一种抵抗正碰的车辆结构及制造方法

技术领域

本发明涉及设计与碰撞安全领域，尤其涉及一种抵抗正碰的车辆结构。

背景技术

在汽车正面碰撞安全设计中，车身前防撞横梁、吸能盒、前纵梁等关键结构为正面碰撞主要吸能部件，通过这些结构的溃缩变形，能吸收50％以上的碰撞动能，有效降低对乘员舱的冲击，减少交通事故对人们的伤害。在正面100％刚性墙碰撞中，车身前端吸能结构与壁障完全重合，车身两侧吸能结构基本处于正向轴压，能发挥最大的吸能效果。

严苛的碰撞测试工况为车身结构安全性设计带来了很大的挑战，尤其是在要考虑轻量化设计的情况下。为减少乘员伤害，提升汽车产品在正面碰撞中的安全性能，同时满足轻量化设计要求，简化加工，节省成本，需对汽车车身前端关键结构进行有针对性、系统性的优化设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种抵抗正碰的车辆结构，能够减少车辆零件的数量和重量，并能实现该正面碰撞中的安全性能提升，而且能在汽车有限的布置空间下，以较轻的重量与较少的成本，在保证正面碰撞性能的同时，简化设计，减少零件和加工工艺流程，满足轻量化要求。

本发明的另一个目的是提供上述车辆结构的制造方法，能实现上述结构。

针对本发明抵抗正碰的车辆结构来说，包括位于车身前端的防撞梁；安装在防撞梁背部两端的吸能盒；安装在吸能盒背部的前纵梁；还包括安装在前纵梁尾端的前连接件；安装在两个前连接件之间的防火墙横梁，安装在前连接件后端的门槛梁；安装在门槛梁后端的后连接件；安装在前连接件顶部和后连接件顶部的侧围框架以及安装在两个后连接件之间的底板后横梁；车身在水平面形成由前防撞梁，吸能盒，前纵梁和防火墙横梁围成的横向闭环；车身在纵向平面形成由前连接件，门槛梁，后连接件，侧围框架围成的纵向闭合框架。

由于使用了前连接件和后连接件作为连接节点，以形成车辆结构，能减少车辆零件的数量及重量，不需使用太多的连接配件如螺栓等，也能节省很多焊接工艺，由于形成了水平面上的横向闭环和纵向平面的纵向闭合框架，能实现该正面碰撞中的安全性能提升，便于受力传导，受撞击而产生的碰撞或冲击荷载由横向闭合传递至纵向闭合框架，降低撞击对横向闭环的影响，以保证车身前部的安全，这种车身组合结构的横向闭环和纵向闭合框架共用一个前连接件，既方便安装，也能减少传力路径，能避免横向闭环和纵向闭合框架之间的力的传导件断裂，而影响车辆的正碰性能，另外，横向闭环结构由于吸能盒的存在，其吸能效果好于纵向闭合框架，能减少部分撞击能量，纵向闭合框架的刚度更高，使其能保证车身的完整性。

作为本发明车辆结构进一步的改进，前连接件为空腔结构，其具有安装前纵梁的前端开口；安装防火墙横梁的侧面开口；安装门槛梁的后端开口；和安装侧围框架前端部的顶面开口，后连接件也为空腔结构，其具有安装门槛梁的前部开口；安装侧围框架后端部的顶部开口；安装底板后横梁的侧部开口。

前连接件和后连接件皆为空腔结构后，并且设置的多个开口方便安装其他车身传力部件，有利于形成横向闭环和纵向闭合框架。

作为本发明车辆结构进一步的改进，前连接件底面还具有安装前副车架的前副车架安装孔和前地板安装面，其上面还有防火墙隔板搭接边，后连接件其前部上面还具有后地板安装面，后部上面还具有行李箱地板安装面以及连接后悬减振结构的搭接边，后连接件内侧面还设有凸台，管状支撑柱和多条横向和纵向十字交叉的加强筋结构。

前连接件和后连接件可以作为车辆其他部件的连接节点，并设凸台，管状支撑柱和多条横向和纵向十字交叉的加强筋结构来加强连接节点，保证节点强度和刚度，使横向闭环和纵向闭合框架稳定。

