电动汽车碰撞系统铝合金部件的设计与开发
2019/12/27 21:22:22
1、铝合金与未来出行工具
当前，新能源汽车已成为未来汽车发展的重要方向。在保证安全性的前提下，开发出重量更轻的汽车成为未来出行发展的重要方面。而对于汽车制造，轻质材料的应用在轻量化设计中起着决定性作用。铝合金作为轻量化材料具有传统钢材无法比拟的性能优势，特别是在防撞部件的应用中，其可以通过不同的合金成分提供所需的强度和延展性，从而满足以尽可能低的重量吸收高能量的应用（如图1）。肯联铝业作为知名铝合金材料供应商，提供基于碰撞管理系统（CMS）量身定制的铝合金和车辆零部件设计解决方案。在与传统低成本钢制解决方案的竞争中，铝合金有强大的吸能特性和零部件的功能集成设计。
2、碰撞安全系统的选材
汽车的碰撞管理系统一般通过有针对性的变形来吸收车辆碰撞时产生的能量，既保护驾驶员、乘客的安全，也使其他道路使用者和车辆结构免受损坏。CMS系统一般采用模块化设计，由保险杠横梁、吸能盒以及其他附加元件组成。CMS直接连接到车纵梁，除了吸能之外，重量、可制造性和成本对于CMS也起着重要作用。以保险杠碰撞为例，在碰撞时，保险杠将能量转移至吸能盒，依次在吸能过程中发生形变，如图3。
CMS系统的设计需要考虑截面、壁厚的分布、吸能盒与纵梁或横梁的连接、与前端系统的集成安装等问题。例如保险杠外板上的牵引孔，其主要作用是在车辆发生故障或发生事故后，用于牵引车辆的固定点。运输车辆时，牵引孔经常被用作固定装置。但是牵引孔经常会受到牵引车辆摇摆等运动产生的力的作用，其强度和与其他部件的连接设计就显得尤为重要。可以说每个组件的性能设计都将影响CMS系统的最终性能表现。因此，肯联铝业通过采用不同类型的铝合金材料，开发了一套涉及材料应用、结构设计、以及生产制造等全面系统的CMS系统开发方案。
在材料选择时，铝型材成为首选。其提供了更大的设计灵活性：
随着铝合金方案在轻量化设计和新能源车中的应用越来越多，铝合金在CMS系统中的优势逐渐凸显。德国铝业协会GDA预计，在未来五年中，轻金属在安全系统中的份额将稳步增长，达到整个欧盟市场的30%。铝合金具有良好的性能，可制造出具有高刚度和出色吸能性的轻质结构。例如，在使用中等强度的铝合金挤压型材制造吸能盒，可实现吸能盒的无裂纹折叠。随着智能设计工具的应用，铝合金可生产出具有多种壁厚和几何形状的部件。因此，不仅在CMS系统，更多具有细长结构的部件都可以采用铝合金挤压生产，如侧防撞梁、发动机舱内支柱、侧门槛梁、纵梁、保险杠等。
3、CMS系统的设计与开发
CMS系统的设计还需要考虑车辆的重量。随着新能源车“三电”系统的加入，其重量进一步增加。同时，燃油车也因为增加提升舒适性和安全性的功能部件而重量增大。整车重量的增加意味着碰撞时CMS系统需要吸收更高的能量。另一方面，随着整车平台化设计模式的发展，要求汽车部件的设计需要满足不同的车辆模型。因此，CMS系统部件在设计时需要考虑更多的不同应用场景的因素。如吸能盒不同的尺寸和安装位置；横梁的位置；CMS系统的位置等（适合微型车、跑车、SUV等多种类车型）。在发生碰撞时，CMS系统的设计不仅要满足车辆自身的安全标准，还需要满足行人保护法规，如移动偏移渐进变形壁障MPDB。
