陳 玲

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

引言

隨著節(jié)能環(huán)保的概念越來越深入人心，汽車“輕量化”概念也廣泛應(yīng)入到汽車研發(fā)中，成為汽車研發(fā)的新趨勢。有試驗(yàn)表明，汽車質(zhì)量每減輕10%，油耗下降6%～8%，排放量下降 4%。對于電動(dòng)車來說，在相同的電池容量下，降低整車重量，亦可以提高續(xù)航里程。即使前后塑料保險(xiǎn)杠的總重量只占整車重量的 1%左右，也是整車組成中不可忽視的大部件，在滿足造型和功能的前提下，也要盡可能通過新材料新工藝的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，在輕量化研發(fā)中貢獻(xiàn)力量。

RCAR[1]旨在提高機(jī)動(dòng)車輛的耐撞性、維修經(jīng)濟(jì)性和安全性，降低車輛在碰撞中可能引起的經(jīng)濟(jì)損失，保險(xiǎn)杠在汽車低速碰撞中起到緩沖作用來保護(hù)汽車前后端，故保險(xiǎn)杠與RCAR的關(guān)系非常密切。本文結(jié)合某新車型后保險(xiǎn)杠的研發(fā)，提出了一種兼顧RCAR，滿足造型與功能，又符合輕量化戰(zhàn)略的后保險(xiǎn)杠固定方法。

1 初始方案

后保險(xiǎn)杠在側(cè)圍、后圍板處的安裝結(jié)構(gòu)對于外觀配合有著直接影響，典型的固定方法[2]如下圖1所示的塑料支架方案，側(cè)面導(dǎo)向件、尾燈導(dǎo)向件和后保固定條安裝到側(cè)圍板和后圍板，再將后保險(xiǎn)杠卡接到塑料支架上。采用此方法，后保險(xiǎn)杠裝配及拆卸較為方便，可通過調(diào)整塑料支架改善后保險(xiǎn)杠與周邊零件的匹配關(guān)系。因此它是目前較為常見的安裝方式。本次新開發(fā)車型的后保險(xiǎn)杠初始采用此經(jīng)典的塑料支架固定方法。

圖1 后保險(xiǎn)杠塑料支架

1.1 帶有防腐筋片的側(cè)面導(dǎo)向件

此項(xiàng)目的側(cè)面導(dǎo)向件除了常規(guī)的固定后保險(xiǎn)杠、控制后保險(xiǎn)杠與側(cè)圍的間隙面差、保證保險(xiǎn)杠靠近后輪胎處匹配的間隙面差的功能以外，還有如圖2所示的防腐筋片，在裝配完成以后，置身于側(cè)圍和后保蒙皮之間，防止后保蒙皮的模具分型線在車輛行駛運(yùn)動(dòng)中刮蹭側(cè)圍的油漆，從而具備防腐功能。此項(xiàng)目側(cè)面導(dǎo)向件采用的材料是PP-TD20。

圖2 側(cè)面導(dǎo)向件

1.2 尾燈導(dǎo)向件

尾燈導(dǎo)向件以尾燈內(nèi)部殼體下部結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn)，用于Z向定位，便于調(diào)整后保蒙皮與尾燈外部的關(guān)系匹配。如下圖 3的虛線所示，其與車身的固定采用不在一條直線上的固定點(diǎn)，形成三角防翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，保證尾燈導(dǎo)向件的穩(wěn)定性，使得保險(xiǎn)杠蒙皮與尾燈導(dǎo)向件的卡接結(jié)構(gòu)更為牢靠，控制后保蒙皮與尾燈的縫隙，使其匹配更為穩(wěn)定、可靠。其材料采用PP-TD20。

圖3 尾燈導(dǎo)向件

1.3 后保固定條的設(shè)計(jì)

后保險(xiǎn)杠與后蓋、密封條的配合對整車外觀匹配以及后蓋正常開閉功能的實(shí)現(xiàn)有重要影響，利用塑料后保固定條來固定后保蒙皮，對于其外觀的匹配調(diào)整、塑料保險(xiǎn)杠的安裝和拆卸有積極的作用。下圖4所示的后保固定條，其結(jié)構(gòu)由框型結(jié)構(gòu)和S筋結(jié)構(gòu)組成。

