轿车前防撞梁设计
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关键词：防撞梁；副保险杠；碰撞；吸能盒；拖钩
1 前言
前防撞梁又叫前副保险杠，从名称上就能略知其作 用：汽车在发生碰撞时传递能量,同时吸能盒被压溃而吸 收能量，从而保护乘员及行人，最终满足车辆前端保护 法 规 《 GB 17354-1998 》 及 行 人 保 护 法 规 《 GB/T 24550-2009》的要求。前防撞梁是车身上的重要组成部 分，是一个独立单元，它与乘员的乘坐安全和行人保护 关系密切。其质量的好坏对整车前端碰撞有严重的影响， 前防撞梁的设计过程主要包括横梁本体、吸能盒和拖钩 安装结构。
轿车前防撞梁设计
杨国勇 潘俊 蔡汉琛 矫青春 陈东 邓卫东 袁焕泉 （广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院；广东广州 510640）
【摘要】前防撞梁包括前横梁本体、吸能盒、前拖钩安装结构、连接板等，其主要作用是低速碰撞（15Km/h 以下）保护。随着生
活水平的不断提高，汽车已经进入人们的日常生活中，成为人类的代步工具。同时汽车安全也越来越被客户所关注，其中车身前碰 尤为重要，并有严格的法规要求。本文将通过阐述汽车前端防撞梁的基本结构形式、设计注意事项以及基本设计过程，来简要介绍 前防撞梁的基本知识。
1
热冲压的横梁本体，需要一条专用热成形加工线， 模具需有专用冷却管道（见图 4），钢板原材料需要特殊 制造或进口，非镀层钢板的零件还需喷丸处理，以消除 表面氧化层，其综合成本要比冷冲压或辊压高出 2 倍以 上，但此技术能有效减少车身重量（仅为冷冲压拼焊的 60%）、提高碰撞性能，同时不需要发泡塑料，就能实现 行人保护的功能。目前，此技术在欧美国家汽车行业大 量使用，国内也有数条生产线（如：长春 BENTELER、昆 山 COSMA、上海 BENTELER、宝钢等），欧系汽车已经大 量使用，国内各自主品牌汽车正向此方向发展，部分中 级车型已经试用（如奇瑞、东风、帝豪）。
目前，汽车工业迅猛发展，汽车已经为人们日常生 活和工农业生产中不可缺少的重要交通工具。而随着汽 车的普及，人们对汽车性能的要求也越来越高，在获得 良好动力性和经济性的同时，还要求具有很高的安全保 障。在高档车中，成本费用相对整车售价占很小的比例， 为此多采用高成本的前端保护装置（如 VOLVO 部分车型 的发动机罩配备安全气囊，Porsche Engineering 车型的 铝合金防撞梁）。但在现阶段的中国，大部分汽车以中 低档为市场主推，在考虑制造成本的情况下，乘员和行 人的保护也不能忽略。本文将介绍前防撞梁总成的常规 设计和常用制造工艺！
2、 汽车车身制造工艺学，邓仕珍、范淼海编著，北京理 工大学出版社，1997 年
3、 汽车车身设计，羊拯民编著，机械工业出版社，2008 年
4
吸能盒主要为封闭的箱体构造，前后端分别与机舱 和横梁本体配合，其主要功能是汽车发生正面碰撞时， 吸能盒完全被压溃，充分吸能，严禁出现不规则压弯。 如图 8 所示：
防撞梁的材质对零件强度及刚度起着关键作用，同 时又要考虑现有加工设备的工艺可行性，合理控制制造 成本，因此零件的材质选择需要慎重。推荐材质如表 2：
前防撞梁的设计原则是由外而内，先横梁本体再吸 能盒，先断面再数模，先周边再内部的过程逐步设计。 4.2.1 横梁本体
