張浩,于金生，李龍

(長城汽車股份有限公司技術中心河北省汽車工程技術研究中心,河北保定 071000)

關于汽車保險杠開發(fā)的研究

張浩,于金生，李龍

(長城汽車股份有限公司技術中心河北省汽車工程技術研究中心,河北保定 071000)

結合長城、哈弗品牌汽車保險杠多年設計開發(fā)經驗，主要對汽車保險杠的系統(tǒng)構成、在開發(fā)過程中應注意的法規(guī)及非法規(guī)性要求、保險杠的卡接結構匹配設計原理、結合行人保護要求優(yōu)化保險杠前臉造型等幾個方面做了概要介紹。

保險杠；法規(guī)；卡接結構；行人保護

0 引言

汽車保險杠對于汽車來講不僅起到裝飾作用更起到保護作用，從安全角度講，汽車發(fā)生碰撞事故時能起到緩沖作用，保護前后車體；從外觀上看，保險杠設計風格體現(xiàn)著各個公司的家族特點，給顧客第一購車吸引點；從結構布置上看，保險杠直接決定著整車性能，包括接近角、離去角、大燈高度、尺寸等設計參數(shù)。隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，世界各國對保險杠技術條件要求越來越高，因此對保險杠的性能要求越來越嚴格。一些新的設計理念不斷融合到保險杠的設計之中。文中主要對保險杠設計中涉及的法規(guī)要求及結構配合進行分析。

1 保險杠構成及尺寸要求

保險杠主要由以下零部件組成：前保險杠通風格柵、前后保險杠左右安裝支架、前保險杠左右霧燈蓋板、前保險杠下通風格柵、前保險杠脫鉤悶蓋、前保險杠本體、保險杠緩沖塊等。具體安裝部位如圖1所示。根據(jù)整車的配置功能要求，部分車型保險杠還裝有攝像頭、雷達探頭、碰撞氣囊、液壓緩沖裝置等。

保險杠的輪廓尺寸需要滿足QC/T 487-1999 《汽車保險杠的位置尺寸》中相關要求。保險杠的Y向尺寸應不小于車輛寬的90%，保險杠的Z向尺寸應在保險杠水平件有效接觸面的上下翼緣處測量，對于轎車來講，當汽車處于滿載靜止狀態(tài)下，保險杠上、下翼緣與地面的Z向空間距離應分別不小于420 mm、不大于360 mm。裝配保險杠的汽車應能在不小于5%的坡度路上向上推行另一輛同狀態(tài)的汽車時，外觀應無明顯變形[1]。

2 保險杠外部凸出物校核

保險杠外部造型圓滑度要符合相應的法規(guī)要求，主要是為了降低在碰撞時被車身擦、碰的人員的傷害程度，是對行人的進一步保護，是保險杠外造型設計中最重要的法規(guī)項，主要的外部凸出物法規(guī)有中國的GB 11566-2009、歐洲的74/483/EEC及修訂版79/488/EEC、ECER26。其相關標準內容如下：

(1)裝配在外車身表面的零部件如前后組合大燈、前后保險杠、雷達探頭等，其圓角半徑R應大于2.5 mm。當零部件凸出車身尺寸s小于1.5 mm或者1.5 mm

(2)當車身外裝飾件硬度小于SHOREA=60°時，裝飾件凸出部位的半徑可不大于2.5 mm。

(3)保險杠兩端應向車身表面彎曲，以減少刮傷的危險。如果保險杠是嵌入式的、或和車身結構形成一體的、或保險杠側端部向內彎曲但不能被直徑100 mm的球體所接觸，并且保險杠端部和最近的車身表面之間的距離不超過20 mm，則認為滿足要求。

(4)當前后保險杠與地面的Z向投影線與車輛外邊界線重合時，在圖2所圍成的區(qū)域內其R>5 mm。當s<1.5 mm時除外[2]。

3 格柵之間間隙尺寸的測量方法

格柵之間的間隙尺寸應由通過球體兩接觸點并垂直于連接這些點的線的兩個平面間的距離來測定。如圖3所示，用直徑100 mm的球體與格柵的兩相鄰元件接觸，接觸點分別為點L、Q。點L和點Q間的距離h即為格柵間隙。若h有功能要求時，當25 mm

