關(guān)于汽車保險(xiǎn)杠開發(fā)的研究

張浩,于金生，李龍

(長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

關(guān)于汽車保險(xiǎn)杠開發(fā)的研究

張浩,于金生，李龍

(長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北省汽車工程技術(shù)研究中心,河北保定 071000)

結(jié)合長(zhǎng)城、哈弗品牌汽車保險(xiǎn)杠多年設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，主要對(duì)汽車保險(xiǎn)杠的系統(tǒng)構(gòu)成、在開發(fā)過(guò)程中應(yīng)注意的法規(guī)及非法規(guī)性要求、保險(xiǎn)杠的卡接結(jié)構(gòu)匹配設(shè)計(jì)原理、結(jié)合行人保護(hù)要求優(yōu)化保險(xiǎn)杠前臉造型等幾個(gè)方面做了概要介紹。

保險(xiǎn)杠；法規(guī)；卡接結(jié)構(gòu)；行人保護(hù)

0 引言

汽車保險(xiǎn)杠對(duì)于汽車來(lái)講不僅起到裝飾作用更起到保護(hù)作用，從安全角度講，汽車發(fā)生碰撞事故時(shí)能起到緩沖作用，保護(hù)前后車體；從外觀上看，保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)風(fēng)格體現(xiàn)著各個(gè)公司的家族特點(diǎn)，給顧客第一購(gòu)車吸引點(diǎn)；從結(jié)構(gòu)布置上看，保險(xiǎn)杠直接決定著整車性能，包括接近角、離去角、大燈高度、尺寸等設(shè)計(jì)參數(shù)。隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)保險(xiǎn)杠技術(shù)條件要求越來(lái)越高，因此對(duì)保險(xiǎn)杠的性能要求越來(lái)越嚴(yán)格。一些新的設(shè)計(jì)理念不斷融合到保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)之中。文中主要對(duì)保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)中涉及的法規(guī)要求及結(jié)構(gòu)配合進(jìn)行分析。

1 保險(xiǎn)杠構(gòu)成及尺寸要求

保險(xiǎn)杠主要由以下零部件組成：前保險(xiǎn)杠通風(fēng)格柵、前后保險(xiǎn)杠左右安裝支架、前保險(xiǎn)杠左右霧燈蓋板、前保險(xiǎn)杠下通風(fēng)格柵、前保險(xiǎn)杠脫鉤悶蓋、前保險(xiǎn)杠本體、保險(xiǎn)杠緩沖塊等。具體安裝部位如圖1所示。根據(jù)整車的配置功能要求，部分車型保險(xiǎn)杠還裝有攝像頭、雷達(dá)探頭、碰撞氣囊、液壓緩沖裝置等。

保險(xiǎn)杠的輪廓尺寸需要滿足QC/T 487-1999 《汽車保險(xiǎn)杠的位置尺寸》中相關(guān)要求。保險(xiǎn)杠的Y向尺寸應(yīng)不小于車輛寬的90%，保險(xiǎn)杠的Z向尺寸應(yīng)在保險(xiǎn)杠水平件有效接觸面的上下翼緣處測(cè)量，對(duì)于轎車來(lái)講，當(dāng)汽車處于滿載靜止?fàn)顟B(tài)下，保險(xiǎn)杠上、下翼緣與地面的Z向空間距離應(yīng)分別不小于420 mm、不大于360 mm。裝配保險(xiǎn)杠的汽車應(yīng)能在不小于5%的坡度路上向上推行另一輛同狀態(tài)的汽車時(shí)，外觀應(yīng)無(wú)明顯變形[1]。

2 保險(xiǎn)杠外部凸出物校核

保險(xiǎn)杠外部造型圓滑度要符合相應(yīng)的法規(guī)要求，主要是為了降低在碰撞時(shí)被車身擦、碰的人員的傷害程度，是對(duì)行人的進(jìn)一步保護(hù)，是保險(xiǎn)杠外造型設(shè)計(jì)中最重要的法規(guī)項(xiàng)，主要的外部凸出物法規(guī)有中國(guó)的GB 11566-2009、歐洲的74/483/EEC及修訂版79/488/EEC、ECER26。其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容如下：

