淺談汽車保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)與開發(fā)

牟洋 柴凱

摘 要：文章通過在實(shí)際工作中積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)汽車保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)開發(fā)過程中涉及的基本原則、選材、設(shè)計(jì)定位、安裝和注塑工藝進(jìn)行了探討，希望能夠給予同行業(yè)人員有意義的借鑒。

關(guān)鍵詞：汽車保險(xiǎn)杠；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；材料；注塑

中圖分類號(hào)：U463.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）11-0013-02

保險(xiǎn)杠不僅是汽車的安全防護(hù)裝置，也是其結(jié)構(gòu)造型與裝飾的重要組成部分。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車已成為居民生活中的一個(gè)重要代步工具，車身的整體造型、風(fēng)阻系數(shù)等影響汽車裝飾與功能的因素，被作為車輛購(gòu)置的重要參考條件。在汽車結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，保險(xiǎn)杠作為整車的一個(gè)重要組成部分，掌握其設(shè)計(jì)與開發(fā)的理念和方法，很有必要。

1 保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)與開發(fā)的基本原則

安全性要求。當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠要起到一定的緩沖和吸能的作用，保護(hù)被撞行人、乘客的安全，降低撞擊給車輛造成的破壞；保險(xiǎn)杠的外型、質(zhì)感和色彩要與整車的結(jié)構(gòu)相協(xié)調(diào)，渾然一體并突出車輛的造型風(fēng)格；考慮空氣動(dòng)力性能。保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮空氣動(dòng)力學(xué)，改善整車的流暢性，降低油耗；保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮其日后的安裝與維護(hù)。

2 保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)開發(fā)流程

保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)開發(fā)流程，如圖1所示。

3 保險(xiǎn)杠各階段要求及校核

3.1 可行性分析

在設(shè)計(jì)初期，要先確定各個(gè)零部件的材料類型、大致結(jié)構(gòu)、拆卸順序、緊固件的選用以及在總裝的裝配工位（需要總裝工藝輸入工藝要求）。與競(jìng)品車對(duì)比，借鑒合理結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)整車輕量化，設(shè)立質(zhì)量目標(biāo)。通過上述分析形成對(duì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)部門平臺(tái)化、標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)劃。

3.2 概念確認(rèn)

對(duì)CAS進(jìn)行工程反饋分析，確認(rèn)是否可以實(shí)現(xiàn)造型的要求。包括如下項(xiàng)目：

①低速碰撞分析，擺錘碰撞區(qū)域內(nèi)不應(yīng)有燈具、反射器、排氣尾管等怕碰撞零件；

②號(hào)牌安裝分析，需要滿足號(hào)牌安裝法規(guī)，同時(shí)杠的沉槽單側(cè)與號(hào)牌留夠安全間隙；

③拖鉤堵蓋布置分析，牽引鉤在防撞梁部位時(shí)，需要確認(rèn)造型上是否可以布置牽引鉤的蓋子。如果位置不合理，需要與車身協(xié)商調(diào)整牽引鉤位置，或者更改造型；

④輪胎包絡(luò)線校核，輪胎包絡(luò)線（envelope）與后保面罩及后輪罩之間需要保證安全距離。排氣尾管安全間隙分析，排氣尾管安全間隙要符合以下條件，與保險(xiǎn)杠面罩間隙最小25 mm；

⑤結(jié)構(gòu)空間分析，各個(gè)位置結(jié)構(gòu)空間參考典型斷面進(jìn)行分析，只要大于做結(jié)構(gòu)的最小空間就沒問題；

⑥外飾零部件相關(guān)法規(guī)分析，降低車輛低速刮碰時(shí)對(duì)人的損害程度。成型工藝可行性校核，定義唾沫方向及角度，其原則就是分模線避開產(chǎn)品外觀面；

⑦表面處理工藝可行性校核，保險(xiǎn)杠有時(shí)會(huì)包含兩種或兩種以上的顏色。這種情況下，可采取分件或分色噴涂的方式進(jìn)行處理；

⑧裝配工藝性校核，對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行安裝過程及模擬分析，制作快速樣件驗(yàn)證安裝工藝性及結(jié)構(gòu)可行性。

4 保險(xiǎn)杠工程設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

4.1 材料選擇

現(xiàn)在汽車的保險(xiǎn)杠通常采用PP等高分子材料，蒙皮材料以PP為基體，摻入EPDM和Tx%，提高了材質(zhì)的彈性和剛度。按照薄壁化的要求，將來會(huì)有新材料的使用。

4.2 拔模角度設(shè)計(jì)

