白海，黃鎮(zhèn)財(cái)，孟利清

（1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224；2.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，廣西 柳州 545006）

基于正面碰撞的承載式車身前縱梁修復(fù)研究

白海1，黃鎮(zhèn)財(cái)2，孟利清1

（1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224；2.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，廣西 柳州 545006）

前縱梁是承載式車身的重要構(gòu)件，在車輛正面碰撞事故中擔(dān)負(fù)主要的吸能作用。汽車前縱梁碰撞損壞修復(fù)是事故車修復(fù)中很重要的維修工藝，常需要維修人員掌握多方面的知識(shí)。車身修復(fù)人員要保證車輛修復(fù)后不但能恢復(fù)外觀的基本形狀和尺寸，而且能最大限度地保證原車身的安全特性和抗碰撞性能。

承載式車身；正面碰撞；車身修復(fù)；前縱梁

CLC NO.: U472.41 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-122-04

引言

當(dāng)前，絕大多數(shù)轎車和一些大型客車都以承載式車身為主要的車身結(jié)構(gòu)，為了吸收碰撞時(shí)的能量，承載式車身通常設(shè)計(jì)成通過車身構(gòu)件的折疊和破裂來吸收沖擊能量[1]。作為承載式車身的重要構(gòu)件，前縱梁在車輛正面碰撞事故中擔(dān)負(fù)主要的吸能作用[2-3]。如何科學(xué)修復(fù)前縱梁碰撞損壞并最大限度地保證原車身的安全特性和抗碰撞性能，成為當(dāng)前亟待解決的問題。

1、承載式車身正面結(jié)構(gòu)分析

承載式車身結(jié)構(gòu)取消了車架，而以車身兼起車架的作用，即將所有部件固定在車身上，所有的力也由車身來承受。承載式車身先經(jīng)沖壓薄金屬材料板成形，然后采用焊接連接而成。它通常設(shè)計(jì)成通過車身構(gòu)件的折疊和破裂來吸收沖擊能量。碰撞時(shí)的大部分沖擊能量由金屬材料板件吸收，而碰撞沖擊波的影響，是通過車身構(gòu)件傳遞的。

通常，整個(gè)車身殼體按強(qiáng)度等級(jí)分為三部分，圖1中A、B、C分別代表車身前部、中部及后部。為了保證車內(nèi)人員的人身安全，車身在設(shè)計(jì)時(shí)，使乘客室盡可能具有最大的剛度，而使車身前部和后部具有較大的韌性。

前車身主要由前翼子板、前縱梁、前圍板、前輪罩、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支撐架以及前保險(xiǎn)杠等構(gòu)件組成。大多數(shù)轎車的前部裝有前懸架、轉(zhuǎn)向裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)總成。車身發(fā)生正面碰撞時(shí)，吸收碰撞能量的部件主要是車身前縱梁、前橫梁、吸能盒等，三者的連接關(guān)系如圖2所示。

前防撞梁位于白車身的最前端，在塑料保險(xiǎn)杠殼體的后邊，通過吸能盒和縱梁相連。在低速碰撞時(shí)，防撞梁通過其本身高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)，將能量分散給吸能盒，以減輕車輛的損壞程度，進(jìn)而降低維修成本。在高速碰撞時(shí)，防撞梁將碰撞能量均勻傳遞給左右縱梁等主要的承受部件。在碰撞過程中前防撞梁不能發(fā)生斷裂失效，否則就不能在關(guān)鍵時(shí)刻起到傳遞和分解力的作用，所以防撞梁本身應(yīng)該具有極高的強(qiáng)度。圖3所示為正面碰撞時(shí)撞擊力經(jīng)過防撞梁的分解作用后的傳遞路線。

吸能盒的主要作用就是吸收撞擊能量，以減少撞擊對(duì)乘員的傷害。前防撞梁一般是和吸能盒焊接到一起后，通過螺栓連接到縱梁上。吸能盒的強(qiáng)度要適當(dāng)?shù)能?，這樣才能在碰撞中起到首先產(chǎn)生變形進(jìn)而吸能的作用。吸能盒由開有很多潰縮槽的鋼制材料制成，以降低局部強(qiáng)度，達(dá)到能在設(shè)定好的部位變形以吸收碰撞能量的目的。

前縱梁是前車身最主要的吸能部件，它直接焊接在車身下部，其上再焊接輪罩等構(gòu)件（有的前輪罩與前縱梁為一體式）?？v梁構(gòu)件的設(shè)計(jì)思路是盡可能地讓它沿著軸向壓潰變形，以控制彎曲變形量，從而獲得滿意的碰撞吸能效果。