作为本发明车辆结构进一步的改进，吸能盒、前纵梁、防火墙横梁、门槛梁、为铝型材挤压成型；前防撞梁、侧围框架为挤压拉弯成型；前连接件和后连接件通过铝合金铸造成型。

铝型材挤压成型或挤压拉弯成型整体性好，部件自身不易散架，有利于力的传导，铝合金铸造成型能保证连接节点的强度和刚度，前连接件和后连接件作为多个部件的连接节点，铸造成型保证强节点，能提高车身的完整性，即便受撞击后，也不易散架。

针对本发明制造方法来说，具体包括如下步骤：

S1：采用挤压成型工艺，制造吸能盒、前纵梁、防火墙横梁、门槛梁、侧围框架；采用挤压拉弯成型工艺制造前防撞梁、侧围框架；采用铸造成型工艺制造前连接件和后连接件；

S2：采用步骤S1中形成的部件来进行车身的装配。

作为本发明制造方法进一步的改进，步骤S1中，挤压成型过程包括以下步骤：

(1)根据所要挤压成型零件的截面形状，准备好相应的挤压模具，并将挤压模具紧固在挤压设备的端口上；

(2)对材料进行软化处理，将铝合金铸锭加热至380-440℃，根据需要的尺寸，对铝材料进行激光切割处理，制成坯料；

(3)将制作完成后的坯料，放入至挤压模具的底部，挤压设备内的挤压装置以基本恒定的挤压速度向挤压模具行进，对铝合金铸锭进行挤压，将铝合金铸锭从挤压模具的模孔中全部挤出，形成挤压件；

(4)将挤出后的铝合金型材进行回火处理加工，保温，将回火后的铝合金型材进行拉伸矫直，得到所需的零件；

以上步骤适用于吸能盒、前纵梁、防火墙横梁、门槛梁、地板后横梁，对前防撞梁和侧围框架两个整体有弧度，需要拉弯才能最终成型的零件，还需要进行以下步骤：

(5)紧接着步骤(4)，将拉伸矫直后的铝合金型材停放一定时间，回火后温度降至100℃后进行折弯，对于前防撞梁1，为一次拉弯成型，对于侧围框架8，需进行左右各两次总共4次拉弯，固定侧围框架8中间不动，左侧先拉弯，折弯角度不超过30°，第二次折弯角度不超过60°，右侧第一次折弯角度不超过60°，第二次折弯角度不超过30°；

(6)将折弯后的铝合金型材进行人工热处理，热处理温度为180℃左右，以确保拉弯后零件有足够的屈服强度和抗拉强度

作为本发明制造方法进一步的改进，步骤S1中，前连接件4和后连接件7为铝合金铸造成型，其铸造工艺为充氧压铸法，具体步骤如下：

I.先对模具进行预热，预热温度保持为200℃，将熔炼后的材料放入模具中；

II.然后进行合模，使模具闭合形成型腔及浇道，通过注气孔将干燥的氧气注入压铸模具的压射室和型腔内，以取代其中的空气和其他气体，当铝合金液体压入压室和压铸模型腔时与氧气发生化合反应，生成Al

预热主要是防止金属液骤冷急剧，失去流动性，导致成型失败或者即使成型成功，但后期零件表面会出现裂纹或缝隙；

散状分布在铸件中，能达到减少或消除铸件气孔的效果，提高铸件的致密性；

III.最后压铸机从压射冲头开始移动至型腔充满，直至增压结束的过程。

作为本发明制造方法进一步的改进，压射压力为50MPa，填充时的内浇口速度为60m/s，充填时间为0.1s，持压时间为4s。

本发法综合考虑了压铸件的大小、形状、复杂程度、壁厚、合金的特性、温度、性能。

前连接件和后连接件主要的作用是对正面碰撞力的传递，铝合金本身具有吸能效果，碰撞发生有缓冲左右，还可以实现车身减重。

作为本发明制造方法进一步的改进，铸造采用的铝合金材料配比为硅1％，镁0.75％，锌0.25％，锰0.20％，铜0.15％，铁0.15％，铬0.10％，钛0.10％,不可避免的杂质≤0.3％，其余为铝。

所述的合金材料元素主要为为硅与镁，其加工性能好、具有良好的抗腐蚀性，力学性能出色兼顾了抗拉强度高、屈服强度大和延展性好的优点，能成型高强挤压合金。

本发明的一种抵抗正碰的车辆结构，在水平面形成以前防撞梁，吸能盒，前纵梁和防火墙横梁的横向闭环。在纵向平面形成以前连接件，门槛梁，后连接件，侧围框架的纵向闭合框架。在正面碰撞的工况下，三个闭合环路可以有效减少车身变形和提高吸能效果，保护乘员安全。

