浅谈汽车保险杠的设计

方文辉

Fang Wenhui

（北京现代汽车有限公司技术中心，北京 101300）

0 引 言

汽车保险杠集安全性、功能性和装饰性于一身，属于法规安全件。因此，保险杠设计有着较严格外部约束条件和复杂的内部结构关系，在具体的结构设计中，会遇到诸多制约因素，文中结合一些有参考价值的详细结构实例对保险杠的设计进行总结探讨。

1 保险杠设计原则

在进行汽车保险杠设计和开发的过程中，应遵循以下原则。

1）安全性能。在车辆发生碰撞时，保险杠可以起到缓冲吸能作用，减少撞击对车辆造成的影响，保护乘客的安全；减少行人在被车辆碰撞时所受到的伤害，起到行人保护作用。

2）提高车辆空气动力性能。通过改变空气流动方向，有效改善整车流畅性，降低整车油耗。

3）在外型、色彩和质感上要与整车造型协调一致，浑然一体，体现整车造型风格。

4）便于安装和维修，符合人机工程。

2 保险杠设计流程

保险杠的设计流程是指从项目启动开始到保险杠设计验证完成的整个过程。根据具体工作任务不同，通常分为模型阶段、CAS阶段、A面阶段、工程设计阶段和验证阶段等。具体设计流程如图1所示。

在整车选择主题节点后，进入具体设计阶段，相对应的保险杠A面冻结，开始进行保险杠的结构设计，首先考虑保险杠与其他车身部件的搭接配合关系和定位限位关系，进行具体的安装结构设计，其次进行保险杠系统的本体设计。

3 保险杠选材

3.1 选材原则

正确选择保险杠材料须满足以下 3个方面的要求：

1）材料认可要求和功能认可要求；

2）良好注塑、喷涂和镀铬工艺要求；

3）满足性能条件下的成本最优化要求。

3.2 选材方法

掌握保险杠组件常态使用时应具备的全部性能指标，尽可能定量化。对于这些零部件的不同类别有对应的不同材料要求。对于保险杠本体材料，务必保证其弹性和韧性。对于可视的非油漆件，制造过程不应更改材料的初始特性，尤其是颜色牢固度、耐光线性能和耐恶劣天气性能。

一般保险杠蒙皮材料为 PP+EPDM-Tx%，其中 PP为基体，EPDM 提高弹性，Tx%主要是提高刚度。保险杠采用的改性聚丙烯的基本特性见表1。镀铬件材料一般采用ABS，基本特性见表2。

表1 保险杠用改性聚丙烯的基本特性

表2 保险杠用ABS材料的基本特性

4 保险杠结构设计

4.1 保险杠结构形式的确定

保险杠的结构型式应按造型的复杂程度，车辆的级别、配置要求和空间位置等条件综合确定，另外还应结合工艺对结构设计的限制进行考虑。前保的主要结构组成及对应功能说明见表3，后保的主要结构组成及对应功能说明见表4。

表3 前保主要结构组成表

表4 后保主要结构组成表

4.2 保险杠定位设计

保险杠通常采用3个Z，2个X，1个Y的主定位方式，辅助定位随结构的不同，在X、Y、Z方向上布置的定位结构数量不同。定位点结构位置通常选择在可以设计出有明显定位效果的位置，即与环境件对应贴合面，与X、Y、Z相对垂直或平行。定位结构与对应的环境结构之间的间隙一般设计为≤0.2 mm，每间隔150 mm左右布置一个定位点。定位点位置的选择，不仅要考虑造型和结构的影响，同时也要考虑工艺及材料对产品结构设计的影响。

4.2.1 前保定位设计

前保的X向和Z向主定位结构一般设计在两侧与翼子板搭接的位置，或中间上部与车身搭接的位置，辅助定位设计在中间上部和下部与车身搭接的位置。Y向主定位通常由两侧对称布置的Y向定位对中组合形成，也有设计在两侧与翼子板配合或中间上部的位置。如图2所示。

