一種薄壁化保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)研究

李智，李凱，焦金鶴，張闖

（華晨汽車工程研究院車身部，遼寧 沈陽 110142）

引言

汽車輕量化一直是節(jié)能減排中的首席話題，據(jù)美國能源部DOE研究表明，一輛轎車的自重每減少10%，燃油消耗量就降低 6%～8%，C02排放降低 5%～6%[1]。輕量化已成為汽車業(yè)發(fā)展的重要方向之一，汽車零部件的薄壁化是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要方法之一，已經(jīng)成為衡量各汽車設(shè)計(jì)能力的一個(gè)重要指標(biāo)。汽車制件薄壁化技術(shù)的迅速發(fā)展，不僅提升了操控性能，而且減輕了整車重量，降低了整車油耗，還縮短了成型周期，降低了生產(chǎn)成本。

實(shí)現(xiàn)汽車制品的薄壁化設(shè)計(jì)，薄壁化材料的開發(fā)、制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模具設(shè)計(jì)都將是重要關(guān)鍵。然而薄壁化材料的開發(fā)將是實(shí)現(xiàn)零部件薄壁化的設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，材料基礎(chǔ)決定了產(chǎn)品設(shè)計(jì)并影響了模具設(shè)計(jì)！

1 薄壁化材料的性能要求

1.1 薄壁化保險(xiǎn)杠材料的開發(fā)歷程

20世紀(jì)70～80年代，塑料替代金屬用于保險(xiǎn)杠，降低成本，安全性，耐候；產(chǎn)品的壁厚一般大于4mm，產(chǎn)品重達(dá)5～7Kg，強(qiáng)度低，手感偏軟。20世紀(jì)90年代至2003年；零斷差，尺寸穩(wěn)定，油漆性好，制品壁厚3～4mm。2003年至現(xiàn)在；降低總和成本，快速成型、薄壁、制品壁厚一般在 2.0～3.0mm，產(chǎn)品輕，偏硬[2]。

應(yīng)用材料及車型：①聚酯材料保險(xiǎn)杠（標(biāo)致 405）②聚丙烯材料保險(xiǎn)杠（奧迪 100，高爾夫，桑塔納）③聚丙烯改性薄壁化材料保險(xiǎn)杠(發(fā)展趨勢) ④復(fù)合材料保險(xiǎn)杠（SMC,GFRP，CFRP）

1.2 薄壁化保險(xiǎn)杠的優(yōu)勢分析

（1）產(chǎn)品壁厚減薄，重量減輕，調(diào)整后的原材料密度會(huì)有5%—10%的增加制件減重將達(dá)到10至20%左右；（2）能耗更低，由于制件生產(chǎn)和加工的物料量減少，運(yùn)輸能耗也降低，塑料制件成型過程的降溫和升溫所需的能耗也必然降低；（3）成型周期短，制件壁厚減薄，注塑過程易于實(shí)現(xiàn)快速填充，產(chǎn)品成型周期短，冷卻降溫時(shí)間縮短，提高注塑生產(chǎn)節(jié)拍，降低了制造成本，生產(chǎn)節(jié)拍在40-50s[3]；（4）收縮率小，薄壁制件后收縮小，有利于制件與車身的匹配以及生產(chǎn)過程中的尺寸質(zhì)量控制。相同材料的情況下，制件越薄收縮率越小，有利于產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性；（5）同質(zhì)化進(jìn)程加快，薄壁設(shè)計(jì)加快了零件選材的同質(zhì)化進(jìn)程，薄壁設(shè)計(jì)選用的材料在性能和加工方面是較為卓越的，其性能往往能夠涵蓋以往的多個(gè)材料標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)整又將擴(kuò)大薄壁化零件的設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍。

1.5 薄壁化保險(xiǎn)杠對(duì)材料的性能要求

材料性能要求“三高三低”，即高沖擊性、高流動(dòng)性、高剛性和低收縮率、低膨脹系數(shù)、低 VOC（材料及油漆中揮發(fā)性有機(jī)化合物）

1.6 薄壁化保險(xiǎn)杠配方選材的注意事項(xiàng)

薄壁化材料配方選材（如圖1）。

圖1 配方選材

薄壁化需要對(duì)應(yīng)提高剛度（強(qiáng)度，模量等），工藝上需要提高流動(dòng)速度，快速充模，需提高熔指（流長），材料選擇需要注意環(huán)保性能，注意散發(fā)，控制蒸發(fā)排放.(添加物質(zhì)需符合ELV及ROHS)。

2 薄壁化保險(xiǎn)杠產(chǎn)品設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 壁厚和加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)

（1）薄壁化的保險(xiǎn)杠應(yīng)壁厚均勻、厚薄適當(dāng)且不應(yīng)有突變，厚薄不同的部位應(yīng)逐漸過渡（如圖2）。

（2）加強(qiáng)筋和制品壁的連接處及端部，都應(yīng)用圓弧相連，以防止應(yīng)力集中而影響制品質(zhì)量。設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋應(yīng)注意掌握以下幾點(diǎn)：

①筋位厚度應(yīng)小于制品厚度的1/3左右，以免產(chǎn)生縮痕。

②高度不宜過大，否則會(huì)使筋部受力破壞。

③設(shè)置方向應(yīng)與槽內(nèi)料流方向一致，以免由于料流的干擾而損害制品的質(zhì)量。

④多條加強(qiáng)筋要分布得當(dāng)，排列應(yīng)互相錯(cuò)開，以減少收縮不勻而引起破壞。

⑤不應(yīng)設(shè)置在大面積制品的中央部位，如非設(shè)置在中央不可時(shí)，則應(yīng)在其相對(duì)應(yīng)的外表面上加設(shè)槽溝，以免消除可能產(chǎn)生的流紋。