保險(xiǎn)杠注塑件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均應(yīng)設(shè)置拔模角度，其角度的大小要與保險(xiǎn)杠的材料收縮率、形狀、型芯長(zhǎng)度、高度及壁厚相關(guān)，光面的拔模角度應(yīng)≥3 °，紋理面應(yīng)≥7 °，如果設(shè)置的拔模角度對(duì)構(gòu)件的裝配質(zhì)量不構(gòu)成影響，則拔模角度盡可能的取大值。

4.3 確定保險(xiǎn)杠的厚度

保險(xiǎn)杠的厚度應(yīng)考慮車輛的性能要求，包括對(duì)保險(xiǎn)杠的強(qiáng)度、尺寸、穩(wěn)定性、裝配、制造工藝等，在綜合分析并保證車輛運(yùn)行安全的情況下最終確定，通常保險(xiǎn)杠的蒙皮厚度應(yīng)為2～3.5 mm。保險(xiǎn)杠的料厚分布要均勻，厚薄位置的變化要逐漸過渡，同時(shí)厚薄的變化量不可超過料厚設(shè)計(jì)值的50%。為了減重，會(huì)出現(xiàn)薄壁化的趨勢(shì)要求。

4.4 圓角的處理

保險(xiǎn)杠的轉(zhuǎn)折處要設(shè)置圓角，一方面可以增強(qiáng)保險(xiǎn)杠的機(jī)械強(qiáng)度并美化外觀，另一方面在注塑時(shí)，能夠降低塑料在模具腔里的流動(dòng)阻力和成型后產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂紋的機(jī)率。保險(xiǎn)杠過渡圓角應(yīng)合理選擇（圓角半徑R，保險(xiǎn)杠厚度T）。

試驗(yàn)表明，當(dāng)R/T>0.8時(shí)，圓角處的應(yīng)力集中將會(huì)減小，當(dāng)R/T<0.3 時(shí)，圓角處的應(yīng)力集中將會(huì)顯著增加。

4.5 裝配孔、翻邊、加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)

設(shè)置在保險(xiǎn)杠上的裝配孔不得位于降低制品強(qiáng)度的位置，孔與邊緣、孔與孔的距離一般等于孔的直徑且不可過小，否則將引起邊緣破裂；翻邊根部的厚度通常要小于翻邊料厚的50%，避免蒙皮產(chǎn)生收縮痕；保險(xiǎn)杠的加強(qiáng)筋不可設(shè)置在大面積的中間部位，當(dāng)需設(shè)置多條加強(qiáng)筋時(shí)，要分布均勻，其與主體連接的根部，要做圓弧處理，以防應(yīng)力集中?？紤]到注塑工藝的要求，加強(qiáng)筋的設(shè)置方向要與模具槽內(nèi)的料流方向一致，以免影響保險(xiǎn)杠的注塑質(zhì)量。

5 保險(xiǎn)杠的工程設(shè)計(jì)

5.1 保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)定位

保險(xiǎn)杠的主定位方法通常采用2個(gè)X、1個(gè)Y和3個(gè)Z，輔助定位則根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，在X、Y和Z 方向上，布置不同數(shù)量的定位結(jié)構(gòu)。為了獲取明顯定位效果，定位點(diǎn)一般設(shè)定在與環(huán)境件對(duì)應(yīng)的貼合面，并與X、Y、Z 相對(duì)平行或垂直，定位結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的環(huán)境結(jié)構(gòu)的間隙通常≤0.2 mm，每150 mm處設(shè)置一個(gè)定位點(diǎn)。

5.1.1 前保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)定位

前保險(xiǎn)杠的X、Z向的主定位結(jié)構(gòu)，通常設(shè)置在中間上部與車身搭接處或兩側(cè)與翼子板搭接處，輔助定位設(shè)置在中間的上部和下部與車身搭接處。Y 向的主定位一般由對(duì)稱布置在兩側(cè)的Y向定位對(duì)中組合而成。

5.1.2 后保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)定位

后保險(xiǎn)杠的Z向主定位，通常設(shè)置在后保險(xiǎn)杠蒙皮的中間部位與中支架的配合位置處，或兩側(cè)與后側(cè)圍的配合位置。X向的主定位設(shè)置在兩側(cè)與后側(cè)圍搭接處，而Y向的主定位在Y=0處或兩側(cè)與后側(cè)圍的配合位置，并由對(duì)稱布置在兩側(cè)的Y向定位對(duì)中組合而成。

5.2 保險(xiǎn)杠與車身結(jié)構(gòu)件的安裝設(shè)計(jì)

