汽車輕量化之保險(xiǎn)杠

劉立濤 趙志剛 劉宏萱

國機(jī)智駿汽車有限公司 江西省贛州市 341000

1 概述

在石油日益短缺的當(dāng)今時(shí)代，我國面臨巨大的環(huán)境問題，汽車作為重要的石油消耗工具，通過降低車身質(zhì)量，在減少能源消耗的同時(shí)對(duì)于保護(hù)環(huán)境有積極作用。通過安裝綜合性能良好的保險(xiǎn)杠，對(duì)降低安全事故、保障駕駛員和乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全，從而提升汽車行使的安全性。因此，在汽車保險(xiǎn)杠的選材上，要滿足質(zhì)量輕、防撞擊性能好的要求。

輕量化技術(shù)主要有三種方法，及輕量化材料應(yīng)用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和先進(jìn)的制造工藝。其中材料替換的研究重點(diǎn)是碳纖維復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是薄壁化技術(shù)和仿生學(xué)設(shè)計(jì)，先進(jìn)的制造技術(shù)是注射成型和壓制成型技術(shù)。

保險(xiǎn)杠是由外板（fascia）、緩沖材料（energyabsorber）和橫梁（thebumperbeam）等三部分組成。外板和緩沖材料用塑料制成，橫梁用厚度為1.5毫米左右的冷軋薄板沖壓而成U型槽；汽車行業(yè)中，保險(xiǎn)杠輕量化設(shè)計(jì)中，需要滿足能量吸收能力（energyabsorptionability）和結(jié)構(gòu)耐撞性（structuralcrashworthiness）。在以不犧牲安全性為前提的條件下，實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)杠的輕量化。

2 保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

2.1 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)薄壁化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

零斷差，尺寸穩(wěn)定，油漆性好，制品厚度2～3mm，目前高爾夫、奧迪等車型上都采用了薄壁化技術(shù)。薄壁化技術(shù)不僅能重量減輕，能耗降低，而且生產(chǎn)周期短，收縮率低，同質(zhì)化進(jìn)程快等特點(diǎn)。薄壁化設(shè)計(jì)要點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

（1）壁厚與加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)；薄壁化的保險(xiǎn)杠應(yīng)壁厚均勻、厚薄適當(dāng)且小應(yīng)有突變，厚薄小同的部位應(yīng)逐漸過渡。

（2）加強(qiáng)筋和制品壁的連接處及端部，都應(yīng)用圓弧相連，以防應(yīng)力集中而影響制品質(zhì)量。主要方式包括以下幾個(gè)方面：

①筋位厚度應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)，通常不大于制品厚度的三分之一。

②高度應(yīng)滿足基本要求，避免筋部產(chǎn)生較大的外力。

③在方向設(shè)置上，應(yīng)盡量與槽內(nèi)料流向保持一致，減少料流對(duì)制品質(zhì)量的影響。

④采用多條加強(qiáng)筋的布置方式，確保排列的科學(xué)性及合理性。

⑤一般而言，在進(jìn)行設(shè)置時(shí)，要盡量避免在中央部位，如果無法避免，應(yīng)根據(jù)外表面加設(shè)相應(yīng)的槽溝，避免出現(xiàn)流紋。

2.2 仿生學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2．2．1 吸能盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Song[7，8]等通過以竹子為生物原型，基于宏觀直徑、壁厚以及節(jié)間距表現(xiàn)的梯度分布規(guī)律，設(shè)計(jì)了1種仿生變壁厚薄壁吸能盒結(jié)構(gòu)、3種仿生橫梁和3種仿生截面橫梁。與普通吸能盒相比，比吸能提高了6.2%，峰值載荷降低了28.23%，壓潰力效率增加了7.48%，質(zhì)量減少了19.3%?；谥癫牡膹澢囼?yàn)，仿真橫梁耐撞性優(yōu)于普通橫梁。Fu等設(shè)計(jì)了六種新型仿生竹筒結(jié)構(gòu)（newbionic bamboo tube，BBT）的吸能盒，主要是肋形狀和肋數(shù)量的不同。肋厚度、肋角度及中心距離是影響B(tài)BT結(jié)構(gòu)耐撞性的主要因素，優(yōu)化后的BBT結(jié)構(gòu)，可以提高6.84%的最大比能量吸收（maximize specific energy absorption，SEA）。XU等以竹子和香蒲為生物原型，設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)的仿真保險(xiǎn)杠吸能盒，B-B型和B-CB&B型，其中B-CB&B型的擠壓變形降低了33.33%，總重量降低了44.44%，耐撞性顯著提高。

