劉永星

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 2300601）

薄壁化保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)研究

劉永星

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 2300601）

文章首先論述了薄壁化保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)的一般要求，并分析了塑料薄壁化保險(xiǎn)杠常用材料及材料的性能要求。文章重點(diǎn)討論了薄壁化保險(xiǎn)杠在開發(fā)過(guò)程中所需關(guān)注的性能要求及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。并通過(guò)一款薄壁化汽車保險(xiǎn)杠的研發(fā)分析過(guò)程，對(duì)薄壁化保險(xiǎn)杠研發(fā)的一般規(guī)律做了深入的論述。

薄壁化；保險(xiǎn)杠；改性聚丙烯

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-38-03

引言

隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排要求的進(jìn)一步提高及中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，汽車輕量化已成為汽車節(jié)能減排的重要途徑,已成為汽車發(fā)展的主潮流。而汽車零部件薄壁化設(shè)計(jì)技術(shù)一直是汽車輕量化發(fā)展的重要方向之一，零件的薄壁化設(shè)計(jì)水平已經(jīng)成為衡量各汽車設(shè)計(jì)中心技術(shù)能力的一個(gè)重要指標(biāo)。

作為汽車外裝飾表面積最大的零部件，汽車保險(xiǎn)杠的薄壁化已成為各汽車廠家首選的降重方案。我們?cè)谶M(jìn)行保險(xiǎn)杠薄壁化產(chǎn)品開發(fā)之時(shí)，需要詳盡分析保險(xiǎn)杠薄壁化的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，理解其所選材料的特點(diǎn)，并對(duì)薄壁化保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬對(duì)比評(píng)估。

1、薄壁化保險(xiǎn)杠材料

表1 薄壁化保險(xiǎn)杠材料性能對(duì)比表

聚丙?。≒P）是最輕的塑料之一，密度在0.9 g/cm3～0.91 g/cm3之間。應(yīng)用于汽車保險(xiǎn)杠外殼，多加入三元乙丙橡膠（EPDM）、滑石粉等以改善其性能。改性聚丙烯材料技術(shù)的發(fā)展對(duì)于推進(jìn)保險(xiǎn)杠的薄壁化設(shè)計(jì)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。配合改性技術(shù)的發(fā)展，改性聚丙烯材料的綜合性能也得到顯著提升。

根據(jù)原材料調(diào)查及統(tǒng)計(jì)，市場(chǎng)主流薄壁化保險(xiǎn)杠應(yīng)用的改性PP材料與傳統(tǒng)PP材料性能對(duì)比如表1所示。

1.1 薄壁化保險(xiǎn)杠優(yōu)勢(shì)分析

（1） 產(chǎn)品壁厚減薄，重量減輕。在滿足設(shè)計(jì)需求的條件下，單件使用材料減少。保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)壁厚由傳統(tǒng)的3.0mm降低到2.5 mm，考慮到制件壁厚減薄會(huì)引起剛度下降，局部需增加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品減重率可達(dá)到10%左右。

（3）薄壁化產(chǎn)品收縮小，薄壁產(chǎn)品與車身的匹配以及生產(chǎn)過(guò)程中的尺寸質(zhì)量控制更加有效。相同材料的情況下，產(chǎn)品壁厚越薄收縮率越小。而收縮率降低將會(huì)有利于提高產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性，從而減少產(chǎn)品裝配中的尺寸匹配問(wèn)題。

2、薄壁化保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)

2.1 薄壁化材料選擇

零件薄壁化設(shè)計(jì)選用的材料特點(diǎn)是較為明確的：高流動(dòng)、高韌性、高強(qiáng)度和高剛性。

薄壁化材料開發(fā)技術(shù)路線可以概括如下：

（1）高流動(dòng)。高流動(dòng)材料才能滿足薄壁化產(chǎn)品成型需求。目前市場(chǎng)上熔融指數(shù)從0.1g／10min～1000g／10min的聚丙烯原料都有了商業(yè)化的成品，有效解決了改性聚丙烯流動(dòng)性問(wèn)題。

