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汽车保险杠专题1—轿车前保险杠设计

一、保险杠简介

保险杠是汽车外饰中结构最为复杂,零部件数量最多的总成部件。保险杠的外观质量和风格决定了客户对整车外饰的评价,它包括了许多功能性的零件,如吸能装置、牌照安装、各种灯具安装、防撞报警器等零件,所以保险杠的设计有着较高的设计难度。

汽车保险杠是吸收缓和外界冲击力,防护车身前后部的安全装置。二十年前,轿车前后保险杠是以金属材料为主,用厚度为3毫米以上的钢板冲压成U型槽钢,表面处理镀铬,与车架纵梁铆接或焊接在一起,与车身有一段较大的间隙,好象是一件附加上去的部件。

随着汽车工业的发展,汽车保险杠做为一种重要的安全装置也走向了革新的道路上。今天的轿车前后保险杠除了保持原有的保护功能外,还要追求与车体造型和谐与统一,追求本身的轻量化。为了达到这种目的,目前轿车的前后保险杠采用了塑料,人们称为塑料保险杠。

塑料保险杠是由面罩、骨架和横梁等三部分组成(如下图所示)。其中面罩用塑料制成,横梁用厚度为1.5毫米左右的冷轧薄板冲压而成U型槽;外板和缓冲材料附着在横梁上,横梁与车架纵梁螺丝联接,可以随时拆卸下来。这种塑料保险杠使用的塑料,大体上使用聚脂系和聚丙烯系两种材料,采用注射成型法制成。例如标致405轿车的保险杠,采用了聚脂系材料并用反注射模成型法做成;而大众的奥迪100、高尔夫、上海的桑塔纳、天津的夏利等型号轿车的保险杠,采用了聚丙烯系材料用注射成型法制成。国外还有一种称为聚碳酯系的塑料,渗进合金成分,采用合金注射成型的方法,加工出来的保险杠不但具有高强度的刚性,还具有可以焊接的优点,而且涂装性能好,在轿车上的用量越来越多

塑料保险杠具有强度、刚性和装饰性,从安全上看,汽车发生碰撞事故时能起到缓冲作用,保护前后车体,从外观上看,可以很自然地与车体结合在一块,浑然成一体,具有很好的装饰性,成为装饰轿车外型的重要部件。

二、 汽车保险杠功能

1、一定车速下碰撞时对车辆的保护。

安全性是现代轿车设计中首先要考虑的问题。在汽车发生纵向碰撞时,保险杠应能吸收部分能量,以保护车身,使之损坏较小,同时通过缓冲使人的伤害程度也大大减小。一般要求可吸收相当于8km/h速度下的冲击能量,有的法规放宽到4km/h,冲击后对车身及车身功能件的保护和保险杠的永久变形量都有规定。

2、碰撞时对行人的保护。

保险杠的防护结构应由减轻行人受伤的软表层,主要由弹性较大的泡沫塑料制成;不应制造得尖锐而坚硬,最好是平整光滑而富有弹性。某些轿车包括保险杠在内的整个正面都用大块聚胺酯泡沫塑料制成并将发动机罩的顶面用软材料包垫,使安全性大大提高。

3、车身外观装饰性。

保险杠与翼子板、大灯灯体、轮罩护板搭配,使车辆外形更美观。为保证保险杠的侧面连接,保证保险杠与翼子板之间的间隙,还有与轮罩护板的连接,保险杠和周围相关件之间还有些辅助定位点。

4、承载功能。

在保险杠上有的要装灯具、牌照架和牌照等附件,可以采用安装脚支架或安装平台通过螺栓安装灯体,或设计灯板安装灯具,在设计时要在保险杠上留与灯体合适的间隙,以方便灯体的安装,同时还要考虑灯体的可互换性。在设计牌照安装时应参考GB 15742-1995《汽车与挂车号牌板(架)及位置》的法规要求。

5、满足车身空气动力性要求。

三、保险杠的使用材料及制造工序

1、保险杠使用材料

1)传统材料:①以钢板作为保险杠材料。早期一般取厚度为3mm的板料,其断面是单一的刚性元件,以冲压、辊压成型为主要手段。当保险杠成为车身前后覆盖件的一部分时,其断面形状日趋复杂,以冲压拉伸为主要制造手段,拉伸工艺的使用,为提高制件的刚性和轻量化创造了有利条件,现一般使用2mm左右的钢板。②铝合金保险杠具有质量轻、耐腐蚀性强等优点;较低的弹性模量使铝合金具有有利的物理特性;铝制件有受到永久变形前,允许承载较大的弯矩。保险杠铝制件一般采用挤压成形的制造手段。