在设计时，CMS和屏障之间的重叠需要根据具体情况定制化处理。像SUV这样大尺寸的车辆，重叠区域就需要大一些，以确保吸能盒能撞到障碍物，而不是简单地越过障碍物。因此，设计时将吸能盒围绕y轴定位。该措施显着增加了重叠区域，并支持了吸能盒沿Y轴的旋转，满足了高车辆的RCAR保险杠测试要求。
对于电动车来说，其CMS系统需要满足撞杆试验要求。采用直径约300 mm的撞杆以最高64 km/h的速度正面撞击车辆，具体如图4和图5。此外，CMS系统的设计需要在满足吸能性的条件下，整个系统的重量尽可能小。研究人员设计了一个横向碰撞元件（LCE），作为附加组件安装在吸能盒和保险杠之间，并通过RCAR保险杠测试证明了这一创新设计的有效性。仿真也表明，具有LCE附加元件的碰撞管理系统能够吸收大约220 kN的力，与传统解决方案（180kN）相比，增加了20%，具体如图6。
4、CMS 系统的仿真模拟
对于电动车来说，为较好的保护集成电池，CMS必须以50 km/h的速度通过上述极点测试。在使用有限元法（FEM）的初设模拟时，需要考虑整车的重量对碰撞安全性的影响。这意味着即使CMS系统满足RCAR保险杠测试标准，也需要考虑重量因素来确定部件的尺寸。其中，保险杠横梁的设计尤为重要。横梁的吸能性可以通过增加重量和更改轮廓来实现。如果两个腔室的轮廓通过另一个第三腔室扩展并且壁变厚，则在相同的侵入情况下，吸收的能量可以增加3倍，具体图7。
5、小结
汽车技术的创新发展和消费者需求的不断更新，衍生出了新的技术要求和法规标准，同时也需要创新的技术解决方案。铝合金作为轻质材料，因其灵活的设计性能和优异的材料性能，为碰撞系统部件的结构设计带来了全新的方案。未来，轻质材料驱动的整车轻量化设计将具有更为广阔的发展空间。
当前，新能源汽车已成为未来汽车发展的重要方向。在保证安全性的前提下，开发出重量更轻的汽车成为未来出行发展的重要方面。而对于汽车制造，轻质材料的应用在轻量化设计中起着决定性作用。铝合金作为轻量化材料具有传统钢材无法比拟的性能优势，特别是在防撞部件的应用中，其可以通过不同的合金成分提供所需的强度和延展性，从而满足以尽可能低的重量吸收高能量的应用（如图1）。肯联铝业作为知名铝合金材料供应商，提供基于碰撞管理系统（CMS）量身定制的铝合金和车辆零部件设计解决方案。在与传统低成本钢制解决方案的竞争中，铝合金有强大的吸能特性和零部件的功能集成设计。
2、碰撞安全系统的选材
汽车的碰撞管理系统一般通过有针对性的变形来吸收车辆碰撞时产生的能量，既保护驾驶员、乘客的安全，也使其他道路使用者和车辆结构免受损坏。CMS系统一般采用模块化设计，由保险杠横梁、吸能盒以及其他附加元件组成。CMS直接连接到车纵梁，除了吸能之外，重量、可制造性和成本对于CMS也起着重要作用。以保险杠碰撞为例，在碰撞时，保险杠将能量转移至吸能盒，依次在吸能过程中发生形变，如图3。
CMS系统的设计需要考虑截面、壁厚的分布、吸能盒与纵梁或横梁的连接、与前端系统的集成安装等问题。例如保险杠外板上的牵引孔，其主要作用是在车辆发生故障或发生事故后，用于牵引车辆的固定点。运输车辆时，牵引孔经常被用作固定装置。但是牵引孔经常会受到牵引车辆摇摆等运动产生的力的作用，其强度和与其他部件的连接设计就显得尤为重要。可以说每个组件的性能设计都将影响CMS系统的最终性能表现。因此，肯联铝业通过采用不同类型的铝合金材料，开发了一套涉及材料应用、结构设计、以及生产制造等全面系统的CMS系统开发方案。
