高偉偉

（江西五十鈴有限公司 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌 330001）

汽車前保險(xiǎn)杠是汽車安全防護(hù)裝置之一，也是現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)的重要組成部分，具有一定的強(qiáng)度、剛度和裝飾性。從安全性來(lái)講，汽車發(fā)生碰撞事故時(shí)保險(xiǎn)杠能起到緩沖作用，從而保護(hù)車體；從外觀來(lái)講，保險(xiǎn)杠可以很自然地與車體結(jié)合在一起，具有很好的裝飾性。前保險(xiǎn)杠作為整車前圍核心外觀面，是展示車型外觀設(shè)計(jì)風(fēng)格、整車造型是否美觀的關(guān)鍵零部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整車的前圍間隙面差精度，是前保險(xiǎn)杠開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。本文簡(jiǎn)要概述了汽車前保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)組成、材料選擇，以及與周邊件的搭接匹配關(guān)系。同時(shí)由于汽車在行駛過(guò)程中，路面和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的外界激勵(lì)將通過(guò)車身鈑金直接傳遞給保險(xiǎn)杠系統(tǒng)，如果前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)與外界激勵(lì)產(chǎn)生共振，引起開(kāi)裂甚至斷裂等失效模式，將直接影響整車的美觀性及安全性能[2]。因此，本文針對(duì)某一輕卡車型，利用Nastran有限元分析軟件，對(duì)前保險(xiǎn)杠進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)的強(qiáng)度分析，為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考。

1 前保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車保險(xiǎn)杠功能主要包括：1）車輛保護(hù)功能；2）行人保護(hù)功能；3）為車輛冷卻系統(tǒng)提供換氣通道；4）裝置功能；5）外觀裝飾功能；6）改善空氣動(dòng)力特性功能。通常由外蒙皮、吸能泡沫、金屬橫梁等部分組成，如圖1所示。汽車保險(xiǎn)杠外蒙皮一般是由塑料材料構(gòu)成，其有著較高的強(qiáng)度，還具有裝飾效果[3]，材料一般為聚丙烯（Polypropylene, PP）+三元乙丙橡膠（Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM）-Tx（滑石粉），且一般噴漆處理。吸能泡沫作為緩沖吸能元件，既可保證車體在低速碰撞時(shí)，車身不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，還可緩沖汽車對(duì)行人的撞擊力，材料一般選擇聚丙烯塑料發(fā)泡材料（Expanded Polypropylene,EPP），并采用發(fā)泡工藝加工，發(fā)泡倍率一般為20～30倍。前保險(xiǎn)杠本體設(shè)計(jì)為狗窩結(jié)構(gòu)及熱熔柱，采用熱熔焊接將吸能泡沫固定在前保險(xiǎn)杠本體上。保險(xiǎn)杠金屬橫梁是汽車有效的安全系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)碰撞能量的傳遞，可以吸收車體碰撞后的能量，利用橫梁與縱梁可以將碰撞的能力傳遞給 A柱等部件[4]。保險(xiǎn)杠分前保和后保兩個(gè)系統(tǒng)，由于前保尺寸更大，集成零件多，本文只針對(duì)前保險(xiǎn)杠進(jìn)行研究。

圖1 前保險(xiǎn)杠組成

1.1 前保險(xiǎn)杠與中網(wǎng)匹配關(guān)系

前保險(xiǎn)杠與中網(wǎng)一般采用hook或者門型卡等卡接結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，其設(shè)計(jì)原則應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：1）安裝、拆卸方便；2）間隙精度穩(wěn)定、易控制；3）可靠性、耐久性滿足要求?？紤]中網(wǎng)尺寸較大，需在其周圈間隔60～100 mm布置卡接點(diǎn)，兩者的匹配間隙一般為0～0.3 mm，為了保證兩者的間隙符合設(shè)計(jì)要求，一般前保險(xiǎn)杠與中網(wǎng)配合處做 U型槽，U型槽側(cè)面及底部增加小凸臺(tái)特征與中網(wǎng)接觸，保證兩者之間線接觸，如圖2所示。

圖2 前保險(xiǎn)杠U型槽凸臺(tái)特征

1.2 前保險(xiǎn)杠與翼子板匹配關(guān)系

前保險(xiǎn)杠與翼子板的間隙一般設(shè)計(jì)為 0～0.5 mm，面差一般設(shè)計(jì)為-1～0 mm，即前保險(xiǎn)杠低于翼子板，且與翼子板配合處R角一般設(shè)計(jì)為0.5～1.5 mm，其典型外觀配合關(guān)系如圖3所示。

