1、汽 车 文 摘刘志民1赵宗杰2倪慨宇3（1.中国核工业电机运行技术开发有限公司，北京 100043；2.新疆众和股份有限公司,乌鲁木齐 831499；3.无锡北辰汇智科技有限公司,无锡 214205）【摘要】轻量化是未来汽车发展的趋势之一，保险杠防撞梁系统承担着汽车碰撞时能量传递与吸收的重要角色，一直是轻量化技术应用的重点。分析了近年来新材料与新工艺在保险杠防撞梁开发中的应用现状，得出多形态混合材料是未来保险杠防撞梁在材料轻量化应用中的发展趋势，而与新材料相对应的新工艺也会向多样化发展。最后指出，中低端车型的保险杠防撞梁由低成本的高强钢为主，而铝合金比重逐渐增大，超高强钢3D热辊弯防撞梁将逐步
2、推广应用。主题词：汽车轻量化保险杠防撞梁多形态混合材料中图分类号：U465.1+1;U466文献标识码：ADOI:10.19822/ki.1671-6329.20220246Application and Trends in Development of New Materials andTechnologies in Bumper Anti-Collision BeamLiu Zhimin1,Zhao Zongjie2,Ni Kaiyu3（1.China Nuclear Industry Motor Operation Technology Development Co.,Ltd.,Beij
3、ing 100043;2.Xinjiang Joinworld Co.,Ltd.,Wulumuqi 831499;3.Wuxi Polaris&Intellgence Pool Technology Co.,Ltd.,Wuxi 214205）【Abstract】Lightweight is one of the mainstreams of the future development of automotive.The bumper anti-collisionbeam system plays an important role in energy transfer and absorpt
4、ion during vehicle collision,which has always been thefocus of lightweight technology application.This paper analyzes the research of application status of new materials and newtechnologies in the development of bumper anti-collision beam in recent years.It is concluded that the multi-form mixedmate
5、rial is the development trend of the future bumper anti-collision beam in the material lightweight application,and thenew processes corresponding to the new materials will also be diversified.Finally,it is pointed out that the lower cost highstrength steel is the main part of the bumper anti-collisi
6、on beam,and the proportion of aluminum alloy is graduallyincreasing,in the middle and low end cars.3D hot roll bending anti-collision beam of ultra-high strength steel will begradually popularized and applied.Key words:Automotive lightweight,Bumper,Anti-collision beam,Multiform mixed material新材料与新工艺
7、在保险杠防撞梁中的应用与发展趋势【欢迎引用】刘志民，赵宗杰，倪慨宇.新材料与新工艺在保险杠防撞梁中的应用与发展趋势J.汽车文摘，2023(2):29-33.【Cite this paper】LIU Z M,ZHAO Z J,NI K Y.Application and Trends in Development of New Materials and Technologies in BumperAnti-Collision Beam J.Automotive Digest(Chinese),2023(2):29-33.1前言汽车轻量化是解决汽车油耗和排放问题的有效手段，汽车轻量化主要是从材料
8、、结构设计和工艺方面来实现，其中材料轻量化的效果最显著1-11。保险杠防撞梁系统承担着汽车碰撞时能量传递与吸收的重要角色：例如汽车在低速碰撞时，防撞梁本体将碰撞能量及时传递至左右吸能盒，充分吸收碰撞能量，降低车辆受损程度。高速碰撞时，防撞梁本体发生塑性变形吸收能量，同时将能量传递给机舱前纵梁，通过车体骨架系统将能量分解，减小车辆受损与人员受伤害程度。因此，保险杠防撞梁也一直是轻量化技术应用的重点。传统防撞梁多采用高强度钢板冲焊而成，工序复杂，质量较大。采用轻质材料，如铝合金、镁合金、碳纤维，是实现轻量化最直接有效方法。铝合金由于成Automotive Digest292023年 第2期本最低，