横梁本体主要承受及传递前碰的撞击力，需要很高 的强度和刚度，其结构需根据前保险杠与发动机舱之间 距离而定，形状受外造型影响较大，同时前防撞梁的结 构设计需要考虑以下几点：
(1) 满足周边件的安装要求；不同车型有不同的相 关件与前防撞梁配合或关联，常见的有通风挡板、发动 机罩锁、线束、洗涤壶、温度传感器等，如表 1 所示：
其与横梁本体之间有焊接和螺接两种方式，主要区 别在于连接板上螺母孔是否需要考虑螺栓枪空间：焊接 状态一定要考虑有足够的螺栓枪空间，不能与横梁本体 干涉；而螺接状态就不存在螺栓枪与横梁本体干涉的问 题，即可以减小连接板尺寸近 1/4，节省空间（见图 6）， 若在同样空间情况下，焊接状态能有效增大横梁截面面 积，提高刚度。
4 设计基本过程
4.1 拖车钩布置 拖车钩布置在车身前端，用于拖拉抛锚的汽车，需
要满足法规（机动车拖车设备）《77/389/EEC-010406》。
a 机舱纵梁及安装结构
b 吸能盒中心
拖钩应该装在发动机舱纵梁或纵梁轴线附近的前副 保上，因纵梁分列车身两边，纵梁受力情况要比横梁强 很多，还可避免车架变形。前后拖钩需放在同一根纵梁 上，使前后受力在一条线上，免得车架变形。
拖钩应位于车身右侧。因为国内汽车靠右行驶，车 辆发生沉陷右侧多于左侧。另一个原因是被牵引行走时 可向左偏移，便于前后驾驶员相互观察。
拖钩离地高度没有具体要求，但需考虑的是，在满 足车身其它要求的前提下，拖钩位置尽量离地面近，使 被拖曳的车辆受上拉的力，减少与地面的附着力。
拖钩位置与前保造型有密切的关系，布置不合理， 将会影响外观或拖车性能，需前期仔细策划。前拖钩安 装位置主要有四种（见图 7）：机舱纵梁、吸能盒中心、 横梁内部、横梁边缘。 4.2 结构设计
2 结构形式
目前，国内市场上轿车前防撞梁的构成大同小异， 基本都是由横梁本体、吸能盒和拖钩组成。 2.1 横梁本体
横梁本体的制造主要通过四种方式：冷冲压（见图 1）、辊压（见图 2）、热冲压（见图 3）、铸铝（重量 轻，成本高，硬度高，此文不详细介绍），不同加工方 式对应的横梁断面，有一定的差别。主机厂需根据横梁 本体的制造成本、车间生产设备、周边供应商能力及车 型产量，选择最优的加工方式。
吸能盒
前横梁
a 螺接方式
b 焊接方式
图 6 连接板空间需求
2.3 拖钩安装结构
拖钩安装结构与其布置位置密切相关，常见有：拖钩
螺母通过支架螺接在机舱纵梁、螺母通过支架焊接在横梁
边缘、螺母通过加强板焊接在吸能盒中心、螺母内嵌焊接
在横梁中，具体见图 7 所示。各种安装方式，需要综合考
虑前保造型、拖车受力、安装和维修方便性而定。
冷冲压拼焊的横梁本体，由于其保持了与车身其它 钣金相同的制造工艺，不需要单独生产线，材料也是国 内钢铁厂生产，采购方便，模具也无特殊性，故制造成 本低廉，一般主机厂的冲压线都能制造，常用于国内自 主品牌车型。不足在于截面尺寸大、重量高、焊点多（近 60 个）、需要与发泡塑料配合来实现行人保护功能。
辊压成形的横梁本体，需要一条专用辊压线，其断 面为箱体结构，类似双层板的无逢焊接。相对焊接横梁 本体，辊压件的截面经过优化后，重量可以减少近 （15-25）%，空间能节省近（5-10）%，但仍需要用泡沫 塑料配合来实现行人保护的功能。目前国内利用辊压技 术制造防撞梁的供应商相对较少，而主机厂自制的成本 太高，故常用于产量较大的车型并外委制造。此种工艺 日本较成熟，日系车多用辊压件的前横梁。
