汽车前防撞横梁总成设计指南Word格式.docx

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--目目录录第一章概述11.1该指南的主要目的11.2该指南的主要内容1第二章法规对比分析12.1低速碰撞法规要求12.1.1政府法规试验规范简介12.1.2保险协会试验规范简介.42.2高速碰撞法规要求5第三章前防撞横梁的布置设计63.1前防撞横梁离地高度布置要求.63.2前防撞横梁距前保蒙皮、发动机盖前缘等部件的距离.93.3前防撞横梁长度要求.12第四章前防撞横梁结构设计134.1前防撞横梁的安装方式.134.2前防撞横梁的工艺分类.144.3前防撞横梁的截面型式.164.4前防撞横梁的轨迹曲线.194.5吸能盒结构设计.204.5.1常见吸能盒结构.204.5.2特殊吸能盒结构.224.6拖车钩结构设计.23第五章前防撞横梁的材料定义及减重245.1前防撞横梁材料选用.245.2前防撞横梁减重设计.25第六章前防撞横梁的CAE模拟分析266.1典型截面的CAE对比分析266.2前防撞横梁总成碰撞CAE模拟分析27第七章前防撞横梁的设计趋势307.1高强度材料运用.307.2保护系统装配集成、前端模块轻量化.30设计指南设计指南编号：

-0-第一章第一章概述概述保险杠系统由保险杠蒙皮、吸能块、防撞横梁及小腿保护梁所组成。

防撞横梁总成是保险杠系统的重要组成部分，也是车身结构的重要组成部分，它在汽车低速碰撞中起着决定性作用，同时在高速碰撞中也起着吸能和力量传导的重要作用。

1.11.1该指南的主要目的该指南的主要目的使大家对防撞横梁总成的设计有一个初步的思路，对需要满足的各种条件有一个比较全面的基本认识。

该指南的撰写主要解决以下两个方面的问题:

1）防撞横梁的设计需要满足哪些法规方面的要求；

2）防撞横梁结构设计需要考虑到的因素，包括材料选用、横梁截面设计、成型工艺选择、拖车钩结构设计、吸能盒结构设计等。

1.21.2该指南的主要内容该指南的主要内容该指南围绕“防撞横梁设计”这个中心环节，内容主要从以下几个方面展开：

1）法规对比分析（低速碰撞、高速碰撞）；

2）前期概念设计布置分析；

3）防撞横梁、吸能盒、拖车钩等部件结构设计，并辅以Benchmark资料供参考；

4）对于设计中涉及到的零部件材料、重量、成本、以及CAE模拟分析等问题，也给予相应的简要说明5）最后对整个前防撞系统及其前端模块的发展趋势作一个简单介绍。

第二章第二章法规对比分析法规对比分析2.12.1低速碰撞法规要求低速碰撞法规要求针对不同的市场，需要满足不同的技术法规要求，因此在目标市场确定以后，就应针对相应的市场进行法规校核，前防撞横梁布置与造型息息相关，在造型初期就应该关注布置空间，并对布置空间进行校核和提出要求。

法规体系主要包括政府法规和保险协会评测两部分。

学习法规重点关注其测试速度、碰撞器高度、碰撞器结构特点、测试内容、实验考察重点、实验车测试状态。

2.1.12.1.1政府法规试验规范简介政府法规试验规范简介不同销售市场的法规代号见下表：

销售市场法规标准号备注欧洲ECER42摆锤实验（一种摆锤）/滑车加拿大CMVSS215最新修订版本测试速度与ECER42一致美国NHTSAPart581摆锤实验（二种摆锤）+刚性壁障中国GB17354沿袭ECER42的相关规定以上三种法规试验考察的内容基本相同：

1）照明灯和信号灯装置应能持续正常工作并清晰可见；

2）发动机盖、行李箱盖和车门能正常开闭，汽车的侧门应在碰撞的作用下不能开启；

设计指南设计指南编号：

-1-3）供油和冷却系统应无泄漏，油路或水路不堵塞，其密封装置与油箱和水箱盖能正常工作；

4）排气系统不应损坏和错位；

5）传动系统、悬架系统（包括轮胎）、转向和制动系统保持良好的调整状态并能正常工作。

各国法规对比见表2.1，GB17354-1998与ECER42基本一致，加拿大最新修订标准CMVSS215–June，262008与美国NHTSAPart581—October，12006基本一致，表中未列出。