4.2.2 后保定位设计

后保的Z向主定位结构一般设计在两侧与后侧围配合位置，或后保蒙皮中间部位与后保中支架配合的位置。X向主定位结构在两侧与后侧围搭接位置。Y向主定位通常在Y=0位置，或两侧与后侧围配合处，这时Y向主定位由两侧对称布置的定位组合对中组合形成。如图3所示。

4.3 保险杠与相关车身结构件的关系

4.3.1 前保安装设计

1）为了保证前保与机罩盖的间隙面差及装配到位后的效果，中间上部与车身部件一般设计 6处紧固点。如图4所示。

2）为了保证前保与前大灯的间隙及安装效果，可增设紧固点，或对保险杠与大灯配合处的边缘结构进行加强。加强边缘有增加加强件和结构加强2种方式。图5所示为增设紧固点，图6所示为增加加强件，图7所示为蒙皮与大灯配合位置翻边，结构加强。

3）为了保证前保与前翼子板之间的间隙及安装效果，前保两侧端部一般通过侧支架与车身紧固，支架形式多样，最常用的有2种形式。图8所示，塑料侧支架先与车身通过螺栓紧固，蒙皮紧固在塑料侧支架与车身结合的结构上。图9所示，金属侧支架与保险杠蒙皮固定在一起，然后通过螺栓固定在车身上。

4）为了保证前保与车身装配后的整体性和牢固性，蒙皮下部翻边与车身其他部件共设计6～8处紧固点，如图10所示。

4.3.2 后保安装设计

1）后保中间上部位置，一般采用塑料中支架连接方式或金属支架连接方式。后保与后行李厢盖之间一般设计间隙为6 mm。图11所示为塑料中支架连接方式，塑料中支架通过螺栓固定在后围钣金件上，后保中间上部蒙皮翻边卡接在塑料中支架上，一般设计有4个卡接点。图12所示为金属支架连接方式，金属支架焊接在车身上，后保中间上部蒙皮翻边卡接在金属中支架上，同样设计约4个卡接点。

2）后保在尾灯位置，一般采用塑料尾灯支架连接方式或金属支架连接方式。图13所示为塑料尾灯支架连接方式，塑料尾灯支架通过螺栓固定在后围钣金件上，后保蒙皮位于后尾灯位置翻边卡接在塑料尾灯支架上，一般设计有2个卡接点。图14所示为金属支架连接方式，金属支架焊接或铆接在车身上，金属支架上设计有Z向过孔，后保蒙皮位于尾灯位置翻边卡接在金属支架上，一般设计有2个卡接孔，且在X向设计1个卡接孔。

3）后保与侧围对接位置，一般采用塑料侧支架连接方式或金属支架连接方式。图15所示为塑料侧支架连接方式，侧支架通过螺栓固定在后侧围钣金件上，后保蒙皮位于后侧围位置翻边卡接在侧支架上。后保金属侧支架与前保金属侧支架的设计理念一样，不再举例阐述。

4）为了保证后保与车身装配后的整体性和牢固性，蒙皮下部翻边与车身其他部件共设计6～10处紧固点，如图16所示。

4.4 保险杠内部组件之间的关系

4.4.1 前保内部结构设计

首要考虑的是格栅、雾灯、雾灯装饰板、装饰条、脱钩盖、大灯清洗盖、吸能器等组件的位置，及其与前保蒙皮配合达到要求的安装方式。

前保上下格栅的设计较为复杂，不仅要考虑到格栅工艺的可行性和法规要求，还要满足空气进气要求，即留出的通风孔面积在X正投影方向上，要达到散热器面积的 30%左右。因此，格栅格子的长宽尺寸、格栅的尺寸、格栅装配结构等都是重要设计要点。格栅装配在蒙皮上，通常采用舌片卡扣和螺栓配合使用的方式。格栅上的亮条，多采用卡接或粘接的安装方式。卡扣设计时，不仅要注意卡接方向交错防失效，还要设计好卡扣之间的距离，这些因素都关系到卡扣卡得是否到位。并排卡扣之间的距离一般设计在120 mm左右。格栅亮条一定要低于格栅，使亮条分型线不外露保证外观质量，设计规则如图17。