圖4 后保固定條的結(jié)構(gòu)組成

下圖5所示，框型結(jié)構(gòu)具有固定保險(xiǎn)杠的功能，根據(jù)車身寬/后蓋的寬度和后保固定條的長度，一般均勻布置 4～5個(gè)與車身的固定點(diǎn)。以Y225 mm位置處為例子，可以看出通過焊接銷釘和金屬板螺母將后保固定條固定到車身后圍板上，在靠近密封條處的框型結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)一條完整的卡扣槽，用來卡接保險(xiǎn)杠蒙皮，控制后保險(xiǎn)杠與后蓋的間隙。

圖5 保險(xiǎn)杠尾部固定結(jié)構(gòu)

上圖5虛線框內(nèi)的S筋具有Z向支撐保險(xiǎn)杠的功能，防止保險(xiǎn)杠下塌，S筋要盡可能往車尾方向延長，可以更多地支撐后保險(xiǎn)杠蒙皮，在后備箱取放貨物時(shí)，臨時(shí)將貨物放在保險(xiǎn)杠上。若發(fā)生X向碰撞事故，它的S筋結(jié)構(gòu)還可以壓縮變形，吸收能量來緩沖保護(hù)車身后端，以滿足RCAR要求在碰撞時(shí)候車身的鈑金件不能損傷。如下圖6所示為此項(xiàng)目初始方案的后保固定條的S筋在RCAR工況下碰撞受力時(shí)候的吸能變形示意圖。經(jīng)過CAE模擬仿真，此方案RCAR工況剛好合格。后保固定條的材料為PP-TD20，重量為610 g。

圖6 后保固定條S筋的變形

1.4 初始方案的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

初始方案的后保固定條是結(jié)合后保險(xiǎn)杠蒙皮的造型光順、后圍板唇邊的位置、RCAR壁障的最苛刻侵入量和后保固定條的模具可行性來設(shè)計(jì)的。

一般原則是以方案樣車為模型，通過CAE模擬仿真得到RCAR壁障的最大入侵位置以及最大入侵量a（圖7）。因?yàn)楹蟊９潭l的框型結(jié)構(gòu)是硬性的，設(shè)計(jì)時(shí)要求框型結(jié)構(gòu)與RCAR壁障最大侵入位置距離b大于5 mm，以確保其框型結(jié)構(gòu)在RCAR工況下不會(huì)頂?shù)胶髧?，由于框型結(jié)構(gòu)的模具可行性原因，初始方案中的b值只有3 mm，同時(shí)焊接銷釘與RCAR壁障最大入侵位置的距離c只有5 mm，與前期總布置設(shè)計(jì)要求的10 mm有點(diǎn)偏差。焊接銷釘與后圍板上連接是硬性的，一旦受到?jīng)_擊，勢必對后圍板造成不可逆的塑形變形，此方案的RCAR工況，盡管是滿足要求，但不是絕對安全。

圖7 后保與RCAR壁障

2 輕量化的固定方案

上文提到了初始方案中后圍板上的焊接銷釘，對于RCAR工況有潛在的風(fēng)險(xiǎn)。其根本原因，是此項(xiàng)目的后圍板唇邊到后保蒙皮大面的距離相對其它項(xiàng)目較短，沒有足夠的空間來布置后保固定條。如果X向空間足夠，充分利用S筋的緩沖功能，非常有利于RCAR工況?？紤]到此項(xiàng)目的造型元素，后牌照板是放在后保險(xiǎn)杠的，產(chǎn)生了一個(gè)大膽的想法，干脆取消后保固定條，在后保蒙皮的牌照區(qū)域做一個(gè)大凹坑，直接固定到后圍板，利用后牌照板把這個(gè)凹坑給遮蔽起來。如下圖8所示，此方法可以保持造型元素不受影響，同時(shí)，沒有了后保固定條，有利于RCAR工況，又可以降低整車重量，又可以優(yōu)化材料成本。