表2.1低速碰撞法规对比备注：

正向撞击时前后两次测试位置要求Y向≥300mm，具体撞击点任意选取。

欧标采用图2.1所示摆锤，美标采用图2.1及图2.2所示两种摆锤，高位摆锤旨在考察防撞横梁对发动机盖及后盖的保护情况，在布置防撞横梁时，其截面需要高出发盖或后盖表面一定距离（X方向极值点），即图中L4值，如图2.3所示。

-2-图2.1低位摆锤（NHTSAPART581、CMVSS215、ECER42）图2.2高位摆锤（NHTSAPART581、CMVSS215）图2.3高位摆锤碰撞示意图说明：

说明：

L1：

低位摆锤上端与发盖距离L2：

高位摆锤上端与发盖距离L3：

摆锤下端与防撞横梁距离L4：

高位摆锤上端与发盖实际距离（不含吸能泡沫）★若采用低位摆锤，则摆锤上端与发盖距离为L1—L3;

★若采用高位摆锤，则摆锤上端与发盖距离为L4;

高位摆锤与低位摆锤的主要区别在于高位摆锤上端突出，减小了摆锤与车身之间的距离。

-3-2.1.22.1.2保险协会试验规范简介保险协会试验规范简介在低速碰撞法规中，除了上述国家强制标准外还有保险公司的检测规范，对比见表2.2。

表2.2低速碰撞保险协会测试规范对比表2.3低速碰撞保险协会新增测试内容对比设计指南设计指南编号：

-4-备注：

政府法规原文中测试高度是地面与摆锤中心线的距离，而保险协会的模拟保险杠测试高度是地面与模拟保险杠下端的距离（表2.3已经转化为地面与模拟保险杠中心的距离）。

IIHS刚性壁障测试是否被模拟保险杠测试取代暂未查到明确文献。

关于车辆质量定义，请查阅其它相关资料，在此不予赘述。

目前各保险协会的测试标准存在一些差异，在模拟保险杠测试中，主要是模拟保险杠的离地高度不一样。

IIHS正碰高度为457mm，角部15%重叠偏置碰撞高度为406；

RCAR前部正碰高度为455mm，后部正碰高度一般取405mm或者455mm，其值可以结合销售市场来定；

RCAR（AZT）目前仅实施了前后正碰实验，而IIHS则将15%重叠偏置碰撞也引入了测试实验中，显然在模拟保险杠测试中，IIHS较目前RCAR的要求高。

但在刚性壁障碰撞中，AZT的速度却比IIHS高7Km/h。

2.22.2高速碰撞法规要求高速碰撞法规要求在高速碰撞试验中前防撞横梁也参与部分吸能作用，特别是在40%偏置碰撞中把部分碰撞力传导到另一侧纵梁。

因此，在高速碰撞中前防撞横梁的设计也是非常重要的。

下面简单总结一下各种高速碰撞法规及非官方检测规范的试验标准,见表2.4～2.5：

表2.4高速碰撞法规法规名称美国（FMVSS208）欧洲（ECER94）中国（CMVDR294）碰撞形式1、正面碰撞（刚性壁）2、30°

倾角倾斜刚性壁障40%重叠，可变形壁障正面碰撞（刚性壁）碰撞速度48.3Km/h56Km/h50Km/h国家强制性法规检测的试验方法有三种：

完全正面与刚性壁碰撞，30°

角与刚性壁碰撞，40%偏置与可变形壁障碰撞。

除了国家强制法规外，还有非官方检测规范，如：

IIHS、各种NCAP等。

表2.5非官方检测规范法规名称IIHSEuroNCAPC-NCAP碰撞形式40%重叠，ODB，0°

40%重叠，ODB，0°

1、40%重叠，ODB，0°

，V12、完全重叠，刚性壁,V2碰撞速度64Km/h64Km/hV1=56Km/h；

V2=50Km/h在各种试验规范中，40%偏置碰撞法规或标准主要有：

C-NCAP、ECER94、EuroNCAP、IIHS。

各法规和标准规定的ODB是相同的，因此对前保横梁的设置要求也是相同的，如图2.4所示。

-5-图2.440%偏置碰撞可变形壁障第三章第三章前防撞横梁的布置设计前防撞横梁的布置设计前防撞横梁的布置需要考虑各种法规试验规范要求，以达到最大的吸能效果，有效地保护车身其它部件。

