关于汽车保险杠开发的研究

张浩,于金生，李龙

(长城汽车股份有限公司技术中心河北省汽车工程技术研究中心,河北保定 071000)

关于汽车保险杠开发的研究

张浩,于金生，李龙

(长城汽车股份有限公司技术中心河北省汽车工程技术研究中心,河北保定 071000)

结合长城、哈弗品牌汽车保险杠多年设计开发经验，主要对汽车保险杠的系统构成、在开发过程中应注意的法规及非法规性要求、保险杠的卡接结构匹配设计原理、结合行人保护要求优化保险杠前脸造型等几个方面做了概要介绍。

保险杠；法规；卡接结构；行人保护

0 引言

汽车保险杠对于汽车来讲不仅起到装饰作用更起到保护作用，从安全角度讲，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，保险杠设计风格体现着各个公司的家族特点，给顾客第一购车吸引点；从结构布置上看，保险杠直接决定着整车性能，包括接近角、离去角、大灯高度、尺寸等设计参数。随着汽车行业的不断发展，世界各国对保险杠技术条件要求越来越高，因此对保险杠的性能要求越来越严格。一些新的设计理念不断融合到保险杠的设计之中。文中主要对保险杠设计中涉及的法规要求及结构配合进行分析。

1 保险杠构成及尺寸要求

保险杠主要由以下零部件组成：前保险杠通风格栅、前后保险杠左右安装支架、前保险杠左右雾灯盖板、前保险杠下通风格栅、前保险杠脱钩闷盖、前保险杠本体、保险杠缓冲块等。具体安装部位如图1所示。根据整车的配置功能要求，部分车型保险杠还装有摄像头、雷达探头、碰撞气囊、液压缓冲装置等。

保险杠的轮廓尺寸需要满足QC/T 487-1999 《汽车保险杠的位置尺寸》中相关要求。保险杠的Y向尺寸应不小于车辆宽的90%，保险杠的Z向尺寸应在保险杠水平件有效接触面的上下翼缘处测量，对于轿车来讲，当汽车处于满载静止状态下，保险杠上、下翼缘与地面的Z向空间距离应分别不小于420 mm、不大于360 mm。装配保险杠的汽车应能在不小于5%的坡度路上向上推行另一辆同状态的汽车时，外观应无明显变形[1]。

2 保险杠外部凸出物校核

保险杠外部造型圆滑度要符合相应的法规要求，主要是为了降低在碰撞时被车身擦、碰的人员的伤害程度，是对行人的进一步保护，是保险杠外造型设计中最重要的法规项，主要的外部凸出物法规有中国的GB 11566-2009、欧洲的74/483/EEC及修订版79/488/EEC、ECER26。其相关标准内容如下：

(1)装配在外车身表面的零部件如前后组合大灯、前后保险杠、雷达探头等，其圆角半径R应大于2.5 mm。当零部件凸出车身尺寸s小于1.5 mm或者1.5 mm

(2)当车身外装饰件硬度小于SHOREA=60°时，装饰件凸出部位的半径可不大于2.5 mm。

(3)保险杠两端应向车身表面弯曲，以减少刮伤的危险。如果保险杠是嵌入式的、或和车身结构形成一体的、或保险杠侧端部向内弯曲但不能被直径100 mm的球体所接触，并且保险杠端部和最近的车身表面之间的距离不超过20 mm，则认为满足要求。

(4)当前后保险杠与地面的Z向投影线与车辆外边界线重合时，在图2所围成的区域内其R>5 mm。当s<1.5 mm时除外[2]。

3 格栅之间间隙尺寸的测量方法

格栅之间的间隙尺寸应由通过球体两接触点并垂直于连接这些点的线的两个平面间的距离来测定。如图3所示，用直径100 mm的球体与格栅的两相邻元件接触，接触点分别为点L、Q。点L和点Q间的距离h即为格栅间隙。若h有功能要求时，当25 mm

4 格栅进气面积

整车在进行外流场计算时，保险杠造型同时起到关键性作用，图4是汽车在行驶过程中车身表面的压力分布图(图中色柱显示的是不同压力值在图中对应的颜色，单位是Pa)。从图中可以看到:保险杠正前方为正压区，压力最大。整个车身大部分表面处于负压区，在保险杠周缘A柱附近具有较低的压力。所以保险杠外造型要圆滑过渡，尽量减小风阻系数。同时在保险杠格栅设计时需要对进气面积进行校核，在3D数据中确认上下格栅有效进风开口面积之和与散热器芯体面积两者比值尽量接近30%。一般通风散热投影比例达到25%，格栅进气基本就能达到散热要求，在25%～30%区间较为合适[3]。

5 保险杠牌照板相关法规

5.1 号牌支架介绍

号牌板：直接安装号牌的面板。

号牌架：加装在车辆上用于安装号牌的装置。

号牌板的形状和尺寸：号牌板可为一长方形平面板(在保证号牌的安装要求情况下可以是曲面)。号牌板外廓尺寸及号牌安装孔尺寸按GB 36确定。

5.2 牌照板国内外尺寸法规

各国对其机动车牌照都有相关法规，主要法规有中国GA36-2007、GB 15741-1995，欧洲70/222/EEC，美国SAE-J686。具体尺寸要求见表 1中的尺寸示意和列出的尺寸。