(1)裝配在外車身表面的零部件如前后組合大燈、前后保險(xiǎn)杠、雷達(dá)探頭等，其圓角半徑R應(yīng)大于2.5 mm。當(dāng)零部件凸出車身尺寸s小于1.5 mm或者1.5 mm

(2)當(dāng)車身外裝飾件硬度小于SHOREA=60°時(shí)，裝飾件凸出部位的半徑可不大于2.5 mm。

(3)保險(xiǎn)杠兩端應(yīng)向車身表面彎曲，以減少刮傷的危險(xiǎn)。如果保險(xiǎn)杠是嵌入式的、或和車身結(jié)構(gòu)形成一體的、或保險(xiǎn)杠側(cè)端部向內(nèi)彎曲但不能被直徑100 mm的球體所接觸，并且保險(xiǎn)杠端部和最近的車身表面之間的距離不超過(guò)20 mm，則認(rèn)為滿足要求。

(4)當(dāng)前后保險(xiǎn)杠與地面的Z向投影線與車輛外邊界線重合時(shí)，在圖2所圍成的區(qū)域內(nèi)其R>5 mm。當(dāng)s<1.5 mm時(shí)除外[2]。

3 格柵之間間隙尺寸的測(cè)量方法

格柵之間的間隙尺寸應(yīng)由通過(guò)球體兩接觸點(diǎn)并垂直于連接這些點(diǎn)的線的兩個(gè)平面間的距離來(lái)測(cè)定。如圖3所示，用直徑100 mm的球體與格柵的兩相鄰元件接觸，接觸點(diǎn)分別為點(diǎn)L、Q。點(diǎn)L和點(diǎn)Q間的距離h即為格柵間隙。若h有功能要求時(shí)，當(dāng)25 mm

4 格柵進(jìn)氣面積

整車在進(jìn)行外流場(chǎng)計(jì)算時(shí)，保險(xiǎn)杠造型同時(shí)起到關(guān)鍵性作用，圖4是汽車在行駛過(guò)程中車身表面的壓力分布圖(圖中色柱顯示的是不同壓力值在圖中對(duì)應(yīng)的顏色，單位是Pa)。從圖中可以看到:保險(xiǎn)杠正前方為正壓區(qū)，壓力最大。整個(gè)車身大部分表面處于負(fù)壓區(qū)，在保險(xiǎn)杠周緣A柱附近具有較低的壓力。所以保險(xiǎn)杠外造型要圓滑過(guò)渡，盡量減小風(fēng)阻系數(shù)。同時(shí)在保險(xiǎn)杠格柵設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)進(jìn)氣面積進(jìn)行校核，在3D數(shù)據(jù)中確認(rèn)上下格柵有效進(jìn)風(fēng)開口面積之和與散熱器芯體面積兩者比值盡量接近30%。一般通風(fēng)散熱投影比例達(dá)到25%，格柵進(jìn)氣基本就能達(dá)到散熱要求，在25%～30%區(qū)間較為合適[3]。

5 保險(xiǎn)杠牌照板相關(guān)法規(guī)

5.1 號(hào)牌支架介紹

號(hào)牌板：直接安裝號(hào)牌的面板。

號(hào)牌架：加裝在車輛上用于安裝號(hào)牌的裝置。

號(hào)牌板的形狀和尺寸：號(hào)牌板可為一長(zhǎng)方形平面板(在保證號(hào)牌的安裝要求情況下可以是曲面)。號(hào)牌板外廓尺寸及號(hào)牌安裝孔尺寸按GB 36確定。

5.2 牌照板國(guó)內(nèi)外尺寸法規(guī)

各國(guó)對(duì)其機(jī)動(dòng)車牌照都有相關(guān)法規(guī)，主要法規(guī)有中國(guó)GA36-2007、GB 15741-1995，歐洲70/222/EEC，美國(guó)SAE-J686。具體尺寸要求見(jiàn)表 1中的尺寸示意和列出的尺寸。

表1中歐美牌照尺寸要求mm

對(duì)后保險(xiǎn)杠上的號(hào)牌板(架)的位置設(shè)計(jì)，同時(shí)也需考慮號(hào)牌板(架)的燈光照明要滿足法規(guī)的要求，對(duì)在后保險(xiǎn)杠上安裝號(hào)牌板的，除在保險(xiǎn)杠上給出號(hào)牌板的合適安裝位置外，還需同時(shí)考慮牌照燈的安裝結(jié)構(gòu)位置設(shè)計(jì)，確保牌照燈的安裝對(duì)號(hào)牌板的照明滿足GB 18408-2001《汽車及掛車后牌照板照明裝置配光性能》的要求。