2、汽車正面碰撞理論

根據(jù)汽車事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，碰撞事故包括正面碰撞、側(cè)面碰撞、翻滾、追尾等。汽車前部正面碰撞的比率占總事故的67%左右，因此正面碰撞對(duì)生命的危害性也是最大的。而在正面碰撞時(shí)，動(dòng)能主要通過車身前部的塑性變形來吸收，因此研究車身變形吸能區(qū)域時(shí)，要將重點(diǎn)放在車身前部，即發(fā)動(dòng)機(jī)艙的“壓潰區(qū)”， 車身前縱梁、前防撞橫梁、車身輪罩等是影響車輛前部正面碰撞吸能性能的主要部件[4]。車輛正面碰撞的理想特性如圖4所示，圖中顯示了正面碰撞中，車身前部的三個(gè)變形吸能區(qū)段以及各自的作用。

(1) 第一區(qū)段為行人保護(hù)和車輛低速防護(hù)區(qū)。在該區(qū)段內(nèi)，車輛的變形及受沖擊力都比較小，以利于保護(hù)行人和車輛。此區(qū)域前部是前保險(xiǎn)杠的外表面，光滑柔軟的塑料蒙皮能夠減少被撞行人受到的傷害；中部是可變形的塑料骨架；內(nèi)部是前防撞橫梁，采用剛性金屬骨架結(jié)構(gòu)，可為車輛前車身提供有效的低速保護(hù)。

(2) 第二區(qū)段為相容區(qū)，即車輛中速碰撞吸能區(qū)。該區(qū)段的設(shè)計(jì)必須確保不同質(zhì)量的兩車相撞時(shí)，能在兩個(gè)撞區(qū)產(chǎn)生最佳的能量分布，且變形力值應(yīng)均勻，即在中速碰撞過程中，能量被均勻地吸收，盡量降低撞擊加速度峰值。綜合考慮，將車輛前車身設(shè)計(jì)的“軟”一些，這樣，正面碰撞的能量靠前車身的變形來吸收，并通過縱梁將撞擊力導(dǎo)入乘客室底板總成中。

(3) 第三區(qū)段為自我保護(hù)區(qū)。在高速碰撞時(shí)，該區(qū)段保證汽車乘員室具有自身保護(hù)能力，車身結(jié)構(gòu)在這個(gè)區(qū)段應(yīng)有較大的剛度，從懸架到車身前圍板之間的變形力急劇上升，阻止變形擴(kuò)展到乘客室。在結(jié)構(gòu)上，要將乘客室設(shè)計(jì)的相對(duì)強(qiáng)些，保證在碰撞過程中為乘員提供足夠的生存空間。相應(yīng)的，汽車前部的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等動(dòng)力總成必須采用相應(yīng)的措施，使其向下轉(zhuǎn)移，而不致侵入乘客室。

在正面碰撞事故中，車身前部結(jié)構(gòu)吸收的能量約占80%，驅(qū)動(dòng)部件和車身前圍板各占約10%。車身前部機(jī)構(gòu)吸收的能量中，約有70%分配給車身前縱梁，25%分配給車身前防撞橫梁和車身輪罩，5%分配給車身翼子板和發(fā)動(dòng)機(jī)罩[5]。由此可見，前縱梁在吸收車身正面碰撞能量中起到舉足輕重的作用。

前縱梁的前端位于第一變形區(qū)段內(nèi)，設(shè)置有易于軸向壓潰的結(jié)構(gòu)，例如吸能盒。前縱梁的前部和中部位于第二變形區(qū)段內(nèi)，這部分前縱梁設(shè)計(jì)成筆直的，采用不等厚鋼板材質(zhì)。一般來說，縱梁的中部采用高強(qiáng)度鋼材的大截面設(shè)計(jì)，整體強(qiáng)度較前部大的多，這樣的話，在前端吸能盒未完全變形時(shí)，保證縱梁中部不變形，從而達(dá)到逐級(jí)吸能的目的。前縱梁的后部則位于第三變形區(qū)段，這部分前縱梁采用更高強(qiáng)度的鋼板且增加了板厚，一般設(shè)計(jì)成向下彎曲的形狀。此外，為了抵御局部彎曲變形，還會(huì)在彎曲部位設(shè)置加強(qiáng)筋，此處是極易變形但又不能嚴(yán)重變形的區(qū)域。

3、承載式車身前縱梁的修復(fù)

通過上述分析可知，汽車前縱梁碰撞損傷修復(fù)是事故車修復(fù)中非常重要的維修工藝。對(duì)于輕微碰撞事故，只需要簡(jiǎn)單的鈑金整形及涂裝就可以了，但如果是嚴(yán)重的事故，前縱梁變形較大，這時(shí)就需要采取比較復(fù)雜的校正或更換工藝。

