一款SUV塑料后防撞梁設計方法

鄭明敏

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心車身電子研究院，安徽 合肥 230601）

引言

汽車后防撞梁采用以塑料代替傳統金屬的方式進行減重是汽車降重的一個重要手段。塑料后防撞梁以塑料產品代替傳統的金屬產品，降重效果明顯、實現整車輕量化；且塑料后防撞梁的材料可回收利用，生產過程中低排放、低能耗的優勢[1]；塑料后防撞梁無需進行表面處理、耐腐蝕性能優于傳統金屬產品。

本文主要研究一款SUV用GMT[2]材料后防撞梁設計分析，詳細說明塑料后防撞梁的開發過程，該款塑料后防撞梁在確保產品綜合性能指標滿足設計要求的前提下有效實現減重目標，滿足整車使用要求。

1 塑料后防撞梁設計

1.1 一般設計流程

一般情況下汽車后防撞梁都是需要結合整車碰撞要求重新開發，后防撞梁位置要與碰撞器重疊。后防撞梁的一般開發流程如圖1所示：

圖1 后防撞梁一般設計流程

塑料后防撞梁設計要點：根據布置的碰撞器的高度，布置防撞梁位置，需滿足以下約束條件。

1）與車身后圍鈑金在Y0處最小間隙（X向）≥50mm；

2）Z向有效高度（塑料后防撞梁與碰撞器重疊處于，翻邊除外）≥80mm；

3）X向有效寬度≥35mm；

4）與設計載荷、空載兩個位置的碰撞器有效重疊區域內Z向重疊尺寸≥40mm；

5）兩端在不影響碰撞的前提下 Z向上盡量避免與后霧燈重疊，如有重疊，重疊部分X向間隙要求≥40mm。

1.2 塑料后防撞梁材料

塑料后防撞梁選用材料時一般要求在較寬的溫度范圍內剛性高、抗沖擊性能好；尺寸穩定性好；成型方便。目前塑料后防撞梁材料一般選用玻璃纖維增強和工程塑料合成的復合材料，俗稱玻璃鋼（GMT），GMT材料在滿足一般要求的同時具有質量輕、拉伸強度高、抗疲勞性能好等優點[3]。GMT材料主要性能如表1所示。

表1 GMT材料性能表

1.3 零部件裝配設計

以下內容應該在塑料后防撞梁裝配設計中被充分考慮：裝配順序，工具可達性，維修方便，緊固點可靠，緊固力矩合理。

后保險杠固定支架通過防撞梁本體上的加強筋限位，通過自攻螺釘與防撞梁本體連接在一起。

1）定位銷內嵌在防撞梁本體模具內與防撞梁本體之間模壓一體成型固定在一起。

2）塑料后防撞梁與車身連接結構，一般通過本體上定位銷定位，再通過6個M8的螺栓把塑料后防撞梁兩側與車身后圍鈑金上的凸焊螺母連接。

1.4 塑料后防撞梁的環境條件

塑料后防撞梁安裝在車身的尾部，距離排氣管比較近，因此塑料后防撞梁應耐得住嚴苛的環境條件要求。一般環境要求如表2所示。

表2 環境要求

1.5 塑料后防撞梁的強度要求

塑料后防撞梁設計需要在車型設計載荷及空載狀態下滿足塑料后防撞梁正碰、偏置碰時侵入量≤141.4mm，偏移量≤70.3mm，拉伸強度≤260MPa；角碰時侵入量≤144.1mm，偏移量≤70.3mm，拉伸強度≤260MPa。

2 一款SUV塑料后防撞梁設計

2.1 塑料后防撞梁結構設計

依據前述零部件設計要求對各需要集成的零部件安裝結構進行詳細設計。包括定位銷、后保險杠安裝支架等安裝固定方式，及相應緊固扭力要求。塑料后防撞梁采用 GMT材料模壓成型，結構數模如圖2所示。

圖2 塑料后防撞梁數模（基于CATIA創建)

2.1.1 塑料后防撞梁框架布置

在車型 CAS中將設計載荷及空載兩種狀態低速碰碰撞器的位置布置好。根據布置的碰撞器的高度布置塑料后防撞梁的位置及尺寸。

布置好的塑料后防撞梁設計要點檢查，同時符合前文的5個約束條件。

完成塑料后防撞梁位置布置后數據發總布置及相關分組檢查，及時修改反饋回來的問題。

2.1.2 塑料后防撞梁3D數模設計

完整塑料后防撞梁數模如上面圖2所示。此款塑料后防撞梁包括：1）后保險杠防撞梁本體，重量2.2kg，材料GMT，料厚 5mm；2）后保險杠固定支架 1/2/3，各 0.1kg，材料PP+GF30，料厚 3mm；3）定位銷，2個，材料 HC340，各0.01kg。此款塑料后防撞梁重量總計2.52kg。

2.2 塑料后防撞梁CAE分析

對塑料后防撞梁 3D數模剛度進行 CAE模擬的計算分析。下面主要針對設計載荷及空載兩種狀態低速碰中正碰、偏置碰及角碰（如圖73所示）進行了塑料后防撞梁CAE強度分析舉例，其他不再贅述。

圖3 低速碰位置示意

此款SUV CAE分析模型如圖4所示。

圖4 車型低速碰CAE分析模型

在設計載荷狀態及空載狀態下分析結果如表3 所示。

表3 塑料后防撞梁CAE分析結果

兩種工況下，CAE分析結果都能滿足設計要求，所以塑料后防撞梁數據檢查中空載位置的碰撞器有效重疊區域內 Z向重疊尺寸不滿足要求的問題不做整改。

2.3 塑料后防撞梁模具件測試驗證

塑料后防撞梁模具完成加工后，對其剛度進行試驗測試。下面主要列舉了設計載荷下正碰及空載狀態下角碰的試驗結果，其他項目不再一一列舉。

設計載荷下正碰測試結果：

擺錘重量：1690kg 85%的整備質量：1437.5kg

臺架質量：1690kg+300kg（3人）

85%的整備質量：1691.5kg

速度4kph正碰時，侵入量67mm，偏移量35.2mm，碰撞后保險杠及塑料后防撞梁碰撞部分無損壞。

空載狀態下角碰

測試結果：

擺錘重量：1690kg 85%的整備質量：1437.5kg

臺架質量：1690kg（3人）85%的整備質量：1437.5kg

速度2.5kph正碰時，侵入量60.8mm，碰撞后保險杠及塑料后防撞梁碰撞部分無損壞。

所有測試項目完成后對零部件進行拆解檢測，碰撞試驗全部完成后后保險杠及塑料后防撞梁碰撞部分無損壞。

3 結論

采用塑料后防撞梁，可滿足此款SUV整車碰撞要求，塑料后防撞梁采用模壓一體成型，結構簡單，提高生產效率，減少了廠家生產線工序，工廠系統和人工成本降低，同時后防撞梁模具的投入成本也降低，通過系統設計及CAE強度分析，可以進一步優化結構強度，達到減重降成本的目的。

[1] 張軍.汽車防撞梁GMT熱壓成型模[J].模具制造,2015.1.

[2] 徐軍.玻璃纖維增強塑料防撞梁的低速碰撞性能研究[J].上海汽車,2014.11.

[3] 劉道春.車用玻璃纖維增強塑料及其應用[J].上海塑料,29-33.