淺談汽車保險杠的設計與開發(fā)

牟洋 柴凱

摘 要：文章通過在實際工作中積累的經(jīng)驗，對汽車保險杠設計開發(fā)過程中涉及的基本原則、選材、設計定位、安裝和注塑工藝進行了探討，希望能夠給予同行業(yè)人員有意義的借鑒。

關鍵詞：汽車保險杠；結構設計；材料；注塑

中圖分類號：U463.8 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）11-0013-02

保險杠不僅是汽車的安全防護裝置，也是其結構造型與裝飾的重要組成部分。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車已成為居民生活中的一個重要代步工具，車身的整體造型、風阻系數(shù)等影響汽車裝飾與功能的因素，被作為車輛購置的重要參考條件。在汽車結構的設計過程中，保險杠作為整車的一個重要組成部分，掌握其設計與開發(fā)的理念和方法，很有必要。

1 保險杠設計與開發(fā)的基本原則

安全性要求。當車輛發(fā)生碰撞時，保險杠要起到一定的緩沖和吸能的作用，保護被撞行人、乘客的安全，降低撞擊給車輛造成的破壞；保險杠的外型、質(zhì)感和色彩要與整車的結構相協(xié)調(diào)，渾然一體并突出車輛的造型風格；考慮空氣動力性能。保險杠的結構設計要考慮空氣動力學，改善整車的流暢性，降低油耗；保險杠的結構設計要充分考慮其日后的安裝與維護。

2 保險杠的設計開發(fā)流程

保險杠的設計開發(fā)流程，如圖1所示。

3 保險杠各階段要求及校核

3.1 可行性分析

在設計初期，要先確定各個零部件的材料類型、大致結構、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）。與競品車對比，借鑒合理結構，為了實現(xiàn)整車輕量化，設立質(zhì)量目標。通過上述分析形成對保險杠系統(tǒng)的設計目標，實現(xiàn)部門平臺化、標準化的規(guī)劃。

3.2 概念確認

對CAS進行工程反饋分析，確認是否可以實現(xiàn)造型的要求。包括如下項目：

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

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

③拖鉤堵蓋布置分析，牽引鉤在防撞梁部位時，需要確認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輪胎包絡線校核，輪胎包絡線（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，與保險杠面罩間隙最小25 mm；

⑤結構空間分析，各個位置結構空間參考典型斷面進行分析，只要大于做結構的最小空間就沒問題；

⑥外飾零部件相關法規(guī)分析，降低車輛低速刮碰時對人的損害程度。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，保險杠有時會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行處理；

⑧裝配工藝性校核，對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行安裝過程及模擬分析，制作快速樣件驗證安裝工藝性及結構可行性。

4 保險杠工程設計的注意事項

4.1 材料選擇

現(xiàn)在汽車的保險杠通常采用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，將來會有新材料的使用。

4.2 拔模角度設計

保險杠注塑件的結構設計均應設置拔模角度，其角度的大小要與保險杠的材料收縮率、形狀、型芯長度、高度及壁厚相關，光面的拔模角度應≥3 °，紋理面應≥7 °，如果設置的拔模角度對構件的裝配質(zhì)量不構成影響，則拔模角度盡可能的取大值。

4.3 確定保險杠的厚度

保險杠的厚度應考慮車輛的性能要求，包括對保險杠的強度、尺寸、穩(wěn)定性、裝配、制造工藝等，在綜合分析并保證車輛運行安全的情況下最終確定，通常保險杠的蒙皮厚度應為2～3.5 mm。保險杠的料厚分布要均勻，厚薄位置的變化要逐漸過渡，同時厚薄的變化量不可超過料厚設計值的50%。為了減重，會出現(xiàn)薄壁化的趨勢要求。

4.4 圓角的處理

保險杠的轉折處要設置圓角，一方面可以增強保險杠的機械強度并美化外觀，另一方面在注塑時，能夠降低塑料在模具腔里的流動阻力和成型后產(chǎn)生內(nèi)應力和裂紋的機率。保險杠過渡圓角應合理選擇（圓角半徑R，保險杠厚度T）。

