方文輝

Fang Wenhui

（北京現(xiàn)代汽車有限公司技術(shù)中心，北京 101300）

0 引 言

汽車保險(xiǎn)杠集安全性、功能性和裝飾性于一身，屬于法規(guī)安全件。因此，保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)有著較嚴(yán)格外部約束條件和復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系，在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，會遇到諸多制約因素，文中結(jié)合一些有參考價(jià)值的詳細(xì)結(jié)構(gòu)實(shí)例對保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)探討。

1 保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行汽車保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)和開發(fā)的過程中，應(yīng)遵循以下原則。

1）安全性能。在車輛發(fā)生碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠可以起到緩沖吸能作用，減少撞擊對車輛造成的影響，保護(hù)乘客的安全；減少行人在被車輛碰撞時(shí)所受到的傷害，起到行人保護(hù)作用。

2）提高車輛空氣動力性能。通過改變空氣流動方向，有效改善整車流暢性，降低整車油耗。

3）在外型、色彩和質(zhì)感上要與整車造型協(xié)調(diào)一致，渾然一體，體現(xiàn)整車造型風(fēng)格。

4）便于安裝和維修，符合人機(jī)工程。

2 保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)流程

保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)流程是指從項(xiàng)目啟動開始到保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)驗(yàn)證完成的整個(gè)過程。根據(jù)具體工作任務(wù)不同，通常分為模型階段、CAS階段、A面階段、工程設(shè)計(jì)階段和驗(yàn)證階段等。具體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

在整車選擇主題節(jié)點(diǎn)后，進(jìn)入具體設(shè)計(jì)階段，相對應(yīng)的保險(xiǎn)杠A面凍結(jié)，開始進(jìn)行保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先考慮保險(xiǎn)杠與其他車身部件的搭接配合關(guān)系和定位限位關(guān)系，進(jìn)行具體的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其次進(jìn)行保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的本體設(shè)計(jì)。

3 保險(xiǎn)杠選材

3.1 選材原則

正確選擇保險(xiǎn)杠材料須滿足以下 3個(gè)方面的要求：

1）材料認(rèn)可要求和功能認(rèn)可要求；

2）良好注塑、噴涂和鍍鉻工藝要求；

3）滿足性能條件下的成本最優(yōu)化要求。

3.2 選材方法

掌握保險(xiǎn)杠組件常態(tài)使用時(shí)應(yīng)具備的全部性能指標(biāo)，盡可能定量化。對于這些零部件的不同類別有對應(yīng)的不同材料要求。對于保險(xiǎn)杠本體材料，務(wù)必保證其彈性和韌性。對于可視的非油漆件，制造過程不應(yīng)更改材料的初始特性，尤其是顏色牢固度、耐光線性能和耐惡劣天氣性能。

一般保險(xiǎn)杠蒙皮材料為 PP+EPDM-Tx%，其中 PP為基體，EPDM 提高彈性，Tx%主要是提高剛度。保險(xiǎn)杠采用的改性聚丙烯的基本特性見表1。鍍鉻件材料一般采用ABS，基本特性見表2。

表1 保險(xiǎn)杠用改性聚丙烯的基本特性

表2 保險(xiǎn)杠用ABS材料的基本特性

4 保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)形式的確定

保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)型式應(yīng)按造型的復(fù)雜程度，車輛的級別、配置要求和空間位置等條件綜合確定，另外還應(yīng)結(jié)合工藝對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制進(jìn)行考慮。前保的主要結(jié)構(gòu)組成及對應(yīng)功能說明見表3，后保的主要結(jié)構(gòu)組成及對應(yīng)功能說明見表4。

表3 前保主要結(jié)構(gòu)組成表

表4 后保主要結(jié)構(gòu)組成表

4.2 保險(xiǎn)杠定位設(shè)計(jì)