本发明中的所有梁类和框架加工均由挤压拉弯成型，前连接件和后连接件均由铸造成型，可有效简化车身设计和工艺流程。

本发明的一种抵抗正碰的车辆结构，零部件集成度高，结构简单，可有效减少车身零件数；零部件材质均为铝合金，铝合金本身还有的吸能效果，在满足碰撞要求的基础上可以进一步满足轻量化要求。

附图说明

图1为本发明所述的抵抗正碰的车辆结构示意图。

图2为本发明所述的抵抗正碰的车辆结构正面碰撞时力的传导路径图。

图3为前连接件结构示意图。

图4为后连接件结构示意图。

附图标记：1、防撞梁；2、吸能盒；3、前纵梁；4、前连接件；5、防火墙横梁；6、门槛梁；7、后连接件；8、侧围框架；9、地板后横梁。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

图1-4示出了一种抵抗正碰的车辆结构，包括位于车身前端的防撞梁1；安装在防撞梁1背部两端的吸能盒2；安装在吸能盒2背部的前纵梁3；还包括安装在前纵梁3尾端的前连接件4；安装在两个前连接件4之间的防火墙横梁5，安装在前连接件4后端的门槛梁6；安装在门槛梁6后端的后连接件7；安装在前连接件4顶部和后连接件7顶部的侧围框架8以及安装在两个后连接件7之间的底板后横梁9；车身在水平面形成由前防撞梁1，吸能盒2，前纵梁3和防火墙横梁5围成的横向闭环；车身在纵向平面形成由前连接件4，门槛梁6，后连接件7，侧围框架8围成的纵向闭合框架。

由于使用了前连接件4和后连接件7作为连接节点，以形成车辆结构，能减少车辆零件的数量及重量，不需使用太多的连接配件如螺栓等，也能节省很多焊接工艺，由于形成了水平面上的横向闭环和纵向平面的纵向闭合框架，能实现该正面碰撞中的安全性能提升，便于受力传导，受撞击而产生的偶然荷载由横向闭合传递至纵向闭合框架，降低撞击对横向闭环的影响，以保证车身前部的安全，这种车身组合结构的横向闭环和纵向闭合框架共用一个前连接件4，即方便安装，也能减少传力路径，能避免横向闭环和纵向闭合框架之间的力的传导件断裂，而使影响车辆的正碰性能，另外，横向闭环结构由于吸能盒2的存在，其吸能效果好于纵向闭合框架，能减少部分撞击能量，纵向闭合框架的刚度更高，使其能保证车身的完整性。

在本实施例中，前连接件4为空腔结构，其具有安装前纵梁3的前端开口；安装防火墙横梁5的侧面开口；安装门槛梁6的后端开口；和安装侧围框架8前端部的顶面开口，后连接件7也为空腔结构，其具有安装门槛梁6的前部开口；安装侧围框架8后端部的顶部开口；安装底板后横梁9的侧部开口。

前连接件4和后连接件7皆为空腔结构后，并且设置的多个开口方便安装其他车身传力部件，有利于形成横向闭环和纵向闭合框架。

在本实施例中，前连接件4底面还具有安装前副车架的前副车架安装孔401和前地板安装面402，其上面还有防火墙隔板搭接边403，后连接件7其前部上面还具有后地板安装面701，后部上面还具有行李箱地板安装面703以及连接后悬减振结构的搭接边702，后连接件7内侧面还设有凸台，管状支撑柱和多条横向和纵向十字交叉的加强筋结构。

前连接件4和后连接件7可以作为车辆其他部件的连接节点，并设凸台，管状支撑柱和多条横向和纵向十字交叉的加强筋结构来加强连接节点，保证节点强度和刚度，使横向闭环和纵向闭合框架稳定。

在本实施例中

吸能盒2、前纵梁3、防火墙横梁5、门槛梁6、为铝型材挤压成型；前防撞梁1、侧围框架8为挤压拉弯成型；前连接件4和后连接件7通过铝合金铸造成型。

铝型材挤压成型或挤压拉弯成型整体性好，部件自身不易散架，有利于力的传导，铝合金铸造成型能保证连接节点的强度和刚度，前连接件4和后连接件7作为多个部件的连接节点，铸造成型保证强节点，能提高车身的完整性，即便受撞击后，也不易散架。