表1中欧美牌照尺寸要求mm

对后保险杠上的号牌板(架)的位置设计，同时也需考虑号牌板(架)的灯光照明要满足法规的要求，对在后保险杠上安装号牌板的，除在保险杠上给出号牌板的合适安装位置外，还需同时考虑牌照灯的安装结构位置设计，确保牌照灯的安装对号牌板的照明满足GB 18408-2001《汽车及挂车后牌照板照明装置配光性能》的要求。

5.3 牌照板视野校核

牌照板和牌照安装支架安装前保险杠或者后保险杠后不能影响整车认证参数，尤其是整车接近角和离去角。为了车外人员更好地观察牌照信息，牌照板或牌照安装支架应近似垂直整车XZ平面。前牌照板安装后，其中心点不可在整车XZ平面的左侧且不能超出整车前端右边界；后牌照板安装后，其中心点不可在整车XZ平面的右侧且不能超出整车前端左边界。牌照板安装整车需要满足一定的可视范围，前牌照板允许后仰角度不大于15°。车辆空载状态下，后牌照板上边界与地面Z向距离小于等于1.20 m时，其正面允许上仰不大于30°。当后牌照板上边界与地面Z向距离大于1.20 m时，其正面允许下俯不大于15°。后牌照板安装整车状态下，其下边界与地面Z向距离应大于等于0.3 m，上边界与地面Z向距离应小于等于1.20 m。由于车身布置结构问题不能满足时，后牌照板与地面的Z向距离也要控制在2.0 m以下。

安装于号牌板(架)上的号牌应在如下空间范围内可视，该空间由以下4个平面组成：通过号牌两侧边并呈向外30°的两个铅垂平面,见图5(a)；通过号牌上边缘与水平面呈向上15°的平面，见图5(b)，经过号牌下边缘的水平面[若号牌上边缘离地高度大于1.20 m，见图5(c)，该平面应与水平面呈向下15°]。号牌架不得遮挡号牌上的字符[4]。

5.4 号牌支架外部凸出物校核

由汽车制造厂提供的号牌支架，当号牌按汽车制造厂推荐的位置安装时，用一直径为100 mm的球体与之接触时，应符和外部凸出物相关法规要求GB 11566-2009。

6 保险杠卡接结构设计

汽车保险杠周围需与保险杠上下格栅、保险杠支架、前大灯等零部件相互匹配设计，其主要的连接固定方式为卡接，常见失效模式主要原因也为卡接层面出现问题，所以要保证设计出高质量的保险杠数据首先要了解塑料卡接结构原理。塑料零部件结构就需从零部件与零部件的连接层面(ALC)讲起，因为功能件失效问题是更本质问题的征兆，这些问题只有在ALC中才能得到解决。而由ALC原因引起的塑料件常见问题主要有装配难、功能件损坏或失效、零件有异响、零部件扭曲或松动。

汽车塑料零部件之间匹配主要通过塑料悬臂钩连接，悬臂钩断面如图6所示，图中各变量含义见表2。

序号符号名称1Tb壁面处的梁厚度2Tv梁处的壁厚3L1锁紧功能件总长度4Tt保持功能件处的梁厚度5r根切厚度6Wt保持功能件处的梁宽度7Le梁的有效长度(梁的根部到配合功能件与插入或保持面接触点的距离)8Lt保持功能件长度9Lb梁的长度10α插入面角度11β保持面角度12R壁面与梁的圆角13Wb壁面处的梁宽度

其配合要求主要为：

(1)当卡接结构悬臂钩起于零部件壁面上时，悬臂钩根部厚度Tb应为壁厚Tv的1/2～3/5。当Tb小于1/2Tv时，悬臂钩在填充过程中会存在滞留、波纹等充模问题，且其强度也无法达到设计要求，后期装配易出现断裂问题。当Tb大于3/5Tv时，在注塑过程中会存在冷却问题，以及出现残余应力、缩痕等注塑问题。

(2)悬臂钩的长度由Lb和Lt组成，在结构设计中应首先保证5Tb≤L1≤10Tv。当L1≥10Tv时，在注塑过程中，由于材料分子的取向性，悬臂钩端部会出现翘曲变形问题。当L1≤5Tb时，悬臂梁韧性降低，在装配过程中承受很大的剪切作用时极易损坏。

(3)在零部件装配拆解过程中，起到导向作用的参数主要为插入面角度α和保持面角度β。其合理的取值范围分别为25°≤α≤35°、35°≤β≤45°。当α≥45°时，零部件之间装配较困难。当β=90°时，两个配合零部件之间无法拆解，此设计方案不适合应用于汽车零部件售后维修问题的解决。原因如图7所示。