前副保险杠是整车中一个重要安全件，其结构设计 涉及到汽车结构、钣金冲压、钣金涂装、钣金焊接、车 身整装，还要了解材料的性能、汽车的相关法规等等， 随着热冲压技术的发展和应用，需要设计工程师知识面 广、努力学习新技术，了解行业新动态，工作要细心、 认真、有耐心、善于总结。
参考文献
1、 热冲压技术，徐伟力教授，宝钢技术中心，2010 年 7 月
3 设计注意事项
防撞梁是车身上相对独立的总成，与发动机舱组成 一个有机的整体，共同完成正面碰撞法规的要求。前防 撞梁作为重要的安全件，在设计过程中，必须关注以下 几方面：
（1）低速碰撞时，横梁本体的强度和刚度要高，吸 能盒吸能效果要好；
（2）结构合理，维修方便，零部件质量轻； （3）合理选择横梁本体与吸能盒的连接方式； （4）防止横梁本体与周边件间隙过小或干涉； （5）控制对冷凝器迎风面积的影响；
2
（6）防止前保格栅孔间距过大时，前横梁与车身外 表面颜色反差；
（7）预留足够的吸能盒在 X 向长度，一般在 100mm 到 150mm 之间。
前防撞梁常为螺栓安装部件，公差参数不需要很高， 但为了防止周边零件在行车过程中的震动而与防撞梁磨 擦，影响功能和寿命，一般要求，副保与周边件间隙要 在 10mm 以上，局部小区域可以适当减小间隙要求到 8mm。
3
区别，热冲压将会是未来的发展趋势，并且随着后期技 术的不断提升及大批量生产，其制造成本会大幅下降。
(3) 设计断面结构；根据横梁本体已经确认的制造 方式，参考相关车型，得到最优化的断面结构。
(4) 确定曲率参数；根据前保外造型、间隙要求等 输入，绘制出一条横梁断面的轨迹曲线。
(5) 特征优化；在横梁本体基本结构完成之后，根 据周边件的安装要求，确定安装平面及位置，结合倒角、 桥接等方式完成最终设计。 4.2.2 吸能盒
图 1 冷冲压拼焊前横梁本体及断面
a 螺接方式
b 焊接方式 图 5 吸能盒
Ø 40mm
Ø 40mm
图 2 辊压前横梁本体及断面
图 3 热冲压前横梁本体及断面
图 4 热冲压模具冷却管
2.2 吸能盒与连接板 吸能盒主要为箱体结构，常与连接板焊接成一个整
体（见图 5），可以根据需要增加不同的压溃诱导槽，保 证车辆发生碰撞时，吸能盒能按预定的轨迹被破坏而吸 收撞击力。
表 2 材料清单（热冲压）
零件名称
推荐材料 材料厚度（mm）
前横梁外板
DC04
Leabharlann Baidu
0.7
前横梁内板
BTR165
1.8
吸能盒外板
B280VK
1.8
吸能盒内板
B280VK
1.2
吸能盒连接板
SPHC
4.0
横梁安装板
DC01
2.0
前拖钩螺母
45
Ø35
5 结语
图 8 吸能盒理想压溃状态
吸能盒设计时的注意事项： (1) 以机舱纵梁提供的安装面为基础，确定吸能盒 安装面，保证足够长度； (2) 合理设计压溃槽； (3) 合理选择主断面结构； (4) 考虑拖钩螺母位置； (5) 预留防撞梁安装空间：一般情况下，为了减少 装配误差的积累，吸能盒与横梁本体采用焊接方式，当 横梁本体在 Z 向的宽度影响防撞梁总成的安装时，就需 要吸能盒与副保本体采用螺栓安装。 4.2.3 拖车钩 拖车钩结构主要由牵引螺母和连接支架组成。在同 一个车型平台中，牵引螺母几乎均可以借用，只需根据 安装位置改变支架结构，实现连接功能。 4.3 材质选择
c 横梁内部
车身件 发动机 舱纵梁
散热器 中支架
表 1 周边件清单
内外饰件 电器件
发动机罩 前大灯
锁
前雾灯
前保险杠 及格栅
温度 传感器
前挡风板 线束
动力件 冷凝器 洗涤壶
d 横梁边缘 图 7 前拖钩安装结构
