轿车后保险杠的设计毕业论文

上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计1摘 要本设计的研究目的是为桑塔纳 2000 设计一款新的后保险杠系统。保险杠是汽车重要的防护元件，对汽车的安全以及整车造型有着十分重大的意义。在对保险杠低速碰撞研究概况进行全面综述和分析的基础上，通过UG软件绘制桑塔纳2000后保险杠的三维模型，根据保险杠低速碰撞的法规要求，应用UG有限元分析软件，首先对桑塔纳2000型轿车后保险杠横梁模型进行了低速碰撞仿真研究，确定了适合仿真分析的保险杠横梁评价方法，参照保险杠失效准则。通过对横梁的变形情况，位移、应力结果进行分析，对该保险杠横梁结构的进一步改进做出了改进。对于保险杠的工程设计，要从制造、结构、安全性等几个方面来考虑。在设计新保险杠的结构方面过程中，要对保险杠的结构做了一定的分析了解和布置设计。保险杠的结构直接与安装和装配方式联系在一起，保险杠各部分与车身上的相配合的部分都有各自的装配要求，同时还需要考虑保险杠自身及其它零部件的维修方便性。关键词：保险杠、碰撞、结构、有限元上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计2Santana 2000 Vehicle Bumper DesignABSTRACTThe aim of this design item is designing a suit of new rear bumper system for Santana 2000 vehicle. Vehicle bumper is the important protective element. Protection and decoration is the important function of the vehicle bumper.Drawing the three-dimensional Santana 2000 model bumper Santana 2000 through UG software on the basis of the low-speed collisions profile comprehensive summary and analysis.Low-speed impact of SANTANA2000 bumper is researched in this paper using explicit dynamic software UG. In this research, the rules of bumper low speed impact are used. In this paper, the deformation, velocity andacceleration of the bumper are analysis, and a suggestion to develop the performance of the bumper is proposed.For the bumper engineering design, manufacture、structure and security should be thought over.Structure is the more workload in the new design. The bumper structure should be analyzed and realized clearly. The bumper structure design is contact to installation and assembly. So the assembly request exists between bumper and other element.上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计3Key words: vehicle bumper, impact, structure, analysis上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计4轿车后保险杠的设计俞玉权 0611061300 引言汽车是现代工业文明的产物，而汽车的发明和普及又促进了人类文明的进步。汽车已成为 20 世纪占统治地位的交通工具。社会发展要求改善交通，为人们出行提供方便，提高通达能力，使比较短的时间，比较少的旅费，舒适、安全地到达目的地。因此，汽车尤其是个人轿车，以它的独立性、自由性和私密性特别受到人们的青睐，成为最方便的交通工具，在许多城市甚至成了唯一可依赖的代步工具。