CN102229348B - 前纵梁、几何吸能控制结构、汽车以及提供几何吸能控制结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于汽车前部几何吸能控制结构的前纵梁，包括前段模块、中段模块和后段模块，其中：所述前段模块从中段模块的前端斜向前下延伸并与之连接，所述后段模块与所述中段模块的后端连接；一种包括所述前纵梁的汽车前部几何吸能控制结构和汽车；相比于现有技术，本发明与A柱的搭接高度比传统直纵梁高，释放了发动机舱下部空间，有利于发动机舱的总体布局，并能够提供良好的碰撞吸能效果。

Description

前纵梁、几何吸能控制结构、汽车以及提供几何吸能控制结构的方法

技术领域

本发明涉及汽车碰撞的被动安全性领域，具体涉及一种正面碰撞的汽车前部几何吸能控制结构(GAC：Geometric Absorption Control)用的前纵梁、具有该纵梁的几何吸能控制结构、汽车及提供几何吸能控制结构的方法。 

背景技术

前纵梁是汽车车身的关键结构之一。在碰撞过程中，通过前纵梁的溃缩和弯曲变形可吸收大部分碰撞能量，并作为碰撞力的传递路径，向后部结构分散传递碰撞能量。 

目前乘用车的前纵梁结构多为直梁式。图1显示了一种常规的直梁式的前纵梁结构布置。如图1所示，作为现有技术的汽车碰撞吸能控制结构主要包括：位于车身最前端的保险杠9；从保险杠9向车身后方延伸并与保险杠9连接的吸能盒8；从吸能盒8向后延伸并与之连接的直纵梁20。散热器支架10大体垂直横过吸能盒8，用于支承散热器。吸能盒8还与前副车架6的前端垂直搭接。这种现有技术的布置通常还包括位于直纵梁上方并与上A柱4连接的上短梁19，其用于支承发动机机罩等。 

当发生碰撞时，碰撞力从保险杠9向后传递至吸能盒8、直纵梁20、与直纵梁20连接的前围板21(图7)。另外，少部分碰撞力还会通过上短梁19传递至上A柱4以及传递至前副车架6。当碰撞力较小时，吸能盒能够吸收全部或大部分碰撞能量。当吸能盒8不足以吸收所有碰撞能量时，碰撞能量的其余部分将通过吸能盒8传递到直纵梁20。直纵梁20溃缩和/或弯曲变形从而尽可能地吸收其余碰撞能量， 以保持乘员舱尤其是驾驶室的完整和不变形。 

这种直梁式的前纵梁以及吸能结构虽然在正面碰撞中吸能充分，但其在整车布局中高度较低，如图1所示，通常在车轮7的高度范围之内，处于发动机舱的中下部。由于受动力总成空间的限制，这种直纵梁通常无法设计成具有宽大的截面，又往往为了避免在转向时与车轮及前悬架杆系干涉，需要在直纵梁上设置凹坑24(图7)，这会导致结构弱化，因而不利于在碰撞中保持稳定的溃缩变形。 

现有技术中还提出了其它类型的前纵梁，例如中国专利申请No.200910191263.4中公开了一种“Z”形前纵梁结构，其包括上段、与上段后部相连的下行段以及由下行段尾部向后延伸的连接段。这种“Z”形前纵梁结构的改进之处主要在于，前纵梁的上段的前、中、后部分别设有前部加强板、中部加强板以及后部加强板，每个加强板上设有凸筋。这种前纵梁也没有解决上面提出的问题。 

中国实用新型专利ZL200820238454.2提出了一种分段拼焊式前纵梁，该前纵梁分为前、中、后三段，采用拼焊形成形成一个整体，从前段、中段到后段具有逐渐增大的材料厚度；但是这种纵梁在纵向上总体仍然是直纵梁的形式，也具有上面所述前纵梁同样的问题。 

中国专利ZL200810089273.2公开了一种车架的前部吸能结构，其包括一条横梁、两条纵梁、吸能盒以及加强板，其中横梁连接到纵梁，用于将冲击能量传递至两条纵梁上，纵梁为直线盒状梁(管形梁)，会面临上面所述前纵梁同样的问题。 

中国实用新型专利ZL200620115340.X提出了一种汽车车架，其改进之处在于在纵梁的外侧设置有前轮的后移限位结构，用来限制前轮后移量过大。在这种汽车车架中，纵梁也布置在发动机舱下部，也具有上面所述前纵梁同样的问题。 

