汽車保險杠專題1—轎車前保險杠設(shè)計
一、保險杠簡介
保險杠是汽車外飾中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜,零部件數(shù)量最多的總成部件。保險杠的外觀質(zhì)量和風(fēng)格決定了客戶對整車外飾的評價,它包括了許多功能性的零件,如吸能裝置、牌照安裝、各種燈具安裝、防撞報警器等零件,所以保險杠的設(shè)計有著較高的設(shè)計難度。
汽車保險杠是吸收緩和外界沖擊力,防護車身前后部的安全裝置。二十年前,轎車前后保險杠是以金屬材料為主,用厚度為3毫米以上的鋼板沖壓成U型槽鋼,表面處理鍍鉻,與車架縱梁鉚接或焊接在一起,與車身有一段較大的間隙,好象是一件附加上去的部件。
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,汽車保險杠做為一種重要的安全裝置也走向了革新的道路上。今天的轎車前后保險杠除了保持原有的保護功能外,還要追求與車體造型和諧與統(tǒng)一,追求本身的輕量化。為了達到這種目的,目前轎車的前后保險杠采用了塑料,人們稱為塑料保險杠。
塑料保險杠是由面罩、骨架和橫梁等三部分組成(如下圖所示)。其中面罩用塑料制成,橫梁用厚度為1.5毫米左右的冷軋薄板沖壓而成U型槽;外板和緩沖材料附著在橫梁上,橫梁與車架縱梁螺絲聯(lián)接,可以隨時拆卸下來。這種塑料保險杠使用的塑料,大體上使用聚脂系和聚丙烯系兩種材料,采用注射成型法制成。例如標(biāo)致405轎車的保險杠,采用了聚脂系材料并用反注射模成型法做成;而大眾的奧迪100、高爾夫、上海的桑塔納、天津的夏利等型號轎車的保險杠,采用了聚丙烯系材料用注射成型法制成。國外還有一種稱為聚碳酯系的塑料,滲進合金成分,采用合金注射成型的方法,加工出來的保險杠不但具有高強度的剛性,還具有可以焊接的優(yōu)點,而且涂裝性能好,在轎車上的用量越來越多
塑料保險杠具有強度、剛性和裝飾性,從安全上看,汽車發(fā)生碰撞事故時能起到緩沖作用,保護前后車體,從外觀上看,可以很自然地與車體結(jié)合在一塊,渾然成一體,具有很好的裝飾性,成為裝飾轎車外型的重要部件。
二、 汽車保險杠功能
1、一定車速下碰撞時對車輛的保護。
安全性是現(xiàn)代轎車設(shè)計中首先要考慮的問題。在汽車發(fā)生縱向碰撞時,保險杠應(yīng)能吸收部分能量,以保護車身,使之損壞較小,同時通過緩沖使人的傷害程度也大大減小。一般要求可吸收相當(dāng)于8km/h速度下的沖擊能量,有的法規(guī)放寬到4km/h,沖擊后對車身及車身功能件的保護和保險杠的永久變形量都有規(guī)定。
2、碰撞時對行人的保護。
保險杠的防護結(jié)構(gòu)應(yīng)由減輕行人受傷的軟表層,主要由彈性較大的泡沫塑料制成;不應(yīng)制造得尖銳而堅硬,最好是平整光滑而富有彈性。某些轎車包括保險杠在內(nèi)的整個正面都用大塊聚胺酯泡沫塑料制成并將發(fā)動機罩的頂面用軟材料包墊,使安全性大大提高。
3、車身外觀裝飾性。
保險杠與翼子板、大燈燈體、輪罩護板搭配,使車輛外形更美觀。為保證保險杠的側(cè)面連接,保證保險杠與翼子板之間的間隙,還有與輪罩護板的連接,保險杠和周圍相關(guān)件之間還有些輔助定位點。
4、承載功能。
在保險杠上有的要裝燈具、牌照架和牌照等附件,可以采用安裝腳支架或安裝平臺通過螺栓安裝燈體,或設(shè)計燈板安裝燈具,在設(shè)計時要在保險杠上留與燈體合適的間隙,以方便燈體的安裝,同時還要考慮燈體的可互換性。在設(shè)計牌照安裝時應(yīng)參考GB 15742-1995《汽車與掛車號牌板(架)及位置》的法規(guī)要求。
