《汽车保险杠的结构特性与设计要求》
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[摘 要]安全、节能、环保,已经成为汽车工业发展的三大主题.汽车保险杠位于汽车前部,是前部碰撞事故中首先接触的部位,在人车碰撞时低对行人的伤害和车车碰撞中减小对车辆的损坏方面起着重要作用.因此,对汽车前保险杠的结构特性进行研究,具有重要的意义.
[关键词]汽车保险杠；结构；设计
中图分类号：U463.326 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）01-0154-01
1.保险杠的结构及特点
轿车前保险杠系统一般由保险杠加强横梁、吸能盒、托架、内衬等组成[1],有的还在保险杠加强横梁与保险杠的外壳之间装有塑性材料,当车辆与行人发生碰撞时,泡沫材料可以对行人腿部有缓冲作用,可以改善碰撞过程对行人小腿的损伤,同时为保险杠外壳提供支撑,避免外壳在轻微受压时断裂或变形.常见的保险杠有以下几种.
1.1 普通保险杠（conventional bumper system）
普通保险杠由防撞横杠、横杠加强件、支架、树脂类填料等组成, 结构简单,得到广泛应用.它在保险杠 U 形横梁和加强件之间填充树脂等复合材料、蜂窝状材料或氨基甲酸乙酯泡沫等,利用树脂块或泡沫的变形吸收碰撞时的能量.
1.2 液压吸能型保险杠（Hydraulic Bumper System）
液压吸能型保险杠的结构见图,保险杠横梁内侧的加强件通过橡胶垫和液压缓冲减振器里面的活塞杆相连,活塞杆是空心结构,里面有浮动活塞,活塞将活塞杆里面的空腔隔成左右两个腔,右腔里充满液压油,左腔里充满氮气,活塞杆的外圆柱面和缓冲液压缸的内圆柱面之间滑动配合,缓冲液压缸内的液压油和活塞杆的右腔相通.缓冲液压缸固定在车身加强件或车架上.当汽车发生碰撞事故时,保险杠将受到的冲击载荷传到活塞杆,活塞杆向右侧移动,液压油被挤压通过节流孔向活塞杆的右腔流动,液压油推动活塞杆中的浮动活塞向左侧移动,活塞杆左腔内的氮气被压缩,利用液压油流过节流孔时的黏性阻力来吸收碰撞能量,吸能的效率可高达 80%.这种油气弹簧式缓冲减振器有效利用了液体节流减振、气体缓冲的工作方式,工作特性稳定.碰撞后靠氮气膨胀产生复原力使保险杠恢复原位.这种保险杠造价较高,常使用于高档轿车上.
1.3 带气腔式保险杠（Gas Tube Bumper System）
气腔式保险杠使用气腔作为内衬,安装在外盖板和横梁之间.当发生碰撞时,气腔被压缩,影响气腔外包裹部件的变形,从而提高保险杠吸能效果.有文献数据表明,合理设计气腔个数和气压并保证包裹气腔部件的强度,与普通式保险杠相比,带气腔式保险杠能使 15 km/h 的工况下 40%偏置碰的减速度减小 20%～50%.
2. 可制造性分析
2.1基于车辆结构规范下的汽车保险杠设计
汽车保险杠设计、安装的过程通常需要使用卡扣和螺栓等部件对车辆结构进行拼接、安装,以此在确保汽车外形美的基础需要对车辆的防盗性能进行保证.汽车拼接部分的连接点以及汽车结构通常都在彻底或者车面夹层以内,属于隐蔽结构,这就可能对汽车的维修和整车拆卸造成一定的麻烦.为了满足车辆在维修以及零件替换时的方便,这就需要车辆设计者对车辆连接部位的选定进行深入构思,首要要保证车辆连接位置属于主受力点,以免造成车的结构不稳定.但是,当产品过大时,我们就需要把产品进行分工拆除为单件,这样便于加工和改造,使其保险杆结构性更强、减少变形或出现凹凸结构.
2.2保险杠制件的壁厚确定
2.2.1在保险杠制件的壁厚中我们要尽量使壁厚均匀不出现突变,如若厚度不均匀要逐渐过渡,确保保险杠的壁厚安全性；
2.2.2各种塑料均要有一定的壁厚范围,一般情况是0.5～4mm,当壁厚超过4mm时,将会因冷却时间过长,产生缩痕等问题.因此,如若需改变产品结构,就必须在满足要求同时还要尽量减小壁厚；
2.2.3如若保险杠壁厚不均会引起表面缩印.因此,我们需采用塑料支架增强保险杠的结构作用,使其表面不会出现缩印现象.