3.1 承載式車身前縱梁的拉伸校正

對(duì)于彎折變形不很嚴(yán)重的前縱梁而言，其校正修復(fù)從測(cè)量開始。車身相關(guān)零部件拆解之后，使用車身電子測(cè)量設(shè)備對(duì)受損部位進(jìn)行檢測(cè)，找到車身中部前后沒有受到變形影響的4個(gè)點(diǎn)，調(diào)平車身并根據(jù)維修手冊(cè)確定車身高度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面，對(duì)比基準(zhǔn)點(diǎn)的實(shí)際高度尺寸，推測(cè)車身高度實(shí)際基準(zhǔn)面，然后測(cè)量受損部位的實(shí)際尺寸，并與維修手冊(cè)給的標(biāo)準(zhǔn)尺寸進(jìn)行對(duì)比，確定前縱梁的損傷范圍并制定維修方案[6]。

車身校正時(shí)，需遵循的基本原則有兩點(diǎn)：一是“后進(jìn)先出”原則，即對(duì)整車維修或某個(gè)部件的維修過程中，先維修間接損傷，再維修直接損傷。二是“先里后外”原則，即先維修中段，再維修前段和后段；先維修縱向的變形，再維修側(cè)面的變形[7]。

進(jìn)行拉伸校正的具體操作步驟如下。

首先，要對(duì)車身進(jìn)行固定，可使用通用定位夾具固定受損車身的前縱梁。進(jìn)行拉伸校正時(shí)，為了防止車體移動(dòng)，在實(shí)施基本固定的前提下，應(yīng)當(dāng)根據(jù)產(chǎn)生推、拉作用力的作業(yè)點(diǎn)和方向，對(duì)分散推、拉作用力等位置的支點(diǎn)進(jìn)行輔助固定，以防二次損傷的產(chǎn)生。

接著，按照與碰撞力相反的方向進(jìn)行粗拉伸。要按照從里往外、從中間往兩邊以及從下往上的順序進(jìn)行修復(fù)。對(duì)于損傷部件，要先修結(jié)構(gòu)件，再修覆蓋件。拉伸時(shí)，要確保拉伸的方向和角度、拉塔上拉鏈固定的高度、拉伸時(shí)拉力的大小，并分多次進(jìn)行多點(diǎn)拉伸。牽引力的強(qiáng)度要做到從大到小、逐漸變化，以確保精度拉伸。

然后，要按照“拉伸——保持平衡——再拉伸——再保持平衡”這樣的操作步驟循環(huán)往復(fù)。同時(shí)，要邊拉邊敲，以釋放應(yīng)力。

最后，要確保拉伸中的不斷測(cè)量，以預(yù)估彈性回彈，防止拉伸過度。

3.2 承載式車身前縱梁的更換

實(shí)際的車身修復(fù)過程中，一旦遇到折曲、彎曲嚴(yán)重或已破裂的縱梁，常常放棄對(duì)原縱梁的拉伸、整形修復(fù)，而是先經(jīng)過粗放拉伸，接著對(duì)原損傷縱梁進(jìn)行科學(xué)分割，最后更換新的縱梁組件。對(duì)于需要進(jìn)行更換作業(yè)的承載式車身前縱梁而言，依據(jù)其損傷程度不同，可采用截梁局部更換、主體局部更換、整體更換等更換工藝[8]。

3.2.1 截梁局部更換

承載式車身遭遇正面撞擊后，如果車身最前端局部嚴(yán)重折曲、折褶甚至撕裂，而中間和后部沒有變形、移位，或者前縱梁組件主體沒有太大的變形，再或中后部的變形、移位很容易通過對(duì)該縱梁的測(cè)量、拉伸，從而校正到位。這時(shí)，往往只需要對(duì)縱梁的損傷部位運(yùn)用氣動(dòng)、手動(dòng)割鋸或等離子切割器進(jìn)行局部切割分離。在進(jìn)行局部切割更換時(shí)，焊接縫位一定要插入連接件，一般連接件厚度應(yīng)與縱梁主體相同，寬度在30-60mm之間。這里說明一點(diǎn)，使用的拆車件要求是基本沒有損傷存在的，切割分離必須符合前面提到的要求，當(dāng)然，這些操作的前提是必須征得車主的同意。

3.2.2 前縱梁主體局部更換

汽車受到正面撞擊后，一般會(huì)造成局部瞬間受力嚴(yán)重，前端變形、折曲嚴(yán)重而無法修復(fù)，后部由于吸能區(qū)的作用，幾乎沒有變形或只有少許移位，同時(shí)，損傷縱梁經(jīng)過粗放拉伸，已經(jīng)回位，所有控制點(diǎn)的三維參數(shù)已符合原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這時(shí)可以考慮只更換前部縱梁主體，對(duì)于縱梁后根位加強(qiáng)件、連接件則使用氣動(dòng)或電動(dòng)鉆進(jìn)行鉆削剔除。然后，用鈑金錘加工整理前縱梁與車身連接部位構(gòu)件的形狀，使其充分吻合，再使用大力鉗并借助千斤頂，對(duì)新縱梁組件進(jìn)行固定。測(cè)量其它控制點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，調(diào)整合格后進(jìn)行焊接。在上述過程中，比對(duì)測(cè)量無誤后，碼焊到位。試裝副車架，并試裝外觀覆蓋件。最后，對(duì)鉆削孔用惰性氣體保護(hù)焊全部焊接。這種操作對(duì)焊接點(diǎn)位的整形和加工要求都比較高，各控制點(diǎn)三維數(shù)據(jù)的誤差一般控制在±2mm之內(nèi)，以提高修復(fù)質(zhì)量。