9、被认为是汽车轻量化最理想的材料。碳纤维材料具有更高的比强度与比刚度，但是由于其价格昂贵，应用较少4。本文就保险杠防撞梁的应用现状进行了研究，同时探讨了新工艺技术，最后分析了新材料与新工艺技术在保险杠防撞梁应用的发展趋势。2防撞梁材料的应用现状2.1高强钢材料统计历年来国内市场上213款车型的保险杠防撞梁材料运用情况，有118款车型采用高强钢，95款车型采用铝合金，可见保险杠防撞梁材料以高钢钢为主。刘志民等对5年内市场上的104款主流车型进行调研，轴距为2 5502 850 mm，价格在1030万元的中低端车型，高强钢使用比例为42%，如表1所示。由表1可知，其中高强钢使用最多的为自主品牌，共2
10、5款。由此可见，中低端车型基于成本考虑，更多的采用成本低廉的高强钢，欧洲、美系车更多考虑性能与舒适性，更倾向于采用铝合金防撞梁。2.2铝合金材料铝合金密度仅为钢材的33.33%，用铝合金材料代替传统的钢制材料，可有效实现约40%减重率，实现防撞梁系统的轻量化设计。从2008年至2022年的历年欧洲车身会议，以及国内车身资料来看，国内外主流车型的铝合金防撞梁主要集中体现在中高端车型，如奥迪A3、奥迪A4L、奥迪e-tron、奔驰A Class、路虎Evoque、捷豹I-PACE、标致308、标致308S、标致508、标致4008、雪铁龙C5、欧宝Mokka、英朗、迈锐宝、君威、君越、福特E-Tr
11、ansit、福特focus、福特探险者、科鲁兹、吉普自由侠、沃尔沃XC40电动、沃尔沃北极星、沃尔沃V60、冠道、丰田bZ4X、斯巴鲁solterra、雷克萨斯_LCConvertible、丰田锐志、马自达昂克赛拉、马自达CX-60、荣威950、极氪_001、长安逸动、领克01PHEV、蔚来ES6、蔚来ES8、北京X7等。统计70款车型的防撞梁应用情况，按各车系分析如下：德系车的铝合金防撞梁应用最广，约占30%，美系占22%、日系占20%、自主车占19%、法系车应用最少，约占9%。分析表明，铝合金防撞梁一般采用挤压铝型材，截面形状以“日字型”结构为主，约占70%，“目字型”占22%，“口字型”
12、占8%。另外，挤压铝主要在前保险杠防撞梁体现，后保险杠防撞梁较少采用，如蔚来ES6、蔚来ES8、北京X7等，图1为蔚来ES6挤压铝后保险杠防撞梁12。铝合金保险杠防撞梁本体材料牌号一般采用6xxx系铝合金较多，如6082、6063、6061等。个别中高端车系采用7xxx系铝合金，如蔚来汽车的ES8、丰田bZ4X，如图2所示，丰田bZ4X的前保险杠防撞梁采用7xxx系挤压铝合金13。保险杠防撞梁材料铝高强钢超高强钢车型数量/款总计414419欧洲1387美系962韩系014日系743自主12257比例/%394219表1中低端主流车型保险杠防撞梁使用情况图1蔚来ES6挤压铝后保险杠防撞梁12（a
13、）bZ4X车身（b）bZ4X 混合材料图2丰田bZ4X的7xxx系挤压铝防撞梁13汽车文摘30汽 车 文 摘2.3碳纤维复合材料碳纤维材料昂贵，为追求较高的性能，仅在跑车中采用碳纤维的保险杠防撞梁，如兰博基尼EssenzaSCV12车型、2020款雪佛兰克尔维特黄貂鱼，见图3（a）所示，防撞梁由顺普公司与德国纤维复合材料拉挤公司Thomas Technik+Innovation合作开发，这款保险杠设计与制造技术，是汽车行业第一款采用弯曲的多空心拉挤碳纤维技术生产的碳纤维防撞梁。另外，碳纤维复合材料也在中高端车型中得到应用，2021年欧洲车身会议展示的雪佛兰Corvette碳纤维复合材料保险杠防
14、撞梁14，图3（b）所示。2.4金属与碳纤维混合由于材料成本与制造工艺的限制15-18，金属与碳纤维混合材料应用从2010年才逐渐开始，主要用于提高汽车的碰撞吸能性、NVH舒适性、车身零件的承载能力。图4为德国本特勒开发的铝合金/碳纤维混合材料构成的前防撞梁，该结构的混合方式是通过先热模压固化的方式，实现材料混合，这种防撞梁在提高碰撞吸能同时，实现减重45%。本文通过有限元模拟，对铝合金/碳纤维混合材料的保险杠后防撞梁的轻量化进行了研究。针对某款车型的保险杠后防撞梁总成，综合考虑材料与成型工艺的可行性，设计了HC340LA高强钢、6082铝挤压、7075铝热冲压、7075铝合金/碳纤维混合材料
15、的4种结构后防撞梁总成，如图5所示。（a）雪佛兰克尔维特黄貂鱼图3碳纤维的保险杠防撞梁14（b）雪佛兰Corvette碳纤维复合材料防撞梁图4本特勒开发的铝合金/碳纤维防撞梁16GFRPAluminum110 mm25 mm7075 Al beamCFRP plate6063 AL plateCFRPpatch plate（a）高强钢防撞梁（b）铝挤压防撞梁（c）7075铝防撞梁（d）7075铝/碳纤维防撞梁图5设计的4种材料防撞梁总成通过LS DYNA软件对后防撞梁的低速碰撞进行模拟，得到的结果如表2所示，4种材料的后防撞梁结构均满足52 mm的侵入量要求。7075铝/碳纤维混合后防撞梁总成
16、的轻量化效果最佳，质量仅为1.10 kg，HC340LA后防撞梁总成质量最大，为4.82 kg，其余见表2。Automotive Digest312023年 第2期图7是宝钢开发超高强钢热辊弯前保险杠防撞梁总成，在结构性能相当的前提下，通过材料高强化与零件截面高刚性设计，热辊弯防撞梁零件质量增加8%，总成质量增加 14%，轻量化水平接近铝合金设计方案，具有良好的轻量化效果。4轻量化的发展趋势随着汽车制造新工艺与新装备的发展，以及铝合金、碳纤维成本下降，保险杠防撞梁轻量化技术由高端车向中低端车应用发展。综合考虑性能与成本，未来防撞梁轻量化技术发展的将呈现以下特点：（1）高端车型保险杠防撞梁以铝合金为主，同时向铝合金和碳纤维混合材料方向发展；（2）中低端车保险杠防撞梁由低成本的高强钢为主，同时铝合金比重逐渐增大；（3）碳纤维防撞梁，将继续在跑车车型中应用；（4）新材料的应用将推进新工艺技术向多样化发展；（5）超高强钢3D热辊弯防撞梁，将在中端车型中推广应用。参考文献1 唐见茂新能源汽车轻量化材料J新型工业化，2016，6(1)：1-142 程一卿,莫凡,彭亚南.新能源汽车发展态势及其轻量化
