皮卡塑料后保險杠設(shè)計與應(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）

皮卡塑料后保險杠設(shè)計與應(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主流皮卡后保險杠的分類、特點，以及發(fā)展趨勢，并且介紹了塑料本體后保險杠相對其他材質(zhì)的保險杠的優(yōu)勢。文章重點從人機工程要求上，詳細(xì)介紹了皮卡后保險杠的開發(fā)過程中，保險杠踏步離地高度，踏步寬度的設(shè)計依據(jù)及設(shè)計要點，并對后保險杠踏步的防滑性做了詳細(xì)的要求。同時基于安全性考慮，對保險杠承載強度進(jìn)行了詳細(xì)的CAE分析驗證。

皮卡；后保險杠；踏步；人機工程；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，同時帶有敞開式貨箱的車型，其特點是既擁有普通乘用車的駕乘舒適性又不失越野SUV的動力強勁，且相較轎車具有更優(yōu)越的載貨性能和適應(yīng)不良路面的更強的性能。皮卡后保險杠，首先作為一個裝飾件，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。同時在皮卡這類特殊車型，后保險杠本身需作為使用人員上下皮卡貨箱的蹬車踩踏裝置，需在后保險杠上增加踏步防滑墊，滿足客戶（搬運一定重量貨物）蹬踏上下貨箱的需求。因此皮卡后保險杠設(shè)計的好壞與人的蹬車安全性、踩踏方便性強相關(guān)。皮卡后保險杠設(shè)計必須以適應(yīng)人的多種需求為出發(fā)點，充分考慮人機工程學(xué)，給顧客提供一個美觀，蹬車方便、舒適、安全可靠的后保險杠。

1、皮卡后保險杠分類

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

金屬后保險杠，指的是皮卡后保險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骨架，金屬后保險杠外觀大氣美觀、強度高、承受力強，給人以結(jié)實可靠的感覺。但由于受鈑金的成型工藝限制，金屬后保險杠本體無法制作較復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)。

圖1 皮卡后保險杠分類示意圖

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

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

1.1 皮卡后保險杠的發(fā)展趨勢

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

隨著國家對汽車節(jié)能、減排要求的進(jìn)一步提高及中國汽車產(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，塑料后保險杠相對金屬后保險杠減重超過30%，塑料材質(zhì)的皮卡后保險杠占有率已越來越大。

2、塑料皮卡后保險杠設(shè)計開發(fā)

皮卡后保險杠設(shè)計開發(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)計不僅需要考慮后保險杠本身的安裝，同時需要充分考慮蹬車時的人機工程方便性。

2.1 塑料后保險杠組成

如下圖2所示，塑料后保險杠主要包括1個PP工程塑料注塑而成的保險杠本體，1個金屬沖壓、焊接而成的后保險杠骨架總成，以及3個PP工程塑料注塑而成的踏步裝飾件組成。

圖2 后保險杠組成示意圖

2.2 后保險杠布置設(shè)計

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

2.2.1 蹬車方便性設(shè)計

后保險杠踏步高度布置應(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大、小腿、腳掌，方便蹬踏的基礎(chǔ)上的。后保險杠踩踏區(qū)域若設(shè)計太高，則人員將難以輕松的蹬踏。研究表明，人員蹬車時最舒適的姿勢是上體與大腿間角在90°～115°。

如下圖3所示，通過一個身高為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，后保險杠踏步高度離地面距離約為600mm。即皮卡后保險杠踏步離地高度不高于600mm時，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

后保險杠設(shè)計開發(fā)時不僅要考慮后保險杠踏步離地高度滿足使用者蹬踏的方便性，同時要考慮后保險杠踏步的寬度設(shè)計設(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95%成年男子群體的腳掌長度約為264mm。正常男子腳掌前1/3長度（88mm）為腳趾至趾關(guān)節(jié)處，即平穩(wěn)踩踏著力長度至少大于腳掌1/3長度。基于安全性和乘車方便性，后保險杠踏步踩踏寬度至少大于1/2腳掌長度（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較舒適的蹬車踏步寬度，我們在后保險杠設(shè)計時，對后保險杠寬度設(shè)定了相關(guān)數(shù)值，如下圖4所示，設(shè)計開發(fā)的后保險杠踩踏空間（后保險杠寬度）分別為一級后保險杠踏步踩踏寬度為140mm，其中踏步寬度為114mm，二級保險杠踏步踩踏寬度為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)計開發(fā)后保險杠寬度示意圖

2.3 后保險杠安全性設(shè)計

皮卡后保險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的安全性方便進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。即設(shè)計時要充分考慮皮卡后保險杠踏步是否具有防滑性，后保險杠強度能否承載人員上下貨箱。

2.3.1 踏步防滑性設(shè)計

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

圖5 保險杠踏步防滑特征示意圖

2.3.2 保險杠承載安全性設(shè)計

后保險杠作為乘員上下皮卡貨箱的蹬車踩踏受力機構(gòu)，在使用過程中應(yīng)至少保證能夠承受一個人蹬車踩踏時時的重量，設(shè)計開發(fā)過程中，為了保證皮卡后保險杠具有足夠的承載強度，通常需通過CAE模擬分析，對后保險杠（主要是后保險杠金屬骨架）強度進(jìn)行分析驗證。

進(jìn)行皮卡后保險杠強度CAE設(shè)計分析時，首先需模擬后保險杠安裝狀態(tài)，通過約束車架截斷處、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杠的安裝狀態(tài)。模擬后保險杠安裝后，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杠骨架上、下兩級踏步區(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 后保險杠骨架CAE加載示意圖

后保險杠骨架總成由后保險杠骨架本體、后保險杠左右支架、牌照加強板組成。CAE分析時，要求后保險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 后保險杠骨架加載結(jié)果示意圖

表1 后保險杠骨架加載分析結(jié)果統(tǒng)計

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

3、總結(jié)

文章梳理了皮卡后保險杠的分類及發(fā)展趨勢，并結(jié)合工作中的實際案例詳述了皮卡后保險杠設(shè)計方法及要點。一個良好的皮卡后保險杠的設(shè)計開發(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)，從人機工程布置的角度設(shè)計開發(fā)，體現(xiàn)汽車設(shè)計中的人性化；同時，應(yīng)采用CAE分析手段，對其承載強度進(jìn)行仿真分析輔助設(shè)計，提高承載安全性。

[1]宋賽楠,曹庚振,王霞.聚丙烯塑料的改性研究[J].塑料工業(yè),2011, 39(s1)：57-59.

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[4]李增勇,王成濤.駕駛疲勞與汽車人機工程學(xué)初探[M],機械設(shè)計與制造工程,2001.9.

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