圖8 后保蒙皮牌照板區(qū)域

2.1 調(diào)整后圍板唇邊，優(yōu)化后蓋

初始方案的后圍板唇邊到后保的距離如下圖9所示有65（45+20）mm。這是一個(gè)比較矛盾的數(shù)值，對于初始方案的固定條來說，這個(gè)距離太短了，S筋的X向有點(diǎn)短，在碰撞時(shí)候無法充分變形吸能。但是對于輕量化的方法來說，蒙皮灰區(qū)與牌照凹坑結(jié)構(gòu)形成了幾字型結(jié)構(gòu)，若后?；覅^(qū)X向深度太長，不利于后保蒙皮自身的強(qiáng)度，存在后保蒙皮下塌的風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 后圍板唇邊位置調(diào)整

研究了后保險(xiǎn)杠、后圍板和后蓋三者之間的關(guān)系（圖9），在保持后保險(xiǎn)杠外觀造型不變的前提下，若后圍板唇邊往車尾方向移動(dòng)20 mm，有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）行李箱的空間變大。

（2）后保灰區(qū)的X向深度相應(yīng)縮短20 mm，此處蒙皮的重量減少40 g。

（3）后蓋的X向深度從120 mm降低到100 mm，后蓋打開以后，視覺效果上相對輕薄美觀，提升了產(chǎn)品的客戶價(jià)值。

（4）經(jīng)過CAE仿真，后蓋自身剛度滿足要求，后蓋內(nèi)的牌照燈等部件空間布置合理，且后蓋內(nèi)板重量減少20 g。

2.2 固定點(diǎn)的布置

如果沒有后保固定條，那么后保險(xiǎn)杠在與后蓋一圈匹配的區(qū)域，就要利用后保蒙皮的灰區(qū)結(jié)構(gòu)，采用可見標(biāo)準(zhǔn)件的方案，如圖10所示，固定點(diǎn)1和固定點(diǎn)4利用后蓋來遮擋，其 Y向位置由后圍板唇邊和后蓋的寬度來決定，本項(xiàng)目在Y±500 mm左右位置。

圖10 固定點(diǎn)Y向的分布

在上圖10中，固定點(diǎn)2和固定點(diǎn)3在后牌照板區(qū)域Y[-220，220]之間。為了后保可以均勻受力，與白車身更好地匹配，我們希望4個(gè)固定點(diǎn)可以在Y向均勻分布?？紤]后保蒙皮的油漆可行性，校核標(biāo)準(zhǔn)件的安裝空間以后，將固定 2和固定點(diǎn)3布置在了牌照板凹坑的Y向外側(cè)極限處，兩個(gè)固定點(diǎn)的Y現(xiàn)象距離為364 mm（圖11的方案1），經(jīng)CAE模擬仿真以后，發(fā)現(xiàn)固定點(diǎn)在Y±182 mm位置的方案1，剛性連接的固定點(diǎn)非常接近RCAR壁障邊緣，導(dǎo)致后圍板有3.4%的不可逆變形，不滿足RCAR目標(biāo)。結(jié)合RCAR壁障的位置，經(jīng)過多次模擬仿真，最終確認(rèn)固定點(diǎn)2和固定點(diǎn)3的最優(yōu)Y向分布如圖11的方案2，在Y±130 mm處，RCAR工況的模擬仿真亦滿足要求。

圖11 固定點(diǎn)2/3的布置

為了更好地控制后保險(xiǎn)杠與后蓋之間的縫隙，固定點(diǎn)2/3的Z向高度盡可能高。這個(gè)大凹坑結(jié)構(gòu)相對初始方案來說，多了4個(gè)翻邊結(jié)構(gòu)，增重了100 g。

2.3 灰區(qū)造型設(shè)計(jì)

在初始方案的設(shè)計(jì)中，后保固定條是內(nèi)部結(jié)構(gòu)件，通過焊接銷釘和板螺母固定到后圍板上的，固定強(qiáng)度好。如果采用這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件來固定后保蒙皮，如圖12（右側(cè)）的焊接銷釘方案，其焊接銷釘是隨白車身總成一起電泳油漆的，不可避免會(huì)有流掛之類的外觀不雅現(xiàn)象，此范圍作為灰區(qū)，在安裝牌照板以前，客戶是可見的，如此特別粗糙的外觀，不滿足企業(yè)的質(zhì)量要求。故采用圖12（左側(cè)）所示的脹緊螺母方案，此方案需要在后圍板上開10X10 mm的方孔，因后圍板內(nèi)部屬于干區(qū)，故需要選擇有防水圈的TP5型號(hào)防水脹緊螺母，螺釘為常規(guī)的TP5X16型號(hào)。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)件的選擇