2)树脂保险杠的材料:①聚氨酯(PU)具有良好的成形性,制品受外力后复原性好。但PU保险杠在制造过程中产生的不合格品、车辆报废后的废旧保险杠,可回收性较差。②二甲氨基:材料成本太高,日益被其它塑料材料所取代。③合成橡胶材料:可以采用注射成形工艺,作为PU的代替材料。④PP材料:由于其材料成本低,得到越来越广泛的应用,在PP材料中加入滑石粉和橡胶来提高材料性能,以适应保险杠的刚度和耐碰撞性要求。

2、树脂保险杠的制造工序

3)、RIM成形工序

注射成形与RIM成形的比较情况如下表所示:

image.png

四、保险杠设计应遵循的原则

(1)满足国家各项强制性法规要求。

(2)满足造型设计师的设计风格。

(3)满足客户的企业标准。

(4)在满足撞击条件下,力求小型化、简单化和低成本。

(5)满足撞击条件下,提高其装饰性,采用一体化设计方法。

(6)保险杠结构设计和材料的使用应充分体现轻量化设计要求。

(7)塑料吸能式保险杠是保险杠设计的主流。

(8)保险杠罩面柔软化以及形状设计应充分考虑对行人的安全保护。

五、保

六、保

(1)市场调查、客户需求研:在此阶段,要分析需要设计的车型的市场定位及所有竞争车型的情况,同时了解客户对设计的总体要求,并且分解到具体零件的设计要求上。

(2)设计风格定位:设计风格可以有运动型、家庭型、舒适型、豪华型、亲和型等等,在确定风格后,就可以决定保险杠上的特征。

(3)造型方案初始效果图:通常设计师要绘制很多张设计效果图,通过评审,提炼后完成5 张效果图提供给客户选择。最终完善效果图:在参考了客户的选择之后,完成一到两张能够达到照片效果的效果图。需要应用一些电脑软件来完成。

(4)最终完善效果图:在这一阶段, 需要有工程设计的信息输入,完成初始曲面后可以 用 于加工初始油泥模型。有了11个主断面的信息,可以决定油泥加工原料的尺寸。

(5)TAPEDRAWING:用粘贴胶带在1:1的图纸上绘制保险杠的外形和特征,将效果图的信息转换到车身空间上。

(6)完成roughsurface:在这一阶段,需要有工程设计的信息输入,完成初始曲面后可以用于加工初始油泥模型。有了5个主断面的信息,可以决定油泥加工原料的尺寸。

(7)制作sittingbuck & clay :SITTING BUCK是根据汽车车身的尺寸,用木材、FOAM BLOCK、POLYWOOD等材料制作与车身一致的框架用于放置油泥模型。油泥模型的制作需要很高的技巧和创造性的工作。一般油泥完成后需要进行评审,评审时通常需求对保险杠进行一些装饰,如在表面裹缚表皮或喷涂油漆,使得其外观接近实际产品。在制作油泥模型时,需要有保险杠布置、制造工艺、装配工艺等多方面的信息输入。油泥模型的精度一般可达到±2mm,德国大众公司往往将模型的精度控制在1毫米,但需要时间和费用。

(8)扫描clay模型:可以用多种方法扫描油泥模型,如接触式的三坐标扫描,激光扫描和高 精度光学照相机拍照等,可以采集到反映油泥模型形状的数学点云。

(9)Asurface造型:高质量的A 表面是产品具有高质量外观和配合的基础。对CLASS A SURFACE的要求不同主机厂有不同的要求,不同的CAD软件能够达到不同的精度。ALLIAS和ICEAM SUF是主要的CAD软件,相比较CEAM SUF更专业一些。CLASSA曲面质量 可以用CAD软件的高光、反射线、高斯曲率等工具检查曲面是否有波纹,面片之间是否有缝隙和是否曲率连续。CLASS A曲面的精度要达到0.01毫米,相切的面片的角度偏 差不超过1.4 分(0.02 度 )。通常也可以将所有面片连成一个SKIN,然后偏一个厚度,生成一个壳体,如果能够成功,说明曲面的缝隙和连续性是可以接受的。在这个阶段必须注意的是,CLASS A 曲面必须完全按照结构设计提供的断面,并且完成所有可 见面上的圆角和第一个翻边,定义所有的间隙大小,这样可以保证工程师在以后的造型中完全按照造型师的设计。