（2）高韌性。產(chǎn)品壁厚減薄使產(chǎn)品的沖擊強(qiáng)度即韌性降低，需對(duì)薄壁材料進(jìn)行增韌。目前市場(chǎng)上已出現(xiàn)了多種新型的增韌改性劑，可有效提升改性聚丙烯材料的沖擊韌性。

（3）高強(qiáng)度和高剛性。產(chǎn)品壁厚減薄也會(huì)帶來(lái)制件強(qiáng)度和剛性的降低，需通過(guò)提高材料的屈服強(qiáng)度和彎曲模量加以彌補(bǔ)。為達(dá)到與傳統(tǒng)材料同樣的剛性要求，不同壁厚材料所對(duì)應(yīng)的彎曲模量要求如表2所示。

這就需要我們平時(shí)養(yǎng)成思考并解剖問(wèn)題的習(xí)慣。這個(gè)對(duì)不少中國(guó)家長(zhǎng)來(lái)說(shuō)也有點(diǎn)挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀兊慕逃?jīng)驗(yàn)大多是籠統(tǒng)整體式的，而不是西方教育所推崇的分析式。很多對(duì)成年人來(lái)說(shuō)很簡(jiǎn)單很普通的行為其實(shí)都隱含了大量知識(shí)背景在里面。

表2 不同壁厚對(duì)應(yīng)的模量要求

2.2 零部件性能要求

薄壁化保險(xiǎn)杠主要性能要求見表3，薄壁化保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵照以下原則：

表3 零部件性能要求

1）為了提高保險(xiǎn)杠強(qiáng)度，保險(xiǎn)杠整個(gè)件不能都是2.5mm料厚，需均勻的增加部分區(qū)域料厚，如上下翻邊和鈑金的連接安裝點(diǎn)，可把保險(xiǎn)杠做成變截面結(jié)構(gòu)，局部最大料厚可達(dá)3.5mm；

2）由于保險(xiǎn)杠材料流動(dòng)性較高，所以外觀特征不能有太多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，造型設(shè)計(jì)時(shí)要加以考慮外觀結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，無(wú)復(fù)雜的外觀造型；

3）由于保險(xiǎn)杠壁厚較薄，故需在增加強(qiáng)度的地方需增加加強(qiáng)特征，在不影響外觀的情況下，在牌照板處增加加強(qiáng)的特征，可增強(qiáng)保險(xiǎn)杠X向強(qiáng)度；

4）保險(xiǎn)杠大面無(wú)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征，整個(gè)區(qū)域是個(gè)大的平面。

5）通過(guò)對(duì)新型薄壁化材料的分析，結(jié)合保險(xiǎn)杠產(chǎn)品特點(diǎn)，可以在滿足保險(xiǎn)杠產(chǎn)品性能的條件下，減輕保險(xiǎn)杠單件重量10%以上。

2.3 薄壁化保險(xiǎn)杠的CAE模擬分析

為優(yōu)化薄壁化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，需對(duì)薄壁化保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)CAE模擬分析,并根據(jù)保險(xiǎn)杠安裝要求，通過(guò)CAE分析識(shí)別薄壁設(shè)計(jì)對(duì)保險(xiǎn)杠模態(tài)和剛度的影響是否可以接受。

2.3.1保險(xiǎn)杠模流分析

表5 產(chǎn)品分析結(jié)果

為滿足后期生產(chǎn)需要及產(chǎn)品品質(zhì)要求，需對(duì)薄壁化保險(xiǎn)杠部件進(jìn)行相關(guān)模具成型性分析，目前比較多的是通過(guò)模流分析，判斷產(chǎn)品成型可行性。表5和圖1是某款薄壁化保險(xiǎn)杠產(chǎn)品模流分析結(jié)果。通過(guò)分析，此產(chǎn)品成型最大充填壓力為74.77MPa，最大鎖模力為2285.7T，產(chǎn)品整體充填平衡，無(wú)遲滯和短射現(xiàn)象；結(jié)合線結(jié)合溫度較高，痕跡不明顯，結(jié)合質(zhì)量好，產(chǎn)品整體收縮均勻。此款產(chǎn)品可以滿足生產(chǎn)制造要求。