5.2.1 前保險(xiǎn)杠的安裝設(shè)計(jì)

增設(shè)緊固點(diǎn)或強(qiáng)化保險(xiǎn)杠與大燈配合處的邊緣結(jié)構(gòu)，以確保前保險(xiǎn)杠與前大燈的安裝間隙和效果；蒙皮下端的翻邊與車身其他構(gòu)件的連接緊固點(diǎn)應(yīng)設(shè)置6～8處，以確保前保險(xiǎn)杠與車身安裝牢固；前保險(xiǎn)杠中間上部與車身的連接點(diǎn)一般設(shè)置6處，以滿足其與機(jī)罩蓋的間隙面差和裝配效果；前保險(xiǎn)杠的兩側(cè)端部應(yīng)通過側(cè)支架與車身緊固，再將蒙皮卡接在塑料側(cè)支架上，或先將保險(xiǎn)杠蒙皮與金屬側(cè)支架緊固，再通過螺栓整體與車身連接。

5.2.2 后保險(xiǎn)杠的安裝設(shè)計(jì)

尾燈處的后保險(xiǎn)杠通常采用金屬支架或塑料尾燈支架兩種連接方式。金屬支架連接，是先將金屬支架鉚接或焊接在車身上，再將后保險(xiǎn)杠蒙皮翻邊卡接在金屬支架上；塑料尾燈支架是采用螺栓先固定在后圍鈑金件上，再將后保險(xiǎn)杠蒙皮的翻邊卡接在塑料尾燈支架上。這種卡接方式的卡接點(diǎn)一般設(shè)置2處。后保險(xiǎn)杠與后行李廂蓋的設(shè)計(jì)間隙通常為6 mm，其中間上部的連接形式也分為兩種：金屬支架和塑料中支架。金屬支架焊接在車身上，后保險(xiǎn)杠的蒙皮翻邊通過4個(gè)卡接點(diǎn)與金屬中支架相連。塑料中支架的連接，是先將支架用螺栓固定在后圍鈑金件上，再將蒙皮翻邊的4個(gè)卡接點(diǎn)卡接在塑料中支架上；后保險(xiǎn)杠與側(cè)圍的對(duì)接也可以采用塑料或金屬支架。采用螺栓先將側(cè)塑料支架固定于后側(cè)圍鈑金件上，再將后保險(xiǎn)杠后側(cè)圍處的蒙皮翻邊并卡接在側(cè)支架上。金屬側(cè)支架的連接則與前保險(xiǎn)杠的連接方式相同；后保險(xiǎn)杠蒙皮下端與車身其他部件連接的翻邊，要設(shè)置6～10個(gè)緊固點(diǎn)，以保障后保險(xiǎn)杠與車身安裝后，牢固且美觀。

5.3 保險(xiǎn)杠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前保險(xiǎn)杠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要先考慮格柵、裝飾條、脫鉤蓋等的安裝位置，以及與前保險(xiǎn)杠蒙皮的安裝方式。上、下格柵的長(zhǎng)、寬和裝配結(jié)構(gòu)等是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在X軸方向上，通風(fēng)孔的正投影面積要控制為散熱器面積的30%左右。亮條一般采用粘接或卡接安裝在格柵上，并保證亮條的分型線不外露。格柵與蒙皮采用螺栓或舌片卡扣連接。

后保險(xiǎn)杠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮雷達(dá)、回復(fù)反射器、脫鉤蓋、緩沖塊、裝飾條等部件的安裝位置及方式。后保險(xiǎn)杠與排氣管的安裝間隙要大于25 mm， 以防過高的排氣管溫度造成保險(xiǎn)杠軟化。倒車?yán)走_(dá)可以采用粘接、焊接或卡接的方法將雷達(dá)支架固定在蒙皮上?；貜?fù)反射器（后霧燈）、脫鉤蓋、緩沖塊、裝飾條等與前保險(xiǎn)杠的部件設(shè)計(jì)方法相同。

6 結(jié) 語

汽車整車的設(shè)計(jì)開發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要各部門系統(tǒng)的協(xié)作配合。外飾的設(shè)計(jì)開發(fā)是其中的一部分，而保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)開發(fā)是外飾的最重要組成部分。在現(xiàn)階段，汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，作為一名外飾設(shè)計(jì)工程師，在進(jìn)行汽車保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，不僅要了解整車開發(fā)流程，更應(yīng)該熟悉產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)。懂得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具開發(fā)、檢具開發(fā)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證等等。成為一名合格的設(shè)計(jì)工程師，造出高品質(zhì)汽車，是我們的責(zé)任，任重道遠(yuǎn)。

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