实施例2

本发明还涉及上述制造方法，具体包括如下步骤：

S1：采用挤压成型工艺，制造吸能盒2、前纵梁3、防火墙横梁5、门槛梁6、侧围框架8；采用挤压拉弯成型工艺制造前防撞梁1、侧围框架8；采用铸造成型工艺制造前连接件4和后连接件7；

S2：采用步骤S1中形成的部件来进行车身的装配。

在本实施例中，步骤S1中，挤压成型过程包括以下步骤：

(1)根据所要挤压成型零件的截面形状，准备好相应的挤压模具，并将挤压模具紧固在挤压设备的端口上；

(2)对材料进行软化处理，将铝合金铸锭加热至380-440℃，根据需要的尺寸，对铝材料进行激光切割处理，制成坯料；

(3)将制作完成后的坯料，放入至挤压模具的底部，挤压设备内的挤压装置以基本恒定的挤压速度向挤压模具行进，对铝合金铸锭进行挤压，将铝合金铸锭从挤压模具的模孔中全部挤出，形成挤压件；

(4)将挤出后的铝合金型材进行回火处理加工，保温，将回火后的铝合金型材进行拉伸矫直，得到所需的零件；

以上步骤适用于吸能盒2、前纵梁3、防火墙横梁5、门槛梁6、地板后横梁9，对前防撞梁1和侧围框架8两个整体有弧度，需要拉弯才能最终成型的零件，还需要进行以下步骤：

(5)紧接着步骤(4)，将拉伸矫直后的铝合金型材停放一定时间，回火后温度降至100℃后进行折弯，对于前防撞梁1，为一次拉弯成型，对于侧围框架8，如图1所示的一个示例，需进行左右各两次总共4次拉弯，固定侧围框架8中间不动，左侧先拉弯，折弯角度不超过30°，第二次折弯角度不超过60°，右侧第一次折弯角度不超过60°，第二次折弯角度不超过30°；

(6)将折弯后的铝合金型材进行人工热处理，热处理温度为180℃左右，以确保拉弯后零件有足够的屈服强度和抗拉强度

在本实施例中，步骤S1中，前连接件4和后连接件7为铝合金铸造成型，其铸造工艺为充氧压铸法，具体步骤如下：

I.先对模具进行预热，预热温度保持为200℃，将熔炼后的材料放入模具中；

II.然后进行合模，使模具闭合形成型腔及浇道，通过注气孔将干燥的氧气注入压铸模具的压射室和型腔内，以取代其中的空气和其他气体，当铝合金液体压入压室和压铸模型腔时与氧气发生化合反应，生成Al

预热主要是防止金属液骤冷急剧，失去流动性，导致成型失败或者即使成型成功，但后期零件表面会出现裂纹或缝隙；

散状分布在铸件中，能达到减少或消除铸件气孔的效果，提高铸件的致密性；

III.最后压铸机从压射冲头开始移动至型腔充满，直至增压结束的过程。

在本实施例中，压射压力为50MPa，填充时的内浇口速度为60m/s，充填时间为0.1s，持压时间为4s。

本发法综合考虑了压铸件的大小、形状、复杂程度、壁厚、合金的特性、温度、性能。

前连接件4和后连接件7主要的作用是对正面碰撞力的传递，铝合金本身具有吸能效果，碰撞发生有缓冲左右，还可以实现车身减重。

在本实施例中，铸造采用的铝合金材料配比为硅1％，镁0.75％，锌0.25％，锰0.20％，铜0.15％，铁0.15％，铬0.10％，钛0.10％,不可避免的杂质≤0.3％，其余为铝。

所述的合金材料元素主要为为硅与镁，其加工性能好、具有良好的抗腐蚀性，力学性能出色兼顾了抗拉强度高、屈服强度大和延展性好的优点，能成型高强挤压合金。

实施例3

在图1-4中，本发明提供一种抵抗正碰的车辆结构，该结构包括前防撞梁1、吸能盒2、前纵梁3、前连接件4、防火墙横梁5、门槛梁6、后连接件7、侧围框架8、地板后横梁9。