汽车的普及，极大地提高了人们地工作效率、加快了人们的生活节奏。随着汽车工业的发展，原来全金属保险杠越来越不适应现代汽车在轻量化、高机能化以及与车体造型一体化等方面的要求，尤其在轿车、轻型车上，有用塑料保险扛取代全金属保险杠的趋势。早期的汽车保险杠比较简单，大多数用3毫米以上厚度的钢板冲压成u型槽钢。一般保险杠与汽车车架纵梁铆接或焊接在一起，这种保险扛的功能单一，形状简单，具有不可拆卸性。目前，这种金属保险杠仅在重型载货汽车和大型客车上被继续采用。本设计结合现代保险杠的趋势，运用最新的设计方法，设计出一个上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计5新的轿车后保险杠，对于保险杠的制造、安装、法规以及材料做出前面的考虑。汽车保险杠作为一套极其复杂的系统正越来越成为研究的焦点。它在降低成本和减轻重量这两个方面似乎具有无限的潜力。尤其值一提的是，美国的塑料制造商正在开发至少四种下一代的保险杠，它们能使车身结构更紧凑、能使多种零件集中于一个注塑件内、能使重量减轻很多。未来保险杠的发展将更多的集中在保险杠材料的开发和制造方法的改进。1 国内的车型种类与市场要求简介1.1 中国的汽车集团中国的汽车工业自新中国成立以来有了很大发展。自 1953 年起，经过近 50 年坚忍不拔的奋斗，中国已形成了中国第一汽车集团公司（一汽）、东风汽车公司、上海汽车工业（集团）总公司（上汽） 、中国重型汽车集团公司、跃进汽车集团、北京汽车工业总公司、天津汽车工业（集团）有限公司等一批骨干企业，汽车保有量在 1600 多万辆，平均每 80 人拥有一辆汽车，每年生产各类汽车近 200 万辆。1.2 国内各种车型种类按照德国大众对汽车的分级方法，汽车分为 A、B、C、D 级，字母越靠后代表车的轴距、排量、重量等参数数值越大，舒适性和豪华性越高。A 级车代表如捷达、宝来、速腾、明锐、花冠、卡罗拉等。B 级车如帕萨特、迈腾、天籁、马自达 6、雅阁、凯美锐等。其中，又有比 A 级小一上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计6些的 A0 级和 A00 级，A0 级代表车型如上海大众 POLO、广本飞度等，A00级则包括奇瑞 QQ 等。中高级轿车是每一个厂家产品布局中最关键的棋子。相比高档车而言，它的市场份额和中级车一样拥有大众化的消费群体，相对中级车而言它又有更丰厚的利润空间，是各大厂家觊觎的“肥肉” 。同时，厂家出于品牌形象和产品结构需要，中高级轿车又起着承上启下的作用，为其它车型的推出奠定良好基础。因此，不少合资汽车厂家推出的第一款车就是中高级轿车，如广州本田的雅阁、上海通用的别克新世纪、东风日产的蓝鸟、北京现代的索纳塔，以及刚上市的广州丰田凯美瑞，而且都取得不错业绩。同时树立了很好品牌形象，上海通用赛欧上市就借用“小别克”炒作极为成功，雅阁的影响力对飞度成功也是极大的促进，索纳塔之后推出伊兰特也更容易为人接受。从当初中高级轿车市场仅有几款车，到现在的十几款车，说“该来的都来了”一点不过分，没有一个厂家愿意放弃这个市场，包括自主品牌。本文主要介绍桑塔纳车型的保险杠设计。1.3 桑塔纳车型的介绍这里说的桑塔纳通常被人们叫“普桑” ，它的原型车是德国大众公司的帕萨特b2。b2在德国本土只生产了13万辆，而作为第一款合资生产的轿车，桑塔纳在中国已经生产了20年，累计产量200多万台。20年间上海大众对桑塔纳不断进行改进，直到今天桑塔纳还在不停的驶下生产线。外形：桑塔纳进入中国20年，可它憨厚朴实的外形和刚来的时候几乎没有什么变化。4.546米长且棱角分明的车身，平坦宽阔的引擎盖，四四方方的车灯，标准的“船型”三厢造型设计年代随早，但在今天依上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计7然显得很气派。在中国，恐怕没有几款车能够比桑塔纳的造型更深入人心。20年里，桑塔纳最大的外观变化可能就是车身颜色了。珍珠灰，酷白，龙绿，海蓝，众多颜色的金属漆取代了陈旧的红、蓝、白色外衣。颜色的改变，也为桑塔纳陈旧的外形注入了一些新鲜的活力。 桑塔纳在各个方面都基本沿袭了八十年代进入中国时的风格。上海大众对它进行的不断改进也保证了它20年间的经久不衰。但不能否认的一点是，无论在内外设计还是在技术水平上，桑塔纳都和新生车型不在同一个技术层面上。1.4 市场要求对于保险杠来说市场的要求一是其安全性，再就是它对于整车外形所起的装饰作用。现在，保险杠以及整车的造型在购车者心中是越来越重要。汽车造型是车型开发系统工程中最重要的环节。在复杂的车身产品开发程序中，广义的三维造型既是设计工作的起点，又是工程目标的最终体现。