，即采用34mm直径的圆形空心管。

另外，根据A柱100选取一条引导线L1，引导线L1自A柱100的上端延伸至A柱100的下端，引导线L1的两端和A柱100的两端可以具有一定距离。引导线L1大致为A柱100腔体的中心线。具体在选取引导线L1时，可以将A柱100沿车辆的前后方向(Y向)予以正投影，即图2视角，可以获得A柱100的外轮廓线和内轮廓线的第一中心参考线，以此为基准线做垂直于正投影的第一基准面；将A柱100沿车辆的左右方向(X向)予以正投影，可以获得A柱100外轮廓线和内轮廓线的第二中心参考线，以此为基准线做垂直于正投影的第二基准面。然后第一基准面和第二基准面相交，即可获得一条相交线，该相交线即为引导线L1，因为A柱100的腔体是不规则形状的腔体，故引导线L1沿长度方向的每一点并一定是对应横截面位置的中心，但此方式形成的引导线大致为A柱100腔体的中心线。

可以引导线L1作为选取的空心管的中心线，从而可以确定和A柱100腔体走向大致相同的空心管，在初加工时，可以将空心管按照L1的走向进行加工。由此，可以初步设定A柱100加强管55为一根直径34mm、厚度1.5mm(可以根据实际需求进行选取)的圆形空心管对A柱100进行加强。

S3、变化的截面的设计。

沿着A柱100的长度方向取A柱100的多个横截面，可以依次剖面获得多个横截面J1、J2…Jn，从而相应地获得加强管55的第一设计截面、第二设计截面…第n设计截面。上述在计算空心管的理论直径时，获得的第二区域B即加强管55的第一设计截面，可知，其余每个设计截面或者部分设计截面可以按照上述第一设计截面的方式进行，即将某个横截面进行去除尖锐、狭窄区域的预处理，然后再向内偏置预定距离以获得对应的设计截面。

应知，由于A柱100腔体不同位置的空间横截面形状不同，直径34mm的圆形空心管在A柱100腔体并不能满足设计要求，每个横截面可以根据自身所处的位置进行设计，既可以采用上述第一设计截面的优化设计方式，也可以采用其他设计方式。总之，加强管55不同位置与A柱100的腔体内壁的间距和匹配的外壁面都可以进一步细化，比如：如图8，空心管的最小截面可以是第一设计截面J1，空心管的端部与第一连接支架51搭接的第二设计截面J2可以考虑需要设计第一连接支架51的情况进行设计，例如需要设计出扁平壁面以便连接第一连接支架51，根据应力分析结果第三设计截面J3的截面在X向尺寸需要增加，第n设计截面需要避让、绕开A柱100上的安装孔等，具体需要细化设计的截面数量，可根据需求确定，最终获得变化的设计截面为J1、J2、J3……Jn。

另外，热气胀形工艺的胀形量通常有限制，一般在8％以内，由于空心管是按照最小横截面的尺寸进行设计，故通过胀形量的数值，可以得出空心管在热气胀形后的周长变化范围，例如将胀形量选择为5％，则设计截面的周长变化范围为106.76～112.1mm，其中，106.76mm＝34mm*π，112.1mm＝106.76mm*1.05，那么其余的n-1个设计截面在进行优化设计时，确定的形状的周长原则上不能超出该范围之外，否则无法热气胀形得到该截面。

S4、将上述多个变化的设计截面线串进行相切连接。

将多个设计截面沿长度方向切向相连，具体可以引导线L1引导相连，即可获得加强管55的形状，可以根据热气胀形工艺分析，对加强管55的形状进行设计截面的微调和胀形特征的设计及细化，最终完成A柱100的加强管55的设计。可以理解，n越大，设计截面数量越多，则加强管55的形状越能与实际的A柱100腔体达到最佳的匹配度，理论上，在长度方向上，A柱100腔体只要发生横截面形状变化的位置都应该取横截面进行设计。

S5、连接点、连接支架的设计。

获得加强管55的设计形状后，可以在其上再设计出连接点和/或连接部，比如加强管55如果局部直接和腔体的内壁连接，则可以设置出连接点/焊缝，也可以通过如上述所述的连接支架连接，则可设置出与连接支架固定的位置。

加强管55的形状设计完成后，可以根据加强管55的形状设置出模具，模具的型腔应当与上述设计得到的加强管55的形状相同，将上述提到的初加工的空心管置入其中通过热气胀形工艺获得成品加强管55，加工出成品加强管55后，可以进一步进行试验验证加强管55对A柱100强度的提高效果。

可知，在设计出加强管55的形状后，制作模具之前，还可以先行进行：

S6、碰撞模拟分析。即将设计的加强管55以模拟的方式装入到A柱100中，通过计算机模拟预先了解该加强管55的性能，对A柱100强度的提升效果，还可以不断调整截面设计，以获得相对优选的设计方案。确定优选的设计方案后，可以进行：

