皮卡塑料后保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)與應(yīng)用

梅相全，錢鈞，郭星，鄭明敏，吳向東

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

皮卡塑料后保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)與應(yīng)用

梅相全，錢鈞，郭星，鄭明敏，吳向東

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先介紹了市場(chǎng)主流皮卡后保險(xiǎn)杠的分類、特點(diǎn)，以及發(fā)展趨勢(shì)，并且介紹了塑料本體后保險(xiǎn)杠相對(duì)其他材質(zhì)的保險(xiǎn)杠的優(yōu)勢(shì)。文章重點(diǎn)從人機(jī)工程要求上，詳細(xì)介紹了皮卡后保險(xiǎn)杠的開發(fā)過程中，保險(xiǎn)杠踏步離地高度，踏步寬度的設(shè)計(jì)依據(jù)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并對(duì)后保險(xiǎn)杠踏步的防滑性做了詳細(xì)的要求。同時(shí)基于安全性考慮，對(duì)保險(xiǎn)杠承載強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)的CAE分析驗(yàn)證。

皮卡；后保險(xiǎn)杠；踏步；人機(jī)工程；安全性

CLC NO.:U463.83Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-43-04

引言

皮卡，又稱轎卡，是一種采用轎車駕駛室，同時(shí)帶有敞開式貨箱的車型，其特點(diǎn)是既擁有普通乘用車的駕乘舒適性又不失越野SUV的動(dòng)力強(qiáng)勁，且相較轎車具有更優(yōu)越的載貨性能和適應(yīng)不良路面的更強(qiáng)的性能。皮卡后保險(xiǎn)杠，首先作為一個(gè)裝飾件，其外觀上需要很自然地與貨箱結(jié)合在一塊，渾然一體具有很好的裝飾性。同時(shí)在皮卡這類特殊車型，后保險(xiǎn)杠本身需作為使用人員上下皮卡貨箱的蹬車踩踏裝置，需在后保險(xiǎn)杠上增加踏步防滑墊，滿足客戶（搬運(yùn)一定重量貨物）蹬踏上下貨箱的需求。因此皮卡后保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)的好壞與人的蹬車安全性、踩踏方便性強(qiáng)相關(guān)。皮卡后保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)必須以適應(yīng)人的多種需求為出發(fā)點(diǎn)，充分考慮人機(jī)工程學(xué)，給顧客提供一個(gè)美觀，蹬車方便、舒適、安全可靠的后保險(xiǎn)杠。

1、皮卡后保險(xiǎn)杠分類

根據(jù)皮卡后保險(xiǎn)杠本體所使用材料及生產(chǎn)工藝的不同，皮卡后保險(xiǎn)杠可分為金屬保險(xiǎn)杠（內(nèi)嵌金屬加強(qiáng)骨架）、塑料保險(xiǎn)杠（內(nèi)嵌金屬加強(qiáng)骨架）、管梁保險(xiǎn)杠等。如圖1所示，為三種皮卡后保險(xiǎn)杠的示意圖。

金屬后保險(xiǎn)杠，指的是皮卡后保險(xiǎn)杠本體采用鈑金沖壓制作而成，內(nèi)部焊接或者安裝金屬加強(qiáng)骨架，金屬后保險(xiǎn)杠外觀大氣美觀、強(qiáng)度高、承受力強(qiáng)，給人以結(jié)實(shí)可靠的感覺。但由于受鈑金的成型工藝限制，金屬后保險(xiǎn)杠本體無法制作較復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)。

圖1 皮卡后保險(xiǎn)杠分類示意圖

（2）塑料后保險(xiǎn)杠，指的是皮卡后保險(xiǎn)杠本體采用PP工程材料注塑而成，內(nèi)部采用鈑金骨架進(jìn)行支撐加強(qiáng)。由于塑料的可塑性較強(qiáng)，后保險(xiǎn)杠本體可制作較復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于后保險(xiǎn)杠本體內(nèi)具有金屬骨架支撐加強(qiáng)，后保險(xiǎn)杠可支撐客戶蹬踏上下貨箱。（下文所提到的塑料后保險(xiǎn)杠或者塑料皮卡后保險(xiǎn)杠均指后保險(xiǎn)杠本體采用塑料，內(nèi)部采用加強(qiáng)骨架進(jìn)行支撐加強(qiáng)的后保險(xiǎn)杠）。

（3）金屬管梁后保險(xiǎn)杠，指的是后保險(xiǎn)杠直接通過市場(chǎng)上可以直接采購(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)圓管擠壓、折彎而成，制作成型簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)便宜，但只能制作較簡(jiǎn)單外形的后保險(xiǎn)杠，無法與皮卡貨箱及整車造型匹配。

1.1 皮卡后保險(xiǎn)杠的發(fā)展趨勢(shì)

由于金屬管梁后保險(xiǎn)杠為直接由圓管擠壓、折彎而成，外形相對(duì)簡(jiǎn)單，難以匹配皮卡貨箱及整車造型，已逐漸退出皮卡主流市場(chǎng)，目前市場(chǎng)主流皮卡后保險(xiǎn)杠主要為金屬保險(xiǎn)杠及塑料保險(xiǎn)杠。