(2) 合理选择制造方式；现有三种加工方法，成本 相差较大，各有优缺，但在整车中体现的效果也有明显
1 前言
前防撞梁又叫前副保险杠，从名称上就能略知其作 用：汽车在发生碰撞时传递能量,同时吸能盒被压溃而吸 收能量，从而保护乘员及行人，最终满足车辆前端保护 法 规 《 GB 17354-1998 》 及 行 人 保 护 法 规 《 GB/T 24550-2009》的要求。前防撞梁是车身上的重要组成部 分，是一个独立单元，它与乘员的乘坐安全和行人保护 关系密切。其质量的好坏对整车前端碰撞有严重的影响， 前防撞梁的设计过程主要包括横梁本体、吸能盒和拖钩 安装结构。
轿车前防撞梁设计
杨国勇 潘俊 蔡汉琛 矫青春 陈东 邓卫东 袁焕泉 （广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院；广东广州 510640）
【摘要】前防撞梁包括前横梁本体、吸能盒、前拖钩安装结构、连接板等，其主要作用是低速碰撞（15Km/h 以下）保护。随着生
活水平的不断提高，汽车已经进入人们的日常生活中，成为人类的代步工具。同时汽车安全也越来越被客户所关注，其中车身前碰 尤为重要，并有严格的法规要求。本文将通过阐述汽车前端防撞梁的基本结构形式、设计注意事项以及基本设计过程，来简要介绍 前防撞梁的基本知识。
1
热冲压的横梁本体，需要一条专用热成形加工线， 模具需有专用冷却管道（见图 4），钢板原材料需要特殊 制造或进口，非镀层钢板的零件还需喷丸处理，以消除 表面氧化层，其综合成本要比冷冲压或辊压高出 2 倍以 上，但此技术能有效减少车身重量（仅为冷冲压拼焊的 60%）、提高碰撞性能，同时不需要发泡塑料，就能实现 行人保护的功能。目前，此技术在欧美国家汽车行业大 量使用，国内也有数条生产线（如：长春 BENTELER、昆 山 COSMA、上海 BENTELER、宝钢等），欧系汽车已经大 量使用，国内各自主品牌汽车正向此方向发展，部分中 级车型已经试用（如奇瑞、东风、帝豪）。
目前，汽车工业迅猛发展，汽车已经为人们日常生 活和工农业生产中不可缺少的重要交通工具。而随着汽 车的普及，人们对汽车性能的要求也越来越高，在获得 良好动力性和经济性的同时，还要求具有很高的安全保 障。在高档车中，成本费用相对整车售价占很小的比例， 为此多采用高成本的前端保护装置（如 VOLVO 部分车型 的发动机罩配备安全气囊，Porsche Engineering 车型的 铝合金防撞梁）。但在现阶段的中国，大部分汽车以中 低档为市场主推，在考虑制造成本的情况下，乘员和行 人的保护也不能忽略。本文将介绍前防撞梁总成的常规 设计和常用制造工艺！
2、 汽车车身制造工艺学，邓仕珍、范淼海编著，北京理 工大学出版社，1997 年
3、 汽车车身设计，羊拯民编著，机械工业出版社，2008 年
4
吸能盒主要为封闭的箱体构造，前后端分别与机舱 和横梁本体配合，其主要功能是汽车发生正面碰撞时， 吸能盒完全被压溃，充分吸能，严禁出现不规则压弯。 如图 8 所示：
防撞梁的材质对零件强度及刚度起着关键作用，同 时又要考虑现有加工设备的工艺可行性，合理控制制造 成本，因此零件的材质选择需要慎重。推荐材质如表 2：
前防撞梁的设计原则是由外而内，先横梁本体再吸 能盒，先断面再数模，先周边再内部的过程逐步设计。 4.2.1 横梁本体
横梁本体主要承受及传递前碰的撞击力，需要很高 的强度和刚度，其结构需根据前保险杠与发动机舱之间 距离而定，形状受外造型影响较大，同时前防撞梁的结 构设计需要考虑以下几点：