S7、锁定上述的数据(包括空心管直径、各设计截面形状、引导线等)并进行样件开发，即生产实际的样件，上述的模拟实验数据可与后续的实际样件试验数据相互验证。

如图11所示，图11为A柱100在无热气胀形加强管55和有热气胀形加强管55两种情况下的碰撞分析动态对比示意图。

为提高汽车在小偏置碰撞工况下的结构耐撞性，美国公路安全保险协会(IIHS)提出了一项小偏置25％正面碰撞测试(SOI)。试验车辆以64km/h的速度，碰撞偏置车辆宽度25％的刚性壁，刚性壁前端是半径为150mm，弧度为115的圆弧柱，驾驶员由50th HybridIII男性假人代替。试验车辆的安全等级由车辆的结构变形、假人伤害值和约束系统/假人运动学三个方面评价，包括优秀、良好、及格和不及格四种等级。

在进行25％偏置碰仿真分析时，如图11所示，没有A柱100热气胀形加强管55的方案，车门铰链区域最大位移达到27cm，A柱100上部折弯严重；有A柱100热气胀形加强管55的方案，车门铰链区域最大位移仅为13cm。可见，通过本实施例中设计的加强管55，对A柱100的强度提升效果明显。

本实施例中的A柱100的加强管55采用热气胀形工艺成型，零件屈服强度可以达到1000～1100MPa，抗拉强度可以达到1400～1600MPa，比常规弯管或液压胀形工艺的强度可提升3倍，有利于提升汽车防撞性能和轻量化设计。该实施例中加强管55的重量为2.73Kg，如果采用常规液压胀型工艺，材料的厚度需要增加到3.5mm,零件重量为5.43Kg。

此外，该设计方法结合热气胀形工艺的要求，通过周长进行空心管直径的理论设计和选取、设计截面的过渡相切相连，可确保热气胀形过程中贴模率大于95％，产品的尺寸精度和性能稳定。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种加强管总成的设计方法，其特征在于，包括下述步骤：

根据A柱的腔体，设置模具，模具的型腔和A柱的腔体对应；

选取空心管，将空心管置于型腔内，并通过热气胀形工艺进行加工，使空心管变形并与所述型腔的内壁贴合，从而加工出与所述型腔的形态相同的空心管，该空心管为所述加强管总成的加强管，以加工出所述加强管总成;

空心管的选取具体包括：

确定A柱腔体内最小面积的第一横截面，在所述第一横截面去除尖锐区域和狭窄区域后获得封闭的第一区域，所述第一区域向内偏置预定距离后形成封闭的第二区域，所述第二区域的周长为所述加强管在所述第一横截面位置的周长，通过该周长确定选取的圆形的空心管的最大直径。

2.根据权利要求1所述的加强管总成的设计方法，其特征在于，所述型腔的设置具体包括：

选取一条引导线，所述引导线为所述A柱的腔体的中心线；

获得所述A柱的多个横截面，继而获得所述加强管的多个设计截面；

将多个所述设计截面以所述引导线为中心线进行切向相连形成所述加强管的形状；

所述型腔与所述加强管的形状相同。

3.根据权利要求2所述的加强管总成的设计方法，其特征在于，每个所述横截面获得对应的设计截面至少包括下述方式：

在所述横截面去除尖锐区域和狭窄区域后获得封闭的第一区域，所述第一区域向内偏置预定距离后形成封闭的第二区域，所述第二区域为对应的所述设计截面。

4.根据权利要求2所述的加强管总成的设计方法，其特征在于，每个所述设计截面的周长不超过所述空心管在热气胀形后的最大周长。

5.根据权利要求2所述的加强管总成的设计方法，其特征在于，所述引导线的获取包括下述步骤：

将所述A柱沿车辆的前后方向予以正投影，获得A柱的外轮廓线和内轮廓线的第一中心参考线，以此为基准线做垂直于正投影的第一基准面；

将所述A柱沿车辆的左右方向予以正投影，获得A柱外轮廓线和内轮廓线的第二中心参考线，以此为基准线做垂直于正投影的第二基准面；

将所述第一基准面和所述第二基准面相交获得的相交线，确定为所述引导线。

6.根据权利要求1-5任一项所述的加强管总成的设计方法，其特征在于，对所述空心管进行预加工以与所述型腔形态大体一致，再置入所述型腔内热气胀形形成所述加强管。

7.一种汽车的A柱，其特征在于，所述A柱包括侧围外板、内板，所述侧围外板、所述内板之间设置通过权利要求1-6任一项所述的加强管总成的设计方法制成的加强管总成。