3.2.3 前縱梁整體更換

當(dāng)承載式車身前縱梁發(fā)生折曲變形、彎曲嚴(yán)重甚至破裂時(shí)，常采取整體更換的方法對(duì)事故車進(jìn)行修復(fù)。首先，對(duì)損傷板件運(yùn)用氣動(dòng)、電動(dòng)孔鉆、孔鋸進(jìn)行分離，再使用等離子切割器對(duì)角落部位進(jìn)行瞬間分割，最后，將新更換的縱梁通過惰性氣體保護(hù)焊或CO2氣體保護(hù)焊等焊接方式焊到車身上[9]。這樣做的優(yōu)點(diǎn)有四方面：一、保證了前縱梁整體更換的完整性；二、由于所有的分離、切割與焊接點(diǎn)的位置相對(duì)較為隱蔽，焊接后的外觀效果十分顯著；三、更換后，前縱梁的功能沒有受到任何損失；四、由于乘客室底板前后縱向加強(qiáng)件在縱梁主體根部和地板加強(qiáng)件上存在有一個(gè)定位孔，使前縱梁的安裝定位十分地方便快捷。

4、結(jié)論

對(duì)于承載式車身而言，前縱梁是汽車車身的重要構(gòu)件，在發(fā)生正面碰撞事故時(shí)，擔(dān)負(fù)主要的吸能作用。前縱梁的修復(fù)工藝十分復(fù)雜，需要維修人員綜合運(yùn)用多方面的知識(shí)，例如車身的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)、汽車正面碰撞理論、金屬材料的力學(xué)性能、合理的維修方案、修復(fù)設(shè)備的規(guī)范操作等，只有這樣，才能在汽車碰撞修復(fù)作業(yè)中，采用正確的工藝方法，讓車身不但恢復(fù)外觀的基本形狀和尺寸，而且能最大限度地保證它的強(qiáng)度和耐久性，進(jìn)而提高汽車維修后的安全性能。

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4、實(shí)施及效果

以上改進(jìn)方案均得以順利實(shí)施，目前放置冷鐵安全可靠，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境顯著改善。

5、結(jié)束語(yǔ)

在PLC程序中增設(shè)定時(shí)器，是解決放置冷鐵安全隱患以及改善Z8025冷芯盒射芯機(jī)作業(yè)環(huán)境的主要方法，另外，普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為，Z8025冷芯盒射芯機(jī)吹氣過程的兩個(gè)階段低壓吹氣芯子硬化，高壓吹氣階段凈化芯子，現(xiàn)場(chǎng)不可能有大量三乙胺余氣，但是不管高壓吹氣還是低壓吹氣，均吹入的是100℃的三乙胺與壓縮空氣的混合物，這樣最終芯盒中和吹氣罩中不可避免有殘余的三乙胺余氣。因此，讓上下芯盒合模尾氣管抽氣保持5秒再分開是改善作業(yè)環(huán)境的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

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[2]《LHS2010樹脂混砂系統(tǒng)PLC程序》，濟(jì)南優(yōu)茵科信鑄造機(jī)械工程有限公司.

[3]《西門子300指令（1）》，F(xiàn)oxit reader 3.0.

Study on Repair of Front Longitudinal Beam of Frameless Body Based on Frontal Crash

Bai Hai1, Huang Zhencai2, Meng Liqing1
(1.School of Mechanical and Transportation, Southwest Forestry University, Yunnan Kunming 650224; 2. Department of Automotive Engineering, Liuzhou Vocational and Technical College, Guangxi Liuzhou 545006)

Front longitudinal beam which is an important component of the frameless body plays a major in vehicle frontal collision energy absorbing effect. Damagerepair maintenance of front longitudinal beam collision is very important process in accident vehicle repair. So maintenance people need to master knowledge in all aspects. Body repair people should ensure not only the basic shape and size of vehicle repair can restore the appearance, but also maximize the safety characteristics of the original body and the anti-impact performance.

frameless body; frontal collisions; body repair; front longitudinal beam

U472.41

A

1671-7988(2015)04-122-04

白海，碩士研究生，助教，就讀于西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，主要從事載運(yùn)工具運(yùn)用及車身修復(fù)研究。