開發(fā)過程中，分析了固定點(diǎn)1和固定點(diǎn)4的2種固定方案，如圖13所示：方案1，后保蒙皮直接固定到金屬尾燈支撐板上，此固定方法的強(qiáng)度及穩(wěn)定性都較好，但是金屬尾燈支撐板由于沖壓成型性原因不能往車尾方向延伸，導(dǎo)致后保蒙皮的凹坑結(jié)構(gòu)隨形于金屬尾燈支撐板，那么凹坑的X向深度很長，不僅油漆質(zhì)量較難控制，而且灰區(qū)不美觀，容易積灰，不利于清潔。方案2是延長塑料尾燈導(dǎo)向件，提供自攻螺柱結(jié)構(gòu)用于后保蒙皮的固定，此方案從外觀上看，后保蒙皮凹坑較淺，灰區(qū)相對美觀，延長的尾燈導(dǎo)向件可以加強(qiáng)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的剛度，同時(shí)可節(jié)約2個(gè)脹緊螺母，成本上有優(yōu)勢。綜合各方因素，最終采用了圖13的方案2（右側(cè)），后保蒙皮直接固定在塑料的尾燈導(dǎo)向件上。

圖13 固定點(diǎn)1/4的方案選擇

3 模擬仿真計(jì)算

模擬仿真計(jì)算是虛擬樣車技術(shù)里面最重要的一環(huán)，使汽車生產(chǎn)廠家可以在盡可能短的時(shí)間內(nèi)，使用盡可能低的資金開發(fā)符合市場需求的產(chǎn)品。在保險(xiǎn)杠開發(fā)過程中，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鎖定的前提是相關(guān)試驗(yàn)工況的模擬仿真計(jì)算結(jié)果滿足要求。

3.1 RCAR工況

由于沒有后保固定條，后保險(xiǎn)杠蒙皮與車身之間具有相對多的變形空間，有利于后保蒙皮的緩沖吸能，對于RCAR更有利。在16 km/h的碰撞速度中，后縱梁、后圍板、后蓋的變形均在可接受范圍內(nèi)，其模擬仿真結(jié)果如圖14所示，其變形量在 2%以內(nèi)，低于目標(biāo)值，不存在肉眼可見的明顯變形，滿足技術(shù)要求。

圖14 RCAR工況模擬仿真

3.2 低速擺錘工況

在保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)過程中，還有一個(gè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB17354汽車前后端保護(hù)，要求在發(fā)生刮蹭和輕度碰撞時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致車輛嚴(yán)重?fù)p傷，保護(hù)汽車車身、發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及與安全有關(guān)的燈具不受損傷。對于本次開發(fā)的后保險(xiǎn)杠來說的，相關(guān)的有后部PDC，PLA雷達(dá)，反射片，BSD雷達(dá)，后蓋等，其在模擬仿真計(jì)算結(jié)果均未受到損傷，滿足要求。

4 結(jié)語

本次新開發(fā)項(xiàng)目，將后圍板唇邊往車尾方向移動(dòng)了20 mm，減少了后蓋內(nèi)板的X向深度，后蓋內(nèi)板的重量減輕20 g。后保險(xiǎn)杠系統(tǒng)取消后保固定條，利用后牌照板的遮擋，將后保蒙皮直接固定到做后圍板；同時(shí)利用后蓋兩側(cè)的灰區(qū)結(jié)構(gòu)，將后保蒙皮直接固定到尾燈導(dǎo)向件，相比初始方案，減重大約570 g；為今后的后保險(xiǎn)杠研發(fā)提供了新的設(shè)計(jì)思路；優(yōu)化了材料成本，提高企業(yè)的市場競爭力；為整車輕量化，減少二氧化碳排放作出了一定的貢獻(xiàn)。