CN103600773B - 一种连续变截面汽车前纵梁及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种汽车前纵梁结构及其制备方法，所述前纵梁由内板和外板沿纵向延伸方向连接而形成的中空型腔结构，包括位于前纵梁前部的吸能区、位于前纵梁后部的支撑区和连接吸能区与支撑区的过渡区，所述吸能区的板材厚度小于支撑区的板材厚度，所述过渡区的板材厚度从吸能区连续均匀地过渡到支撑区。本发明通过采用激光焊接结合点焊加胶结的工艺连接内外板，使得前纵梁制备工艺简易，且内外板的过渡区连续光滑连接较薄的吸能区和较厚支撑区，实现了前纵梁前后性能的差异性，保证了轻量化和较高碰撞吸能效果，同时在内外板各个面均匀布置吸能筋，进一步提高了碰撞能量吸收，有利于汽车安全性能的进一步提高。
Description
技术领域
本发明涉及汽车前纵梁的设计领域，更具体的涉及一种连续变截面汽车前纵梁及其制备方法。
背景技术
汽车前纵梁是车身的重要安全结构件，要求有很强的吸能性，以满足汽车正面碰撞与前偏置碰撞法规，减少前舱的侵入量，实现对驾乘人员保护。纵梁前部与保险杠吸能盒连接，后部与底板纵梁连接，形成一个连续的前碰撞载荷传递路径。根据功能不同，前纵梁前部要求较易变形，尽可能多地吸收碰撞能量，后部则要求有高的刚度和承载能力，起到支撑前舱，减少前舱的变形，保护驾乘人员的安全。现有技术中的汽车前纵梁通常包括两种结构和设计方法，一种方式是整个汽车前纵梁采用同材质、等厚度的钢板冲压，这种汽车前纵梁的制备工艺相对简单、利于成形，且能够保证纵梁后部有较大的刚性和强度，但是为保证纵梁后部强度要求整体设计选材较厚，这样便不利于纵梁前部碰撞时的变形吸能，更不利于纵梁整体设计的轻量化；另一种汽车前纵梁的常见设计结构如现有专利CN200820238454.2所示的分段拼焊式汽车前纵梁，包括分别冲压成形的纵梁前段、纵梁中段、纵梁后段，所述纵梁前段、纵梁中段、纵梁后段通过拼焊的形式连成一个整体，并且从纵梁前段、纵梁中段到纵梁后段的材料厚度逐渐增厚，且纵梁三段分别采用满足不同功能要求的不同材料板材拼焊而成，这种前纵梁结构在满足车身安全的前提下，能够实现利用小模具进行零件加工，降低了制造难度且节约了成本，同时纵梁前段的吸能区采用较簿的板材有利于碰撞时的变形吸能，且能够实现车身的轻量化，但是这种采用拼焊连接的分段式纵梁结构会在板坯上增加焊缝，而且各段间焊缝处的厚度存在突变，往往导致整体成形工艺控制难度大、质量控制要求高、工艺报废率高等问题。
发明内容
本发明基于上述现有技术问题，创新的提出一种全新的汽车前纵梁结构及其制备方法，综合现有两种汽车前纵梁制备工艺的优点，提出一种连续变截面的汽车前纵梁结构，取代现有的纵向分段拼焊结构，将前纵梁由近似对称的内板和外板沿延伸纵向焊接成封闭的型腔结构，且内外板厚度从前纵梁后部到前部连续变化，这样通过内外板材厚度与纵梁结构的连续变化、材料的合理选用，即保证了纵梁前部高的碰撞吸能性能、纵梁后部高的刚性强度，又创新利用焊接技术降低了纵梁整体的制造难度，节约了成本，从而整体实现了汽车前纵梁的轻量化，提高了汽车的安全性。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
一种连续变截面汽车前纵梁，所述前纵梁是由内板4和外板5沿纵向延伸方向连接而形成的中空型腔结构，并包括位于前纵梁前部的吸能区1、位于前纵梁后部的支撑区3和连接所述吸能区与支撑区的过渡区2，所述吸能区1的板材厚度小于所述支撑区3的板材厚度，所述过渡区2的板材厚度沿纵向延伸方向呈光滑梯形分布，从吸能区1的板材厚度连续均匀地过渡到支撑区3的板材厚度。
进一步的根据本发明所述的连续变截面汽车前纵梁，其中所述内板4和外板5采用同一材料制备并具有近似对称结构，且沿对称边相互焊接在一起。
进一步的根据本发明所述的连续变截面汽车前纵梁，其中所述内板4和外板5焊接连接，且内板4和外板5之间在吸能区和过渡区采用激光焊接连接，内板4和外板5之间在支撑区采用点焊或点焊与胶结复合方式连接。