雾灯与保险杠的配合设计，要满足雾灯功能要求，如光束范围和高度。雾灯装饰板、装饰条的设计理念与格栅的安装理念一致。脱钩盖、大灯清洗盖尽可能设计为上下开启、且开启方向一致。吸能器一般通过锯齿金属卡片固定在蒙皮上。

4.4.2 后保内部结构设计

后保主要考虑后雾灯或反射片、装饰条、脱钩盖、雷达、吸能器等组件的位置，及其与后保蒙皮配合达到要求的安装方式。后雾灯（反射片）、装饰条、脱钩盖、吸能器的设计理念与前保对应的组件相同，故不作详细阐述。后保与排气管配合区域周边至少保证20 mm间隙，避免排气管温度过高时软化了保险杠。倒车雷达通过雷达支架装配在蒙皮上，雷达支架与蒙皮固定的方式分为卡接式、粘接式和焊接式，如图18所示。

4.5 保险杠工艺的设计

4.5.1 圆角处理

保险杠转折处设计成圆角，不但机械强度高，外观漂亮，且符合外凸法规要求，塑料在型腔里流动也比较容易，还可以降低模具的制造成本，延长模具的寿命。否则，保险杠在使用时夹角处容易受压而破坏，成型冷却时易产生内应力和裂纹。图19所示为应变和R/T关系曲线。在R/T>0.8时，应力集中就会减少，而在R/T<0.3时，应力集中会激烈增多。常见圆角R的大小选取如图20所示的比例关系。

4.5.2 料厚确定

依据保险杠的使用要求，即尺寸稳定性、强度、质量以及装配等要求，保险杠应做到料厚均匀，厚薄变化不能超过料厚设计值的1/2，且厚薄变化的位置应逐渐过渡，不应有突变。保险杠蒙皮的厚度一般为2～3.5 mm，通过产品功能分析、制造工艺分析并结合成本最终确定料厚。

4.5.3 拔模角度

保险杠组件制品沿脱模方向都应设计倾斜角度，即拔模角度。拔模角度的大小与制品壁厚、形状、高度和型芯长度有关，也与塑料的性质、收缩率有关。常规短距离1～2°，长距离3～5°，外观A面出模角≥3°，纹理出模角≥7°。在不影响制件装配要求的情况下，脱模斜度应尽量取大一些。

4.5.4 加强筋

增设加强筋，可以增强制品的机械性能，防止制品翘曲变形。加强筋的设置方向应与槽内料流方向一致，以免损害制品的质量。需要设置多条加强筋时，要分布得当，以减少收缩不均而引起破坏。加强筋不应设置在大面积的中间部位。加强筋和制品壁的连接处即根部，都应做圆弧相连，以防止应力集中而影响制品质量。

4.5.5 装配孔

保险杠上各种形状的孔，应尽可能设计在不减弱制品强度的部位。相邻两孔之间和孔与边缘之间的距离通常都与孔径相等，不能太小，否则在装配其他零件时孔的周围易破裂。

4.5.6 翻边

避免保险杠蒙皮收缩痕的产生，翻边根部料厚一般不能超过产品料厚的50%，或对根部的料厚做减料处理。保险杠蒙皮内侧若设计有Doghouse类结构，也应做如此处理。

5 总 结

随着汽车与人类的关系越来越密不可分，人们对汽车的要求也越来越高。因此，保险杠的功能要求也从单一保护性能扩展至车身造型美感、整体装饰协调、减少风阻系数等多方面。如今新车开发和车型改款周期越来越短，保险杠作为设计开发最频繁的汽车零部件之一，掌握其设计理念和方法无疑是设计出满足保险杠商品性要求的前提。

[1]王绍春. 汽车保险杠设计[J]. 汽车技术，1998(2)：5-11.

[2]屈华昌. 塑料成型工艺与模具设计[M]. 北京：机械工业出版社，2004.

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[4]曹渡. 汽车内外饰设计与实战[M]. 北京：机械工业出版社，2011.