隨著國(guó)家對(duì)汽車節(jié)能、減排要求的進(jìn)一步提高及中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，汽車輕量化已逐漸成為汽車節(jié)能、減排的重要途徑，已成為汽車發(fā)展的主潮流，塑料后保險(xiǎn)杠相對(duì)金屬后保險(xiǎn)杠減重超過30%，塑料材質(zhì)的皮卡后保險(xiǎn)杠占有率已越來越大。

2、塑料皮卡后保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)開發(fā)

皮卡后保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)開發(fā)的好壞直接影響到乘員蹬車方便性、舒適性，以及蹬車踩踏的安全性。合理的設(shè)計(jì)不僅需要考慮后保險(xiǎn)杠本身的安裝，同時(shí)需要充分考慮蹬車時(shí)的人機(jī)工程方便性。

2.1 塑料后保險(xiǎn)杠組成

如下圖2所示，塑料后保險(xiǎn)杠主要包括1個(gè)PP工程塑料注塑而成的保險(xiǎn)杠本體，1個(gè)金屬?zèng)_壓、焊接而成的后保險(xiǎn)杠骨架總成，以及3個(gè)PP工程塑料注塑而成的踏步裝飾件組成。

圖2 后保險(xiǎn)杠組成示意圖

2.2 后保險(xiǎn)杠布置設(shè)計(jì)

皮卡后保險(xiǎn)杠作為乘員上下貨箱蹬車踩踏的一個(gè)裝置，需滿足客戶蹬車上下貨箱的需求。因此后保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)的好壞與人的蹬踏方便性、蹬車安全性強(qiáng)相關(guān)。后保險(xiǎn)杠高度設(shè)置是否合理，后保險(xiǎn)杠踏步踩踏空間是否能夠讓乘員方便踩踏，都是在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中需充分考慮的因素。

2.2.1 蹬車方便性設(shè)計(jì)

后保險(xiǎn)杠踏步高度布置應(yīng)滿足大部分人員能夠方便的蹬車，蹬車方便性是建立在使用者能夠方便舒適的伸長(zhǎng)大、小腿、腳掌，方便蹬踏的基礎(chǔ)上的。后保險(xiǎn)杠踩踏區(qū)域若設(shè)計(jì)太高，則人員將難以輕松的蹬踏。研究表明，人員蹬車時(shí)最舒適的姿勢(shì)是上體與大腿間角在90°～115°。

如下圖3所示，通過一個(gè)身高為170cm身高的假人模擬人員蹬車上下貨箱的狀態(tài)：假人大腿與身體成115°夾角，小腿與大腿成90°夾角，腳掌與小腿成90°夾角。在該狀態(tài)下，后保險(xiǎn)杠踏步高度離地面距離約為600mm。即皮卡后保險(xiǎn)杠踏步離地高度不高于600mm時(shí)，能給使用人員提供較為舒適的蹬車方便性。

圖3 蹬車方便性校核示意圖

2.2.2 踩踏舒適性設(shè)計(jì)

后保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)不僅要考慮后保險(xiǎn)杠踏步離地高度滿足使用者蹬踏的方便性，同時(shí)要考慮后保險(xiǎn)杠踏步的寬度設(shè)計(jì)設(shè)置應(yīng)能夠滿足使用者踩踏的舒適性的要求。

根據(jù)調(diào)查，適用于中國(guó)95%成年男子群體的腳掌長(zhǎng)度約為264mm。正常男子腳掌前1/3長(zhǎng)度（88mm）為腳趾至趾關(guān)節(jié)處，即平穩(wěn)踩踏著力長(zhǎng)度至少大于腳掌1/3長(zhǎng)度?；诎踩院统塑嚪奖阈裕蟊ｋU(xiǎn)杠踏步踩踏寬度至少大于1/2腳掌長(zhǎng)度（132mm）。假人模擬踩踏舒適性校核如圖3所示。

圖3 踩踏舒適性校核示意圖

為給使用者上下皮卡貨箱提供一個(gè)較舒適的蹬車踏步寬度，我們?cè)诤蟊ｋU(xiǎn)杠設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)后保險(xiǎn)杠寬度設(shè)定了相關(guān)數(shù)值，如下圖4所示，設(shè)計(jì)開發(fā)的后保險(xiǎn)杠踩踏空間（后保險(xiǎn)杠寬度）分別為一級(jí)后保險(xiǎn)杠踏步踩踏寬度為140mm，其中踏步寬度為114mm，二級(jí)保險(xiǎn)杠踏步踩踏寬度為150mm，其中踏步寬度為125mm，能給使用者提供較為舒適平穩(wěn)的踩踏空間。

圖4 設(shè)計(jì)開發(fā)后保險(xiǎn)杠寬度示意圖

2.3 后保險(xiǎn)杠安全性設(shè)計(jì)

皮卡后保險(xiǎn)杠作為乘員上下貨箱的蹬踏工具，不僅僅要從布置上考慮使用者蹬車的方便性，踩踏的舒適性，更多的要從上下貨箱時(shí)的安全性方便進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。即設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮皮卡后保險(xiǎn)杠踏步是否具有防滑性，后保險(xiǎn)杠強(qiáng)度能否承載人員上下貨箱。