(1) 满足周边件的安装要求；不同车型有不同的相 关件与前防撞梁配合或关联，常见的有通风挡板、发动 机罩锁、线束、洗涤壶、温度传感器等，如表 1 所示：
其与横梁本体之间有焊接和螺接两种方式，主要区 别在于连接板上螺母孔是否需要考虑螺栓枪空间：焊接 状态一定要考虑有足够的螺栓枪空间，不能与横梁本体 干涉；而螺接状态就不存在螺栓枪与横梁本体干涉的问 题，即可以减小连接板尺寸近 1/4，节省空间（见图 6）， 若在同样空间情况下，焊接状态能有效增大横梁截面面 积，提高刚度。
4 设计基本过程
4.1 拖车钩布置 拖车钩布置在车身前端，用于拖拉抛锚的汽车，需
要满足法规（机动车拖车设备）《77/389/EEC-010406》。
a 机舱纵梁及安装结构
b 吸能盒中心
拖钩应该装在发动机舱纵梁或纵梁轴线附近的前副 保上，因纵梁分列车身两边，纵梁受力情况要比横梁强 很多，还可避免车架变形。前后拖钩需放在同一根纵梁 上，使前后受力在一条线上，免得车架变形。
拖钩应位于车身右侧。因为国内汽车靠右行驶，车 辆发生沉陷右侧多于左侧。另一个原因是被牵引行走时 可向左偏移，便于前后驾驶员相互观察。
拖钩离地高度没有具体要求，但需考虑的是，在满 足车身其它要求的前提下，拖钩位置尽量离地面近，使 被拖曳的车辆受上拉的力，减少与地面的附着力。
拖钩位置与前保造型有密切的关系，布置不合理， 将会影响外观或拖车性能，需前期仔细策划。前拖钩安 装位置主要有四种（见图 7）：机舱纵梁、吸能盒中心、 横梁内部、横梁边缘。 4.2 结构设计
2 结构形式
目前，国内市场上轿车前防撞梁的构成大同小异， 基本都是由横梁本体、吸能盒和拖钩组成。 2.1 横梁本体
横梁本体的制造主要通过四种方式：冷冲压（见图 1）、辊压（见图 2）、热冲压（见图 3）、铸铝（重量 轻，成本高，硬度高，此文不详细介绍），不同加工方 式对应的横梁断面，有一定的差别。主机厂需根据横梁 本体的制造成本、车间生产设备、周边供应商能力及车 型产量，选择最优的加工方式。
吸能盒
前横梁
a 螺接方式
b 焊接方式
图 6 连接板空间需求
2.3 拖钩安装结构
拖钩安装结构与其布置位置密切相关，常见有：拖钩
螺母通过支架螺接在机舱纵梁、螺母通过支架焊接在横梁
边缘、螺母通过加强板焊接在吸能盒中心、螺母内嵌焊接
在横梁中，具体见图 7 所示。各种安装方式，需要综合考
虑前保造型、拖车受力、安装和维修方便性而定。
冷冲压拼焊的横梁本体，由于其保持了与车身其它 钣金相同的制造工艺，不需要单独生产线，材料也是国 内钢铁厂生产，采购方便，模具也无特殊性，故制造成 本低廉，一般主机厂的冲压线都能制造，常用于国内自 主品牌车型。不足在于截面尺寸大、重量高、焊点多（近 60 个）、需要与发泡塑料配合来实现行人保护功能。
辊压成形的横梁本体，需要一条专用辊压线，其断 面为箱体结构，类似双层板的无逢焊接。相对焊接横梁 本体，辊压件的截面经过优化后，重量可以减少近 （15-25）%，空间能节省近（5-10）%，但仍需要用泡沫 塑料配合来实现行人保护的功能。目前国内利用辊压技 术制造防撞梁的供应商相对较少，而主机厂自制的成本 太高，故常用于产量较大的车型并外委制造。此种工艺 日本较成熟，日系车多用辊压件的前横梁。
前副保险杠是整车中一个重要安全件，其结构设计 涉及到汽车结构、钣金冲压、钣金涂装、钣金焊接、车 身整装，还要了解材料的性能、汽车的相关法规等等， 随着热冲压技术的发展和应用，需要设计工程师知识面 广、努力学习新技术，了解行业新动态，工作要细心、 认真、有耐心、善于总结。