4 格柵進氣面積

整車在進行外流場計算時，保險杠造型同時起到關鍵性作用，圖4是汽車在行駛過程中車身表面的壓力分布圖(圖中色柱顯示的是不同壓力值在圖中對應的顏色，單位是Pa)。從圖中可以看到:保險杠正前方為正壓區(qū)，壓力最大。整個車身大部分表面處于負壓區(qū)，在保險杠周緣A柱附近具有較低的壓力。所以保險杠外造型要圓滑過渡，盡量減小風阻系數(shù)。同時在保險杠格柵設計時需要對進氣面積進行校核，在3D數(shù)據(jù)中確認上下格柵有效進風開口面積之和與散熱器芯體面積兩者比值盡量接近30%。一般通風散熱投影比例達到25%，格柵進氣基本就能達到散熱要求，在25%～30%區(qū)間較為合適[3]。

5 保險杠牌照板相關法規(guī)

5.1 號牌支架介紹

號牌板：直接安裝號牌的面板。

號牌架：加裝在車輛上用于安裝號牌的裝置。

號牌板的形狀和尺寸：號牌板可為一長方形平面板(在保證號牌的安裝要求情況下可以是曲面)。號牌板外廓尺寸及號牌安裝孔尺寸按GB 36確定。

5.2 牌照板國內外尺寸法規(guī)

各國對其機動車牌照都有相關法規(guī)，主要法規(guī)有中國GA36-2007、GB 15741-1995，歐洲70/222/EEC，美國SAE-J686。具體尺寸要求見表 1中的尺寸示意和列出的尺寸。

表1中歐美牌照尺寸要求mm

對后保險杠上的號牌板(架)的位置設計，同時也需考慮號牌板(架)的燈光照明要滿足法規(guī)的要求，對在后保險杠上安裝號牌板的，除在保險杠上給出號牌板的合適安裝位置外，還需同時考慮牌照燈的安裝結構位置設計，確保牌照燈的安裝對號牌板的照明滿足GB 18408-2001《汽車及掛車后牌照板照明裝置配光性能》的要求。

5.3 牌照板視野校核

牌照板和牌照安裝支架安裝前保險杠或者后保險杠后不能影響整車認證參數(shù)，尤其是整車接近角和離去角。為了車外人員更好地觀察牌照信息，牌照板或牌照安裝支架應近似垂直整車XZ平面。前牌照板安裝后，其中心點不可在整車XZ平面的左側且不能超出整車前端右邊界；后牌照板安裝后，其中心點不可在整車XZ平面的右側且不能超出整車前端左邊界。牌照板安裝整車需要滿足一定的可視范圍，前牌照板允許后仰角度不大于15°。車輛空載狀態(tài)下，后牌照板上邊界與地面Z向距離小于等于1.20 m時，其正面允許上仰不大于30°。當后牌照板上邊界與地面Z向距離大于1.20 m時，其正面允許下俯不大于15°。后牌照板安裝整車狀態(tài)下，其下邊界與地面Z向距離應大于等于0.3 m，上邊界與地面Z向距離應小于等于1.20 m。由于車身布置結構問題不能滿足時，后牌照板與地面的Z向距離也要控制在2.0 m以下。

安裝于號牌板(架)上的號牌應在如下空間范圍內可視，該空間由以下4個平面組成：通過號牌兩側邊并呈向外30°的兩個鉛垂平面,見圖5(a)；通過號牌上邊緣與水平面呈向上15°的平面，見圖5(b)，經過號牌下邊緣的水平面[若號牌上邊緣離地高度大于1.20 m，見圖5(c)，該平面應與水平面呈向下15°]。號牌架不得遮擋號牌上的字符[4]。

5.4 號牌支架外部凸出物校核

由汽車制造廠提供的號牌支架，當號牌按汽車制造廠推薦的位置安裝時，用一直徑為100 mm的球體與之接觸時，應符和外部凸出物相關法規(guī)要求GB 11566-2009。