随着新技术的广泛应用，特别是计算机辅助技术及同步技术的日臻完善，几乎将传统的汽车开发周期缩短了三分之一，其中最大的改进就表现在汽车车身的造型阶段。汽车造型的目的是以其美去吸引和打动观众，根据汽车整体设计的多方面要求来塑造最理想的车身形状，对汽车外部和车厢内部进行造型计。 汽车造型设计主要涉及科学和艺术两大方面。设计师在具备车身结构、制造工艺要求、空气动力学、人机工程学、工程材料学、机械制图学、声学和光学知识的同时还需要有高雅的艺术品味和丰富的艺术上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计8知识，如造型的视觉规律原理、绘画、雕塑、图案学、色彩学等等。设计师在精通这些知识的基础上，不断推陈出新，兼顾成本和顾客的心理需求，创作出更富魅力的汽车造型。汽车造型应考虑下列因素：(1)合理的形状，简单的结构，美观的整体外形。(2)制造工艺简单，易装配，满足大批量生产。(3)汽车外形具有良好的空气动力性能。(4)汽车表面零件应具有足够的刚度和联接强度。(5)汽车外形应保证良好的视野。随着汽车工业的不断发展，汽车造型越来越注重物质和精神的双重特性，汽车不再只是简单的交通工具，而是成为人们心目中的精美艺术品。掌握现代科技和造型理论，现代汽车正朝着功能与艺术完美结合的方向发展。汽车造型的好坏直接左右了消费者的判断，也影响了市场的趋向。因此，市场对汽车设计是十分重要的，它决定了汽车设计的方向。汽车设计思路的第一步就是造型的设计。车身造型是设计师在汽车工业团体中用来传递创作思想和设计规范的一种信息载体。它可以通过平面与立体这两种主要传播媒介表达。常见的产品预想图、车身工程图就属于二维平面的视觉传达设计。而模型、产品实体则属于三维的立体造型。将平面设计归于造型范畴，针对车身工程图，是因为它描述了三维空间的形状，是立体造型的抽象，它记录了物体形状的“缺省值”。因此在设计阶段绘制图纸要比制作实样经济简便。车身形体不同于其它的机械形体是在于它通常由许多不同曲率的曲面混合而成。不像简单的几何体能用直线和正圆去表示。因而在工程图中形成了专门表达车身形体的分支：称为“车身制表面。” 现代汽车车身设计的显著特征之一，上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计9是在计算机中建立三维模型。依靠计算机软件提供的多种工具，可以很方便的进行车身造型设计。它能用几条曲线去自动生成一张曲面。经过建模程序，在屏幕上显示的线框造型，使用的是与车身制表面相似的形体表达方法：用曲面的法向截交线描述曲面的形变；用曲面的坐标平面截交线作曲面的评估工具。根据要求很快就可以做出形象其实精确度很高的造型方案，这些方案既不同于车身制表面中的网格线条，也不仅是线条丰富的彩色图片。而是极其完整的表达三维空间的“数学模型” 。数学模型可以快速精确的修改，还可以通过计算机网络传送。现代汽车车身设计的显著特征之二，是它在车型开发的所有阶段都广泛应用计算机技术，不仅将传统的全部设计片段连结成一张通讯网，而且还延伸到汽车工业的各个角落，是融计算机辅助设计/计算机辅助工程计算机辅助制造计算机辅助测验计算机辅助管理/等技术为一体的综合汽车开发系统统，按照国外车型开发的最新程序，汽车产品的前期开发过程在目标确定的前提下，先经过计算机造型，再面对模型进行大量的计算机辅助工程项目的研究，以期达到最佳的设计目标，然后再往下开发的。车身产品的早期开发当然也不例外。在车身早期设计阶段就应该展开的计算机辅助工程项目有：结构完整性；车辆构架和系统优化；流体力学；电气系统分析；控制系统工程；噪声和振动；整车力学；车辆碰撞合成，乘员保护合成；车辆安全；等等；要做这些项目的工具是各种适用的计算机软件，研究的对象只有一个，就是在计算机中建立起来的车身模型因此在计算机中建立概念模型是车身产品早期开发的首要任务。概念模型是按一定标准建立起来的。这个标准就是设计目标的确定。上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计10目标通过三个步骤落实第一步是预测，选择车身的主要功能去对照竞争车型的相同功能作“主观评估” ，并预测未来竞争的趋势。第二步是关连。将“主观评估 ”与“功能指标”联系起来，建立可以量测 “主观评估”的“功能指标”。第三步是分解。用 “功能指标”确定车身主要功能的目标然后分解车身主要功能目标，成零组件功能目标。主要功能目标的分解与细化有三个阶段。即：初步的车身目标，初步的组件目标，零部件目标。这是车身产品早期开发的第一大内容：目标确定与追踪。有了初步的车身目标就可以在计算机中建立概念的车身模型。在这个车身模型中试装多种可能的结构。随后选出主要的结构去对照初步的组件目标，调整成新的车身组件模型。新的车身组件模型经过零部件目标的评估，再一组一组的拼装起来就生成了新的车身模型。