圖2 壁厚診斷

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

薄壁化的保險(xiǎn)杠應(yīng)壁厚均勻、厚薄適當(dāng)且不應(yīng)有突變，厚薄不同的部位應(yīng)逐漸過渡，防止產(chǎn)品因膠位突變導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)縮痕、收縮不均勻而導(dǎo)致產(chǎn)品變形（如圖3）。對(duì)于保險(xiǎn)杠的薄壁化設(shè)計(jì)不論內(nèi)、外表面的轉(zhuǎn)折處均應(yīng)設(shè)計(jì)成圓角，這樣不但機(jī)械強(qiáng)度高，外觀漂亮，塑料在型腔里流動(dòng)也比較容易。否則，保險(xiǎn)杠在使用時(shí)夾角處易受壓而破壞，成型冷卻時(shí)易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂紋（如圖4）。

圖3 壁厚要求

圖4 壁厚填充

3 薄壁化保險(xiǎn)杠模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 進(jìn)膠點(diǎn)排位設(shè)計(jì)

由于保險(xiǎn)杠的壁厚減薄，由普遍使用的 3mm，薄壁化設(shè)計(jì)為 2.5mm。對(duì)原材料在模具內(nèi)的流動(dòng)產(chǎn)生很大的影響。原材料的流動(dòng)距離和單個(gè)熱流道噴嘴的進(jìn)膠量都會(huì)受到嚴(yán)重影響。因此在模流分析中的點(diǎn)位排布非常重要，產(chǎn)品是否能夠完整填充就取決于熱嘴的布置（如圖5，6）。

圖5 進(jìn)膠點(diǎn)布置

圖6 等值曲線

3.2 澆口形式設(shè)計(jì)

對(duì)于薄壁化的保險(xiǎn)杠，澆口形式的設(shè)計(jì)會(huì)影響產(chǎn)品的填充和產(chǎn)品的表面質(zhì)量。由于澆口較小，高速的熔融塑料在通過澆口時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大剪切力，使產(chǎn)品二次加熱，提高塑料材料問題，從而能夠增加流動(dòng)距離。如果設(shè)計(jì)的澆口過小，會(huì)使進(jìn)膠量減少，也會(huì)產(chǎn)生無法填充飽和的問題（如圖7）。

圖7 膠口尺寸

3.3 過度壁厚設(shè)計(jì)

對(duì)于薄壁化的保險(xiǎn)杠，在有翻遍和安裝結(jié)構(gòu)的位置做均勻壁厚的防縮結(jié)構(gòu)（如圖8）；或者適當(dāng)增加壁厚，并且與主壁厚做好過度，防止出現(xiàn)縮痕表面缺陷（如圖9）。

圖8 減膠設(shè)計(jì)

圖9 增加壁厚

3.4 頂出設(shè)計(jì)

對(duì)于薄壁化的保險(xiǎn)杠，由于壁厚減薄，產(chǎn)品的表面強(qiáng)度降低，而且保險(xiǎn)杠的整體強(qiáng)度降低，在頂出設(shè)計(jì)要考慮頂出結(jié)構(gòu)的頂出面積和整個(gè)產(chǎn)品的平衡頂出。頂出設(shè)計(jì)全部應(yīng)用頂塊（如圖 10），用于保證頂出面積。同時(shí)零件頂出左右和上下保持平衡，避免頂出變形和劃傷。

圖10 頂出設(shè)計(jì)

3 薄壁化保險(xiǎn)杠應(yīng)用規(guī)劃

薄壁化保險(xiǎn)杠計(jì)劃按照以下階段分步驟進(jìn)行：第一階段：在2017年實(shí)現(xiàn)采用薄壁化材料使保險(xiǎn)杠壁厚由2.8mm降至2.5mm，在滿足性能目標(biāo)的前提下，維持單件成本基本不變，實(shí)現(xiàn)減重8%-10%的輕量化目標(biāo)；第二階段：在2020年實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)杠壁厚在2.5mm以下，實(shí)現(xiàn)低密度薄壁化材料的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)減重12%的輕量化目標(biāo)；至2025年實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)杠壁厚在2.0mm，實(shí)現(xiàn)減重15%-20%的輕量化目標(biāo)。

4 結(jié)束語

通過分析總結(jié)薄壁化材料性能要求和薄壁化保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)和模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)，從而保證薄壁化保險(xiǎn)杠滿足基本性能要求及良好的外觀質(zhì)量。汽車保險(xiǎn)杠采用薄壁化材料進(jìn)行薄壁化設(shè)計(jì)是材料輕量化與結(jié)構(gòu)輕量化結(jié)合的產(chǎn)物，為整車減重的實(shí)現(xiàn)提供了有效路徑。

[1] 卡爾松,運(yùn)動(dòng)休閑2014年第 5期[J],環(huán)保減排從輕量化開始,100-102,2004.

[2] 羅忠富,黃達(dá),李永華.汽車保險(xiǎn)杠用聚丙烯材料的研究開發(fā)進(jìn)展[J].塑料工業(yè),2009, 37(a02):4-6.

[3] 王鎮(zhèn)江,何造,龔世海,等. 汽車塑料保險(xiǎn)杠的薄壁化技術(shù)[J].汽車實(shí)用技術(shù), 2017(4):51-53.