圖3 前保險(xiǎn)杠與翼子板的匹配關(guān)系

前保險(xiǎn)杠與翼子板的匹配，一般通過(guò)前保險(xiǎn)杠安裝支架進(jìn)行連接，前保安裝支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得好壞直接影響前保險(xiǎn)杠與翼子板的間隙面差。支架材料一般選擇聚甲醛（Polyoxymethylene,POM）、聚酰胺（Polyamide 6, PA6）+30%玻璃纖維（Glass Fiber 30, GF30）或B510L等金屬材料，通過(guò)螺栓先將塑料支架固定在翼子板上，然后將前保險(xiǎn)杠通過(guò)自身hook結(jié)構(gòu)卡接固定于塑料安裝支架上，如圖4所示。安裝支架需通過(guò)兩個(gè)主副定位銷實(shí)現(xiàn)與翼子板的定位、預(yù)安裝，以保證支架與翼子板的位置相對(duì)正確，主定位銷與翼子板圓孔單邊間隙為0.1 mm。

圖4 前保險(xiǎn)杠與安裝支架的配合關(guān)系

1.3 前保險(xiǎn)杠與前輪眉匹配關(guān)系

前保險(xiǎn)杠與前輪眉一般采用子母扣固定，在前保險(xiǎn)與前輪眉搭接處一圈設(shè)計(jì)固定點(diǎn)，其中有兩個(gè)固定點(diǎn)，一個(gè)為圓形孔，通過(guò)子母扣作為主定位，一邊布置在前輪眉中間位置，孔與子母扣的單邊間隙為0.1 mm，另一個(gè)為腰型孔，其可作為副定位，如圖5所示。

圖5 前保險(xiǎn)杠與前輪眉的匹配關(guān)系

1.4 前保險(xiǎn)杠與前大燈匹配關(guān)系

前保險(xiǎn)杠與前大燈沒(méi)有連接點(diǎn)，且一般為間隙配合，在大燈外罩做U型槽控制兩者的間隙，一般為1.5～2 mm，面差一般設(shè)計(jì)為4 mm以上，且前保險(xiǎn)杠高于前大燈，如圖6所示。

圖6 前保險(xiǎn)杠與前大燈的配合關(guān)系

2 前保險(xiǎn)杠強(qiáng)度分析

根據(jù)以往車型開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，前保險(xiǎn)杠由于在通過(guò)車身傳遞到其上的路面及發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)作用下可能會(huì)在前保險(xiǎn)杠橫梁及安裝支架上產(chǎn)生開(kāi)裂或者斷裂，因此，在零件模具制作前有必要對(duì)前保險(xiǎn)杠橫梁及安裝支架在外界振動(dòng)激勵(lì)下的強(qiáng)度進(jìn)行分析[5]，從而規(guī)避后續(xù)因設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的修模費(fèi)用，本文針對(duì)本公司某一輕卡前保險(xiǎn)杠進(jìn)行研究。

將前保險(xiǎn)杠三維模型導(dǎo)入到HyperMesh軟件中，建立有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為 2 mm，單元類型為六面體單元，即 S3和S4，如圖7所示。根據(jù)本公司標(biāo)準(zhǔn)，約束與車身連接點(diǎn)的六個(gè)自由度，分析的振動(dòng)工況包括，頻率范圍為0～500 Hz，振動(dòng)加速度為9 810 mm/s2的Z向激勵(lì)振動(dòng)工況下，分析前保險(xiǎn)杠橫梁及保險(xiǎn)杠安裝支架的強(qiáng)度，如表1所示。從圖8—圖10可知，前保險(xiǎn)杠橫梁（骨架）最大應(yīng)力出現(xiàn)在頻率39.8 Hz時(shí)，最大應(yīng)力值為56.35 MPa，小于材料DC01的屈服極限160 MPa，滿足要求；前保險(xiǎn)杠安裝支架最大應(yīng)力出現(xiàn)在頻率39.5 Hz時(shí)，最大應(yīng)力值為14.6 MPa，小于材料B510L的屈服極限377.14 MPa，滿足要求。

圖7 前保險(xiǎn)杠有限元模型圖

圖8 最大應(yīng)力-頻率曲線

圖9 前保險(xiǎn)杠橫梁應(yīng)力云圖

圖10 前保險(xiǎn)杠安裝支架的應(yīng)力云圖

表1 橫梁及安裝支架的材料參數(shù)

從分析結(jié)果可知，即使由于路面與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)與前保險(xiǎn)杠產(chǎn)生共振，前保險(xiǎn)杠橫梁及安裝支架也不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂或是斷裂等失效形式。

3 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要論述了汽車前保險(xiǎn)杠的組成及其材料的選擇，同時(shí)介紹了前保險(xiǎn)杠與中網(wǎng)、翼子板、前輪眉和前大燈等周邊件的匹配關(guān)系，前保險(xiǎn)杠時(shí)常會(huì)因來(lái)自路面及發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致前保險(xiǎn)杠橫梁及安裝支架的開(kāi)裂或者斷裂。因此，利用Hyper Mesh和Nastran有限元分析軟件，基于振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)下前保險(xiǎn)杠的強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果表明，前保險(xiǎn)杠橫梁在 39.8 Hz振動(dòng)頻率下最大應(yīng)力為56.35 MPa，前保險(xiǎn)杠安裝支架在39.5 Hz振動(dòng)頻率下最大應(yīng)力為14.6 MPa，均小于材料的屈服強(qiáng)度，設(shè)計(jì)滿足要求，可為后續(xù)車型前保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)提供參考。