2 保险杠的介绍2.1 保险杠的功能介绍对于桑塔纳这种轿车来说，保险杠不论是在安全上还是装饰上都非常重要。保险杠系统是轿车车身的重要组成都分。其作用为当轿车与其他车辆或障碍物发生碰撞时能保护车身和附件，具体说就是保护灯具、翼子板、散热器和发动机罩等部件。轻微事故时保险杠系统能吸收冲击能量，撞后自动恢复原状，有效地降低了轿车的修理费用。遇上严重的撞车事故时，冲击力经保险横杠被合理导向分散给整个车身，以避免局部区域变形过大，保证乘客有足够的生存空间。轿车保险杠的附加功能为装饰和美化车身，优美的保险杠造型常能达到吸引顾客之功效。上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计112.2 汽车保险杠的类别汽车保险杠按位置可分为前保险杠和后保险杠。按其使用的材料，可分为金属材料保险杠和非金属材料保险杠。金属材料保险杠一般用高强度钢板冲压而成。非金属材料保险杠一般用于轿车。按其功能，可分为非吸能型保险杠和吸能型保险杠。非吸能型是一种最简单的结构形式。这种保险杠只起装饰作用，不起保护作用。当发生追尾撞车和车头相撞事故时，该类型的塑料保险杠没有足够的强度和刚度来抵御强烈的碰撞，不起保护作用，将导致轿车翼子板开裂，散热器和灯具严重损坏，客车则损坏前围。重者损坏档风玻璃，方向盘和仪表板发生严重变形，甚至对驾驶员构成致命危害。吸能型保险杠又可分为液压缓冲型保险杠和自身吸能型保险杠。液压缓冲型保险杠的横杠内侧加强件通过橡胶垫与液压缓冲减振器的活塞杆相连接，活塞杆为空心结构，内装有浮动活塞，活塞将其分隔成左右两腔，左腔充满氮气，右腔充满机械油，活塞杆外圆柱面与液压缸内圆柱面滑动配合，液压缸内的机械油与活塞杆右腔相通，当汽车与障碍物碰撞时，保险横杠受到的冲击力传到活塞杆上，活塞杆端部向右移动，挤压机械油按箭头所示方向经节流孔压向活塞杆右腔，推动浮动活塞向左移动，并使氮气受到压缩。这样，利用机械油通过节流孔时的黏性阻力吸收撞击能量，吸收能量的效率高达 80。这类油气弹簧式的缓冲减振器有效地利用了气体缓冲、液体节流减振的工作方式，工作特性比较稳定。撞后被压缩的气体能推动浮动活塞运动使保险杠复位。液上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计12压缸后部的塑性变形元件为第二级变形元件，一旦冲撞力超过了某一极限，活塞杆的端部直接顶上该变形元件（空心钢管类）使其变形吸能。缓冲减振器作为一个总成直接用螺栓安装到车身纵梁上，变形元件的右端则顶在纵梁的内台阶上。低速撞车时缓冲减振器本身缓冲、吸能，不会损坏车身，撞击后保险杠系统能自动恢复原状。较严重撞车时损坏的缓冲减振器总成可很方便地更换，极为有效地降低了修车成本。如下图：1横杠 2横杠加强梁 3氮气 4活塞杆 5浮动活塞 6液压油 7节流孔 8缸体 图 2.1 液压缓冲型保险杠自身吸能型通常由横杠、内衬加强件和树脂类泡沫填料等组成。碰撞时利用泡沫材料或非金属内衬元件的变形吸收能量。此类结构多用于中、低档轿车。2.3 保险杠与周边关系的处理此外，保险杠与周边零件的关系也是设计时必须弄清楚的，可以通过做截面的方式来研究保险杠与周边元件的间隙、高度差、安装是否到上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计13位以及是否存在干涉等等。因此，考虑保险杠设计时也需要将相关的周边元件一起考虑。保险杠系统会装配一些不属于保险杠系统的部件。例如，灯、线束、车身侧围、电器模块、挡泥板、防水装置和尾气管等。保险杠与车身的安装具体可以看以下的白车身图：图 2.2 轿车的白车身图上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计14车主/驾者用户使用规范使 用要求环境周边和运行环境车轮间隙要求车轮周边的包迹制动器充足的气流气流的要求车架、底盘牵引支架要求附件间隙和支撑标准外饰灯电气系统的结构设计装配关系排气间隙和温度的标准工程/HVAC冷却系统充足的气流气流的要求车身结构间隙和附件准 保护车身面板汽车前后端保护装置图 2.3 保险杠周边结构图3 保险杠的制造工艺和材料3.1 保险杠的制造工艺在保险杠设计思路的展开过程中，对于保险杠成型工艺和模具制造的考虑却是要贯穿始终的。20 年前，轿车前后保险杠是以金属材料为主，用厚度为毫米以上的钢板冲压成形槽钢，表面处理镀铬，与车架纵梁铆接或焊接在一起，与车身有一段较大的间隙，好像是一件附加上去的部件。随着汽车工业的发展，汽车保险杠作为一种重要的安全装置也走向上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计15了革新的道路上。