保險(xiǎn)杠通常采用3個(gè)Z，2個(gè)X，1個(gè)Y的主定位方式，輔助定位隨結(jié)構(gòu)的不同，在X、Y、Z方向上布置的定位結(jié)構(gòu)數(shù)量不同。定位點(diǎn)結(jié)構(gòu)位置通常選擇在可以設(shè)計(jì)出有明顯定位效果的位置，即與環(huán)境件對應(yīng)貼合面，與X、Y、Z相對垂直或平行。定位結(jié)構(gòu)與對應(yīng)的環(huán)境結(jié)構(gòu)之間的間隙一般設(shè)計(jì)為≤0.2 mm，每間隔150 mm左右布置一個(gè)定位點(diǎn)。定位點(diǎn)位置的選擇，不僅要考慮造型和結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)也要考慮工藝及材料對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。

4.2.1 前保定位設(shè)計(jì)

前保的X向和Z向主定位結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在兩側(cè)與翼子板搭接的位置，或中間上部與車身搭接的位置，輔助定位設(shè)計(jì)在中間上部和下部與車身搭接的位置。Y向主定位通常由兩側(cè)對稱布置的Y向定位對中組合形成，也有設(shè)計(jì)在兩側(cè)與翼子板配合或中間上部的位置。如圖2所示。

4.2.2 后保定位設(shè)計(jì)

后保的Z向主定位結(jié)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在兩側(cè)與后側(cè)圍配合位置，或后保蒙皮中間部位與后保中支架配合的位置。X向主定位結(jié)構(gòu)在兩側(cè)與后側(cè)圍搭接位置。Y向主定位通常在Y=0位置，或兩側(cè)與后側(cè)圍配合處，這時(shí)Y向主定位由兩側(cè)對稱布置的定位組合對中組合形成。如圖3所示。

4.3 保險(xiǎn)杠與相關(guān)車身結(jié)構(gòu)件的關(guān)系

4.3.1 前保安裝設(shè)計(jì)

1）為了保證前保與機(jī)罩蓋的間隙面差及裝配到位后的效果，中間上部與車身部件一般設(shè)計(jì) 6處緊固點(diǎn)。如圖4所示。

2）為了保證前保與前大燈的間隙及安裝效果，可增設(shè)緊固點(diǎn)，或?qū)ΡｋU(xiǎn)杠與大燈配合處的邊緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。加強(qiáng)邊緣有增加加強(qiáng)件和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)2種方式。圖5所示為增設(shè)緊固點(diǎn)，圖6所示為增加加強(qiáng)件，圖7所示為蒙皮與大燈配合位置翻邊，結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。

3）為了保證前保與前翼子板之間的間隙及安裝效果，前保兩側(cè)端部一般通過側(cè)支架與車身緊固，支架形式多樣，最常用的有2種形式。圖8所示，塑料側(cè)支架先與車身通過螺栓緊固，蒙皮緊固在塑料側(cè)支架與車身結(jié)合的結(jié)構(gòu)上。圖9所示，金屬側(cè)支架與保險(xiǎn)杠蒙皮固定在一起，然后通過螺栓固定在車身上。

4）為了保證前保與車身裝配后的整體性和牢固性，蒙皮下部翻邊與車身其他部件共設(shè)計(jì)6～8處緊固點(diǎn)，如圖10所示。

4.3.2 后保安裝設(shè)計(jì)

1）后保中間上部位置，一般采用塑料中支架連接方式或金屬支架連接方式。后保與后行李廂蓋之間一般設(shè)計(jì)間隙為6 mm。圖11所示為塑料中支架連接方式，塑料中支架通過螺栓固定在后圍鈑金件上，后保中間上部蒙皮翻邊卡接在塑料中支架上，一般設(shè)計(jì)有4個(gè)卡接點(diǎn)。圖12所示為金屬支架連接方式，金屬支架焊接在車身上，后保中間上部蒙皮翻邊卡接在金屬中支架上，同樣設(shè)計(jì)約4個(gè)卡接點(diǎn)。