在美国专利申请公开US2003/0141712A1公开的一种汽车前部结构中，纵梁也布置在车轮的高度范围之内(图8A和8B)。 

发明内容

本发明提出了一种用于汽车前部几何吸能控制结构的前纵梁，该前纵梁包括前段模块、中段模块和后段模块，其中所述前段模块从中段模块的前端斜向前下延伸并与之连接，所述后段模块与所述中段模块的后端连接，从前纵梁的纵向横截面看，所述后段模块自中段模块的后端开始以与后段模块一起形成“人”字形布局的方式逐渐变大，所述后段模块的后端用于与汽车乘员舱的下A柱的上部连接。 

优选地，前纵梁整体呈拱形。 

优选地，前段模块的轴线与中段模块的轴线形成的夹角在0～60度之间，后段模块的轴线与中段模块的轴线形成的夹角在-30～60度之间。更优选地，前段模块的轴线与中段模块的轴线形成的夹角在0～15度之间，后段模块的轴线与中段模块的轴线形成的夹角为0度。 

优选地，前段模块、中段模块以及后段模块组成的前纵梁由两段或三段独立的等截面或变截面管梁焊接而成，或者由一段整体式拱形管梁通过添加加强件、加强筋或弱化槽形成。 

本发明还提出了一种汽车前部几何吸能控制结构，包括前保险杠、从前保险杠向后延伸并与保险杠连接的吸能盒、从吸能盒向后延伸并与之连接的根据前述权利要求中任一项的前纵梁以及汽车乘员舱的上A柱和下A柱，其中所述前纵梁的后段模块的后端在汽车乘员舱的下A柱的上部位置处连接至所述下A柱，使得所述前纵梁的安装位置高于汽车前轮。 

优选地，所述几何吸能控制结构还包括前副车架，并且所述吸能盒、前段模块、前副车架三者形成“人”字形搭接。 

优选地，后段模块的后端在与汽车乘员舱的上A柱和下A柱的结合部处与汽车乘员舱的上A柱和下A柱形成“人”字形搭接。 

优选地，所述后段模块的后端上表面平滑过渡到上A柱。 

另外，本发明还提供了一种汽车，其包括如上所述的汽车前部几何吸能控制结构。

最后，本发明还提出了一种提供汽车前部几何吸能控制结构的方法，包括以下步骤： 

提供一种前纵梁，该前纵梁包括前段模块、中段模块和后段模块，其中所述前段模块从中段模块的前端斜向前下延伸并与之连接，所述后段模块与所述中段模块的后端连接； 

将前段模块的前端与吸能盒连接； 

将后段模块的后端在汽车乘员舱的下A柱的上部位置处连接至所述下A柱，使得所述前纵梁的安装位置高于汽车前轮。 

不同于目前流行的汽车发动机舱的直纵梁结构，根据本发明的GAC技术采用一种与汽车乘员舱具有较高搭接高度的拱形前纵梁结构，它能通过变形吸收碰撞能量，并具有稳定的溃缩变形模式，具备良好的正面碰撞性能；通过提高搭接高度，能够获得较大的发动机舱空间，有利于发动机舱总布置及前悬架杆系的布置。 

附图说明

参考下面结合附图对本发明的示例性实施例所作的描述，本发明的特征和优点将很明显，附图中： 

图1显示根据现有技术的前纵梁结构布置； 

图2显示根据本发明的示例性实施例的几何吸能控制结构； 

图3显示根据本发明的示例性实施例的前纵梁的构造； 

图4显示发生碰撞时碰撞力在图2的几何吸能控制结构中的传递； 

图5显示了图3的前纵梁的一部分的优选构造； 

图6以斜视图和对照的方式显示了根据本发明的示例性实施例的前纵梁与根据现有技术的直纵梁在汽车车上的布局；和 

图7以前视图和对照的方式显示了根据本发明的示例性实施例的前纵梁与根据现有技术的直纵梁在汽车车上的布局。 

具体实施方式

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例。 

图2显示了根据本发明的示例性实施例的几何吸能控制结构，其主要包括以下部件：位于车身最前端的前保险杠9；从保险杠9向车 身后方延伸并与保险杠连接的吸能盒8；从吸能盒8向后延伸并与之连接的纵梁100，该纵梁连接至在下A柱5的上部位置连接至下A柱5。纵梁100包括前段模块1(前段梁)、中段模块2(中段梁)和后段模块3(后段梁)。前段模块1的前端与前保险杠9、吸能盒8、散热器框架10、前副车架6等模块连接，并作为这些模块的承载结构。前副车架6的前端也可以采用如图1所示现有技术的直角结构与纵梁100的前段模块1搭接，但优选向斜上地与前段模块1搭接，从而吸能盒8、前段模块1、前副车架6三者形成“人”字形接头。前段模块1的后端与中段模块2的前端连接。中段模块2的后部与前悬架桥塔等模块(未示出)连接，并作为前悬架、发动机罩等模块的承载结构。中段模块2的后端与后段模块3的前端连接。后段模块3的前端也作为前悬架模块(未示出)的承载结构。后段模块的后部作为发动机罩铰链支架(未示出)的安装区域。后段模块3的后端与上A柱4、下A柱5搭接，优选地，后段模块3的后端表面平滑地过渡到上A柱4。 