6 保險杠卡接結構設計

汽車保險杠周圍需與保險杠上下格柵、保險杠支架、前大燈等零部件相互匹配設計，其主要的連接固定方式為卡接，常見失效模式主要原因也為卡接層面出現(xiàn)問題，所以要保證設計出高質量的保險杠數(shù)據(jù)首先要了解塑料卡接結構原理。塑料零部件結構就需從零部件與零部件的連接層面(ALC)講起，因為功能件失效問題是更本質問題的征兆，這些問題只有在ALC中才能得到解決。而由ALC原因引起的塑料件常見問題主要有裝配難、功能件損壞或失效、零件有異響、零部件扭曲或松動。

汽車塑料零部件之間匹配主要通過塑料懸臂鉤連接，懸臂鉤斷面如圖6所示，圖中各變量含義見表2。

序號符號名稱1Tb壁面處的梁厚度2Tv梁處的壁厚3L1鎖緊功能件總長度4Tt保持功能件處的梁厚度5r根切厚度6Wt保持功能件處的梁寬度7Le梁的有效長度(梁的根部到配合功能件與插入或保持面接觸點的距離)8Lt保持功能件長度9Lb梁的長度10α插入面角度11β保持面角度12R壁面與梁的圓角13Wb壁面處的梁寬度

其配合要求主要為：

(1)當卡接結構懸臂鉤起于零部件壁面上時，懸臂鉤根部厚度Tb應為壁厚Tv的1/2～3/5。當Tb小于1/2Tv時，懸臂鉤在填充過程中會存在滯留、波紋等充模問題，且其強度也無法達到設計要求，后期裝配易出現(xiàn)斷裂問題。當Tb大于3/5Tv時，在注塑過程中會存在冷卻問題，以及出現(xiàn)殘余應力、縮痕等注塑問題。

(2)懸臂鉤的長度由Lb和Lt組成，在結構設計中應首先保證5Tb≤L1≤10Tv。當L1≥10Tv時，在注塑過程中，由于材料分子的取向性，懸臂鉤端部會出現(xiàn)翹曲變形問題。當L1≤5Tb時，懸臂梁韌性降低，在裝配過程中承受很大的剪切作用時極易損壞。

(3)在零部件裝配拆解過程中，起到導向作用的參數(shù)主要為插入面角度α和保持面角度β。其合理的取值范圍分別為25°≤α≤35°、35°≤β≤45°。當α≥45°時，零部件之間裝配較困難。當β=90°時，兩個配合零部件之間無法拆解，此設計方案不適合應用于汽車零部件售后維修問題的解決。原因如圖7所示。

懸臂鉤的關鍵設計要求為強度、約束、配伍性和堅固性。強度是鎖緊件在裝配過程中的性能，是鎖緊和定位功能件兩者在產品使用壽命中確保連接完整性的能力。約束是對零件之間相對運動的防止或控制。在卡扣中，定位功能件和鎖緊功能件形成約束靠的是結合面間力的傳遞以及配合件與基體件的相互定位。配伍性是在所有要素之間卡扣結合面內的協(xié)調性。堅固性常常定義為容許尺寸的變化量，作為卡扣的要求[5]。

塑料零部件間的失效問題可以想象為一個剛體在空間的任意運動，可分解為質心O′的平動和繞通過質心某直線的定點轉動，它既有平動自由度還有轉動自由度。剛體質心O′的位置，需3個獨立坐標(x，y，z)，自由剛體有3個平動自由度t=3；剛體繞通過質心軸的轉動，共有3個轉動自由度r=3。所以，一個任意運動的剛體，總共有6個自由度，即3個平動自由度和3個轉動自由度，即i=t+r=3+3=6。若想零部件在空間完美配合，只需根據(jù)運動原理使零部件i=0即可。