悬臂钩的关键设计要求为强度、约束、配伍性和坚固性。强度是锁紧件在装配过程中的性能，是锁紧和定位功能件两者在产品使用寿命中确保连接完整性的能力。约束是对零件之间相对运动的防止或控制。在卡扣中，定位功能件和锁紧功能件形成约束靠的是结合面间力的传递以及配合件与基体件的相互定位。配伍性是在所有要素之间卡扣结合面内的协调性。坚固性常常定义为容许尺寸的变化量，作为卡扣的要求[5]。

塑料零部件间的失效问题可以想象为一个刚体在空间的任意运动，可分解为质心O′的平动和绕通过质心某直线的定点转动，它既有平动自由度还有转动自由度。刚体质心O′的位置，需3个独立坐标(x，y，z)，自由刚体有3个平动自由度t=3；刚体绕通过质心轴的转动，共有3个转动自由度r=3。所以，一个任意运动的刚体，总共有6个自由度，即3个平动自由度和3个转动自由度，即i=t+r=3+3=6。若想零部件在空间完美配合，只需根据运动原理使零部件i=0即可。

以保险杠支架与杠本体卡接结构为例，如图8所示，保险杠支架看做一个空间任意运动的刚体，自身存在3个平动自由度和3个转动自由度，如若想保险杠支架固定保险杠牢固，必须固定支架的6个自由度。3个安装点①直接固定了保险杠支架的Y轴旋转度和Y向平动自由度，安装点的倒刺卡接及固定面固定X、Z向自由度，只有坐标自由度都固定才能使杠支架与车身翼子板牢固固定。同时4个安装点②限制保险杠翻边搭接的Z向自由度，但X向安装空间放开，使安装点③限制X向自由度。只有保险杠、保险杠支架、翼子板空间无法运动时才能防止塑料零部件的变形。

7 行人保护

汽车保险杠拥有装饰性作用的同时也承载着保护行人的作用，近几年行人保护作为车辆设计的新领域之一逐步应用于汽车安全设计中，在汽车碰撞过程中对行人造成伤害的区域主要集中在前保险杠、发动机罩、翼子板以及前风窗等区域。汽车保险杠Y向坐标尺寸应超出轮罩及轮胎，并弯向内侧，吸能特性应保证车辆在8 km/h速度的撞击下，使车身前、后端免受损伤。按照行人保护法规要求，为减少碰撞对行人的伤害值，前保险杠需要有足够的变形空间，当行人与车辆发生碰撞时，人体腿部首先和保险杠接触，只有前保险杠有足够的窥缩变形量，才能减少对行人的伤害。在车辆设计时为达到最优保护效果，要保证前保险杠与保险杠防撞梁距离越大越好，保险杠小腿碰撞区域与防撞梁的最小距离需保证在80 mm以上。保险杠前下端造型尽量向前凸，当发生碰撞时，凸点与行人小腿可以形成支点，降低腿部碰撞过程中运动量，减小行人损伤值。

相对于行人保护而言，前保险杠的主要优化设计区域为小腿区域，沿整车XZ平面向车身方向做60°角，其与前保险杠外边界相切处做铅垂面，即保险杠角。铅垂面沿Y轴向车内移动66 mm，两个铅垂面所围成区域即为小腿碰撞区域，各个参考线的确认方法参考法规2003/102/EC。保险杠的缓冲块、防撞梁设计以及增加阻尼、液压、弹簧等结构以减小碰撞能量，保护行人。

8 小结

汽车保险杠作为汽车外装饰的重要零部件可以第一时间提高顾客的购买欲望，随着中国汽车市场的不断成熟，顾客对汽车外观要求也越来越高，所以保险杠设计成为汽车外观设计中的重要部分。在开发设计过程中，要熟悉保险杠的相关法规要求及结构要求，只有这样才能提高开发设计质量，避免后期零部件的功能失效。

【1】全国汽车标准化技术委员会.QC/T 487-1999汽车保险杠的位置尺寸[S].1999.

【2】全国汽车标准化技术委员会.GB 11566-2009乘用车外部凸出物[S].北京:中国标准出版社,2009.

【3】漕渡.汽车内外饰设计与实践[M].北京：机械工业出版社，2011.

【4】全国汽车标准化技术委员会.GB 15741-1995汽车和挂车号牌板(架)及其位置[S].北京:中国标准出版社,1995.

【5】博登伯杰 保罗 R.塑料卡扣连接技术[M].冯连勋,马秀清,董力群,译.北京：化学工业出版社,2004.

ResearchontheDevelopmentofAutomotiveBumper

ZHANG Hao,YU Jinsheng,LI Long

(R & D Center of Great Wall Motor Company, Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000,China)

Combined with years development experience about Great Wall, Harvard brand automobile bumper, the system composition of automobile bumper, regulations and non regulatory requirements should be pay attention to in the developing process, design principle of bumper clamping structure, bumper face modeling optimization combining with pedestrian protection requirements were mainly introduced.

Bumper; Regulations; Clamping structure; Pedestrian protection

2014-11-19

张浩(1985—)，男，本科， 助理工程师，从事汽车内外饰零部件开发工作。E-mail：zhanghao198594@126.com。