摘要:通过分析国内外汽车车门防撞梁轻量化设计的研究现状,介绍了轻质合金、CFRP/AL、高强钢三种材料车门防撞梁的结构性能特点及先进制造工艺,总结了研究者在车门防撞梁结构优化设计方面的大量研究工作。为车门防撞梁轻量化设计提供了理论指导。
关键词:车门防撞梁; 轻量化; 新型轻质材料; 结构优化
developmentResearch of door-impact-beam lightweight design
LIU Yafang,DONG Wanpeng, RAO Lun
(School of Materials Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Songjiang, Shanghai 201600)
Abstract:This papernarrated compositely the present research status of door-impact-beam lightweight design from home and abraod, introduced the structure characteristics and manufacturing strategies of door-impact-beamwith three kinds of materials (lightweighting alloy, CFRP/AL, ultra high strengthsteel) and substantialresearcheffortof door-impact-beamstructure optimization designwas summarized. which providestheoretical guidancefor Door-impact-beam lightweight design.
Keywords:Door-impact-beam; lightweight; new lightweight materials; structure optimization 引言
环保、节能、安全是汽车工业发展的三大主题。国际铝业协会报告指出:汽车自身质量每减少10%,燃油消耗可降低6%~8%,排放降低5%~6%[1],因此,实现汽车轻量化是节约能源和降低污染的重要举措之一。轻量化的前提是要保障汽车安全性能,尤其针对具有防撞作用的汽车安全构件。目前,汽车侧面碰撞交通事故比例居高不下[2],我国对车辆的被动安全性要求越来越高,相继推出国家侧撞法规《汽车侧面碰撞的乘员保护》(GB20071 -2006)和我国新车评价规范(C-NCAP)[3],对汽车侧面碰撞安全性的研究是汽车工业领域一个重大课题。
车门防撞梁是汽车侧面碰撞时最主要的承载和吸能构件,采用强度高、变形伸长率高的金属材料制成[4],在低速挤压及高速碰撞的车辆侧碰事故中起到抵御撞击、分散和吸收能量等关键作用,最大限度的减少侧面撞击对车内乘员的损害。研究车门防撞梁轻量化设计对有效减轻车身重量和提高汽车侧面碰撞安全性具有重要意义。其主要途径有两种:一是使用新型轻量化材料替换传统钢材,如铝合金、镁合金、复合材料等低密度轻质材料和高强钢等高强度材料;二是对车门防撞梁结构进行优化设计[5~6]。在实现防撞梁轻量化设计的同时,设计者需严格遵守相应安全法规和汽车零部件设计准则,且保证产品的经济性和制造工艺性。
1.新材料及先进制造工艺在车门防撞梁轻量化中的应用
1.1轻质合金车门防撞梁
采用铝合金挤出工艺成型的车门防撞梁具有良好的吸能、弯曲特性,其屈服强度可达350MPa,抗拉强度可达400Mpa,均大于法规中的合格限值,因此被越来越多的采用。美洲虎XJ即采用了这种铝合金车门防撞梁[7],其截面为矩形,两端铆接铁制支架与车门内板焊接,安装过程简便。郑州日产某MPV车型车门防撞梁中段主体也采用了轻质材料7000系锌铝合金型材[8],盒行断面,抗拉强度超过490Mpa,目前这种车门防撞梁未进行国产化,采购成本较高。为减轻车身重量,上海大众开发出一种新型镁合金车门防撞梁,并对其侧面碰撞性能进行了仿真研究[9]。通过增加车门防撞梁的板材厚度,并结合镁合金变形特点,将原来的一段式车门防撞梁更换为两段式焊接结构。结果表明,汽车后门防撞梁共减重0.602kg,且安全性能满足要求。模拟结果验证了镁合金在车门防撞梁的应用。
1.2 CFRP/AL混合结构车门防撞梁
Toray Industries,Inc .研发的碳纤维增强塑料 (Carbon Fiber ReinforcedPolymer/ Plastic,CFRP)[10]具有极高的比强度和比刚度,良好的抗扭转、抗冲击特性,因此可作为车门防撞梁轻量化设计的制造材料。如图1所示,使用具聚氨酯材料将具有良好塑性变形能力的铝合金管与CFRP粘合在一起, 构成了CFRP/AL混合结构车门防撞梁。
图1CFRP/AL混合结构车门防撞梁
Figure 1 CFRP/AL Alloy Hybird Beam
Aoki[11]使用高速落锤冲击试验,研究了CFRP/AL混合结构防撞梁的吸能特性,结果表明,CFRP的混合结构防撞梁不仅可以达到减重效果,且具有与高强钢防撞梁相同的吸能能力。CFRP和铝合金的热膨胀系数差异较大,在不同的环境温度下, CFRP板和铝管热变形不一致会影响最终的装配使用性能[12]。研究CFRP/AL车门防撞梁在不同温度下变形的非线性趋势,并利用仿真数据构建变形预测公式快速预测变形规律,为防撞梁的性能评价提供参考,是解决这一问题的有效方法。
1.3高强钢车门防撞梁
1.3.1冷成形车门防撞梁
高强钢具有吸能效果好、疲劳强度高等优点,且具有较高的减重潜力,被广泛应用到车门防撞梁上。由瑞典SSAB公司开发的Docol Roll高强钢板[13]同时适用于辊压、冷冲压成形,且能够达到极高的精度要求。Docol Roll钢板显微组织均匀且具有较高的纯净度,所以塑性成形后的零件回弹小,且具有良好的焊接性能。
1.3.2热冲压车门防撞梁
钢板强度的提高给冷成形工艺带来了巨大的冲击。钢板高强度化导致其塑性下降,易产生成形缺陷,为保障构件质量,高强度钢板热冲压技术[14]应运而生。热冲压技术原理如图2所示,将高强钢板加热至奥氏体后保温一段时间, 然后把高温板料送入带有冷却系统的模具中冲压成形并快速淬火。热成形冲压技术一般用于几何形状复杂的高强度零件成形, 且成形件回弹小。应用于车身的帽形高强钢车门防撞梁就是采用热冲压成形工艺加工成形旳。
图2热成形冲压原理[18]
Figure 2 Hot forming stamping principle
1.3.3高频强化处理车门防撞梁
目前,一种利用高频强化处理技术提高车门防撞梁力学性能的方法被普遍采用[15]。高频强化处理即对高强钢管进行感应加热后淬火,感应加热原理如图3所示,通过线圈的高频交变电流产生交变磁场,此时被线圈缠绕的防撞梁受到交变的磁力线切割产生较大感应电动势,从而在防撞梁表层形成电流回路,由于防撞梁表层阻抗的存在,电流回路中产生大量热使防撞梁迅速升温。感应加热后,对防撞梁进行淬火处理,工件组织全部转变为马氏体或贝氏体,大幅提高了防撞梁的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等。
图3感应加热原理
Figure 3 Induction heating principle
2.车门防撞梁的结构优化
经过性能新颖的板材成形前沿 le for vehicle parts and analysisdoor system