结合上述各种试验规范，前防撞横梁的布置需要考虑的因素主要有：

前防撞横梁中心离地高度、前防撞横梁横的长度（Y向）、前防撞横梁距前保蒙皮、冷凝系统等部件的距离、前防撞横梁距发动机盖前缘距离、前防撞横梁距大灯表面距离等。

3.13.1前防撞横梁离地高度布置要求前防撞横梁离地高度布置要求碰撞器主要有以下几种类型：

摆锤、模拟保险杠、固定刚性壁障或移动刚性壁障（移动小车）。

各种法规的碰撞器中心离地高度存在差别，具体见表3.1。

由于刚性壁障在高度方向都比较长，可以不予考虑，在进行布置时，在高度方向主要考虑防撞梁是否与摆锤或模拟保险杠达到一定的重叠量。

表3.1各国法规碰撞器中心离地高度表碰撞器类型法规碰撞器中心离地高度（mm）ECER42（欧洲）445（高度固定）GB17354-1998（中国）445（高度固定）NHTSAPart581（美国）406～508（高度随测试位置变化）摆锤CMVSS215（加拿大）406～508（高度随测试位置变化）IIHS（美国）456（任意一侧）、507（中心位置）模拟保险杠RCAR（汽车修理协会）455/505（根据销售市场，结合其他法规选取）从上表可以看出，摆锤中心离地高度在406mm～508mm范围内；

模拟保险杠中心离地高度在455mm～507mm范围内。

国标及欧标各种测试高度保持不变，布置上一般比较好满足，美国和加拿大标准高度在一定范围内浮动，对布置空间要求明显增加，汽车修理协会的模设计指南设计指南编号：

-6-拟保险杠高度取值也相对固定。

由于实车与数据存在一定的误差（底盘悬架调校、整车重量误差、制造误差等），因此实际做布置时还需要考虑整车制造误差。

B平台制造误差取18mm，考虑两种极限情况，则北美前防撞横梁中心线离地高度为388mm≤H≤526mm，防撞横梁布置在457mm附近比较合理；

欧洲前防撞横梁中心线离地高度为427mm≤H≤463mm，防撞横梁布置在445mm附近比较合理；

保险协会前防撞横梁中心线离地高度为437mm≤H≤525mm，防撞横梁布置在481mm附近比较合理；

各测试规范碰撞器中心离地高度见图3.1。

图3.1各测试规范碰撞器中心离地高度（已考虑18mm误差）正面偏置碰撞可变形壁障高度设置见图3.2，布置时需将高速碰撞与低速碰撞结合在一起考虑。

200mm330mm试验载荷状态下的地面线图3.240%重叠，正碰ODB壁障布置高度下面以图示的方式对前防撞横梁的高度布置进行相关说明（图3.3～3.5）：

-7-图3.3前防撞横梁的布置H1随测试法规和测试位置变化而变化；

重叠量H2一般要求35～40mm，RCAR建议重叠量要达到75mm以上，有效重叠量也与供应商的设计能力有关，目前国内防撞横梁供应商普遍不具备设计能力，国外供应商一般要求重叠量H2至少达到28mm以上；

H4值RCAR要求达到100mm以上，一般设计到100～120mm左右。

B平台制造误差取18mm（其它平台结合自身车型特点选取合适值），实际校核和设计过程中需要将这一因素考虑在内。

取两种极限情况进行校核，第一种情况是实车的防撞横梁中心离地高度比理论值偏高，即整车相对抬高18mm，校核时需要将摆锤降低18mm（地面线和车身数据保持不变），3D数据中摆锤中心实际离地高度为H1—18mm（H1取法规中摆锤的最低位置），由此可见，理论上重叠量减少18mm，如图3.4所示；

第二种情况是实车的防撞横梁中心离地高度比理论值偏低，即整车相对降低18mm，校核时需要将摆锤升高18mm（地面线和车身数据保持不变），3D数据中摆锤中心实际离地高度为H1+18mm（H1取法规中摆锤的最高位置），如图3.5所示。

图3.4极小值摆锤重合度示意图图3.5极大值摆锤重合度示意图实际情况下，极小值位置容易出现摆锤重合度不够的问题，在造型和布置允许的前提下，前期一定要尽量修改局部造型。

