汽车保险杠设计研究

汽车保险杠设计研究摘要：本文介绍了保险杠系统研发的技术以及产业的应用。对指导保险杆系统研发的设计理念与设计方法做了简单的说明，重点强调了汽车保险杠设计的流程。关键词：汽车保险杠技术发展设计理念设计流程1、保险杠系统构成的新近技术发展1.1保险杠蒙皮系统。汽车保险杠蒙皮系统一般采用塑料或复合材料。塑料蒙皮具有很好的强度、刚性和美观的装饰性。如果发生车体碰撞，保险杠蒙皮系统起到缓冲作用，保护车体关键零部件和乘员安全。塑料保险杠也是车体外观的组成部分，其造型可以增加车身的丰富内涵。1.2保险杠横梁系统。保险杠横梁系统对车辆具有保护作用。在车体发生碰撞时，变形吸能元件进行碰撞能量吸收，通过保险杠主横梁实现碰撞能量的传递与平衡，将高速碰撞的能力通过纵梁传递给A柱、车顶纵梁、侧围门槛等结构。设计规范的保险杠横梁总成由高强度主横梁和左右两个吸能元件组成。在低速碰撞时，通过保险杠横梁以及纵梁吸能来保护发动机等贵重零部件。保险杠横梁的分配重量占整车重量的0.3%左右，目前普遍使用抗拉强度高达1200-1500MPa的超高强度钢板做保险杠主横梁。1.3保险杠吸能泡沫系统。吸能泡沫件总成主要功能：低速碰撞下冲击吸能，保护车身本体不受破坏；形成缓冲并保护保险杠蒙皮；保护行人以及保护大灯等重要电器元件。泡沫件主要通过PP、PE、PU等塑料粒子发泡成型。吸能泡沫件重要的设计因素的是泡沫密度和压缩强度。1.4行人保护系统。行人保护系统主要包括车辆前脸造型优化、智能化安全保障系统、行人安全气囊、发动机罩和前风窗等。行人保护横梁能够保护碰撞时行人的小脚。通过优化设计保险杠行人保护横梁与保险横梁前泡沫件的刚度和设计间隙，可有效减小膝盖弯曲角度。1.5保险杠系统的核心功能。保险杠系统的核心功能是综合汽车保险杠蒙皮系统、保险杠横梁系统、缓冲吸能系统以及行人保护装置的优化设计，为乘员提供行车安全保障。保险杠系统开发过程需要遵从法规规范，基于安全、环保、轻量化的设计理念，运用系统工程的设计观点，综合考虑新材料新工艺来设计保险杠系统，优化碰撞能量传递路径与充分的结构变形吸能。2、保险杠系统设计理念2.1轻量化设计与材料选择。保险杠系统的轻量化设计对降低汽车的油耗具有重要意义。如保险杠横梁系统采用高强度钢板、铝合金、复合材料等来实现保险杠横梁系统的轻量化。材料设计选择原则：满足功能、成本经济、使用可靠、节能环保。材料选择的核心问题是在技术可行和经济合理的前提下，保证材料的使用性能与零件的设计功能相适应。首先考虑材料要求（满足功能、经济、节能、环保、可回收等要求），通过可行性分析，基于数据库与以往案例库进行候选材料的选择与确定；然后着手功能性分析，实现功能并且结构合理；进一步进行工艺性分析，实现零件制造的工艺步骤；制造性分析与可装配性分析，需要考虑生产线的工装与工厂产能，最后综合考虑整个产品生命过程来进行材料的选择设计。2.2安全设计保险杠安全设计的主要内容是碰撞能量的传递路径以及吸能区域的优化分布。保险杆系统必须进行多项碰撞试验、摆锤试验，确保行车安全。对于前保险杠系统，必须谨慎合理地设计散热器系统与保险杠横梁、蒙皮与保险杠横梁、蒙皮与泡沫件的安全距离，以及优化吸能泡沫件的设计；对于后保险杠系统，一方面确保乘员空间的保护，另外还必须保障后碰燃油系统的安全。保险杠系统结构设计的影响因素：离地间隙、接近角、离去角、前后悬长度、前纵梁间距等关键设计约束。2.3绿色设计绿色设计体系需遵从环境准则、技术准则、经济性准则与人机工程准则。绿色设计的总体要求：在产品生命周期里，能源消耗最小化，废弃物排放量最小化，对生态系统的危害最小化。绿色设计的目标是最大努力地减小环境冲击，实现“低碳经济”，因此在保证性能的前提下，在设计的早期就考虑降低产品形成的物耗能耗，优先目标是无污染、可降解、可回收、可重复利用，例如保险杆蒙皮系统可适当提高可回收料的比例。2.4全程CAE支持的数字化设计通过参数化的数据驱动技术，CAE系统可以快速广泛地结果寻优，改进产品质量，缩短产品开发周期，降低设计制造成本。例如塑料保险杠蒙皮系统的表面缺陷、应力开裂、装配不良、设计工艺性差等，这些问题可通过虚拟装配技术、计算机辅助流体分析技术尽早发现。基于CAE分析结论，可通过注塑工艺调整，或指导改进结构。全过程的CAE数字化设计可以提前问题识别与问题解决，并可以节省漫长试验周期与昂贵试验费用。3、保险杠系统设计流程（1）基本保险杠系统设计流程产品开发流程通常涵盖市场调研、产品规划、模拟计算、结构设计、批量生产等开发流程。保险杠系统的生命周期设计与开发同样遵循开发流程。因此基于DFX的理念，在概念设计阶段充分考虑后续设计以及产品形成和产品使用回收过程的各种影响。首先保险杠系统开发根据企业的产品战略，根据客户需求与最新设计理念进行设计，然后进行总布置分析、结构分析，再利用CAD软件进行初始结构设计与详细的结构设计与工艺分析以及可制造性分析，通过构建成本模型进行全生命周期的经济性分析，最终审核确认可行的设计方案。（2）结构设计对于保险杠的结构设计，截面分析，首先考虑保险杠与其他车身部件的连接关系，在满足总布置的前提下，进行安装结构的优化设计；然后进行保险杠的本体结构设计在结构设计前，与保险杠蒙皮造型需同步进行总布置分析，通过保险杠系统的Z向截面、Y向截面等空间截面设计来分析车辆碰撞的安全性通过总布置分析确认碰撞过程的硬点设计。（3）装配设计与绿色设计保险杠系统设计应综合考虑整体刚度，生产装配时须保证配合件尺寸精度，否则一旦有装配应力，就容易在跑车振动情况或低速碰撞下出现裂纹和碎裂现象。对于保险杠装配设计的固定可靠性以及可拆卸性，可通过CAE仿真工具来分析保险杠安装紧固所需要采用的固定方式与固定点数量。验证保险杠固定方案的主要手段有：CAE分析、试验验证、案例提取、原型件验证等。在产品概念设计阶段就需考虑产品装配与使用以及维护拆卸，通常运用DFA/DFD的设计理念完善产品开发过程。保险杠系统DFA/DFD的设计准则主要涵盖：安装/拆卸工作量最少；易于拆卸准则；与结构相关准则；易于分离准则。参考文献：[1]张国雄.机械制造业的持续发展之路[J].世界制造技术与装备市场，2006（4）.[2]王萍，周希泉.汽车保险杠的设计开发[J].现代零部件，2014（1）.[3]刘金霞，孙宏强.汽车保险杠设计与开发[J].技术纵横，2011（4）.[4]周伟.浅谈当代汽车保险杠的设计[J].企业科技与发展，2008（20）.