以保險杠支架與杠本體卡接結構為例，如圖8所示，保險杠支架看做一個空間任意運動的剛體，自身存在3個平動自由度和3個轉動自由度，如若想保險杠支架固定保險杠牢固，必須固定支架的6個自由度。3個安裝點①直接固定了保險杠支架的Y軸旋轉度和Y向平動自由度，安裝點的倒刺卡接及固定面固定X、Z向自由度，只有坐標自由度都固定才能使杠支架與車身翼子板牢固固定。同時4個安裝點②限制保險杠翻邊搭接的Z向自由度，但X向安裝空間放開，使安裝點③限制X向自由度。只有保險杠、保險杠支架、翼子板空間無法運動時才能防止塑料零部件的變形。

7 行人保護

汽車保險杠擁有裝飾性作用的同時也承載著保護行人的作用，近幾年行人保護作為車輛設計的新領域之一逐步應用于汽車安全設計中，在汽車碰撞過程中對行人造成傷害的區(qū)域主要集中在前保險杠、發(fā)動機罩、翼子板以及前風窗等區(qū)域。汽車保險杠Y向坐標尺寸應超出輪罩及輪胎，并彎向內側，吸能特性應保證車輛在8 km/h速度的撞擊下，使車身前、后端免受損傷。按照行人保護法規(guī)要求，為減少碰撞對行人的傷害值，前保險杠需要有足夠的變形空間，當行人與車輛發(fā)生碰撞時，人體腿部首先和保險杠接觸，只有前保險杠有足夠的窺縮變形量，才能減少對行人的傷害。在車輛設計時為達到最優(yōu)保護效果，要保證前保險杠與保險杠防撞梁距離越大越好，保險杠小腿碰撞區(qū)域與防撞梁的最小距離需保證在80 mm以上。保險杠前下端造型盡量向前凸，當發(fā)生碰撞時，凸點與行人小腿可以形成支點，降低腿部碰撞過程中運動量，減小行人損傷值。

相對于行人保護而言，前保險杠的主要優(yōu)化設計區(qū)域為小腿區(qū)域，沿整車XZ平面向車身方向做60°角，其與前保險杠外邊界相切處做鉛垂面，即保險杠角。鉛垂面沿Y軸向車內移動66 mm，兩個鉛垂面所圍成區(qū)域即為小腿碰撞區(qū)域，各個參考線的確認方法參考法規(guī)2003/102/EC。保險杠的緩沖塊、防撞梁設計以及增加阻尼、液壓、彈簧等結構以減小碰撞能量，保護行人。

8 小結

汽車保險杠作為汽車外裝飾的重要零部件可以第一時間提高顧客的購買欲望，隨著中國汽車市場的不斷成熟，顧客對汽車外觀要求也越來越高，所以保險杠設計成為汽車外觀設計中的重要部分。在開發(fā)設計過程中，要熟悉保險杠的相關法規(guī)要求及結構要求，只有這樣才能提高開發(fā)設計質量，避免后期零部件的功能失效。

【1】全國汽車標準化技術委員會.QC/T 487-1999汽車保險杠的位置尺寸[S].1999.

【2】全國汽車標準化技術委員會.GB 11566-2009乘用車外部凸出物[S].北京:中國標準出版社,2009.

【3】漕渡.汽車內外飾設計與實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

【4】全國汽車標準化技術委員會.GB 15741-1995汽車和掛車號牌板(架)及其位置[S].北京:中國標準出版社,1995.

【5】博登伯杰 保羅 R.塑料卡扣連接技術[M].馮連勛,馬秀清,董力群,譯.北京：化學工業(yè)出版社,2004.

ResearchontheDevelopmentofAutomotiveBumper

ZHANG Hao,YU Jinsheng,LI Long

(R & D Center of Great Wall Motor Company, Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

Combined with years development experience about Great Wall, Harvard brand automobile bumper, the system composition of automobile bumper, regulations and non regulatory requirements should be pay attention to in the developing process, design principle of bumper clamping structure, bumper face modeling optimization combining with pedestrian protection requirements were mainly introduced.

Bumper; Regulations; Clamping structure; Pedestrian protection

2014-11-19

張浩(1985—)，男，本科， 助理工程師，從事汽車內外飾零部件開發(fā)工作。E-mail：zhanghao198594@126.com。