2.2.加强筋的设计
2.2.1合理使用加强筋,可以增强产品的刚性和减少保险杠变形；
2.2.2一般情况下加强筋的厚度不能大于产品壁厚的三分之一否则将会引起保险杠表面缩痕；
2.2.3加强筋的单面斜度要大于二分之一,否则会造成顶伤；
2.2.4多条加强筋在一起需交叉布置并要合理,距离不得大于4t（t是塑件件壁厚）筋的高度不能高于3t,否则会使筋部因受力而破损；
2.2.5螺钉柱子的筋要低于柱子端面1mm,否则会造成端面受伤；
2.2.6在保险杠的设置方向与槽内料流方向需一致,避免因料流的干扰而影响产品质量.
3. 保险杠系统设计理念
3.1轻量化设计与材料选择.保险杠系统的轻量化设计对降低汽车的油耗具有重要意义.如保险杠横梁系统采用高强度钢板、铝合金、复合材料等来实现保险杠横梁系统的轻量化.材料设计选择原则：满足功能、成本经济、使用可靠、节能环保.材料选择的核心问题是在技术可行和经济合理的前提下,保证材料的使用性能与零件的设计功能相适应.首先考虑材料要求（满足功能、经济、节能、环保、可回收等要求）,通过可行性分析,基于数据库与以往案例库进行候选材料的选择与确定；然后着手功能性分析,实现功能并且结构合理；进一步进行工艺性分析,实现零件制造的工艺步骤；制造性分析与可装配性分析,需要考虑生产线的工装与工厂产能,最后综合考虑整个产品生命过程来进行材料的选择设计.
3.2安全设计
保险杠安全设计的主要内容是碰撞能量的传递路径以及吸能区域的优化分布.保险系统必须进行多项碰撞试验、摆锤试验,确保行车安全.对于前保险杠系统,必须谨慎合理地设计散热器系统与保险杠横梁、蒙皮与保险杠横梁、蒙皮与泡沫件的安全距离,以及优化吸能泡沫件的设计；对于后保险杠系统,一方面确保乘员空间的保护,另外还必须保障后碰燃油系统的安全.保险杠系统结构设计的影响因素：离地间隙、接近角、离去角、前后悬长度、前纵梁间距等关键设计约束.
3.3綠色设计
绿色设计体系需遵从环境准则、技术准则、经济性准则与人机工程准则.绿色设计的总体要求：在产品生命周期里,能源消耗最小化,废弃物排放量最小化,对生态系统的危害最小化.绿色设计的目标是最大努力地减小环境冲击,实现“低碳经济”,因此在保证性能的前提下,在设计的早期就考虑降低产品形成的物耗能耗,优先目标是无污染、可降解、可回收、可重复利用,例如保险杆蒙皮系统可适当提高可回收料的比例.
3.4全程CAE支持的数字化设计
通过参数化的数据驱动技术,CAE系统可以快速广泛地结果寻优,改进产品质量,缩短产品开发周期,降低设计制造成本.例如塑料保险杠蒙皮系统的表面缺陷、应力开裂、装配不良、设计工艺性差等,这些问题可通过虚拟装配技术、计算机辅助流体分析技术尽早发现.基于CAE分析结论,可通过注塑工艺调整,或指导改进结构.全过程的CAE数字化设计可以提前问题识别与问题解决,并可以节省漫长试验周期与昂贵试验费用.
结语
在现阶段,汽车行业竞争日趋激烈,作为一名外饰设计工程师,在进行汽车保险杠结构设计开发时,不仅要了解整车开发流程,更应该熟悉产品的设计开发.懂得结构设计、模具开发、检具开发、设计验证等等.成为一名合格的设计工程师,造出高品质汽车,是我们的责任,任重道远.
参考文献：
[1]王萍,周希泉.汽车保险杠的设计开发[J].现代零部件,2014（1）.
[2]刘金霞,孙宏强.汽车保险杠设计与开发[J].技术纵横,2011（4）.
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