2.3.1 踏步防滑性設(shè)計(jì)

皮卡后保險(xiǎn)踏步表面必須設(shè)計(jì)開發(fā)具有防滑的結(jié)構(gòu)，避免雨雪天氣下人員上、下貨箱時(shí)滑傷出現(xiàn)安全事故。本文所述的后保險(xiǎn)杠踏步材料選擇PP工程塑料注塑而成，保險(xiǎn)杠踏步模具上爛粗皮紋處理，使后保險(xiǎn)杠踏步注塑成型后表面便存在皮紋特征，本身具有一定的防滑性。同時(shí)，在開發(fā)踏步時(shí)，后保險(xiǎn)杠踏步表面設(shè)計(jì)了并排的寬度為14mm，高度為2mm的踏步防滑特征，即提升了后保險(xiǎn)杠踏步的外觀質(zhì)量，又起到了踏步防滑的效果。后保險(xiǎn)杠踏步防滑特征示意如下圖5所示。

圖5 保險(xiǎn)杠踏步防滑特征示意圖

2.3.2 保險(xiǎn)杠承載安全性設(shè)計(jì)

后保險(xiǎn)杠作為乘員上下皮卡貨箱的蹬車踩踏受力機(jī)構(gòu)，在使用過程中應(yīng)至少保證能夠承受一個(gè)人蹬車踩踏時(shí)時(shí)的重量，設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，為了保證皮卡后保險(xiǎn)杠具有足夠的承載強(qiáng)度，通常需通過CAE模擬分析，對(duì)后保險(xiǎn)杠（主要是后保險(xiǎn)杠金屬骨架）強(qiáng)度進(jìn)行分析驗(yàn)證。

進(jìn)行皮卡后保險(xiǎn)杠強(qiáng)度CAE設(shè)計(jì)分析時(shí)，首先需模擬后保險(xiǎn)杠安裝狀態(tài)，通過約束車架截?cái)嗵?、車架與貨箱連接處等區(qū)域所有方向的自由度來模擬后保險(xiǎn)杠的安裝狀態(tài)。模擬后保險(xiǎn)杠安裝后，需進(jìn)一步模擬人員蹬車踩踏狀態(tài)，如下圖6所示，分別在所分析的后保險(xiǎn)杠骨架上、下兩級(jí)踏步區(qū)域處施加等效于體重為150kg的人站在踏步上的Z向均載。

圖6 后保險(xiǎn)杠骨架CAE加載示意圖

后保險(xiǎn)杠骨架總成由后保險(xiǎn)杠骨架本體、后保險(xiǎn)杠左右支架、牌照加強(qiáng)板組成。CAE分析時(shí)，要求后保險(xiǎn)杠骨架各組成部件能夠滿足承載150kg的人而不被破壞。分析加載結(jié)構(gòu)見圖7表1所示。

圖7 后保險(xiǎn)杠骨架加載結(jié)果示意圖

表1 后保險(xiǎn)杠骨架加載分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過CAE分析模擬分析，可有效的指導(dǎo)、幫助設(shè)計(jì)對(duì)后保險(xiǎn)杠承載性能進(jìn)行確認(rèn)。分析顯示，后保險(xiǎn)杠上下兩級(jí)踏步區(qū)域能夠分別承載150kg人，且安全系數(shù)＞1.1，符合設(shè)計(jì)要求。

3、總結(jié)

文章梳理了皮卡后保險(xiǎn)杠的分類及發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合工作中的實(shí)際案例詳述了皮卡后保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)方法及要點(diǎn)。一個(gè)良好的皮卡后保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)開發(fā)，不僅要從以滿足乘員蹬車踩踏的方便性和舒適性的角度出發(fā)，從人機(jī)工程布置的角度設(shè)計(jì)開發(fā)，體現(xiàn)汽車設(shè)計(jì)中的人性化；同時(shí)，應(yīng)采用CAE分析手段，對(duì)其承載強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析輔助設(shè)計(jì)，提高承載安全性。

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Pickup truck bumper plastic design and application

Mei Xiangquan, Qian Jun, Guo Xing, Zheng Mingmin, Wu Xiangdong
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Auhui Hefei 230601 )

This document describes the types, the characteristics and the development of the general rear bumper of pickup and introduces the advantages of the plastic rear bumpers compared to other materials. From the aspect of man-machine engineering,this document detailedly introduces the height of the pedal on the base of the ground, the design basis and design key points of the width of the pedal,and make a specific request of the skid resistance of the pedal .Concerning to the security, we make a CAE analysis and verification on the bearing strength of the bumper.

Pick-up; After the bumper; Step; The man-machine engineering; security

U463.83

A

1671-7988(2017)02-43-04

梅相全，男，(1988-)，2011年7月畢業(yè)于南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，獲得學(xué)士學(xué)位。同年進(jìn)入安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，現(xiàn)有職稱為助理工程師。主要從事汽車車身外飾產(chǎn)品研發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.015