淺談汽車保險杠的設計與開發

牟洋 柴凱

摘 要：文章通過在實際工作中積累的經驗，對汽車保險杠設計開發過程中涉及的基本原則、選材、設計定位、安裝和注塑工藝進行了探討，希望能夠給予同行業人員有意義的借鑒。

關鍵詞：汽車保險杠；結構設計；材料；注塑

中圖分類號：U463.8 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）11-0013-02

保險杠不僅是汽車的安全防護裝置，也是其結構造型與裝飾的重要組成部分。隨著我國經濟的快速發展，汽車已成為居民生活中的一個重要代步工具，車身的整體造型、風阻系數等影響汽車裝飾與功能的因素，被作為車輛購置的重要參考條件。在汽車結構的設計過程中，保險杠作為整車的一個重要組成部分，掌握其設計與開發的理念和方法，很有必要。

1 保險杠設計與開發的基本原則

安全性要求。當車輛發生碰撞時，保險杠要起到一定的緩沖和吸能的作用，保護被撞行人、乘客的安全，降低撞擊給車輛造成的破壞；保險杠的外型、質感和色彩要與整車的結構相協調，渾然一體并突出車輛的造型風格；考慮空氣動力性能。保險杠的結構設計要考慮空氣動力學，改善整車的流暢性，降低油耗；保險杠的結構設計要充分考慮其日后的安裝與維護。

2 保險杠的設計開發流程

保險杠的設計開發流程，如圖1所示。

3 保險杠各階段要求及校核

3.1 可行性分析

在設計初期，要先確定各個零部件的材料類型、大致結構、拆卸順序、緊固件的選用以及在總裝的裝配工位（需要總裝工藝輸入工藝要求）。與競品車對比，借鑒合理結構，為了實現整車輕量化，設立質量目標。通過上述分析形成對保險杠系統的設計目標，實現部門平臺化、標準化的規劃。

3.2 概念確認

對CAS進行工程反饋分析，確認是否可以實現造型的要求。包括如下項目：

①低速碰撞分析，擺錘碰撞區域內不應有燈具、反射器、排氣尾管等怕碰撞零件；

②號牌安裝分析，需要滿足號牌安裝法規，同時杠的沉槽單側與號牌留夠安全間隙；

③拖鉤堵蓋布置分析，牽引鉤在防撞梁部位時，需要確認造型上是否可以布置牽引鉤的蓋子。如果位置不合理，需要與車身協商調整牽引鉤位置，或者更改造型；

④輪胎包絡線校核，輪胎包絡線（envelope）與后保面罩及后輪罩之間需要保證安全距離。排氣尾管安全間隙分析，排氣尾管安全間隙要符合以下條件，與保險杠面罩間隙最小25 mm；

⑤結構空間分析，各個位置結構空間參考典型斷面進行分析，只要大于做結構的最小空間就沒問題；

⑥外飾零部件相關法規分析，降低車輛低速刮碰時對人的損害程度。成型工藝可行性校核，定義唾沫方向及角度，其原則就是分模線避開產品外觀面；

⑦表面處理工藝可行性校核，保險杠有時會包含兩種或兩種以上的顏色。這種情況下，可采取分件或分色噴涂的方式進行處理；

⑧裝配工藝性校核，對產品數據進行安裝過程及模擬分析，制作快速樣件驗證安裝工藝性及結構可行性。

4 保險杠工程設計的注意事項

4.1 材料選擇

現在汽車的保險杠通常采用PP等高分子材料，蒙皮材料以PP為基體，摻入EPDM和Tx%，提高了材質的彈性和剛度。按照薄壁化的要求，將來會有新材料的使用。

4.2 拔模角度設計

保險杠注塑件的結構設計均應設置拔模角度，其角度的大小要與保險杠的材料收縮率、形狀、型芯長度、高度及壁厚相關，光面的拔模角度應≥3 °，紋理面應≥7 °，如果設置的拔模角度對構件的裝配質量不構成影響，則拔模角度盡可能的取大值。

4.3 確定保險杠的厚度

保險杠的厚度應考慮車輛的性能要求，包括對保險杠的強度、尺寸、穩定性、裝配、制造工藝等，在綜合分析并保證車輛運行安全的情況下最終確定，通常保險杠的蒙皮厚度應為2～3.5 mm。保險杠的料厚分布要均勻，厚薄位置的變化要逐漸過渡，同時厚薄的變化量不可超過料厚設計值的50%。為了減重，會出現薄壁化的趨勢要求。

4.4 圓角的處理

保險杠的轉折處要設置圓角，一方面可以增強保險杠的機械強度并美化外觀，另一方面在注塑時，能夠降低塑料在模具腔里的流動阻力和成型后產生內應力和裂紋的機率。保險杠過渡圓角應合理選擇（圓角半徑R，保險杠厚度T）。