5、滿足車身空氣動力性要求。
三、保險杠的使用材料及制造工序
1、保險杠使用材料
1)傳統(tǒng)材料:①以鋼板作為保險杠材料。早期一般取厚度為3mm的板料,其斷面是單一的剛性元件,以沖壓、輥壓成型為主要手段。當(dāng)保險杠成為車身前后覆蓋件的一部分時,其斷面形狀日趨復(fù)雜,以沖壓拉伸為主要制造手段,拉伸工藝的使用,為提高制件的剛性和輕量化創(chuàng)造了有利條件,現(xiàn)一般使用2mm左右的鋼板。②鋁合金保險杠具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性強等優(yōu)點;較低的彈性模量使鋁合金具有有利的物理特性;鋁制件有受到永久變形前,允許承載較大的彎矩。保險杠鋁制件一般采用擠壓成形的制造手段。
2)樹脂保險杠的材料:①聚氨酯(PU)具有良好的成形性,制品受外力后復(fù)原性好。但PU保險杠在制造過程中產(chǎn)生的不合格品、車輛報廢后的廢舊保險杠,可回收性較差。②二甲氨基:材料成本太高,日益被其它塑料材料所取代。③合成橡膠材料:可以采用注射成形工藝,作為PU的代替材料。④PP材料:由于其材料成本低,得到越來越廣泛的應(yīng)用,在PP材料中加入滑石粉和橡膠來提高材料性能,以適應(yīng)保險杠的剛度和耐碰撞性要求。
2、樹脂保險杠的制造工序
3)、RIM成形工序
注射成形與RIM成形的比較情況如下表所示:
四、保險杠設(shè)計應(yīng)遵循的原則:
(1)滿足國家各項強制性法規(guī)要求。
(2)滿足造型設(shè)計師的設(shè)計風(fēng)格。
(3)滿足客戶的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
(4)在滿足撞擊條件下,力求小型化、簡單化和低成本。
(5)滿足撞擊條件下,提高其裝飾性,采用一體化設(shè)計方法。
(6)保險杠結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料的使用應(yīng)充分體現(xiàn)輕量化設(shè)計要求。
(7)塑料吸能式保險杠是保險杠設(shè)計的主流。
(8)保險杠罩面柔軟化以及形狀設(shè)計應(yīng)充分考慮對行人的安全保護。
五、保險杠的設(shè)計流程
六、保險杠設(shè)計流程介紹
(1)市場調(diào)查、客戶需求研:在此階段,要分析需要設(shè)計的車型的市場定位及所有競爭車型的情況,同時了解客戶對設(shè)計的總體要求,并且分解到具體零件的設(shè)計要求上。
(2)設(shè)計風(fēng)格定位:設(shè)計風(fēng)格可以有運動型、家庭型、舒適型、豪華型、親和型等等,在確定風(fēng)格后,就可以決定保險杠上的特征。
(3)造型方案初始效果圖:通常設(shè)計師要繪制很多張設(shè)計效果圖,通過評審,提煉后完成5 張效果圖提供給客戶選擇。最終完善效果圖:在參考了客戶的選擇之后,完成一到兩張能夠達到照片效果的效果圖。需要應(yīng)用一些電腦軟件來完成。
(4)最終完善效果圖:在這一階段, 需要有工程設(shè)計的信息輸入,完成初始曲面后可以 用 于加工初始油泥模型。有了11個主斷面的信息,可以決定油泥加工原料的尺寸。
(5)TAPEDRAWING:用粘貼膠帶在1:1的圖紙上繪制保險杠的外形和特征,將效果圖的信息轉(zhuǎn)換到車身空間上。
(6)完成roughsurface:在這一階段,需要有工程設(shè)計的信息輸入,完成初始曲面后可以用于加工初始油泥模型。有了5個主斷面的信息,可以決定油泥加工原料的尺寸。