对于RCAR，针对有效重叠量特别制定了一套明确的测量方法，有效重叠量要求达到75mm以上。

有效重叠量的大小直接影响整个保险杠系统对车辆的保护效果。

具体测量方法请查阅Rcarbumpertestprocedureissue12007。

H1—摆锤中心离地高度H2—摆锤与防撞横梁有效重叠量H3—摆锤撞击面高度（114mm）H4—防撞横梁截面高度设计指南设计指南编号：

-8-由于重合度受横梁截面长度（Z向）、销售市场（法规测试高度不一致）、碰撞器高度调整区间、车辆实验状态（空载、加载等）影响，因此要找出适合所有市场的布置区间较难，现以北美市场举例说明如何布置防撞横梁截面Z向高度。

先假定防撞横梁截面Z向高度可做到110mm，利用CATIA草图绘制功能，在整车坐标下绘制出摆锤、模拟保险杠和ODB壁障高度调整区间，再根据最低允许重合度来调整横梁截面布置区间（该例按照最低重合度28mm来布置），从图3.6可以看出，在优先满足摆锤测试要求前提下，模拟保险杠的重合度最小可达到41mm，横梁截面中心高度在442mm～472mm之间布置均可满足要求。

其他法规碰撞器中心高度基本也在该区间之类，因此布置时优先在该区间选取，然后进行相关的法规校核，再不断调整，选取最合适的位置。

图3.6北美市场防撞横梁布置示意图由于造型和其他因素的限制，防撞横梁截面不可能任意加大，进气格栅面积有相应的技术要求，防撞横梁高度太高将影响冷凝系统的散热面积，两者需要兼顾考虑。

3.23.2前防撞横梁距前保蒙皮、发动机盖前缘等部件的距离前防撞横梁距前保蒙皮、发动机盖前缘等部件的距离在低速碰撞中，前保险杠系统应具备最佳的吸能效果，以求最大程度保护车辆零部件不受损坏，保证车辆仍能顺利行驶到维修或救护站。

保险公司也期望损坏的零件最少，以降低车辆的维修成本。

前大灯局部造型中，一般要求大灯陷入前保险杠里面一定深度，以确保在30o角碰中前保系统有一定的吸能空间，不至于损坏较贵的前大灯。

在造型上，要避免所有信号灯直接暴露在碰撞部位；

前防撞横梁布置的有效空间也是至关重要的，在前防撞横梁的前面需要足够的空间布置吸能块，在前防撞横梁的后面与冷凝器之间需要有足够的变形吸能空间，否则将会直接损坏冷凝系统，对这些区域在前期造型和后期设计过程中应重点关注。

前期数据校核和布置时，分别考察Y=0和30°

角位置法规满足性，见图3.7、图3.8。

-9-图3.7SectionY＝０位置H0—摆锤中心离地高度L8—摆锤与前大灯距离图3.8Section30°

角位置（前大灯）布置参考值可查阅表3.2，数据多来源于3D数据和拆车测量，仅供参考。

表3.2布置参考值（不完善，待补充）参考值经验值CAMERY（美标）YARIS（美标）JD23A（美标）JD24A（美标）JD23S（美标）JD12A（欧标）碰撞器和发盖间隙（L7）85901851024193234碰撞器和前大灯间隙（L8）7010585687271146参考值S18（S01）S12S11GM（MATIZ）TOTOTA（AYGO）碰撞器和发盖间隙（L7）碰撞器和前大灯间隙（L8）46748060120H0—碰撞器中心离地高度L1—吸能块厚度L2—前防撞横梁截面宽度L3—前防撞横梁与冷凝器距离L4—前保蒙皮与中冷器距离L5—摆锤与小腿保护梁距离L6—防撞横梁截面前端与发盖前缘距离。

L7—前保蒙皮与发盖前沿距离A——发盖前端造型倾角（与行人膝部弯曲角相关）设计指南设计指南编号：

-10-在布置防撞横梁截面时，截面在X方向的极值需要高出发盖前缘一定距离（图3.7中L6值），针对欧标ECER424Km/h碰撞速度，要求L6≥10mm，针对北美旧标准NHTSAPART5818Km/h碰撞速度，要求L6≥20mm。

此值仅供参考，由于车辆和测试装置的重量不同，需要吸收的能量大小也不尽相同，因此需要CAE分析验证。

由于涡轮增压发动机才配备中冷器，并且布置位置比较靠下，一般来讲摆锤测试的时候不会碰到，但刚性壁障测试时会碰到，前防撞横梁与冷凝器距离L3、前保蒙皮与中冷器距离L4布置得越大越好，但受我司发动机尺寸影响，布置空间比较有限。