試驗表明，當R/T>0.8時，圓角處的應力集中將會減小，當R/T<0.3 時，圓角處的應力集中將會顯著增加。

4.5 裝配孔、翻邊、加強筋的設計

設置在保險杠上的裝配孔不得位于降低制品強度的位置，孔與邊緣、孔與孔的距離一般等于孔的直徑且不可過小，否則將引起邊緣破裂；翻邊根部的厚度通常要小于翻邊料厚的50%，避免蒙皮產生收縮痕；保險杠的加強筋不可設置在大面積的中間部位，當需設置多條加強筋時，要分布均勻，其與主體連接的根部，要做圓弧處理，以防應力集中。考慮到注塑工藝的要求，加強筋的設置方向要與模具槽內的料流方向一致，以免影響保險杠的注塑質量。

5 保險杠的工程設計

5.1 保險杠的設計定位

保險杠的主定位方法通常采用2個X、1個Y和3個Z，輔助定位則根據結構型式，在X、Y和Z 方向上，布置不同數量的定位結構。為了獲取明顯定位效果，定位點一般設定在與環境件對應的貼合面，并與X、Y、Z 相對平行或垂直，定位結構和對應的環境結構的間隙通常≤0.2 mm，每150 mm處設置一個定位點。

5.1.1 前保險杠的設計定位

前保險杠的X、Z向的主定位結構，通常設置在中間上部與車身搭接處或兩側與翼子板搭接處，輔助定位設置在中間的上部和下部與車身搭接處。Y 向的主定位一般由對稱布置在兩側的Y向定位對中組合而成。

5.1.2 后保險杠的設計定位

后保險杠的Z向主定位，通常設置在后保險杠蒙皮的中間部位與中支架的配合位置處，或兩側與后側圍的配合位置。X向的主定位設置在兩側與后側圍搭接處，而Y向的主定位在Y=0處或兩側與后側圍的配合位置，并由對稱布置在兩側的Y向定位對中組合而成。

5.2 保險杠與車身結構件的安裝設計

5.2.1 前保險杠的安裝設計

增設緊固點或強化保險杠與大燈配合處的邊緣結構，以確保前保險杠與前大燈的安裝間隙和效果；蒙皮下端的翻邊與車身其他構件的連接緊固點應設置6～8處，以確保前保險杠與車身安裝牢固；前保險杠中間上部與車身的連接點一般設置6處，以滿足其與機罩蓋的間隙面差和裝配效果；前保險杠的兩側端部應通過側支架與車身緊固，再將蒙皮卡接在塑料側支架上，或先將保險杠蒙皮與金屬側支架緊固，再通過螺栓整體與車身連接。

5.2.2 后保險杠的安裝設計

尾燈處的后保險杠通常采用金屬支架或塑料尾燈支架兩種連接方式。金屬支架連接，是先將金屬支架鉚接或焊接在車身上，再將后保險杠蒙皮翻邊卡接在金屬支架上；塑料尾燈支架是采用螺栓先固定在后圍鈑金件上，再將后保險杠蒙皮的翻邊卡接在塑料尾燈支架上。這種卡接方式的卡接點一般設置2處。后保險杠與后行李廂蓋的設計間隙通常為6 mm，其中間上部的連接形式也分為兩種：金屬支架和塑料中支架。金屬支架焊接在車身上，后保險杠的蒙皮翻邊通過4個卡接點與金屬中支架相連。塑料中支架的連接，是先將支架用螺栓固定在后圍鈑金件上，再將蒙皮翻邊的4個卡接點卡接在塑料中支架上；后保險杠與側圍的對接也可以采用塑料或金屬支架。采用螺栓先將側塑料支架固定于后側圍鈑金件上，再將后保險杠后側圍處的蒙皮翻邊并卡接在側支架上。金屬側支架的連接則與前保險杠的連接方式相同；后保險杠蒙皮下端與車身其他部件連接的翻邊，要設置6～10個緊固點，以保障后保險杠與車身安裝后，牢固且美觀。

5.3 保險杠的內部結構設計

前保險杠的內部結構設計，要先考慮格柵、裝飾條、脫鉤蓋等的安裝位置，以及與前保險杠蒙皮的安裝方式。上、下格柵的長、寬和裝配結構等是設計的重點，在X軸方向上，通風孔的正投影面積要控制為散熱器面積的30%左右。亮條一般采用粘接或卡接安裝在格柵上，并保證亮條的分型線不外露。格柵與蒙皮采用螺栓或舌片卡扣連接。

后保險杠的內部結構設計主要應考慮雷達、回復反射器、脫鉤蓋、緩沖塊、裝飾條等部件的安裝位置及方式。后保險杠與排氣管的安裝間隙要大于25 mm， 以防過高的排氣管溫度造成保險杠軟化。倒車雷達可以采用粘接、焊接或卡接的方法將雷達支架固定在蒙皮上。回復反射器（后霧燈）、脫鉤蓋、緩沖塊、裝飾條等與前保險杠的部件設計方法相同。

6 結 語

汽車整車的設計開發是一個復雜的系統工程，需要各部門系統的協作配合。外飾的設計開發是其中的一部分，而保險杠的設計開發是外飾的最重要組成部分。在現階段，汽車行業競爭日趨激烈，作為一名外飾設計工程師，在進行汽車保險杠結構設計開發時，不僅要了解整車開發流程，更應該熟悉產品的設計開發。懂得結構設計、模具開發、檢具開發、設計驗證等等。成為一名合格的設計工程師，造出高品質汽車，是我們的責任，任重道遠。

參考文獻：

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