今天的轿车前后保险杠除了保持原有的保护功能外，还要追求与车体造型的和谐与统一，追求本身的轻量化。为了达到这种目的，目前轿车的前后保险杠采用了塑料，人们称为塑料保险杠。桑塔纳 2000 的塑料保险杠是由外板、缓冲材料和横梁三部分组成。外板和缓冲材料附着在横梁上，横梁与车架纵梁螺丝连接，可以随时拆卸下来。这种塑料保险杠使用的塑料，大体上使用聚酯系和聚丙烯系两种材料，采用注射成型法制成。例如标致轿车的保险杠，采用了聚酯系材料并用反应注射模成型法做成。而大众的奥迪、高尔夫、上海的桑塔纳、天津的夏利等型号轿车的保险杠，采用了聚丙烯系材料用注射成型法制成。国外还有一种称为聚碳酯系的塑料，渗进合金成分，采用合金注射成型的方法，加工出来的保险杠不但具有高强度的刚性，还具有可以焊接的优点，而且涂装性能好，在轿车上的用量越来越多。塑料保险杠具有强度、刚性和装饰性，从安全上看，汽车发生碰撞事故时能起到缓冲作用，保护前后车体；从外观上看，可以很自然的与车体结合在一块，浑然成一体，具有很好的装饰性，成为装饰轿车外型的重要部件。另外，为了减少轿车在发生侧撞事故时对乘员的伤害，在轿车上通常安装有车门保险杠，以增强车门的防撞冲击力。下面就介绍一下汽车保险杠用塑料的成型方法和工艺。塑料注射成型是将粒状或粉状的塑料原料加进注射机料筒，塑料在热和机械剪切力的作用下塑化成具有良好流动性的熔体，随后在柱塞或螺杆的推动下，熔体快速进入温度较低的模具内，冷却固化形成与模腔形状一致的塑料上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计16制品。注射成型与其他塑料成型方法相比有一些明显优点：能一次成型外形复杂、尺寸精确、可带有各种金属嵌件的塑料制品，制品的大小可以从钟表齿轮到汽车保险杠，用注射成型生产塑料制品的品种之多和花样之繁是任何其他塑料成型方法都无法比拟的；可加工的塑料种类繁多，除 PTFE 和 UMWHDPE 等极少数品种外，几乎所有的热塑性塑料（通用塑料、纤维增强塑料、工程塑料） 、热固性塑料和弹性体都能用这种方法方便地成型制品；成型过程自动化程度高，其成型过程的合模、加料、塑化、注射、开模和制品顶出等全部操作均由注射自动完成。注射成型是汽车用塑料零部件最常用的成型加工方法，如仪表板、保险杠、方向盘、挡泥板、车身板、内门板、车顶框架、外壳、行李箱盖、仪表罩、仪表壳、暖风壳等。注塑制品的生产过程由物料准备、注射成型和成型制品的热处理与调湿处理等三个阶段组成。其中注射成型包括两个过程：物料熔融塑化和塑料熔体在模具内的成型。所谓熔融塑化是将固体物料在料筒内加热熔融并混合均匀的过程，该过程是注射成型的一个准备阶段，塑化所得熔体的质量对成型过程和制品的质量都有不可忽视的影响。在塑化过程中，重要的一点是保证熔体达到要求的成型温度，且熔体温度分布尽可能均匀，其中的热降解产物含量应尽可能少。目前广泛采用的是螺杆式注射机。气体辅助注塑成型（gas-assisted injection molding）简称 GAIM又称为 Air-Mould 法。是在传统的注塑基础上发展起来的一种新的成型工艺。近年来，GAIM 已经成为塑料工业中最重要的树脂成型方法。因为上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计17它不但能生产壁厚不均匀的、形状复杂的制品，而且制品的性能优异、表面平整光滑。其原理是：在一定量的熔体注入型腔后，再将压缩空气注入熔体中心，然后在压缩空气的作用下充满型腔。GAIM 具有充模压力低、制品应力低、表面光洁等优点。GAIM 是一项新颖的塑料成型加工技术，且仍在不断发展。采用 GAIM能降低制品生产成本，它集传统注塑及吹塑技术的优点于一身并且不同于两者，吹塑只能生产薄壁且形状简单的制品，GAIM 工艺过程与吹塑类似，但能生产大型、复杂、三维中空制品，且有传统成型的外观。所以GAIM 已经在汽车塑料件中得到了广泛的应用。3.2 保险杠的结构设计就像本文一开头所叙述的保险杠是汽车上较大的外覆盖件之一，作为一个独立的总成安装在汽车上，它对车辆的安全防护、造型效果、空气动力性等有着较大的影响。其作用有两方面：起保护作用，当汽车与其他车辆或障碍物发生碰撞时，避免损伤车身和附件；装饰作用。因此，国内外十分重视保险杠的研究。特别是轿车保险杠，众多厂家更是追求造型优美、结构独特和由不同材料组合而成的新型保险杠。因此，保险杠结构设计有着较严格的外部约束条件和复杂的内部结构关系，在具体的设计过程中，会遇到诸多因素的制约。