5.3 牌照板視野校核

牌照板和牌照安裝支架安裝前保險(xiǎn)杠或者后保險(xiǎn)杠后不能影響整車認(rèn)證參數(shù)，尤其是整車接近角和離去角。為了車外人員更好地觀察牌照信息，牌照板或牌照安裝支架應(yīng)近似垂直整車XZ平面。前牌照板安裝后，其中心點(diǎn)不可在整車XZ平面的左側(cè)且不能超出整車前端右邊界；后牌照板安裝后，其中心點(diǎn)不可在整車XZ平面的右側(cè)且不能超出整車前端左邊界。牌照板安裝整車需要滿足一定的可視范圍，前牌照板允許后仰角度不大于15°。車輛空載狀態(tài)下，后牌照板上邊界與地面Z向距離小于等于1.20 m時(shí)，其正面允許上仰不大于30°。當(dāng)后牌照板上邊界與地面Z向距離大于1.20 m時(shí)，其正面允許下俯不大于15°。后牌照板安裝整車狀態(tài)下，其下邊界與地面Z向距離應(yīng)大于等于0.3 m，上邊界與地面Z向距離應(yīng)小于等于1.20 m。由于車身布置結(jié)構(gòu)問(wèn)題不能滿足時(shí)，后牌照板與地面的Z向距離也要控制在2.0 m以下。

安裝于號(hào)牌板(架)上的號(hào)牌應(yīng)在如下空間范圍內(nèi)可視，該空間由以下4個(gè)平面組成：通過(guò)號(hào)牌兩側(cè)邊并呈向外30°的兩個(gè)鉛垂平面,見(jiàn)圖5(a)；通過(guò)號(hào)牌上邊緣與水平面呈向上15°的平面，見(jiàn)圖5(b)，經(jīng)過(guò)號(hào)牌下邊緣的水平面[若號(hào)牌上邊緣離地高度大于1.20 m，見(jiàn)圖5(c)，該平面應(yīng)與水平面呈向下15°]。號(hào)牌架不得遮擋號(hào)牌上的字符[4]。

5.4 號(hào)牌支架外部凸出物校核

由汽車制造廠提供的號(hào)牌支架，當(dāng)號(hào)牌按汽車制造廠推薦的位置安裝時(shí)，用一直徑為100 mm的球體與之接觸時(shí)，應(yīng)符和外部凸出物相關(guān)法規(guī)要求GB 11566-2009。

6 保險(xiǎn)杠卡接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車保險(xiǎn)杠周圍需與保險(xiǎn)杠上下格柵、保險(xiǎn)杠支架、前大燈等零部件相互匹配設(shè)計(jì)，其主要的連接固定方式為卡接，常見(jiàn)失效模式主要原因也為卡接層面出現(xiàn)問(wèn)題，所以要保證設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的保險(xiǎn)杠數(shù)據(jù)首先要了解塑料卡接結(jié)構(gòu)原理。塑料零部件結(jié)構(gòu)就需從零部件與零部件的連接層面(ALC)講起，因?yàn)楣δ芗?wèn)題是更本質(zhì)問(wèn)題的征兆，這些問(wèn)題只有在ALC中才能得到解決。而由ALC原因引起的塑料件常見(jiàn)問(wèn)題主要有裝配難、功能件損壞或失效、零件有異響、零部件扭曲或松動(dòng)。

汽車塑料零部件之間匹配主要通過(guò)塑料懸臂鉤連接，懸臂鉤斷面如圖6所示，圖中各變量含義見(jiàn)表2。

序號(hào)符號(hào)名稱1Tb壁面處的梁厚度2Tv梁處的壁厚3L1鎖緊功能件總長(zhǎng)度4Tt保持功能件處的梁厚度5r根切厚度6Wt保持功能件處的梁寬度7Le梁的有效長(zhǎng)度(梁的根部到配合功能件與插入或保持面接觸點(diǎn)的距離)8Lt保持功能件長(zhǎng)度9Lb梁的長(zhǎng)度10α插入面角度11β保持面角度12R壁面與梁的圓角13Wb壁面處的梁寬度