参考文献
1、 热冲压技术，徐伟力教授，宝钢技术中心，2010 年 7 月
3 设计注意事项
防撞梁是车身上相对独立的总成，与发动机舱组成 一个有机的整体，共同完成正面碰撞法规的要求。前防 撞梁作为重要的安全件，在设计过程中，必须关注以下 几方面：
（1）低速碰撞时，横梁本体的强度和刚度要高，吸 能盒吸能效果要好；
（2）结构合理，维修方便，零部件质量轻； （3）合理选择横梁本体与吸能盒的连接方式； （4）防止横梁本体与周边件间隙过小或干涉； （5）控制对冷凝器迎风面积的影响；
2
（6）防止前保格栅孔间距过大时，前横梁与车身外 表面颜色反差；
（7）预留足够的吸能盒在 X 向长度，一般在 100mm 到 150mm 之间。
前防撞梁常为螺栓安装部件，公差参数不需要很高， 但为了防止周边零件在行车过程中的震动而与防撞梁磨 擦，影响功能和寿命，一般要求，副保与周边件间隙要 在 10mm 以上，局部小区域可以适当减小间隙要求到 8mm。
3
区别，热冲压将会是未来的发展趋势，并且随着后期技 术的不断提升及大批量生产，其制造成本会大幅下降。
(3) 设计断面结构；根据横梁本体已经确认的制造 方式，参考相关车型，得到最优化的断面结构。
(4) 确定曲率参数；根据前保外造型、间隙要求等 输入，绘制出一条横梁断面的轨迹曲线。
(5) 特征优化；在横梁本体基本结构完成之后，根 据周边件的安装要求，确定安装平面及位置，结合倒角、 桥接等方式完成最终设计。 4.2.2 吸能盒
图 1 冷冲压拼焊前横梁本体及断面
a 螺接方式
b 焊接方式 图 5 吸能盒
Ø 40mm
Ø 40mm
图 2 辊压前横梁本体及断面
图 3 热冲压前横梁本体及断面
图 4 热冲压模具冷却管
2.2 吸能盒与连接板 吸能盒主要为箱体结构，常与连接板焊接成一个整
体（见图 5），可以根据需要增加不同的压溃诱导槽，保 证车辆发生碰撞时，吸能盒能按预定的轨迹被破坏而吸 收撞击力。
表 2 材料清单（热冲压）
零件名称
推荐材料 材料厚度（mm）
前横梁外板
DC04
Leabharlann Baidu
0.7
前横梁内板
BTR165
1.8
吸能盒外板
B280VK
1.8
吸能盒内板
B280VK
1.2
吸能盒连接板
SPHC
4.0
横梁安装板
DC01
2.0
前拖钩螺母
45
Ø35
5 结语
图 8 吸能盒理想压溃状态
吸能盒设计时的注意事项： (1) 以机舱纵梁提供的安装面为基础，确定吸能盒 安装面，保证足够长度； (2) 合理设计压溃槽； (3) 合理选择主断面结构； (4) 考虑拖钩螺母位置； (5) 预留防撞梁安装空间：一般情况下，为了减少 装配误差的积累，吸能盒与横梁本体采用焊接方式，当 横梁本体在 Z 向的宽度影响防撞梁总成的安装时，就需 要吸能盒与副保本体采用螺栓安装。 4.2.3 拖车钩 拖车钩结构主要由牵引螺母和连接支架组成。在同 一个车型平台中，牵引螺母几乎均可以借用，只需根据 安装位置改变支架结构，实现连接功能。 4.3 材质选择
c 横梁内部
车身件 发动机 舱纵梁
散热器 中支架
表 1 周边件清单
内外饰件 电器件
发动机罩 前大灯
锁
前雾灯
前保险杠 及格栅
温度 传感器
前挡风板 线束
动力件 冷凝器 洗涤壶
d 横梁边缘 图 7 前拖钩安装结构
(2) 合理选择制造方式；现有三种加工方法，成本 相差较大，各有优缺，但在整车中体现的效果也有明显