表 3.1 桑塔纳 2000 汽车保险杠结构组成名称 功用及说明 常用材料保险杠支架 连接保险杠总成与车体 08A1 厚 2.0mm上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计18保险杠骨架纵梁；安全防护主要承力件，08A1 厚 0.22.0mmSMC 厚 3.0mm保险杠面罩 一般灯口区域和端部设有加强结构改性 PP 厚 3.6mm保险杠横梁保险杠后部两侧可靠定位连接，保证与翼子板间隙，防止保险杠后侧面变形，缓冲吸能，连接面罩与骨架改性 PP 厚 2.0mm进风口格栅 通风、装饰造型效果 改性 PP 厚 2.0mm装饰条也叫防擦条，设计成独立装配件擦碰伤后可单独替换改性 PP 厚 3.6mm上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计19图 3.1 后保险杠面罩 UG 模型图 3.2 后保险杠中间金属件 UG 模型上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计20图 3.3 后保险杠横梁 UG 模型3.3 保险杠的模具保险杠面罩与横架都是大型薄壁注塑件，面罩同时又是外覆盖件，要求所用材料在注塑过程中有较好的流动性，并具备较好的制件精度和耐紫外线稳定性，一般采用改性 PP。在结构设计中，应综合考虑几何形状与成型特点，使模具分型面满足成型工艺要求。为便于塑料件从模具型腔中取出或从塑料件中抽出型芯，在设计时必须考虑塑料件内外壁应具有足够的脱模斜度，当保险杠结构件材料选用改性 PP 时一般取 30 度10 度脱模斜度。脱模方向及分型面同脱模斜度是同时确定的，又是塑料件结构设计的基准和依据，所以应本着分型面尽量简单的原则，减少分型面处飞边对制件的影响，在结构处理上应尽量避免飞边或使其易于清除。塑料件的壁厚取决于对其性能的要求，如结构强度、尺寸稳定性、装配等，一般在 16mm 之间，最常用的值为 23mm，面罩一般取34mm，核梁取 23mm。同时，应尽量使壁厚均匀一致，以避免因壁厚上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计21变化造成的缩孔、气泡、塌坑等缺陷影响制件质量。如结构需要，壁厚不均匀度应在 1：1.51：2 范围内。图 3.4 后保险杠中间金属件二维图为确保塑料件的强度和刚度，而又不致使塑料件的壁厚过厚，可在塑料件的适当部位设置加强筋。加强筋的厚度必须小于产品壁厚的1/3，否则引起表面缩印。但有时必须采用较高的加强筋时，如核梁结构基本上时由纵横交错的筋构成，筋的高度一般不应超过 40mm，尖端厚在1.22mm 之间，并取合理的脱模斜度，以利于模具的加工和制成品脱模。圆角，圆角太小可能引起模具上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计22型腔应力集中，导致型腔开裂。设置合理的圆角，还可以改善模具的加工工艺，如型腔可直接用 R 刀铣加工，而避免低效率的电加工。不同的圆角可能会引起分型线的移动，应结合实际情况选择不同的圆角或清角。孔的形状应尽量简单，一般取圆形。孔的轴向和开模方向一致，可以避免抽芯。当孔的长径比大于 2 时，应设置脱模斜度。此时孔的直径应按小径尺寸（最大实体尺寸）计算。盲孔的长径比一般不超过 4。孔与产品边缘的距离一般大于孔径尺寸。3.4 保险杠的材料PP 是目前使用最多的保险杠材料，所以这里主要介绍 PP 材料在用作保险杠方面的性能设计。众所周知，PP 是综合性能优良的一种通用塑料，但 PP 本身低温性能及抗冲击性能差、耐老化性及尺寸稳定性差，难以满足汽车保险杠对材料性能的苛刻要求。因此，汽车保险杠中使用的PP 材料均为改性 PP。根据汽车行业对保险杠的要求，以及保险杠材料构成上的差异，PP汽车保险杠专用料可以从以下几个方面进行性能设计。一PP 共混性是用增容剂、增强剂、填充剂、偶联剂、交联剂、熔体流动速率调节剂以及抗老化等与 PP 基料共混，使 PP 改性，大幅度提高其性能。采用各种合成橡胶和 PP 进行共混改善 PP 的低温韧性，是生产 PP 保险杠专用的传统工艺。二随着催化剂的不断改进，目前已能采用两步串联气相聚合技术生产橡胶含量高的优质抗冲击 PP 共混料。通过提高乙烯含量及控制乙烯上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计23单体引入 PP 大分子链上方式的不同，不仅能获得韧性较好的产品，还能在一定范围内调整聚合物、共聚单体含量相同材料的刚性与韧性之间的相对关系，从而获得所需性能的新材料。这种材料从微观结构看是 PP和 EPDM 的混合物，即 PP 硬相中分散有高弹性 EPDM 颗粒，故被称为PP/EPDM 型“反应共混料” 。三日本 Styren Paper 公司生产的非交联发泡保险杠现已被丰田公司采用。