汽车轻量化之保险杠

刘立涛　赵志刚　刘宏萱

摘 要：为了满足节能减排，保护环境，提出了汽车保险杠轻量化设计概念。本文主要从材料轻量化（轻质材料），结构轻量化（薄壁化设计、仿生学设计）及先进的制造技术等方面展开了介绍。

关键词：保险杠;轻量化;汽车

1 概述

在石油日益短缺的当今时代，我国面临巨大的环境问题，汽车作为重要的石油消耗工具，通过降低车身质量，在减少能源消耗的同时对于保护环境有积极作用。通过安装综合性能良好的保险杠，对降低安全事故、保障驾驶员和乘客的生命财产安全，从而提升汽车行使的安全性。因此，在汽车保险杠的选材上，要满足质量轻、防撞击性能好的要求。

轻量化技术主要有三种方法，及轻量化材料应用、结构优化设计和先进的制造工艺。其中材料替换的研究重点是碳纤维复合材料，结构优化设计是薄壁化技术和仿生学设计，先进的制造技术是注射成型和压制成型技术。

保险杠是由外板（fascia）、缓冲材料（energyabsorber）和横梁（thebumperbeam）等三部分组成。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;汽车行业中，保险杠轻量化设计中，需要满足能量吸收能力（energyabsorptionability）和结构耐撞性（structuralcrashworthiness）。在以不牺牲安全性为前提的条件下，实现保险杠的轻量化。

2 保险杠结构轻量化设计

2.1 保险杠系统薄壁化结构设计

零断差，尺寸稳定，油漆性好，制品厚度2～3mm，目前高尔夫、奥迪等车型上都采用了薄壁化技术。薄壁化技术不仅能重量减轻，能耗降低，而且生产周期短，收缩率低，同质化进程快等特点。薄壁化设计要点有以下几个方面：

（1）壁厚与加强筋的设计;薄壁化的保险杠应壁厚均匀、厚薄适当且小应有突变，厚薄小同的部位应逐渐过渡。

（2）加强筋和制品壁的连接处及端部，都应用圆弧相连，以防应力集中而影响制品质量。主要方式包括以下几个方面：

①筋位厚度应控制在合理的范围内，通常不大于制品厚度的三分之一。

②高度应满足基本要求，避免筋部产生较大的外力。

③在方向设置上，应尽量与槽内料流向保持一致，减少料流对制品质量的影响。

④采用多条加强筋的布置方式，确保排列的科学性及合理性。

⑤一般而言，在进行设置时，要尽量避免在中央部位，如果无法避免，应根据外表面加设相应的槽沟，避免出现流纹。

2.2 仿生学结构设计

2.2.1 吸能盒结构设计

Song[7， 8]等通过以竹子为生物原型，基于宏观直径、壁厚以及节间距表现的梯度分布规律，设计了1种仿生变壁厚薄壁吸能盒结构、3种仿生横梁和3种仿生截面横梁。与普通吸能盒相比，比吸能提高了6.2%，峰值载荷降低了28.23%，压溃力效率增加了7.48%，质量减少了19.3%。基于竹材的弯曲试验，仿真横梁耐撞性优于普通横梁。Fu等设计了六种新型仿生竹筒结构（newbionic bamboo tube，BBT）的吸能盒，主要是肋形状和肋数量的不同。肋厚度、肋角度及中心距离是影响BBT结构耐撞性的主要因素，优化后的BBT结构，可以提高6.84%的最大比能量吸收（maximize specific energy absorption ，SEA）。XU等以竹子和香蒲为生物原型，设计了两种结构的仿真保险杠吸能盒，B-B型和B-CB&B型，其中B-CB&B型的挤压变形降低了33.33%，总重量降低了44.44%，耐撞性显著提高。

2.2.2 横梁结构设计

Zhao[11]根据荷叶茎秆和仙人掌的结构特点，设计了一种新型的龙门横梁结构，其承载能力较传统横梁有很大提升，比刚度提高了17.36%，重量减轻了3.31%，见图1。

3 保险杠材料轻量化设计

汽车保险杠领域，碳纤维材料的组成中，通常碳元素的含量在90%以上，这样形成的碳纤维材料具有密度低、强度高的优势，通常密度为钢材的五分之一，其强度可以达到钢材强度的十几倍。在碳纤维复合材料中，通过在碳纤维加入塑料基体，然后通过一定的成型方式，从而形成更加优质的复合材料，CFRP质量较轻，而且具有较强吸收能量的能力，可以当成结构材料来使用，在大型零件制作时可以一次成型，对提升零件的成型效果有很大帮助。

王庆等设计了一种整体式碳纤维增强树脂基复合材料保险杠，并采用拉丁超立方采样、Kriging近似建模技术与遗传算法进行优化求解。结果表明，优化后的碳纤维增强树脂基复合材料保险杠能够满足耐撞性要求，并达到减重36.4%的轻量化效果。

4 保险杠系统轻量化制造工艺

4.1 注射成型

在当前阶段汽车保险杠应用中，注射成型是常见的成型方式，注重方法的优点是精度较高，同时生产速度快、自动化程度高，具有较强的设计自由度，但是在制作的过程中容易出现变形的情况。在汽车保险杠生产过程中，注射成型主要有两种，分别是反应注塑成型和气体辅助注射成型。反应注塑成型主要将多种反应活性较强的材料进行混合，逐渐形成交联固化反应，在成型的时候通过增强树脂的韧性，同时在模具中留好气孔，可以有效排出成型中产生的气泡。 气体辅助注射成型由四个阶段组成，即熔体预充填、气体注射、气体保压、气体排出顶出制件，从优点来看，这种成型方式可以大幅节约材料和成本，降低注射压力，同时有效提升构件的质量;从缺点来看，在进行模具设计时，要充分考虑气道的位置，通过合理增设辅助装备，在一定程度上增加了设计的难度，前提投入较多。

4.2 压制成型

压制工艺主要用于生产纤维增强塑料部件。生产部件时可以使用机械压力或液压压力，以及两件或者多件组成的模具。为了缩短周期，通常在模具之外对材料进行预热，预热方式有高频预热，微波预热，红外预热，炉具加热或摩擦生热。在螺杆机组中，模塑材料与注塑成型时的相同，并在旋转螺杆的作用下被塑化，然后由作为活塞用的螺杆送入压模，其工艺流程见图2。

5 总结

汽车保险杠的轻量化发展，目前主要是通过保险杠的薄壁化来实现减轻重量，碳纤维复合材料应用前景广阔，尽管成本高，但是性能优异。仿生学结构设计，以动植物结构为模型，可以提高保险杠的吸能性，并降低重量。保险杠主要采用注塑成型和压制成型工艺。综上所述，汽车轻量化是发展的必然趋势，对解决环境污染意义重大。降低车身重量，减少能源消耗，是构建节约型社会发展的需要。

参考文献：

[1]吴飞，基于轻量化概念的碳纤维复合材料汽车保险杠设计，塑料工业 46 （2018）.

[2]王庆，卢家海，刘钊，朱平，碳纤维增强复合材料汽车保险杠的轻量化设计，上海交通大学学报 51（2）（2017）136-141.

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[4]刘伟，钞永兴，杨健. 基于汽车轻量化技术的保险杠低速碰撞分析[C]// 第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程（CAE）技术与应用高级研讨会论文集. 2011.

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