图2更加详细地显示了根据本发明的示例性实施例的纵梁100的构造。如图2所示，纵梁100的中段模块2大体水平，前段模块1与中段模块2连接，并且从中段模块2斜向前下延伸，前段模块1的轴线1a与中段模块2的轴线2a形成的夹角11在0～60度之间，优选在0～15度之间。在前段模块1和中段模块2的接头处，优选采用圆滑的过渡。后段模块3的轴线3a与中段模块2的轴线2a的夹角12在-30～60度之间，优选为0度。在后段模块3和中段模块2的接头处，优选也采用圆滑的过渡。还优选地，后段模块3的纵向截面沿前后方向扩大，以便中段模块2和后段模块3也形成“人”字形构造。在图2所显示的纵梁100的优选构造中，纵梁100整体呈拱形。 

包含前段模块1、中段模块2以及后段模块3的所述前纵梁结构100可由两段或三段实际独立的等截面或变截面管梁焊接而成，也可以由整体式拱形等截面或变截面管梁构成但通过添加加强件、加强筋或弱化孔、弱化槽形成如上所述的所谓三段式结构。 

所述前段模块1、中段模块2以及后段模块3均是由钣金件焊接 而成的不封闭梁结构或封闭管梁结构，优选采用封闭管梁结构，以便获得较高的结构刚度。 

所述前段模块1、中段模块2以及后段模块3所用的板材厚度、材料等可根据实际需要设计，以便达到较好的变形吸能效果。 

可根据发动机舱总长度设计所述前段模块1的长度，其推荐在300～800mm之间，最好是350～400mm之间。 

顺便提及，在本文中的表述方向的术语“前、“后”均是沿车辆的纵向方向而言，以车头方向为前，以车尾方向为后。另外，关于前段模块1或后段模块3与中段模块2形成夹角11或12，当前段模块1或后段模块3相对于中段模块2向下时夹角为正，相对于中段模块2向上时为负。 

下面结合图3描述上述几何吸能控制结构的操作、纵梁的设计及其优点。 

如图1-3所示，由于纵梁100的前段模块1从中段模块2斜向前下延伸，同时吸能盒8、前段模块1、前副车架6三者形成“人”字形接头，因此，当碰撞开始时，吸能盒8向后传递碰撞力11，会在该“人”字形接头处分解并沿上传力通道12、下传力通道13传递。上传力通道12通过前段模块1向后传递碰撞力，下传力通道13通过前副车架6向后传递碰撞力。经过此设计，可使碰撞力有效地被分散。当前段模块1、中段模块2顺次发生变形时，碰撞力向后段模块3传递，并借助于中段模块2和后段模块3的“人”字形构造分解成上传力路径15、下传力路径16，上传力路径15将碰撞力经过上A柱4向后传递，下传力路径16将碰撞力经过下A柱5向后传递。因此在这种设计模式下，除了下A柱5会分担较大比例的碰撞力外，上A柱4也可以承担相当比例的碰撞力。由于上A柱分担了一部分碰撞力，使下A柱承受的碰撞力减小，下A柱与地板、门槛梁前端连接，因此乘员舱下部结构在碰撞中承受的冲击得到缓解。 

由于前段模块1斜向前下延伸因而与碰撞面有倾斜角，为保证“人”字形的接头的上传力通道12、下传力通道13能稳定向后传递碰 撞力，可以根据直梁的弯曲临界角设计前端模块的角度(在前段模块、中段模块分别为直线形式的情况下)。已知受到非轴向碰撞力时，梁的弯曲临界角公式为， 

$\mathrm{\θ}=-0.0043{\left(\frac{L}{b}\right)}^3-0.122{\left(\frac{L}{b}\right)}^2+1.022\left(\frac{L}{b}\right)+17.5$

上式中，L为梁的长度，b为梁的宽度。 

当前绝大部分轿车的前纵梁横截面的宽度大于100mm，因此上面推荐的前段模块1的长度300～800mm，在长宽比(L/b)为8∶1的情况下，前段模块1的弯曲临界角约为16度，因此前段模块1与中段模块2所形成的倾斜角度11的推荐值为15度以下。前副车架的前端的向前斜上的倾角也可以参照此方法设计。 