表3.3列出了部分车型的布置数据，仅供参考。

表3.3冷凝系统布置参考值（不完善，待补充）参考值经验值JD23A防撞横梁与冷凝器距离（L3）128前保蒙皮与中冷器距离（L4）179吸能块对低速碰撞具有一定的贡献，从保护发动机盖的角度来讲，吸能泡沫较硬比较好，但由于对行人保护的要求越来越高，吸能泡沫和前保蒙皮设计得偏软比较有利。

吸能块厚度，前保蒙皮与发动机盖前沿距离，以及发动机盖前沿的倾斜角度与行人上腿部保护息息相关，前期布置应该预留充足的空间，如图3.9所示，表3.4提供了一些参考值。

行人上腿弯曲角度、膝关节剪切位移及腿部加速度受造型影响较大（法规具体要求请查阅行人保护相关法规），同时吸能泡沫采用不同的材料，对这几个测量值影响也很大，因此供应商介入得越早越好。

表3.4吸能块布置空间加速度限值保护部位布置空间L1（吸能块厚度参考值）Tibiaacc200g（Phase1）上腿部≥45Tibiaacc170g（Phase2&

EuroNCAP）上腿部≥75图3.9行人腿部碰撞示意图设计指南设计指南编号：

-11-要降低加速度，减少膝部剪切位移和上腿部弯曲角度，需要不断调整吸能泡沫的材料性能，以调整其压缩量和吸能比率，同时现在的车型大多都在小腿部位增加一个小腿保护梁，防止行人卷入车辆底部造成更大的伤害，见图3.10。

图3.10雪铁龙凯旋行人保护结构对于S平台的小车来讲，30°

角位置还需要关注横梁与冷凝系统两侧的距离，B平台车型一般来说此部位空间相对来说较充裕，如图3.11所示。

由于横梁弯曲，散热器的最左端离横梁最近，最好也保持30mm左右的间距。

受A面形状限制，横梁和保险杠的间距在接近侧碰位置时会减小。

为了安装泡沫，此距离不能太小，这和泡沫的厚度有关系，泡沫的厚度在10mm以下很难生产成型，在15mm时可以成型，但泡沫很薄，容易断裂，影响性能，不能达到好的吸能效果。

所以在设计时，最好让此处的间距大于20mm。

图3.1130°

角位置横梁与冷凝系统距离3.33.3前防撞横梁长度要求前防撞横梁长度要求摆捶撞击30°

角方向，过撞击切入点与车辆X轴向呈30°

角做一直线，要求前防撞横梁在Y向左右延伸超过所作的直线100mm（此值偏大，由于造型影响，一般只有40mm），如图3.12所示。

为了减重，实际长度应该根据CAE分析进行调整，力求设计到最短。

-12-图3.12前防撞横梁长度要求示意图为了有效保护大灯，横梁前端表面需要高出大灯表面一定距离。

理论设计尽量按此布置，如果造型上大灯比较靠后，若吸能块可以满足要求，就不需要做出类似雅阁的结构（30°

角位置额外增加一块凸出的横梁），如图3.13所示。

图3.13雅阁30°

角碰增强结构第四章第四章前防撞横梁结构设计前防撞横梁结构设计在明确车型需要满足的市场范围，确定前防撞横梁的布置方案后，进行前防撞横梁的结构设计。

在低速碰撞中，希望前防撞横梁有充分的变形，最大限度的吸收能量，在40%偏置碰撞中，希望前防撞横梁有足够的强度，尽量多的传导力到另一侧纵梁上，使左右纵梁同时变形吸收能量。

在某种意义上讲，也就是前防撞横梁的强度设计。

4.14.1前防撞横梁的安装方式前防撞横梁的安装方式在发生低速碰撞时，前防撞横梁发生损坏，为了维修方便，前防撞横梁要求设计成安装件。

目前公司已经针对前防撞横梁安装制定了统一的标准，具体标准请查阅技术委员会制定的相关文件（关于规范各设计院保险杠横梁安装方式的通知关于规范各设计院保险杠横梁安装方式的通知）。

同时，尽量将左右安装板，左右吸能盒设计成左右通用件，以降低成本。

安装螺栓焊接于纵梁一端的安装板上，因此所有螺柱的轴线要求与X轴平行，不允许出现夹角，因出现夹角后总成转配困难。

如图4.1所示。

-13-图4.1装配状态示意图4.24.2前防撞横梁的工艺分类前防撞