(10)Asurface发布:在CLASS A 曲面发布之前,一般需要用数控加工一个模型,与油泥模型比较。只是因为在做CLASS A 表面时,往往都根据扫描点云作一些微调, 需要在发布前在作一次检查。

(11)设计必须满足相关法规:   QC/T487-1999      汽车保险杠的位置尺寸

GB17354-1998      汽车前、后端保护装置

GB 15741-1995     汽车和挂车号牌板(架)及其位置

GB17354-1998      汽车前、后端保护装置

GB11566-1995      汽车外部凸出物

GB/T12537-1990    汽车牵引性能试验方法

(12)保险杠结构布置:塑料保险杠是由外板、缓冲材料和横梁等三部分组成。其中外板和缓冲材料用塑料制成,横梁用厚度为1.5毫米左右的冷轧薄板冲压而成U型槽;外板和缓冲材料附着在横梁上,横梁与车架纵梁螺丝联接,可以随时拆卸下来。这种塑料保险杠使用的塑料,大体上使用聚脂系和聚丙烯系两种材料,采用注射成型法制成。

(13)断面设计:(以某MPV为例子) A) Y=0断面,表达保险杠上下主要安装点和保险杠与格栅的关系。B)为保险杠辅助安装点断面。C)为保险杠主要测下安装点断面。D)为保险杠辅助安装点,该MPV用来安装挡泥板。E)为保险杠定位点。F)为保险杠主要侧上安装点。G) 该为保险杠和保险杠骨架侧连接点。H)为保险杠与防擦条连接点。I)为保险杠和保险杠骨架连接点。J)为保险杠左上主要安装点。K)为保险杠主要上安装点。

有以上11原理断面, 保险杠的基本设计概念就完成了,这些断面要提供给油泥制 作, 决定初始油泥的尺寸。

(14)检查A面是否满足相关结构要求:检查保险杠A面的光顺性;检查A面是否能够加满足保险杠设计所需的料厚;在结构设计的过程中,可能发现一些造型的错误可以输出给外表面造型。

(15)产品建模:这个阶段是设计的关键阶段,将在后文详细介绍一些断面的设计方法。完成产品建模设计可以说保险杠的设计的80%已经完成,它包括所有零部件的工作方式,安装方式,空间布置等。

(16)支架及附件建模:根据断面要求及空间布置形式,以及保险杠的整体结构进行支架和附件等的三维数模建立,最终完成保险杠整体结构的设计。

(17)产品工程图纸:产品工程图纸的作用随着CAD技术的提高而不断的减弱,工程图 纸上可以只包括一些技术信息、关键装配尺寸公差信息、GD&T信息,所有的产品尺寸可以在3维模型上得到。现在有些软件甚至可以在3维模型上标注GD&T信息。这些信息主要是为了检验产品,制作产品检具提出要求。

七、断面介绍(以某MPV保险杠为例)

A) 保险杠应避免尖锐的特征线过渡到翼子板上, 特征的最小园角为2mm.,保险杠上下主要安装点也是保险杠中间定位点,一般先装该孔螺栓,但是必须要有几个主要螺栓连接安装点的前提下,也可采用卡扣连接。