圖1 （a）傳統(tǒng)的平行筋模型；（b）網(wǎng)狀筋仿生模型

2．2．2 橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Zhao[11]根據(jù)荷葉莖稈和仙人掌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的龍門橫梁結(jié)構(gòu)，其承載能力較傳統(tǒng)橫梁有很大提升，比剛度提高了17.36%，重量減輕了3.31%，見圖1。

3 保險(xiǎn)杠材料輕量化設(shè)計(jì)

汽車保險(xiǎn)杠領(lǐng)域，碳纖維材料的組成中，通常碳元素的含量在90%以上，這樣形成的碳纖維材料具有密度低、強(qiáng)度高的優(yōu)勢，通常密度為鋼材的五分之一，其強(qiáng)度可以達(dá)到鋼材強(qiáng)度的十幾倍。在碳纖維復(fù)合材料中，通過在碳纖維加入塑料基體，然后通過一定的成型方式，從而形成更加優(yōu)質(zhì)的復(fù)合材料，CFRP質(zhì)量較輕，而且具有較強(qiáng)吸收能量的能力，可以當(dāng)成結(jié)構(gòu)材料來使用，在大型零件制作時(shí)可以一次成型，對(duì)提升零件的成型效果有很大幫助。

王慶等設(shè)計(jì)了一種整體式碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料保險(xiǎn)杠，并采用拉丁超立方采樣、Kriging近似建模技術(shù)與遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化求解。結(jié)果表明，優(yōu)化后的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料保險(xiǎn)杠能夠滿足耐撞性要求，并達(dá)到減重36.4%的輕量化效果。

4 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)輕量化制造工藝

4.1 注射成型

在當(dāng)前階段汽車保險(xiǎn)杠應(yīng)用中，注射成型是常見的成型方式，注重方法的優(yōu)點(diǎn)是精度較高，同時(shí)生產(chǎn)速度快、自動(dòng)化程度高，具有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)自由度，但是在制作的過程中容易出現(xiàn)變形的情況。在汽車保險(xiǎn)杠生產(chǎn)過程中，注射成型主要有兩種，分別是反應(yīng)注塑成型和氣體輔助注射成型。反應(yīng)注塑成型主要將多種反應(yīng)活性較強(qiáng)的材料進(jìn)行混合，逐漸形成交聯(lián)固化反應(yīng)，在成型的時(shí)候通過增強(qiáng)樹脂的韌性，同時(shí)在模具中留好氣孔，可以有效排出成型中產(chǎn)生的氣泡。 氣體輔助注射成型由四個(gè)階段組成，即熔體預(yù)充填、氣體注射、氣體保壓、氣體排出頂出制件，從優(yōu)點(diǎn)來看，這種成型方式可以大幅節(jié)約材料和成本，降低注射壓力，同時(shí)有效提升構(gòu)件的質(zhì)量；從缺點(diǎn)來看，在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮氣道的位置，通過合理增設(shè)輔助裝備，在一定程度上增加了設(shè)計(jì)的難度，前提投入較多。

4.2 壓制成型

壓制工藝主要用于生產(chǎn)纖維增強(qiáng)塑料部件。生產(chǎn)部件時(shí)可以使用機(jī)械壓力或液壓壓力，以及兩件或者多件組成的模具。為了縮短周期，通常在模具之外對(duì)材料進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱方式有高頻預(yù)熱，微波預(yù)熱，紅外預(yù)熱，爐具加熱或摩擦生熱。在螺桿機(jī)組中，模塑材料與注塑成型時(shí)的相同，并在旋轉(zhuǎn)螺桿的作用下被塑化，然后由作為活塞用的螺桿送入壓模，其工藝流程見圖2。

圖2 壓制成型工藝流程

5 總結(jié)

汽車保險(xiǎn)杠的輕量化發(fā)展，目前主要是通過保險(xiǎn)杠的薄壁化來實(shí)現(xiàn)減輕重量，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用前景廣闊，盡管成本高，但是性能優(yōu)異。仿生學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以動(dòng)植物結(jié)構(gòu)為模型，可以提高保險(xiǎn)杠的吸能性，并降低重量。保險(xiǎn)杠主要采用注塑成型和壓制成型工藝。綜上所述，汽車輕量化是發(fā)展的必然趨勢，對(duì)解決環(huán)境污染意義重大。降低車身重量，減少能源消耗，是構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)發(fā)展的需要。