进一步的根据本发明所述的连续变截面汽车前纵梁，其中所述吸能区1的板材厚度为1.5-2.5mm，所述支撑区3的板材厚度为1.8-3.0mm，所述过渡区2的长度为70-100mm，过渡区的厚度从吸能区连续均匀过渡至支撑区。
进一步的根据本发明所述的连续变截面汽车前纵梁，其中所述吸能区1的板材厚度为1.8mm，所述支撑区3的板材厚度为2.2mm，所述过渡区2的板材厚度从1.8mm光滑均匀地过渡至2.2mm。
进一步的根据本发明所述的连续变截面汽车前纵梁，其中所述前纵梁的吸能区和过渡区的横截面为八边形结构，所述八边形的上下正侧面边长为50-80mm，左右正侧面边长为80-120mm，四个斜边的边长为50-80mm。
进一步的根据本发明所述的连续变截面汽车前纵梁，其中进一步在所述吸能区1和过渡区2上设置有若干吸能筋6，且吸能区的吸能筋分布密度大于过渡区。
进一步的根据本发明所述的连续变截面汽车前纵梁，其中所述前纵梁的吸能区和过渡区的横截面为八边形结构，且在吸能区和过渡区的八个面上交错分布有吸能筋，位于四个正侧面上的吸能筋与位于四个斜面上的吸能筋相互交错分布，位于某一面上的吸能筋尺寸自前纵梁前端往后由大到小分布。
进一步的根据本发明所述的连续变截面汽车前纵梁，其中所述吸能筋为形成于内外板面上的、形状近似足球场的内凹结构，长度范围在20-50mm，内凹深度范围为3-8mm。
一种本发明所述连续变截面汽车前纵梁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据碰撞安全性和汽车前舱布置要求，经过CAE优化分析，确定连续变截面前纵梁各部分的尺寸范围；
（2）选择厚度大于板材最大厚度10%以上的热轧板作为坯料，通过柔性轧制形成前纵梁的内板、外板冲压成形所需的板坯尺寸，并经退火去除加工应力；
（3）将经柔性轧制处理的板坯经裁剪后分别放入内板模具和外板模具中进行冲压成形，形成具有所述吸能区、过渡区和支撑区的内板和外板；
（4）将内板和外板的吸能区和过渡区部分之间采用激光焊接连接，将内板和外板的支撑区部分之间采用点焊加胶结连接，得到汽车前纵梁总成结构。
通过本发明的技术方案至少能够达到以下技术效果：
1）、所述汽车前纵梁整体具备连续变截面结构，纵梁前部到后部的厚度连续变化，即保证了纵梁前部高的碰撞吸能性能，又使纵梁后部具有高的刚性强度，最大程度的保证了汽车碰撞安全；
2）、所述汽车前纵梁的内外钣金厚度分布合理，实现了纵梁整体的轻量化；
3）、所述汽车前纵梁采用具有近似对称结构的内外板焊接成型，并且结合了激光焊接和点焊技术，保证连接强度的同时大大降低了纵梁整体的制备工艺难度，节约了成本。
附图说明
附图1为本发明所述汽车前纵梁的正视结构示意图；
附图2为附图1所示汽车前纵梁在激光焊接区沿A-A向的横截面图；
图中各附图标记的含义为：1-吸能区；2-过渡区；3-支撑区；4-内板；5-外板；6-吸能筋。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的理解本发明的方案，但并不因此限制本发明的保护范围。
如附图1和附图2所示，本发明所述汽车前纵梁整体包括由同一材料制备的具有近似对称结构的内板4和外板5（内外是指相对于车身内外），所述内板4和外板5沿前纵梁的纵向延伸方向相互连接在一起形成封闭的中空型腔结构，前纵梁的任一横截面大致成八边形结构，尤其是其中的激光焊接区的任意横截面均为八边形，这样更有利于前纵梁的变形与压溃；内外板焊接在一起形成的前纵梁整体沿其纵向延伸方向分为三个部分：前纵梁前部的吸能区1、前纵梁后部的支撑区3和连接吸能区与支撑区的前纵梁中部的过渡区2；所述前部的吸能区1由于需要变形吸能，具有较薄的板材厚度；所述后部的支撑区3要求有高的刚性和承载力，具有较厚的板材厚度；所述中间的过渡区2为梯形过渡区，板材厚度从较薄的吸能区1连续均匀的变化到较厚的支撑区3，实现厚度光滑过渡，并可以根据零件的形状调整最合适的过渡区长度，最大限度地降低零件的重量，实现了轻量化和较高碰撞吸能效果。