这种保险杠采用 JSP 公司开发生产的 PP 发泡珠粒，先将珠粒装入模具中发泡成型，生产的保险杠具有良好的耐热性、尺寸稳定性和缓冲性。这种泡沫硬度做汽车保险杠非常合适。四国外生产企业还不断推出共聚级 PP 汽车专用树脂。它的冲击性和韧性的综合平均值均超过了常规 PP。除 PP 保险杠外，还有其他材料保险杠，如 PC 合金保险杠等。3.5 保险杠制造的行业标准下面来介绍一下与保险杠设计有关的汽车行业标准，有ISO2985道路车辆轿车的外部防护 、欧洲标准 ECE NO42关于车辆及其前后防护装置（保险杠）认证的统一规定 、美国标准 PART 581汽车保险杠标准 、日本标准 JASO B102-87汽车保险杠高度等，在产品设计中应贯彻这些标准。保险杠标准中对结构设计也提出了相应要求。对灯具、外装饰的保护要求：如在与汽车纵向中面相平行的任意铅垂面内保险杠有效接触区的最外面应高出灯具等重要的零部件和被保护的外装件的任何部分，安装到保险杠上的灯具表面应低于与保险杠相邻上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计24的表面（后保险杠顶部车牌号灯和按客车车身标准制造的前转向灯除外，JASO B102-87） 。对保险杠外部形状的要求：不应有尖锐凸起及突出的旋转部分等妨碍交通安全的危险形状，如保险杠的端部不允许有勾挂行人衣服等危险结构，轿车的后保险杠（限于其端部位于车身后部侧面附近的保险杠）应安装在车身凹入部分内，与车身之间的间隙超过 20mm，但用直径100mm 的球体同时车身和保险杠时，凡不能同时接触的，都得将保险杠端部附近的部分向车身侧弯曲（日本安全标准第 18 条第 1 项第 3 号） 。对汽车外部凸出物的要求：车身外表面不得由于其形状、尺寸、朝向、硬度等因素而刮伤、撞伤人体或加重被撞者的伤势，车身外表面上亦不得有致使发生上述事故的尖锐零件或凸出物。这些同样使用于保险杠设计，保险杠两端应向车身表面弯曲，保险杠组件所有额外的刚性表面的曲率半径不得小于 5mm。图 3.5 后保险杠外表面上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计25在对桑塔纳 2000 型汽车的设计过程中，以上要求都是必须注意的。3.6 材料的处理汽车保险杠另一重要的功能是装饰。进入 20 世纪 90 年代以来，随着人们审美意识的变化，对汽车外观的要求也越来越苛刻。PP 汽车保险杠由于具有良好的物性、可回收性以及更低的成本等特点，自 80 年代以来在世界范围内得到了普及与发展。90 年代以后，随着各种新型、高档、豪华轿车的问世，对保险杠外观的要求相应提高，原有的色母粒着色保险杠已不能满足要求，喷涂保险杠便应运而生。喷涂保险杠与普通保险杠相比，容易实现不同颜色之间的相互配合，使之与汽车车身同色，在外观上更加具有整体感，而且色泽更加艳丽明亮，还可以遮盖塑料表面的花纹或划伤等缺陷，另外，保险杠外部的漆膜保护层可提高表面硬度，使保险杠耐火性、耐水性、耐油性、耐化学药品性和防尘性得到提高。而且，由于 PP 仅由碳氢原子组成，是非极性高分子材料，而且表面能低，结晶度高，致使其表面与涂料的黏结强度低。改进 PP 汽车保险杠的喷涂性成为国内外研究的重点和热点。有一些为改善 PP 保险杠的喷涂性能而常用的一些方法。目前汽车保险杠材料多为 PP 合金，PP 本身是一种非极性高聚物，表面张力低。用EPDM 改性后虽在涂装中抗溶剂性得到改善，但其低表面张力、PP 与EPDM 的非均相分布、加工成塑料制品时又引入向表面迁移的化学添加剂，以及无机颜料对涂装的负作用和运输过程中产生的玷污等都会对PP/EPDM 汽车保险杠的涂装有不良影响，因此在喷漆前必须对基材进行上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计26适当的前处理。处理的作用如下：（1）PP 表面的脱脂；(2)去除弱界面层；（3）刻蚀 PP 表面；（4）溶胀 PP 基材。经过处理基材与涂膜的黏结性提高，增强了涂膜的附着力。提高 PP/EPDM 黏结性的表面改性前处理方法可分为化学方法和物理方法两大类。化学方法包括：化学侵蚀、化学氧化、表面接枝反应、辐射反应及等离子体聚合反应。物理方法如：火焰法、电晕法、等离子体法、离子束法、紫外线法、激光法及 X 射线法。国外 PP/EPDM 涂装前处理用的比较多的方法有火焰法、等离子体法、电晕法或二苯甲酮/紫外线法。一火焰法是应用较为普遍的一种方法，它用火焰的氧化焰部分（即蓝色部分）接触 PP 保险杠材料表面，由于喷在材料表面上的热氧化焰温度高达 11002800 摄氏度，故通过对 PP 表面的脱氢和氧化反应而在表面生成氨基、羟基等含氧极性基团和不饱和双键，增加表面极性，从而提高表面能。