(7)制作sittingbuck & clay :SITTING BUCK是根據(jù)汽車車身的尺寸,用木材、FOAM BLOCK、POLYWOOD等材料制作與車身一致的框架用于放置油泥模型。油泥模型的制作需要很高的技巧和創(chuàng)造性的工作。一般油泥完成后需要進行評審,評審時通常需求對保險杠進行一些裝飾,如在表面裹縛表皮或噴涂油漆,使得其外觀接近實際產(chǎn)品。在制作油泥模型時,需要有保險杠布置、制造工藝、裝配工藝等多方面的信息輸入。油泥模型的精度一般可達到±2mm,德國大眾公司往往將模型的精度控制在1毫米,但需要時間和費用。
(8)掃描clay模型:可以用多種方法掃描油泥模型,如接觸式的三坐標(biāo)掃描,激光掃描和高 精度光學(xué)照相機拍照等,可以采集到反映油泥模型形狀的數(shù)學(xué)點云。
(9)Asurface造型:高質(zhì)量的A 表面是產(chǎn)品具有高質(zhì)量外觀和配合的基礎(chǔ)。對CLASS A SURFACE的要求不同主機廠有不同的要求,不同的CAD軟件能夠達到不同的精度。ALLIAS和ICEAM SUF是主要的CAD軟件,相比較CEAM SUF更專業(yè)一些。CLASSA曲面質(zhì)量 可以用CAD軟件的高光、反射線、高斯曲率等工具檢查曲面是否有波紋,面片之間是否有縫隙和是否曲率連續(xù)。CLASS A曲面的精度要達到0.01毫米,相切的面片的角度偏 差不超過1.4 分(0.02 度 )。通常也可以將所有面片連成一個SKIN,然后偏一個厚度,生成一個殼體,如果能夠成功,說明曲面的縫隙和連續(xù)性是可以接受的。在這個階段必須注意的是,CLASS A 曲面必須完全按照結(jié)構(gòu)設(shè)計提供的斷面,并且完成所有可 見面上的圓角和第一個翻邊,定義所有的間隙大小,這樣可以保證工程師在以后的造型中完全按照造型師的設(shè)計。
(10)Asurface發(fā)布:在CLASS A 曲面發(fā)布之前,一般需要用數(shù)控加工一個模型,與油泥模型比較。只是因為在做CLASS A 表面時,往往都根據(jù)掃描點云作一些微調(diào), 需要在發(fā)布前在作一次檢查。
(11)設(shè)計必須滿足相關(guān)法規(guī): QC/T487-1999 汽車保險杠的位置尺寸
GB17354-1998 汽車前、后端保護裝置
GB 15741-1995 汽車和掛車號牌板(架)及其位置
GB17354-1998 汽車前、后端保護裝置
GB11566-1995 汽車外部凸出物
GB/T12537-1990 汽車牽引性能試驗方法
(12)保險杠結(jié)構(gòu)布置:塑料保險杠是由外板、緩沖材料和橫梁等三部分組成。其中外板和緩沖材料用塑料制成,橫梁用厚度為1.5毫米左右的冷軋薄板沖壓而成U型槽;外板和緩沖材料附著在橫梁上,橫梁與車架縱梁螺絲聯(lián)接,可以隨時拆卸下來。這種塑料保險杠使用的塑料,大體上使用聚脂系和聚丙烯系兩種材料,采用注射成型法制成。
(13)斷面設(shè)計:(以某MPV為例子) A) Y=0斷面,表達保險杠上下主要安裝點和保險杠與格柵的關(guān)系。B)為保險杠輔助安裝點斷面。C)為保險杠主要測下安裝點斷面。D)為保險杠輔助安裝點,該MPV用來安裝擋泥板。E)為保險杠定位點。F)為保險杠主要側(cè)上安裝點。G) 該為保險杠和保險杠骨架側(cè)連接點。H)為保險杠與防擦條連接點。I)為保險杠和保險杠骨架連接點。J)為保險杠左上主要安裝點。K)為保險杠主要上安裝點。
有以上11原理斷面, 保險杠的基本設(shè)計概念就完成了,這些斷面要提供給油泥制 作, 決定初始油泥的尺寸。