B) 该位置安装点为相对于Y=0对称布置,为保险杠辅助安装点,一般采用M8~12螺栓连接,也可采用卡扣连接。

C) 该位置安装点为相对于Y=0对称布置,为保险杠主要安装点,一般采用M8~12螺栓连接。

D) 该位置安装点为相对于Y=0对称布置,为保险杠辅助安装点,该MPV用来安装挡泥板。一般采用卡扣或者自攻螺栓连接。

E) 该位置安装点为相对于Y=0对称布置,为保险杠定位点。保险杠翻边和表面连接部位应局部减薄到料厚的1/3~2/3防止表面缩痕。

F) 该位置安装点为相对于Y=0对称布置,为保险杠辅助安装点,一般采用M8~12螺栓连接,也可采用自攻螺栓连接。保险杠与翼子板的间隙为1MM。

G) 该位置安装点为相对于Y=0对称布置,为保险杠和保险杠骨架连接点,一般采用M8~12螺栓连接,也可采用卡扣和铆钉连接。

H) 该位置卡接相对于Y=0对称布置,为保险杠与防擦条连接方式,也可采用卡扣连接。防撞条表面高于保险杠表面5MM。

I) 该位置安装点为相对于Y=0对称布置,为保险杠和保险杠骨架连接点,一般采用M8~12螺栓连接,也可采用卡扣和铆钉连接。

J) 该位置安装点为相对于Y=0对称布置,为保险杠主要安装点,一般采用M8~12螺栓连接。

K) 该位置安装点为相对于Y=0对称布置,为保险杠主要安装点,一般采用M8~12螺栓连接,也可采用卡扣连接。

八、轿车保险杠

一、反复拆装参考洋车,吃透洋车安装结构,能参照洋车设计尽量参照。掌握在关键位置的尺寸关系,不给实际装车留下隐患。进行主断面的设计,请专家参与讨论,确定保险杠的安装结构及周边各件的关系

二、收集各个周边零件的最新设计数模,分别放到不同的层中,并将各个层用零件名称来命名,以便设计过程中快速的调用。

三、根据外形造型特征,确定前保险杠的主脱模方向,一般情况下都为X方向。有些保险杠要求双色喷涂,双色喷涂的分界线就会有一条沟槽,这样的保险杠的脱模方向要根据沟槽方向而定。

四、确定保险杠的厚度,把外表面增厚成实体。

五、根据校核过的外表面的分缝线进行周圈翻边的设计,综合考虑与周边零件的配合关系的情况下,给翻边加适当的脱模斜度,两侧与挡泥板配合的翻边不宜过高,满足与挡泥板的安装空间就可以,尽量减少模具两侧的滑块行程。

六、进风格柵的设计,根据造型要求,可以是整体式的,也可以单独设计成一个件,然后用卡接的方式连接到保险杠本体上,注意卡接时,装配方向为X方向,周圈装配间隙为0.5-1mm

七、探测雷达的安装结构设计。探测雷达的轴线可按保险杠外面法向布置,通过一弹性簧片卡在保险杠内面来固定。

八、设计雾灯安装结构。根据装配形式的不同,对应的安装结构也不同,从前往里装的方式(雾灯预埋有螺栓),安装结构比较简单,模具不需要抽芯,但很多时候要在外面加一块装饰盖板;从内往外装的雾灯,安装结构需要在保险杠本体上预埋螺栓或螺母增加模具难度,否则就需要侧抽芯。

九、缓冲块或者是蜂窝装缓冲梁的设计。设计前先先确定零件的脱模方向,然后在保险杠上增加相应的安装点即可。

十、装饰条的设计。装饰条有分段注塑成型的,也有整体变形安装的,根据不同的造型效果,采用不同形式的装饰条。分段注塑成型的装饰条主要有螺顶连接和卡接两种。

十一、防撞梁的设计,以参考洋车为主,一般都为螺栓连接到车身上。

十二、与周边零件的设计者协调,确定安装点,保证各部位连接、定位的可靠,特别注意拆装的方便性。

十三、根据明细表的层级关系进行零件的装配,装入标准件、卡扣及周边零件,进行详细的检查。

九、结束语

作为一位设计公司的技术工程师,对保险杠的设计,最先做的就是检查a面是否满足我做数模的要求,在建模之前一定要考虑好安装方法,基本所要考虑的是保险杠安装可靠,能保证和周边零件的间隙,就是安装点的分布方式,前后保险杠的差别不是很大,原理都是一样的,基本上安装点的间距不超过200mm,轿车保险杠的安装,在中部上下都比较简单,差别也不会很大,差别大的地方在侧面,由于造型分块及板金成型工艺等的影响,一般都要增加辅助安装支架,很多时候都在侧面加有一个方向自由度的连接方式,具体怎么连接可以不拘泥于形式,完全可以凭空设计,比若奥迪A6的保险杠侧面安装支架就比较复杂,可换来的就是翼子板间隙趋近于0,另外就是安装方式的选择,连接方式多种多样,就是在保证质量的情况下让安装更为方便简捷,一般情况下要在五分钟之内装完。这对提高装配效率和效果很重要,大家要到现场体验一下才能深刻体会。另外需要加深的是对一些复杂曲面实体的建模工作,包括复杂的多个曲面加厚的工作。国外的工程师有他们的一套独特的方法,可惜基本上都没有参数,所以在很多等料厚和不等料厚,表面带锐角边缘和不带锐角边缘的实体建模对于我们来说是很难的。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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