圖1 產(chǎn)品模流分析示意圖

2.3.2 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模態(tài)分析

產(chǎn)品厚度對(duì)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模態(tài)的影響在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。當(dāng)壁厚從傳統(tǒng)的3.0 mm減少到2.5 mm時(shí)，一階模態(tài)分析的頻率從24 Hz降低到23.5 Hz。通過(guò)模擬分析不同壁厚下的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)模態(tài)，可以有效預(yù)測(cè)壁厚減薄帶來(lái)的設(shè)計(jì)失效風(fēng)險(xiǎn)。

2.3.3 保險(xiǎn)杠剛度分析

以非薄壁設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)模型，使用薄壁材料進(jìn)行驗(yàn)算，模擬保險(xiǎn)杠靜態(tài)受力條件下剛度測(cè)試。因保險(xiǎn)杠是對(duì)稱件，測(cè)量時(shí)選取如圖2中的測(cè)量點(diǎn)分別是保險(xiǎn)杠表面從中部到右側(cè)的6個(gè)區(qū)域點(diǎn)，從分析數(shù)據(jù)來(lái)看，薄壁化保險(xiǎn)杠產(chǎn)品與非薄壁設(shè)計(jì)狀態(tài)差別不大。并達(dá)到了前期設(shè)定剛度值≥10N/mm的要求。

從分析結(jié)果還可以看出，保險(xiǎn)杠零件靜態(tài)受力條件下剛度表現(xiàn)與零件設(shè)計(jì)本身相關(guān)性較大，所以薄壁化產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，務(wù)必考慮到零件本身的造型及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖2 產(chǎn)品剛度分析

3、結(jié)論

本論文通過(guò)對(duì)薄壁化保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)開發(fā)原則及流程的闡述，并通過(guò)對(duì)一種薄壁化保險(xiǎn)杠的開發(fā)應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)薄壁化保險(xiǎn)杠開發(fā)作了全方位的論述。保險(xiǎn)杠最終產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)于有特殊需求車型的保險(xiǎn)杠，保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)符合適用于其的各類法律法規(guī)，并滿足設(shè)計(jì)參數(shù)各項(xiàng)的要求。

伴隨著各汽車技術(shù)中心自主設(shè)計(jì)和制造能力的不斷提高，保險(xiǎn)杠薄壁化設(shè)計(jì)將會(huì)被運(yùn)用到越來(lái)越多的新項(xiàng)目設(shè)計(jì)中。汽車塑料零件的薄壁化過(guò)程必然是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，材料特性也將會(huì)是一個(gè)不斷提高的過(guò)程。薄壁保險(xiǎn)杠的開發(fā)，需要理論設(shè)計(jì)和實(shí)際制造相互推進(jìn)，相互驗(yàn)證材料和零件性能。

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[4]周 強(qiáng),劉樹文.汽車保險(xiǎn)杠的薄壁化設(shè)計(jì)[J].上海汽車. 2013.09：20-23.

Design And Application For Thin-wall Bumper

Liu Yongxing
（Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601）

This paper firstly discusses the general requirements of thin-wall bumper design and analysis of thin-wall plastic bumper material commonly used materials and performance requirements of the material. This paper focuses on the thin-wall bumper of the necessary attention during the development process and design of regulatory requirements. Combined with a thin-wall bumper of the development process, the general rules on the bumper research and development done in-depth discussion.

thin-wall; bumper; PP+EPDM

U462.1

A

1671-7988(2017)02-38-03

劉永星（1983-），男，內(nèi)外飾設(shè)計(jì)主管，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，從事汽車外飾件設(shè)計(jì)開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.013