所述吸能区1、过渡区2和支撑区3一体形成于所述内板4和外板5中，所述内板或外板的板坯经柔性变截面轧制处理后放入对应的模具中冲压形成具有厚度连续变化的吸能区、过渡区和支撑区的结构。这种在单独的内外板上形成厚度连续均匀变化的吸能区、过渡区和支撑区结构比激光拼焊板的模具设计更为简单，且更利于冲压成形以及模具的回弹与过渡区变形的控制，且使得过渡区连接强度大幅度提高，抗冲击性能好，吸能效果好。根据碰撞安全性和常见汽车前舱的布置要求，经过CAE的优化分析，确定连续变截面前纵梁的优选尺寸为：前部吸能区1的板材厚度为1.5-2.5mm，优选1.8mm，后部支撑区的板材厚度为1.8-3.0mm，优选2.2mm，中间过渡区的长度优选为70-100mm，厚度从吸能区连续均匀过渡至支撑区如优选从1.8mm过渡至2.2mm，吸能区的长度优选在80-200mm。内外板焊接在一起构成的前纵梁在所述吸能区和过渡区的横截面为八边形结构，优选的八边形上下正侧面的边长为：50-80mm，左右正侧面的边长为80-120mm，四个斜边的边长为50-80mm。这种八边形截面形状更有利于前纵梁的变形与压溃，当然八边形边长也可根据车型设计需要另外重新确定，前纵梁截面也可是非正八边形，以上给出的仅是多数车型适用的优选结构参数。
进一步优选的，在所述前纵梁的吸能区1和过渡区2上设置有若干吸能筋6，所述吸能筋6的分布优选如附图1所示的，在前纵梁的吸能区和过渡区的各个面上均布置有吸能筋6，且吸能筋沿八个边交错分布，如附图1所示的位于八边形四个正侧面上的吸能筋6与位于四个斜面上的吸能筋6相互交错分布，且吸能筋6的深度和长度尺寸从前纵梁前端部往后由大到小分布，位于八边形某一面上的吸能筋尺寸自吸能区到过渡区由大到小分布，且吸能区的吸能筋分布密度大于过渡区，从而引导前纵梁在前碰时形成最为理想的压溃形式，提高前纵梁前部的能量吸收能力；所述吸能筋的结构为形成于内外板各面上的、形状近似足球场的内凹结构，吸能筋的长度范围在20-50mm，内凹深度范围为3-8mm。
下来对形成本发明所述前纵梁的内外板之间的创新焊接方式进行说明。为了保证内板和外板纵向连接的前纵梁整体的强度与刚度，降低其前部开裂失稳的风险，本发明创新的提出前纵梁的内板和外板在吸能区和过渡区采用激光焊接方式进行连接，如附图1中所示的激光焊接区，激光焊缝如附图2所示的位于八边形的正上方和正下方中间位置，也就是内板和外板的对称边；前纵梁的内板和外板在后部的支撑区由于结构限制，采用点焊或点焊与胶结复合的方式连接，如附图1中的点焊与胶结区所示。这种焊接方式即有效避免了沿前纵梁延伸方向形成厚度突变的焊缝突起结构，又有效结合了激光焊接与点焊的技术优势，同时更有利于前纵梁的整体制备。
最后给出本发明所述前纵梁的具体制备工艺：
（1）根据碰撞安全性和常见汽车前舱的布置要求，经过CAE的优化分析，确定连续变截面前纵梁的尺寸范围，包括各部分板材厚度、各部分长度、八边形边长、吸能筋尺寸结构等。
（2）选择厚度大于钣金最大厚度10%以上的热轧板作为坯料，优选采用厚度2.5mm左右DP600热轧板双相钢，通过柔性轧制形成前纵梁的内板、外板冲压成形所需的板坯尺寸，经过退火后去除加工应力，达到所需性能。
（3）将经柔性轧制处理的变截面板坯，按尺寸经裁剪后分别放入前纵梁的内板、外板模具中进行冲压成形，形成具有厚度连续变化的吸能区、过渡区和支撑区的内板和外板结构，优选吸能区的板厚度为1.8mm，支撑区的板厚度为2.2，过渡区板厚度从1.8mm成梯形光滑过渡至2.2mm。
（4）将内板和外板的吸能区和过渡区部分之间采用激光焊接，将内板和外板的支撑区部分采用点焊加胶结的工艺进行连接，形成汽车前纵梁总成结构。
（5）进一步将前纵梁总成的前端面通过CO2气保焊与汽车前端板连接。