試驗表明，當R/T>0.8時，圓角處的應力集中將會減小，當R/T<0.3 時，圓角處的應力集中將會顯著增加。

4.5 裝配孔、翻邊、加強筋的設計

設置在保險杠上的裝配孔不得位于降低制品強度的位置，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；保險杠的加強筋不可設置在大面積的中間部位，當需設置多條加強筋時，要分布均勻，其與主體連接的根部，要做圓弧處理，以防應力集中。考慮到注塑工藝的要求，加強筋的設置方向要與模具槽內(nèi)的料流方向一致，以免影響保險杠的注塑質(zhì)量。

5 保險杠的工程設計

5.1 保險杠的設計定位

保險杠的主定位方法通常采用2個X、1個Y和3個Z，輔助定位則根據(jù)結構型式，在X、Y和Z 方向上，布置不同數(shù)量的定位結構。為了獲取明顯定位效果，定位點一般設定在與環(huán)境件對應的貼合面，并與X、Y、Z 相對平行或垂直，定位結構和對應的環(huán)境結構的間隙通常≤0.2 mm，每150 mm處設置一個定位點。

5.1.1 前保險杠的設計定位

前保險杠的X、Z向的主定位結構，通常設置在中間上部與車身搭接處或兩側與翼子板搭接處，輔助定位設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稱布置在兩側的Y向定位對中組合而成。

5.1.2 后保險杠的設計定位

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

5.2 保險杠與車身結構件的安裝設計

5.2.1 前保險杠的安裝設計

增設緊固點或強化保險杠與大燈配合處的邊緣結構，以確保前保險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件的連接緊固點應設置6～8處，以確保前保險杠與車身安裝牢固；前保險杠中間上部與車身的連接點一般設置6處，以滿足其與機罩蓋的間隙面差和裝配效果；前保險杠的兩側端部應通過側支架與車身緊固，再將蒙皮卡接在塑料側支架上，或先將保險杠蒙皮與金屬側支架緊固，再通過螺栓整體與車身連接。

5.2.2 后保險杠的安裝設計

尾燈處的后保險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一般設置2處。后保險杠與后行李廂蓋的設計間隙通常為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，后保險杠的蒙皮翻邊通過4個卡接點與金屬中支架相連。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個卡接點卡接在塑料中支架上；后保險杠與側圍的對接也可以采用塑料或金屬支架。采用螺栓先將側塑料支架固定于后側圍鈑金件上，再將后保險杠后側圍處的蒙皮翻邊并卡接在側支架上。金屬側支架的連接則與前保險杠的連接方式相同；后保險杠蒙皮下端與車身其他部件連接的翻邊，要設置6～10個緊固點，以保障后保險杠與車身安裝后，牢固且美觀。

5.3 保險杠的內(nèi)部結構設計

前保險杠的內(nèi)部結構設計，要先考慮格柵、裝飾條、脫鉤蓋等的安裝位置，以及與前保險杠蒙皮的安裝方式。上、下格柵的長、寬和裝配結構等是設計的重點，在X軸方向上，通風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。

后保險杠的內(nèi)部結構設計主要應考慮雷達、回復反射器、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杠軟化。倒車雷達可以采用粘接、焊接或卡接的方法將雷達支架固定在蒙皮上。回復反射器（后霧燈）、脫鉤蓋、緩沖塊、裝飾條等與前保險杠的部件設計方法相同。

6 結 語

汽車整車的設計開發(fā)是一個復雜的系統(tǒng)工程，需要各部門系統(tǒng)的協(xié)作配合。外飾的設計開發(fā)是其中的一部分，而保險杠的設計開發(fā)是外飾的最重要組成部分。在現(xiàn)階段，汽車行業(yè)競爭日趨激烈，作為一名外飾設計工程師，在進行汽車保險杠結構設計開發(fā)時，不僅要了解整車開發(fā)流程，更應該熟悉產(chǎn)品的設計開發(fā)。懂得結構設計、模具開發(fā)、檢具開發(fā)、設計驗證等等。成為一名合格的設計工程師，造出高品質(zhì)汽車，是我們的責任，任重道遠。

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