其配合要求主要為：

(1)當(dāng)卡接結(jié)構(gòu)懸臂鉤起于零部件壁面上時(shí)，懸臂鉤根部厚度Tb應(yīng)為壁厚Tv的1/2～3/5。當(dāng)Tb小于1/2Tv時(shí)，懸臂鉤在填充過(guò)程中會(huì)存在滯留、波紋等充模問(wèn)題，且其強(qiáng)度也無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，后期裝配易出現(xiàn)斷裂問(wèn)題。當(dāng)Tb大于3/5Tv時(shí)，在注塑過(guò)程中會(huì)存在冷卻問(wèn)題，以及出現(xiàn)殘余應(yīng)力、縮痕等注塑問(wèn)題。

(2)懸臂鉤的長(zhǎng)度由Lb和Lt組成，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)首先保證5Tb≤L1≤10Tv。當(dāng)L1≥10Tv時(shí)，在注塑過(guò)程中，由于材料分子的取向性，懸臂鉤端部會(huì)出現(xiàn)翹曲變形問(wèn)題。當(dāng)L1≤5Tb時(shí)，懸臂梁韌性降低，在裝配過(guò)程中承受很大的剪切作用時(shí)極易損壞。

(3)在零部件裝配拆解過(guò)程中，起到導(dǎo)向作用的參數(shù)主要為插入面角度α和保持面角度β。其合理的取值范圍分別為25°≤α≤35°、35°≤β≤45°。當(dāng)α≥45°時(shí)，零部件之間裝配較困難。當(dāng)β=90°時(shí)，兩個(gè)配合零部件之間無(wú)法拆解，此設(shè)計(jì)方案不適合應(yīng)用于汽車零部件售后維修問(wèn)題的解決。原因如圖7所示。

懸臂鉤的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求為強(qiáng)度、約束、配伍性和堅(jiān)固性。強(qiáng)度是鎖緊件在裝配過(guò)程中的性能，是鎖緊和定位功能件兩者在產(chǎn)品使用壽命中確保連接完整性的能力。約束是對(duì)零件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的防止或控制。在卡扣中，定位功能件和鎖緊功能件形成約束靠的是結(jié)合面間力的傳遞以及配合件與基體件的相互定位。配伍性是在所有要素之間卡扣結(jié)合面內(nèi)的協(xié)調(diào)性。堅(jiān)固性常常定義為容許尺寸的變化量，作為卡扣的要求[5]。

塑料零部件間的失效問(wèn)題可以想象為一個(gè)剛體在空間的任意運(yùn)動(dòng)，可分解為質(zhì)心O′的平動(dòng)和繞通過(guò)質(zhì)心某直線的定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，它既有平動(dòng)自由度還有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。剛體質(zhì)心O′的位置，需3個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)(x，y，z)，自由剛體有3個(gè)平動(dòng)自由度t=3；剛體繞通過(guò)質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，共有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度r=3。所以，一個(gè)任意運(yùn)動(dòng)的剛體，總共有6個(gè)自由度，即3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，即i=t+r=3+3=6。若想零部件在空間完美配合，只需根據(jù)運(yùn)動(dòng)原理使零部件i=0即可。

以保險(xiǎn)杠支架與杠本體卡接結(jié)構(gòu)為例，如圖8所示，保險(xiǎn)杠支架看做一個(gè)空間任意運(yùn)動(dòng)的剛體，自身存在3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，如若想保險(xiǎn)杠支架固定保險(xiǎn)杠牢固，必須固定支架的6個(gè)自由度。3個(gè)安裝點(diǎn)①直接固定了保險(xiǎn)杠支架的Y軸旋轉(zhuǎn)度和Y向平動(dòng)自由度，安裝點(diǎn)的倒刺卡接及固定面固定X、Z向自由度，只有坐標(biāo)自由度都固定才能使杠支架與車身翼子板牢固固定。同時(shí)4個(gè)安裝點(diǎn)②限制保險(xiǎn)杠翻邊搭接的Z向自由度，但X向安裝空間放開，使安裝點(diǎn)③限制X向自由度。只有保險(xiǎn)杠、保險(xiǎn)杠支架、翼子板空間無(wú)法運(yùn)動(dòng)時(shí)才能防止塑料零部件的變形。