本发明通过采用目前先进的柔性轧制技术得到连续变截面内外板，且内外板采用激光焊接结合点焊加胶结的工艺进行连接，使得制备工艺简易，而且内外板的过渡区连续光滑连接较薄的吸能区和较厚支撑区，提高了整体连接强度，并实现了前纵梁前后性能的差异性，保证了轻量化和较高碰撞吸能效果，有效避免了激光分段拼焊技术带来的焊缝厚度突变、成型工艺难、冲压报废率高等问题；同时在内外板各个面均匀布置吸能筋，在前碰时形成理想的压溃形式，进一步提高了碰撞能量吸收，进而本发明提供了一种既能满足碰撞前后吸能差异化又有稳定冲压成形性的前纵梁，有利于汽车安全性能的进一步提高。
以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明的主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴，本发明具体的保护范围以权利要求书的记载为准。
Claims (8)
1.一种连续变截面汽车前纵梁，其特征在于，所述前纵梁是由内板（4）和外板（5）沿纵向延伸方向连接而形成的中空型腔结构，并包括位于前纵梁前部的吸能区（1）、位于前纵梁后部的支撑区（3）和连接所述吸能区与支撑区的过渡区（2），所述吸能区（1）的板材厚度小于所述支撑区（3）的板材厚度，所述过渡区（2）的板材厚度沿纵向延伸方向呈光滑梯形分布，从吸能区（1）的板材厚度连续均匀地过渡到支撑区（3）的板材厚度，所述吸能区和过渡区的横截面为八边形结构，在所述吸能区和过渡区上设置有若干吸能筋，且吸能区的吸能筋分布密度大于过渡区，同时吸能筋在吸能区和过渡区的八个面上交错分布，位于四个正侧面上的吸能筋与位于四个斜面上的吸能筋相互交错分布，位于某一面上的吸能筋尺寸自前纵梁前端往后由大到小分布。
2.根据权利要求1所述的连续变截面汽车前纵梁，其特征在于，其中所述内板（4）和外板（5）采用同一材料制备并具有近似对称结构，且沿对称边相互焊接在一起。
3.根据权利要求1所述的连续变截面汽车前纵梁，其特征在于，其中所述内板（4）和外板（5）焊接连接，且内板（4）和外板（5）之间在吸能区和过渡区采用激光焊接连接，内板（4）和外板（5）之间在支撑区采用点焊或点焊与胶结复合方式连接。
4.根据权利要求1所述的连续变截面汽车前纵梁，其特征在于，所述吸能区（1）的板材厚度为1.5-2.5mm，所述支撑区（3）的板材厚度为1.8-3.0mm，所述过渡区（2）的长度为70-100mm，过渡区的厚度从吸能区连续均匀过渡至支撑区。
5.根据权利要求4所述的连续变截面汽车前纵梁，其特征在于，所述吸能区（1）的板材厚度为1.8mm，所述支撑区（3）的板材厚度为2.2mm，所述过渡区（2）的板材厚度从1.8mm光滑均匀地过渡至2.2mm。
6.根据权利要求4所述的连续变截面汽车前纵梁，其特征在于，其中所述吸能区和过渡区的横截面的八边形结构中，八边形的上下正侧边边长为50-80mm，左右正侧边边长为80-120mm，四个斜边的边长为50-80mm。
7.根据权利要求6所述的连续变截面汽车前纵梁，其特征在于，所述吸能筋为形成于内外板面上的、形状近似足球场的内凹结构，长度范围在20-50mm，内凹深度范围为3-8mm。
8.一种权利要求1-7任一项所述连续变截面汽车前纵梁的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据碰撞安全性和汽车前舱布置要求，经过CAE优化分析，确定连续变截面前纵梁各部分的尺寸范围；
（2）选择厚度大于板材最大厚度10%以上的热轧板作为坯料，通过柔性轧制形成前纵梁的内板、外板冲压成形所需的板坯尺寸，并经退火去除加工应力；
（3）将经柔性轧制处理的板坯经裁剪后分别放入内板模具和外板模具中进行冲压成形，形成具有所述吸能区、过渡区和支撑区的内板和外板；
（4）将内板和外板的吸能区和过渡区部分之间采用激光焊接连接，将内板和外板的支撑区部分之间采用点焊加胶结连接，得到汽车前纵梁总成结构。
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