在如上所述的“人”字形接头布局下，最大的弯矩通常发生在前段模块1的后端，即与中段模块1的搭接处。为防止应力集中，因此除了在前段模块1与中段模块2的搭接处设置圆滑过渡外，还建议内置加强件。 

当前段模块1及副车架6的前段在碰撞中被压溃时，中段模块2的结构需要保持稳定，以便使前段模块1能稳定的溃缩吸能。为保证中段模块2能在前段模块1溃缩时不发生屈曲变形，本发明推荐根据方形管梁的最大承载力公式校中段模块2的设计。已知方形管梁的最大承载力公式为： 

$F_{\max }=t^{1.86}{b}^{0.14}(1+d/b){\left[\frac{k_{p}E}{(1-{\mathrm{\υ}}^2)\mathrm{\β}}\right]}^{0.43}{\mathrm{\σ}}_y^{0.57}$

上式中，t为厚度，b为截面高度，d为截面宽度。k_p、β是材料力学性能参数，与t、b、d有关。经过上式校核，使中段模块2的失稳载荷大于前段模块1稳定压溃时产生的平均压溃力，并留有一定余量(推荐20％以上的余量)，由此保证中段模块2不发生失稳屈曲。 

当前段模块(前段梁)1溃缩完成时，中段模块2参与变形吸能。推荐中段模块2采用封闭方形管梁制成，其截面尺寸不小于前段模块1的截面尺寸。同样根据上述最大承载力计算公式可知，采用较大截 面尺寸的管梁具有较高的极限承载能力，可使中段模块(中段梁)2的前部发生溃缩变形时，其后部仍能保持稳定，防止变形过早向后扩展。 

由于与前段模块类似，后段模块2、上A柱4、下A柱5三者也构成“人”字形连接，后段模块2与A柱的搭接高度比传统直纵梁要高。由于后段模块处于发动机舱与乘员舱承接部位，需达到较高的结构稳定性，因此，如上所述后段模块3的纵向截面沿前后方向扩大，以便中段模块2和后段模块3也形成“人”字形构造并在搭接部位形成圆滑过渡，从而将碰撞力稳定传递至上A柱、下A柱(图4、5)。 

由于采用了本发明的车身上A柱结构将会承受、传递一定比例的碰撞力，因此本发明推荐上A柱可以根据实际进行加强。 

本发明相对于现有技术具有如下的优点： 

1.由于根据本实施例的几何吸能控制结构前端形成了“人”字形的结构布局，即前段模块1与前副车架6形成上、下传力通道，可使碰撞力有效地被分散，减轻初始时刻现有技术采用的单个传力通道的受力状况，因此这种“人”字形的前端布局比单一直纵梁更稳定。 

2.根据本实施例的几何吸能控制结构前端布局对碰撞能量的吸收能力也比传统的单一直纵梁更大。这是因为，梁的轴向压溃平均承载力为： 

$F_a=8.604\frac{k}{n+1}{\left(0.15\right)}^n{C}^{1/3}{t}^{5/3}$

上式中，k、n为材料的塑性硬化参数，C为“(梁截面长边长度+梁截面宽边长度)/2+法兰边长度”，t为梁钣金厚度。 

现有轿车的副车架前端截面宽度均在20mm以上，因此根据上式，对于副车架截面边长只有拱形纵梁截面边长1/5的极端情况，副车架前端的平均压溃承载能力为前段模块的3/5，根据平行四边形受力法则，前段模块与副车架前端在15度倾角情况下，前段模块的压溃平均承载力比单一直纵梁结构大大约60％。换言之，在同等溃缩距离下，本发明的前端结构能吸收更多的碰撞能量。 

3.由于拱形纵梁100的中段模块2采用了截面宽度不小于前段模 块的封闭管梁制成，根据最大承载力计算公式可知，采用较大截面尺寸的管梁具有较高的极限承载能力，因此当中段模块2之前的结构发生溃缩变形时，中段模块能保持稳定，避免了屈曲等不稳定变形的出现。 

4.拱形纵梁100的后段模块3与A柱的搭接高度比传统直纵梁高，在碰撞中可充分利用上A柱作为一个传力通道，特别是在碰撞后期碰撞力较大的时刻，这种结构可在一定程度上分担了下传力通道的碰撞力，这对于缓解乘员舱下部的变形、降低乘员舱下部的加速度是具有重要意义的。相比之下，现有轿车的直纵梁(见图7)处于前轮内侧，主要力的流向通过地板下部传递，在碰撞中容易导致地板前端的较大变形，且由于其后端搭接在前围板上(见图7)，并不与上、下A柱直接搭接，因而导致碰撞力不容易通过乘员舱框架(上、下A柱)向后传递，容易在前围板处形成力集中区，导致前围板的侵入量较大。 