2）后保在尾燈位置，一般采用塑料尾燈支架連接方式或金屬支架連接方式。圖13所示為塑料尾燈支架連接方式，塑料尾燈支架通過螺栓固定在后圍鈑金件上，后保蒙皮位于后尾燈位置翻邊卡接在塑料尾燈支架上，一般設(shè)計(jì)有2個(gè)卡接點(diǎn)。圖14所示為金屬支架連接方式，金屬支架焊接或鉚接在車身上，金屬支架上設(shè)計(jì)有Z向過孔，后保蒙皮位于尾燈位置翻邊卡接在金屬支架上，一般設(shè)計(jì)有2個(gè)卡接孔，且在X向設(shè)計(jì)1個(gè)卡接孔。

3）后保與側(cè)圍對接位置，一般采用塑料側(cè)支架連接方式或金屬支架連接方式。圖15所示為塑料側(cè)支架連接方式，側(cè)支架通過螺栓固定在后側(cè)圍鈑金件上，后保蒙皮位于后側(cè)圍位置翻邊卡接在側(cè)支架上。后保金屬側(cè)支架與前保金屬側(cè)支架的設(shè)計(jì)理念一樣，不再舉例闡述。

4）為了保證后保與車身裝配后的整體性和牢固性，蒙皮下部翻邊與車身其他部件共設(shè)計(jì)6～10處緊固點(diǎn)，如圖16所示。

4.4 保險(xiǎn)杠內(nèi)部組件之間的關(guān)系

4.4.1 前保內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首要考慮的是格柵、霧燈、霧燈裝飾板、裝飾條、脫鉤蓋、大燈清洗蓋、吸能器等組件的位置，及其與前保蒙皮配合達(dá)到要求的安裝方式。

前保上下格柵的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，不僅要考慮到格柵工藝的可行性和法規(guī)要求，還要滿足空氣進(jìn)氣要求，即留出的通風(fēng)孔面積在X正投影方向上，要達(dá)到散熱器面積的 30%左右。因此，格柵格子的長寬尺寸、格柵的尺寸、格柵裝配結(jié)構(gòu)等都是重要設(shè)計(jì)要點(diǎn)。格柵裝配在蒙皮上，通常采用舌片卡扣和螺栓配合使用的方式。格柵上的亮條，多采用卡接或粘接的安裝方式?？墼O(shè)計(jì)時(shí)，不僅要注意卡接方向交錯(cuò)防失效，還要設(shè)計(jì)好卡扣之間的距離，這些因素都關(guān)系到卡扣卡得是否到位。并排卡扣之間的距離一般設(shè)計(jì)在120 mm左右。格柵亮條一定要低于格柵，使亮條分型線不外露保證外觀質(zhì)量，設(shè)計(jì)規(guī)則如圖17。

霧燈與保險(xiǎn)杠的配合設(shè)計(jì)，要滿足霧燈功能要求，如光束范圍和高度。霧燈裝飾板、裝飾條的設(shè)計(jì)理念與格柵的安裝理念一致。脫鉤蓋、大燈清洗蓋盡可能設(shè)計(jì)為上下開啟、且開啟方向一致。吸能器一般通過鋸齒金屬卡片固定在蒙皮上。

4.4.2 后保內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

后保主要考慮后霧燈或反射片、裝飾條、脫鉤蓋、雷達(dá)、吸能器等組件的位置，及其與后保蒙皮配合達(dá)到要求的安裝方式。后霧燈（反射片）、裝飾條、脫鉤蓋、吸能器的設(shè)計(jì)理念與前保對應(yīng)的組件相同，故不作詳細(xì)闡述。后保與排氣管配合區(qū)域周邊至少保證20 mm間隙，避免排氣管溫度過高時(shí)軟化了保險(xiǎn)杠。倒車?yán)走_(dá)通過雷達(dá)支架裝配在蒙皮上，雷達(dá)支架與蒙皮固定的方式分為卡接式、粘接式和焊接式，如圖18所示。

4.5 保險(xiǎn)杠工藝的設(shè)計(jì)