在本实施例中，所述的吸能盒2、前纵梁3、前连接件4、门槛梁6、后连接件7、侧围框架8均为关于车辆中轴线的左右对称结构。

在本实施例中，前防撞梁1位于结构的最前边，其后面是左右对称的吸能盒2，吸能盒2通过CMT焊与前防撞梁1和其处于同轴后部的前纵梁3连接；前纵梁3后部是前连接件4，门槛梁6在前连接件4后方，前纵梁3与门槛梁6一前一后都是通过前连接件4预留的开口伸入到其空腔内部然后通过铆接固定；防火墙横梁5位于前纵梁3的后方，门槛梁6的前方，两个前连接件4之间，其通过焊接串联起左右对称的两个前连接件4；门槛梁6的后部与所述后连接件7前部铆接，所述侧围框架8位于门槛梁6的正上方，其前部与前连接件4焊接固定，后部与后连接件7焊接连接；地板后横梁9通过焊接连接左右对称的后连接件7。

在本实施例中，所述前防撞梁1、吸能盒2、前纵梁3、防火墙横梁5、门槛梁6、侧围框架8、地板后横梁9均为挤压拉弯一体成型，可根据碰撞需求定义挤压截面形状从而适应碰撞工况，简化设计和工艺。

同时由于所述前连接件4和后连接件7是分别是连接前纵梁3和门槛梁6，门槛梁6和后纵梁的过渡结构，同时其内外还设有众多零件的接插和安装的点位以及保证其拥有足够的强度而设置的加强筋，加强肋。所述前连接件4除了在前、后部和内侧分别预留有与前纵梁3，门槛梁6，防火墙横梁5连接的开口之外，还包括如图3所示的前副车架安装孔401，前副车架可以通过螺栓与所述前连接件4紧固，前地板安装面402，防火墙隔板搭接边403。后连接件7除了前连门槛梁，后连后纵梁，内侧连接地板后横梁9外，其表面上还包括如图4所示的后地板安装面701，行李箱地板安装面703以及与后悬减振结构连接的搭接边702。同时所述后连接件7为了保证结构强度，其内侧表面还设置了一些凸台，管状支撑柱，以及多条横向和纵向十字交叉的加强筋结构。

在本实施例中，吸能盒2横断面为中空的矩形，前纵梁3的横断面形状为日字形，便于放入吸能材料，其余的和框架的截面形状可根据；前连接件4和后连接件7为空腔开口结构，前后端预留的开口。

在本实施例中，车身在水平面形成以前防撞梁1，吸能盒2，前纵梁3和防火墙横梁5的横向闭环；在纵向平面形成以前连接件4，门槛梁6，后连接件7，侧围框架8的纵向闭合框架，车辆结构有多个封闭的环形结构组成，可以有效地提高车身在正面碰撞中抵抗变形的能力。

在本实施例中，汽车正面碰撞时，汽车前部的横向闭环结构的缓冲吸能效果应好于纵向闭合框架，通过尽可能地多的消释碰撞产生的冲击力，使驾驶舱被侵入的程度减小，保护乘员安全；但纵向闭合框架的刚度应该比横向闭环结构更高，用于抵抗驾驶舱的形变。

在本实施例中，当发生正面碰撞时，碰撞产生的作用力沿前防撞梁1先传到吸能盒2，再传到前纵梁3，吸能盒2和前纵梁3被压溃折皱变形同时吸收一部分冲击力，由于汽车防碰撞设计的原因，吸能盒2和前纵梁3的形变会较大。剩余的作用力被分流为两个方向，一个方向沿前连接件4，侧围框架8传到后连接件7，在通过后连接件7传到车辆后部，另一个方向沿前连接件4，门槛梁6传到后连接件7最后传到车辆后部，由于大部分的碰撞产生的力都被吸能盒2和前纵梁3吸收，加上门槛梁6和侧围框架8的刚性设计，其形变较小。

本发明提供一种抵抗正碰的车辆结构，能在汽车有限的布置空间下以较少的重量与成本增加，在保证正面碰撞性能的同时，简化设计，减少零件和加工工艺流程，满足轻量化要求。

本发明能在水平面形成以前防撞梁，吸能盒，前纵梁和防火墙横梁的横向闭环。在纵向平面形成以前连接件，门槛梁，后连接件，侧围框架的纵向闭合框架。在正面碰撞的工况下，三个闭合环路可以有效减少车身变形和提高吸能效果，保护乘员安全。

本发明中的所有梁类和框架加工均由挤压拉弯成型，前连接件和后连接件均由铸造成型，可有效简化车身设计和工艺流程。

本发明的零部件集成度高，结构简单，可有效减少车身零件数；零部件材质均为铝合金，铝合金本身还有的吸能效果，在满足碰撞要求的基础上可以进一步满足轻量化要求。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围之内。