二一般情况下，在 PP/EPDM 底材涂装以前先用低固体分氯化聚烯烃（PO-C）的溶液喷涂一层 23m 厚的薄薄的过渡层，是改进其表面极性行之有效的方法。这种用附着力促进剂改进塑料表面极性的经典方法用于处理 PP/EPDM 尚有如下不足之处。（1） 处理液固体分低。（2） 增加额外施工步骤，增加成本。（3） 适用于 EPDM 含量在 25左右的 PP/EPDM。采用等离子氮或等离子氧，与 PP 表面发生氧化或氮化等反应，在表上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计27面生成大量活性基团，从而改善表面化学活性。用这种方法处理的表面，其剥离强度比用传统方法增加 40，且不造成环境污染。日本 suzuki联合有限公司用有机溶剂清洗 PP 彩色保险杠表面，再用等离子氧处理，最后用等离子聚合的四甲基硅烷和等离子氮进行处理，在 PP 保险杠表面形成透明的四甲基硅烷聚合物涂膜，该涂膜在 60 摄氏度下光泽度可达86，而且耐磨性好。三利用一定的紫外线照射 PP 保险杠表面，可以引起表面的氧化反应或交联反应，而使表面激活，从而提高涂漆性能。日本 Kinugawa 橡胶工业联合有限公司用紫外线光照射法成功地将黑色汽车保险杠涂为白色。3.7 保险杠的涂装在汽车保险杠涂装体系上，目前世界上有两大流派。美国倾向于单组分漆，欧洲则是双组分聚氨酯漆。但有一点是共同的，即环境保护是涂料新品种的发展动力。美国主要是在原漆配方中减少有机挥发溶剂组分，向高固体分漆方向发展；欧洲并不像美国那样有一个统一的 VOC 排放法规，重点是降低在施工和漆膜形成过程中溶剂的挥发量，向水性漆方向发展。表 3.2 列举了 PP/EPDM 保险杠常用的涂装材料体系。上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计28表 3.2 PP/EPDM 汽车保险杠常用涂装体系涂装体系 颜色要求 光泽 烘烤 涂料类型单涂层 不与车身同色 低/中等 低温单组分聚氨酯漆双组分聚酯异氰酸酯漆二涂层（单色）与车身同色 中/高等 低温底漆单组分聚氨酯漆双组分环氧丙烯酸双组分聚酯异氰酸酯漆面漆双组分聚酯异氰酸酯漆三涂层（单色/闪光色）与车身同色 中/高等 低温底漆单组分聚氨酯漆双组分聚酯异氰酸酯漆双组分环氧丙烯酸底色漆单组分聚酯/氨基/CAB 漆丙烯酸型罩光漆双组分聚酯异氰酸酯漆在选择 PP/EPDM 汽车保险杠涂装材料体系的化学组成时，应考虑:一PP/EPDM 是一种高分子材料，相对于金属车身底材其表面极性上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计29和表面张力都非常低。为了保证与底材良好的附着力，底漆用树脂应选择具有一定量的极性基因（如羟基、氨基和环氧基等）的树脂；或在设计配方时保留一定的极性基因，有利于附着力的提高。二汽车是户外用品，在时间和地域上跨度较大，还要经受酸雨、鸟粪、雪天马路上盐水等的侵蚀。注重面漆的装饰性的同时还必须考虑其防护效果。长期的户外使用要求其保光保色性好，还必须具备与车身高温漆同等的耐湿热、耐盐雾、耐紫外线、耐化学溶剂性和耐划伤等性能，同时还应具备优良的柔韧性故可选择耐候性及综合性能较好的双组分丙烯酸聚氨酯漆。涂装系统流程如下：过去：成型保险杠三氯乙烷（TCE）蒸汽处理干燥底涂干燥喷涂烤漆现在：成型保险杠脱脂水洗表面调整干燥底涂干燥喷涂烤漆4 保险杠的设计过程和方法4.1 保险杠的安装点的设计考虑好保险杠的制造工艺与材料后，如何把保险杠安装到车身上去也是一大重点。为此，需要制订保险杠的一系列安装定位点。安装定位点的制订过程中要注意限定保险杠的六个自由度。在制订定位孔的形状时要考虑留出安装余量，便于整车装配时安装。桑塔纳 2000 汽车保险杠许多的安装点都是定在保险杠的翻边上的，因此，对保险杠翻边的设计上海工程技术大学毕业设计（论文） 轿车后保险杠的设计30有一定要求，尤其是保险杠与车身翼子板以及与侧围的安装要求是零间隙。在桑塔纳 2000 后保险杠安装点的设计过程中，考虑对于保险杠自由度的限制，在保险杠正前方的上下各设计四个安装孔，上部与车身上的焊接铁片连接，下部与保险杠骨架的下安装支架连接，限制了保险杠的六个自由度。侧翼尾部有一个安装点，与车身侧围连接。由于是腰形孔，限制了上下左右的自由度。侧翼还设计了一个塑料定位卡子，与车身侧围外板装配。还在保险杠车角部分设计了两个安装点，一个与灯内钣金连接，限制了保险杠的六个自由度；一个与车身外板连接，由于是腰形孔，限制了保险杠前后上下的自由度。在保险杠的侧翼下部设计有三个安装点，两个连接挡泥板，由于是腰形孔，限制了保险杠上下左右的自由度；一个与车身外板下焊接铁支架连接，限制了保险杠的六个自由度。