(14)檢查A面是否滿足相關(guān)結(jié)構(gòu)要求:檢查保險杠A面的光順性;檢查A面是否能夠加滿足保險杠設(shè)計所需的料厚;在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中,可能發(fā)現(xiàn)一些造型的錯誤可以輸出給外表面造型。
(15)產(chǎn)品建模:這個階段是設(shè)計的關(guān)鍵階段,將在后文詳細介紹一些斷面的設(shè)計方法。完成產(chǎn)品建模設(shè)計可以說保險杠的設(shè)計的80%已經(jīng)完成,它包括所有零部件的工作方式,安裝方式,空間布置等。
(16)支架及附件建模:根據(jù)斷面要求及空間布置形式,以及保險杠的整體結(jié)構(gòu)進行支架和附件等的三維數(shù)模建立,最終完成保險杠整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
(17)產(chǎn)品工程圖紙:產(chǎn)品工程圖紙的作用隨著CAD技術(shù)的提高而不斷的減弱,工程圖 紙上可以只包括一些技術(shù)信息、關(guān)鍵裝配尺寸公差信息、GD&T信息,所有的產(chǎn)品尺寸可以在3維模型上得到。現(xiàn)在有些軟件甚至可以在3維模型上標(biāo)注GD&T信息。這些信息主要是為了檢驗產(chǎn)品,制作產(chǎn)品檢具提出要求。
七、斷面介紹(以某MPV保險杠為例)
A) 保險杠應(yīng)避免尖銳的特征線過渡到翼子板上, 特征的最小園角為2mm.,保險杠上下主要安裝點也是保險杠中間定位點,一般先裝該孔螺栓,但是必須要有幾個主要螺栓連接安裝點的前提下,也可采用卡扣連接。
B) 該位置安裝點為相對于Y=0對稱布置,為保險杠輔助安裝點,一般采用M8~12螺栓連接,也可采用卡扣連接。
C) 該位置安裝點為相對于Y=0對稱布置,為保險杠主要安裝點,一般采用M8~12螺栓連接。
D) 該位置安裝點為相對于Y=0對稱布置,為保險杠輔助安裝點,該MPV用來安裝擋泥板。一般采用卡扣或者自攻螺栓連接。
E) 該位置安裝點為相對于Y=0對稱布置,為保險杠定位點。保險杠翻邊和表面連接部位應(yīng)局部減薄到料厚的1/3~2/3防止表面縮痕。
F) 該位置安裝點為相對于Y=0對稱布置,為保險杠輔助安裝點,一般采用M8~12螺栓連接,也可采用自攻螺栓連接。保險杠與翼子板的間隙為1MM。
G) 該位置安裝點為相對于Y=0對稱布置,為保險杠和保險杠骨架連接點,一般采用M8~12螺栓連接,也可采用卡扣和鉚釘連接。
H) 該位置卡接相對于Y=0對稱布置,為保險杠與防擦條連接方式,也可采用卡扣連接。防撞條表面高于保險杠表面5MM。
I) 該位置安裝點為相對于Y=0對稱布置,為保險杠和保險杠骨架連接點,一般采用M8~12螺栓連接,也可采用卡扣和鉚釘連接。
J) 該位置安裝點為相對于Y=0對稱布置,為保險杠主要安裝點,一般采用M8~12螺栓連接。
K) 該位置安裝點為相對于Y=0對稱布置,為保險杠主要安裝點,一般采用M8~12螺栓連接,也可采用卡扣連接。
八、轎車保險杠
一、反復(fù)拆裝參考洋車,吃透洋車安裝結(jié)構(gòu),能參照洋車設(shè)計盡量參照。掌握在關(guān)鍵位置的尺寸關(guān)系,不給實際裝車留下隱患。進行主斷面的設(shè)計,請專家參與討論,確定保險杠的安裝結(jié)構(gòu)及周邊各件的關(guān)系
二、收集各個周邊零件的最新設(shè)計數(shù)模,分別放到不同的層中,并將各個層用零件名稱來命名,以便設(shè)計過程中快速的調(diào)用。