在材料选择时，铝型材成为首选。其提供了更大的设计灵活性：
- 使用铝挤压技术可生产具有不同壁厚的型材。
- 铝型材可与其他铝材、钢和其他材料可靠地连接。
- 挤压工具成本相对较低，且工具制造时间较短，因此可以快速生产出满足特定要求的组件，并可进行壁厚调整。
随着铝合金方案在轻量化设计和新能源车中的应用越来越多，铝合金在CMS系统中的优势逐渐凸显。德国铝业协会GDA预计，在未来五年中，轻金属在安全系统中的份额将稳步增长，达到整个欧盟市场的30%。铝合金具有良好的性能，可制造出具有高刚度和出色吸能性的轻质结构。例如，在使用中等强度的铝合金挤压型材制造吸能盒，可实现吸能盒的无裂纹折叠。随着智能设计工具的应用，铝合金可生产出具有多种壁厚和几何形状的部件。因此，不仅在CMS系统，更多具有细长结构的部件都可以采用铝合金挤压生产，如侧防撞梁、发动机舱内支柱、侧门槛梁、纵梁、保险杠等。
3、CMS系统的设计与开发
CMS系统的设计还需要考虑车辆的重量。随着新能源车“三电”系统的加入，其重量进一步增加。同时，燃油车也因为增加提升舒适性和安全性的功能部件而重量增大。整车重量的增加意味着碰撞时CMS系统需要吸收更高的能量。另一方面，随着整车平台化设计模式的发展，要求汽车部件的设计需要满足不同的车辆模型。因此，CMS系统部件在设计时需要考虑更多的不同应用场景的因素。如吸能盒不同的尺寸和安装位置；横梁的位置；CMS系统的位置等（适合微型车、跑车、SUV等多种类车型）。在发生碰撞时，CMS系统的设计不仅要满足车辆自身的安全标准，还需要满足行人保护法规，如移动偏移渐进变形壁障MPDB。
在设计时，CMS和屏障之间的重叠需要根据具体情况定制化处理。像SUV这样大尺寸的车辆，重叠区域就需要大一些，以确保吸能盒能撞到障碍物，而不是简单地越过障碍物。因此，设计时将吸能盒围绕y轴定位。该措施显着增加了重叠区域，并支持了吸能盒沿Y轴的旋转，满足了高车辆的RCAR保险杠测试要求。
对于电动车来说，其CMS系统需要满足撞杆试验要求。采用直径约300 mm的撞杆以最高64 km/h的速度正面撞击车辆，具体如图4和图5。此外，CMS系统的设计需要在满足吸能性的条件下，整个系统的重量尽可能小。研究人员设计了一个横向碰撞元件（LCE），作为附加组件安装在吸能盒和保险杠之间，并通过RCAR保险杠测试证明了这一创新设计的有效性。仿真也表明，具有LCE附加元件的碰撞管理系统能够吸收大约220 kN的力，与传统解决方案（180kN）相比，增加了20%，具体如图6。
4、CMS 系统的仿真模拟
对于电动车来说，为较好的保护集成电池，CMS必须以50 km/h的速度通过上述极点测试。在使用有限元法（FEM）的初设模拟时，需要考虑整车的重量对碰撞安全性的影响。这意味着即使CMS系统满足RCAR保险杠测试标准，也需要考虑重量因素来确定部件的尺寸。其中，保险杠横梁的设计尤为重要。横梁的吸能性可以通过增加重量和更改轮廓来实现。如果两个腔室的轮廓通过另一个第三腔室扩展并且壁变厚，则在相同的侵入情况下，吸收的能量可以增加3倍，具体图7。
5、小结
汽车技术的创新发展和消费者需求的不断更新，衍生出了新的技术要求和法规标准，同时也需要创新的技术解决方案。铝合金作为轻质材料，因其灵活的设计性能和优异的材料性能，为碰撞系统部件的结构设计带来了全新的方案。未来，轻质材料驱动的整车轻量化设计将具有更为广阔的发展空间。