一款SUV塑料后防撞梁設(shè)計(jì)方法

鄭明敏

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心車身電子研究院，安徽 合肥 230601）

引言

汽車后防撞梁采用以塑料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬的方式進(jìn)行減重是汽車降重的一個(gè)重要手段。塑料后防撞梁以塑料產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬產(chǎn)品，降重效果明顯、實(shí)現(xiàn)整車輕量化；且塑料后防撞梁的材料可回收利用，生產(chǎn)過程中低排放、低能耗的優(yōu)勢[1]；塑料后防撞梁無需進(jìn)行表面處理、耐腐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)金屬產(chǎn)品。

本文主要研究一款SUV用GMT[2]材料后防撞梁設(shè)計(jì)分析，詳細(xì)說明塑料后防撞梁的開發(fā)過程，該款塑料后防撞梁在確保產(chǎn)品綜合性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求的前提下有效實(shí)現(xiàn)減重目標(biāo)，滿足整車使用要求。

1 塑料后防撞梁設(shè)計(jì)

1.1 一般設(shè)計(jì)流程

一般情況下汽車后防撞梁都是需要結(jié)合整車碰撞要求重新開發(fā)，后防撞梁位置要與碰撞器重疊。后防撞梁的一般開發(fā)流程如圖1所示：

圖1 后防撞梁一般設(shè)計(jì)流程

塑料后防撞梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)：根據(jù)布置的碰撞器的高度，布置防撞梁位置，需滿足以下約束條件。

1）與車身后圍鈑金在Y0處最小間隙（X向）≥50mm；

2）Z向有效高度（塑料后防撞梁與碰撞器重疊處于，翻邊除外）≥80mm；

3）X向有效寬度≥35mm；

4）與設(shè)計(jì)載荷、空載兩個(gè)位置的碰撞器有效重疊區(qū)域內(nèi)Z向重疊尺寸≥40mm；

5）兩端在不影響碰撞的前提下 Z向上盡量避免與后霧燈重疊，如有重疊，重疊部分X向間隙要求≥40mm。

1.2 塑料后防撞梁材料

塑料后防撞梁選用材料時(shí)一般要求在較寬的溫度范圍內(nèi)剛性高、抗沖擊性能好；尺寸穩(wěn)定性好；成型方便。目前塑料后防撞梁材料一般選用玻璃纖維增強(qiáng)和工程塑料合成的復(fù)合材料，俗稱玻璃鋼（GMT），GMT材料在滿足一般要求的同時(shí)具有質(zhì)量輕、拉伸強(qiáng)度高、抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)[3]。GMT材料主要性能如表1所示。

表1 GMT材料性能表

1.3 零部件裝配設(shè)計(jì)

以下內(nèi)容應(yīng)該在塑料后防撞梁裝配設(shè)計(jì)中被充分考慮：裝配順序，工具可達(dá)性，維修方便，緊固點(diǎn)可靠，緊固力矩合理。

后保險(xiǎn)杠固定支架通過防撞梁本體上的加強(qiáng)筋限位，通過自攻螺釘與防撞梁本體連接在一起。

1）定位銷內(nèi)嵌在防撞梁本體模具內(nèi)與防撞梁本體之間模壓一體成型固定在一起。

2）塑料后防撞梁與車身連接結(jié)構(gòu)，一般通過本體上定位銷定位，再通過6個(gè)M8的螺栓把塑料后防撞梁兩側(cè)與車身后圍鈑金上的凸焊螺母連接。

1.4 塑料后防撞梁的環(huán)境條件

塑料后防撞梁安裝在車身的尾部，距離排氣管比較近，因此塑料后防撞梁應(yīng)耐得住嚴(yán)苛的環(huán)境條件要求。一般環(huán)境要求如表2所示。

表2 環(huán)境要求

1.5 塑料后防撞梁的強(qiáng)度要求

塑料后防撞梁設(shè)計(jì)需要在車型設(shè)計(jì)載荷及空載狀態(tài)下滿足塑料后防撞梁正碰、偏置碰時(shí)侵入量≤141.4mm，偏移量≤70.3mm，拉伸強(qiáng)度≤260MPa；角碰時(shí)侵入量≤144.1mm，偏移量≤70.3mm，拉伸強(qiáng)度≤260MPa。

2 一款SUV塑料后防撞梁設(shè)計(jì)

2.1 塑料后防撞梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)前述零部件設(shè)計(jì)要求對各需要集成的零部件安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。包括定位銷、后保險(xiǎn)杠安裝支架等安裝固定方式，及相應(yīng)緊固扭力要求。塑料后防撞梁采用 GMT材料模壓成型，結(jié)構(gòu)數(shù)模如圖2所示。