三、根據(jù)外形造型特征,確定前保險杠的主脫模方向,一般情況下都為X方向。有些保險杠要求雙色噴涂,雙色噴涂的分界線就會有一條溝槽,這樣的保險杠的脫模方向要根據(jù)溝槽方向而定。
四、確定保險杠的厚度,把外表面增厚成實體。
五、根據(jù)校核過的外表面的分縫線進行周圈翻邊的設(shè)計,綜合考慮與周邊零件的配合關(guān)系的情況下,給翻邊加適當(dāng)?shù)拿撃P倍龋瑑蓚?cè)與擋泥板配合的翻邊不宜過高,滿足與擋泥板的安裝空間就可以,盡量減少模具兩側(cè)的滑塊行程。
六、進風(fēng)格柵的設(shè)計,根據(jù)造型要求,可以是整體式的,也可以單獨設(shè)計成一個件,然后用卡接的方式連接到保險杠本體上,注意卡接時,裝配方向為X方向,周圈裝配間隙為0.5-1mm
七、探測雷達的安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計。探測雷達的軸線可按保險杠外面法向布置,通過一彈性簧片卡在保險杠內(nèi)面來固定。
八、設(shè)計霧燈安裝結(jié)構(gòu)。根據(jù)裝配形式的不同,對應(yīng)的安裝結(jié)構(gòu)也不同,從前往里裝的方式(霧燈預(yù)埋有螺栓),安裝結(jié)構(gòu)比較簡單,模具不需要抽芯,但很多時候要在外面加一塊裝飾蓋板;從內(nèi)往外裝的霧燈,安裝結(jié)構(gòu)需要在保險杠本體上預(yù)埋螺栓或螺母增加模具難度,否則就需要側(cè)抽芯。
九、緩沖塊或者是蜂窩裝緩沖梁的設(shè)計。設(shè)計前先先確定零件的脫模方向,然后在保險杠上增加相應(yīng)的安裝點即可。
十、裝飾條的設(shè)計。裝飾條有分段注塑成型的,也有整體變形安裝的,根據(jù)不同的造型效果,采用不同形式的裝飾條。分段注塑成型的裝飾條主要有螺頂連接和卡接兩種。
十一、防撞梁的設(shè)計,以參考洋車為主,一般都為螺栓連接到車身上。
十二、與周邊零件的設(shè)計者協(xié)調(diào),確定安裝點,保證各部位連接、定位的可靠,特別注意拆裝的方便性。
十三、根據(jù)明細表的層級關(guān)系進行零件的裝配,裝入標(biāo)準(zhǔn)件、卡扣及周邊零件,進行詳細的檢查。
九、結(jié)束語
作為一位設(shè)計公司的技術(shù)工程師,對保險杠的設(shè)計,最先做的就是檢查a面是否滿足我做數(shù)模的要求,在建模之前一定要考慮好安裝方法,基本所要考慮的是保險杠安裝可靠,能保證和周邊零件的間隙,就是安裝點的分布方式,前后保險杠的差別不是很大,原理都是一樣的,基本上安裝點的間距不超過200mm,轎車保險杠的安裝,在中部上下都比較簡單,差別也不會很大,差別大的地方在側(cè)面,由于造型分塊及板金成型工藝等的影響,一般都要增加輔助安裝支架,很多時候都在側(cè)面加有一個方向自由度的連接方式,具體怎么連接可以不拘泥于形式,完全可以憑空設(shè)計,比若奧迪A6的保險杠側(cè)面安裝支架就比較復(fù)雜,可換來的就是翼子板間隙趨近于0,另外就是安裝方式的選擇,連接方式多種多樣,就是在保證質(zhì)量的情況下讓安裝更為方便簡捷,一般情況下要在五分鐘之內(nèi)裝完。這對提高裝配效率和效果很重要,大家要到現(xiàn)場體驗一下才能深刻體會。另外需要加深的是對一些復(fù)雜曲面實體的建模工作,包括復(fù)雜的多個曲面加厚的工作。國外的工程師有他們的一套獨特的方法,可惜基本上都沒有參數(shù),所以在很多等料厚和不等料厚,表面帶銳角邊緣和不帶銳角邊緣的實體建模對于我們來說是很難的。
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