7 行人保護(hù)

汽車保險(xiǎn)杠擁有裝飾性作用的同時(shí)也承載著保護(hù)行人的作用，近幾年行人保護(hù)作為車輛設(shè)計(jì)的新領(lǐng)域之一逐步應(yīng)用于汽車安全設(shè)計(jì)中，在汽車碰撞過(guò)程中對(duì)行人造成傷害的區(qū)域主要集中在前保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、翼子板以及前風(fēng)窗等區(qū)域。汽車保險(xiǎn)杠Y向坐標(biāo)尺寸應(yīng)超出輪罩及輪胎，并彎向內(nèi)側(cè)，吸能特性應(yīng)保證車輛在8 km/h速度的撞擊下，使車身前、后端免受損傷。按照行人保護(hù)法規(guī)要求，為減少碰撞對(duì)行人的傷害值，前保險(xiǎn)杠需要有足夠的變形空間，當(dāng)行人與車輛發(fā)生碰撞時(shí)，人體腿部首先和保險(xiǎn)杠接觸，只有前保險(xiǎn)杠有足夠的窺縮變形量，才能減少對(duì)行人的傷害。在車輛設(shè)計(jì)時(shí)為達(dá)到最優(yōu)保護(hù)效果，要保證前保險(xiǎn)杠與保險(xiǎn)杠防撞梁距離越大越好，保險(xiǎn)杠小腿碰撞區(qū)域與防撞梁的最小距離需保證在80 mm以上。保險(xiǎn)杠前下端造型盡量向前凸，當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，凸點(diǎn)與行人小腿可以形成支點(diǎn)，降低腿部碰撞過(guò)程中運(yùn)動(dòng)量，減小行人損傷值。

相對(duì)于行人保護(hù)而言，前保險(xiǎn)杠的主要優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域?yàn)樾⊥葏^(qū)域，沿整車XZ平面向車身方向做60°角，其與前保險(xiǎn)杠外邊界相切處做鉛垂面，即保險(xiǎn)杠角。鉛垂面沿Y軸向車內(nèi)移動(dòng)66 mm，兩個(gè)鉛垂面所圍成區(qū)域即為小腿碰撞區(qū)域，各個(gè)參考線的確認(rèn)方法參考法規(guī)2003/102/EC。保險(xiǎn)杠的緩沖塊、防撞梁設(shè)計(jì)以及增加阻尼、液壓、彈簧等結(jié)構(gòu)以減小碰撞能量，保護(hù)行人。

8 小結(jié)

汽車保險(xiǎn)杠作為汽車外裝飾的重要零部件可以第一時(shí)間提高顧客的購(gòu)買欲望，隨著中國(guó)汽車市場(chǎng)的不斷成熟，顧客對(duì)汽車外觀要求也越來(lái)越高，所以保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)成為汽車外觀設(shè)計(jì)中的重要部分。在開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要熟悉保險(xiǎn)杠的相關(guān)法規(guī)要求及結(jié)構(gòu)要求，只有這樣才能提高開發(fā)設(shè)計(jì)質(zhì)量，避免后期零部件的功能失效。

【1】全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).QC/T 487-1999汽車保險(xiǎn)杠的位置尺寸[S].1999.

【2】全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 11566-2009乘用車外部凸出物[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

【3】漕渡.汽車內(nèi)外飾設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

【4】全國(guó)汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 15741-1995汽車和掛車號(hào)牌板(架)及其位置[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1995.

【5】博登伯杰 保羅 R.塑料卡扣連接技術(shù)[M].馮連勛,馬秀清,董力群,譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

ResearchontheDevelopmentofAutomotiveBumper

ZHANG Hao,YU Jinsheng,LI Long

(R & D Center of Great Wall Motor Company, Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

Combined with years development experience about Great Wall, Harvard brand automobile bumper, the system composition of automobile bumper, regulations and non regulatory requirements should be pay attention to in the developing process, design principle of bumper clamping structure, bumper face modeling optimization combining with pedestrian protection requirements were mainly introduced.

Bumper; Regulations; Clamping structure; Pedestrian protection

2014-11-19

張浩(1985—)，男，本科， 助理工程師，從事汽車內(nèi)外飾零部件開發(fā)工作。E-mail：zhanghao198594@126.com。