圖2 塑料后防撞梁數(shù)模（基于CATIA創(chuàng)建)

2.1.1 塑料后防撞梁框架布置

在車型 CAS中將設(shè)計(jì)載荷及空載兩種狀態(tài)低速碰碰撞器的位置布置好。根據(jù)布置的碰撞器的高度布置塑料后防撞梁的位置及尺寸。

布置好的塑料后防撞梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)檢查，同時(shí)符合前文的5個(gè)約束條件。

完成塑料后防撞梁位置布置后數(shù)據(jù)發(fā)總布置及相關(guān)分組檢查，及時(shí)修改反饋回來的問題。

2.1.2 塑料后防撞梁3D數(shù)模設(shè)計(jì)

完整塑料后防撞梁數(shù)模如上面圖2所示。此款塑料后防撞梁包括：1）后保險(xiǎn)杠防撞梁本體，重量2.2kg，材料GMT，料厚 5mm；2）后保險(xiǎn)杠固定支架 1/2/3，各 0.1kg，材料PP+GF30，料厚 3mm；3）定位銷，2個(gè)，材料 HC340，各0.01kg。此款塑料后防撞梁重量總計(jì)2.52kg。

2.2 塑料后防撞梁CAE分析

對塑料后防撞梁 3D數(shù)模剛度進(jìn)行 CAE模擬的計(jì)算分析。下面主要針對設(shè)計(jì)載荷及空載兩種狀態(tài)低速碰中正碰、偏置碰及角碰（如圖73所示）進(jìn)行了塑料后防撞梁CAE強(qiáng)度分析舉例，其他不再贅述。

圖3 低速碰位置示意

此款SUV CAE分析模型如圖4所示。

圖4 車型低速碰CAE分析模型

在設(shè)計(jì)載荷狀態(tài)及空載狀態(tài)下分析結(jié)果如表3 所示。

表3 塑料后防撞梁CAE分析結(jié)果

兩種工況下，CAE分析結(jié)果都能滿足設(shè)計(jì)要求，所以塑料后防撞梁數(shù)據(jù)檢查中空載位置的碰撞器有效重疊區(qū)域內(nèi) Z向重疊尺寸不滿足要求的問題不做整改。

2.3 塑料后防撞梁模具件測試驗(yàn)證

塑料后防撞梁模具完成加工后，對其剛度進(jìn)行試驗(yàn)測試。下面主要列舉了設(shè)計(jì)載荷下正碰及空載狀態(tài)下角碰的試驗(yàn)結(jié)果，其他項(xiàng)目不再一一列舉。

設(shè)計(jì)載荷下正碰測試結(jié)果：

擺錘重量：1690kg 85%的整備質(zhì)量：1437.5kg

臺架質(zhì)量：1690kg+300kg（3人）

85%的整備質(zhì)量：1691.5kg

速度4kph正碰時(shí)，侵入量67mm，偏移量35.2mm，碰撞后保險(xiǎn)杠及塑料后防撞梁碰撞部分無損壞。

空載狀態(tài)下角碰

測試結(jié)果：

擺錘重量：1690kg 85%的整備質(zhì)量：1437.5kg

臺架質(zhì)量：1690kg（3人）85%的整備質(zhì)量：1437.5kg

速度2.5kph正碰時(shí)，侵入量60.8mm，碰撞后保險(xiǎn)杠及塑料后防撞梁碰撞部分無損壞。

所有測試項(xiàng)目完成后對零部件進(jìn)行拆解檢測，碰撞試驗(yàn)全部完成后后保險(xiǎn)杠及塑料后防撞梁碰撞部分無損壞。

3 結(jié)論

采用塑料后防撞梁，可滿足此款SUV整車碰撞要求，塑料后防撞梁采用模壓一體成型，結(jié)構(gòu)簡單，提高生產(chǎn)效率，減少了廠家生產(chǎn)線工序，工廠系統(tǒng)和人工成本降低，同時(shí)后防撞梁模具的投入成本也降低，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)及CAE強(qiáng)度分析，可以進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，達(dá)到減重降成本的目的。

[1] 張軍.汽車防撞梁GMT熱壓成型模[J].模具制造,2015.1.

[2] 徐軍.玻璃纖維增強(qiáng)塑料防撞梁的低速碰撞性能研究[J].上海汽車,2014.11.

[3] 劉道春.車用玻璃纖維增強(qiáng)塑料及其應(yīng)用[J].上海塑料,29-33.