4.5.1 圓角處理

保險(xiǎn)杠轉(zhuǎn)折處設(shè)計(jì)成圓角，不但機(jī)械強(qiáng)度高，外觀漂亮，且符合外凸法規(guī)要求，塑料在型腔里流動也比較容易，還可以降低模具的制造成本，延長模具的壽命。否則，保險(xiǎn)杠在使用時(shí)夾角處容易受壓而破壞，成型冷卻時(shí)易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂紋。圖19所示為應(yīng)變和R/T關(guān)系曲線。在R/T>0.8時(shí)，應(yīng)力集中就會減少，而在R/T<0.3時(shí)，應(yīng)力集中會激烈增多。常見圓角R的大小選取如圖20所示的比例關(guān)系。

4.5.2 料厚確定

依據(jù)保險(xiǎn)杠的使用要求，即尺寸穩(wěn)定性、強(qiáng)度、質(zhì)量以及裝配等要求，保險(xiǎn)杠應(yīng)做到料厚均勻，厚薄變化不能超過料厚設(shè)計(jì)值的1/2，且厚薄變化的位置應(yīng)逐漸過渡，不應(yīng)有突變。保險(xiǎn)杠蒙皮的厚度一般為2～3.5 mm，通過產(chǎn)品功能分析、制造工藝分析并結(jié)合成本最終確定料厚。

4.5.3 拔模角度

保險(xiǎn)杠組件制品沿脫模方向都應(yīng)設(shè)計(jì)傾斜角度，即拔模角度。拔模角度的大小與制品壁厚、形狀、高度和型芯長度有關(guān)，也與塑料的性質(zhì)、收縮率有關(guān)。常規(guī)短距離1～2°，長距離3～5°，外觀A面出模角≥3°，紋理出模角≥7°。在不影響制件裝配要求的情況下，脫模斜度應(yīng)盡量取大一些。

4.5.4 加強(qiáng)筋

增設(shè)加強(qiáng)筋，可以增強(qiáng)制品的機(jī)械性能，防止制品翹曲變形。加強(qiáng)筋的設(shè)置方向應(yīng)與槽內(nèi)料流方向一致，以免損害制品的質(zhì)量。需要設(shè)置多條加強(qiáng)筋時(shí)，要分布得當(dāng)，以減少收縮不均而引起破壞。加強(qiáng)筋不應(yīng)設(shè)置在大面積的中間部位。加強(qiáng)筋和制品壁的連接處即根部，都應(yīng)做圓弧相連，以防止應(yīng)力集中而影響制品質(zhì)量。

4.5.5 裝配孔

保險(xiǎn)杠上各種形狀的孔，應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)在不減弱制品強(qiáng)度的部位。相鄰兩孔之間和孔與邊緣之間的距離通常都與孔徑相等，不能太小，否則在裝配其他零件時(shí)孔的周圍易破裂。

4.5.6 翻邊

避免保險(xiǎn)杠蒙皮收縮痕的產(chǎn)生，翻邊根部料厚一般不能超過產(chǎn)品料厚的50%，或?qū)Ω康牧虾褡鰷p料處理。保險(xiǎn)杠蒙皮內(nèi)側(cè)若設(shè)計(jì)有Doghouse類結(jié)構(gòu)，也應(yīng)做如此處理。

5 總 結(jié)

隨著汽車與人類的關(guān)系越來越密不可分，人們對汽車的要求也越來越高。因此，保險(xiǎn)杠的功能要求也從單一保護(hù)性能擴(kuò)展至車身造型美感、整體裝飾協(xié)調(diào)、減少風(fēng)阻系數(shù)等多方面。如今新車開發(fā)和車型改款周期越來越短，保險(xiǎn)杠作為設(shè)計(jì)開發(fā)最頻繁的汽車零部件之一，掌握其設(shè)計(jì)理念和方法無疑是設(shè)計(jì)出滿足保險(xiǎn)杠商品性要求的前提。

[1]王紹春. 汽車保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)[J]. 汽車技術(shù)，1998(2)：5-11.

[2]屈華昌. 塑料成型工藝與模具設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]李會武，范興國. 塑料模具設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[4]曹渡. 汽車內(nèi)外飾設(shè)計(jì)與實(shí)戰(zhàn)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.