5.根据本实施例的几何吸能控制结构可以达到发动机舱结构轻量化的效果。根据图1，现有技术中还需要额外的上短梁19来支撑发动机罩等。对于根据本实施例的几何吸能控制结构，如图2、图5与图6可知，由于拱形纵梁100在发动机舱中的位置较高，其可直接作为发动机罩的支撑结构，因此采用了根据本实施例的几何吸能控制结构的发动机舱可以省去传统直纵梁模式下的上短梁结构。 

6.根据本实施例的几何吸能控制结构还有利于发动机舱总体布置。由于拱形纵梁与下A柱5上部搭接，优选与上A柱4、下A柱5形成人字搭接，拱形纵梁100的布置高度高于前轮，释放了发动机舱下部空间，如图所示，其中附图标记22表示拱形纵梁100的中段模块的横截面，附图标记23表示传统直纵梁20的横截面；而传统直纵梁由于搭接高度较低，占据了发动机舱内部空间，而且常因为了避免与发动机、底盘杆系及车轮干涉而对直纵梁做削损(例如设置凹坑24)，导致了纵梁强度的降低。 

上面所述为本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述方案，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应视为等效的替换方式，都包含在本发明的保护范围内。 

Claims (8)

1.一种用于汽车前部几何吸能控制结构的前纵梁，该前纵梁包括前段模块、中段模块和后段模块，其中所述前段模块从中段模块的前端斜向前下延伸并与之连接，所述后段模块与所述中段模块的后端连接，从前纵梁的纵向横截面看，所述后段模块自中段模块的后端开始以与后段模块一起形成“人”字形布局的方式逐渐变大，所述后段模块的后端用于与汽车乘员舱的下A柱的上部连接；前段模块的轴线与中段模块的轴线形成的夹角在0～15度之间，后段模块的轴线与中段模块的轴线形成的夹角在-30～60度之间。

2.根据权利要求1的前纵梁，其中，所述前纵梁整体呈拱形。

3.根据权利要求1或2的前纵梁，其中，前段模块、中段模块以及后段模块组成的前纵梁由两段或三段独立的等截面或变截面管梁焊接而成，或者由一段整体式拱形管梁通过添加加强件、加强筋或弱化槽形成。

4.一种汽车前部几何吸能控制结构，包括前保险杠、从前保险杠向后延伸并与前保险杠连接的吸能盒、从吸能盒向后延伸并与之连接的根据前述权利要求中任一项的前纵梁以及汽车乘员舱的上A柱和下A柱，其中所述前纵梁的后段模块的后端在汽车乘员舱的下A柱的上部位置处连接至所述下A柱，使得所述前纵梁的安装位置高于汽车前轮；所述几何吸能控制结构还包括前副车架，并且所述吸能盒、前段模块、前副车架三者形成“人”字形搭接。

5.根据权利要求4的汽车前部几何吸能控制结构，其中，后段模块的后端在与汽车乘员舱的上A柱和下A柱的结合部处与汽车乘员舱的上A柱和下A柱形成“人”字形搭接。

6.根据权利要求5的汽车前部几何吸能控制结构，其中，所述后段模块的后端上表面平滑过渡到所述上A柱。

7.一种汽车，其中，该汽车包括权利要求4-6中任一项的汽车前部几何吸能控制结构。 

8.一种提供汽车前部几何吸能控制结构的方法，包括以下步骤：

提供一种前纵梁，该前纵梁包括前段模块、中段模块和后段模块，其中所述前段模块从中段模块的前端斜向前下延伸并与之连接，所述后段模块与所述中段模块的后端连接；前段模块的轴线与中段模块的轴线形成的夹角在0～15度之间，后段模块的轴线与中段模块的轴线形成的夹角在-30～60度之间；从前纵梁的纵向横截面看，所述后段模块自中段模块的后端开始以与后段模块一起形成“人”字形布局的方式逐渐变大；所述几何吸能控制结构还包括前副车架，并且吸能盒、前段模块、前副车架三者形成“人”字形搭接；

将前段模块的前端与吸能盒连接；

将后段模块的后端在汽车乘员舱的下A柱的上部位置处连接至所述下A柱，使得所述前纵梁的安装位置高于汽车前轮。 

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