皮卡塑料后保险杠设计与应用

梅相全，钱钧，郭星，郑明敏，吴向东

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

皮卡塑料后保险杠设计与应用

梅相全，钱钧，郭星，郑明敏，吴向东

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章首先介绍了市场主流皮卡后保险杠的分类、特点，以及发展趋势，并且介绍了塑料本体后保险杠相对其他材质的保险杠的优势。文章重点从人机工程要求上，详细介绍了皮卡后保险杠的开发过程中，保险杠踏步离地高度，踏步宽度的设计依据及设计要点，并对后保险杠踏步的防滑性做了详细的要求。同时基于安全性考虑，对保险杠承载强度进行了详细的CAE分析验证。

皮卡；后保险杠；踏步；人机工程；安全性

CLC NO.:U463.83Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-43-04

引言

皮卡，又称轿卡，是一种采用轿车驾驶室，同时带有敞开式货箱的车型，其特点是既拥有普通乘用车的驾乘舒适性又不失越野SUV的动力强劲，且相较轿车具有更优越的载货性能和适应不良路面的更强的性能。皮卡后保险杠，首先作为一个装饰件，其外观上需要很自然地与货箱结合在一块，浑然一体具有很好的装饰性。同时在皮卡这类特殊车型，后保险杠本身需作为使用人员上下皮卡货箱的蹬车踩踏装置，需在后保险杠上增加踏步防滑垫，满足客户（搬运一定重量货物）蹬踏上下货箱的需求。因此皮卡后保险杠设计的好坏与人的蹬车安全性、踩踏方便性强相关。皮卡后保险杠设计必须以适应人的多种需求为出发点，充分考虑人机工程学，给顾客提供一个美观，蹬车方便、舒适、安全可靠的后保险杠。

1、皮卡后保险杠分类

根据皮卡后保险杠本体所使用材料及生产工艺的不同，皮卡后保险杠可分为金属保险杠（内嵌金属加强骨架）、塑料保险杠（内嵌金属加强骨架）、管梁保险杠等。如图1所示，为三种皮卡后保险杠的示意图。

金属后保险杠，指的是皮卡后保险杠本体采用钣金冲压制作而成，内部焊接或者安装金属加强骨架，金属后保险杠外观大气美观、强度高、承受力强，给人以结实可靠的感觉。但由于受钣金的成型工艺限制，金属后保险杠本体无法制作较复杂的外形结构。

图1 皮卡后保险杠分类示意图

（2）塑料后保险杠，指的是皮卡后保险杠本体采用PP工程材料注塑而成，内部采用钣金骨架进行支撑加强。由于塑料的可塑性较强，后保险杠本体可制作较复杂的外形结构，同时由于后保险杠本体内具有金属骨架支撑加强，后保险杠可支撑客户蹬踏上下货箱。（下文所提到的塑料后保险杠或者塑料皮卡后保险杠均指后保险杠本体采用塑料，内部采用加强骨架进行支撑加强的后保险杠）。

（3）金属管梁后保险杠，指的是后保险杠直接通过市场上可以直接采购的标准圆管挤压、折弯而成，制作成型简单，价格相对便宜，但只能制作较简单外形的后保险杠，无法与皮卡货箱及整车造型匹配。

1.1 皮卡后保险杠的发展趋势

由于金属管梁后保险杠为直接由圆管挤压、折弯而成，外形相对简单，难以匹配皮卡货箱及整车造型，已逐渐退出皮卡主流市场，目前市场主流皮卡后保险杠主要为金属保险杠及塑料保险杠。

随着国家对汽车节能、减排要求的进一步提高及中国汽车产业的高速发展，汽车轻量化已逐渐成为汽车节能、减排的重要途径，已成为汽车发展的主潮流，塑料后保险杠相对金属后保险杠减重超过30%，塑料材质的皮卡后保险杠占有率已越来越大。

2、塑料皮卡后保险杠设计开发

皮卡后保险杠设计开发的好坏直接影响到乘员蹬车方便性、舒适性，以及蹬车踩踏的安全性。合理的设计不仅需要考虑后保险杠本身的安装，同时需要充分考虑蹬车时的人机工程方便性。

2.1 塑料后保险杠组成

如下图2所示，塑料后保险杠主要包括1个PP工程塑料注塑而成的保险杠本体，1个金属冲压、焊接而成的后保险杠骨架总成，以及3个PP工程塑料注塑而成的踏步装饰件组成。

图2 后保险杠组成示意图

2.2 后保险杠布置设计

皮卡后保险杠作为乘员上下货箱蹬车踩踏的一个装置，需满足客户蹬车上下货箱的需求。因此后保险杠设计的好坏与人的蹬踏方便性、蹬车安全性强相关。后保险杠高度设置是否合理，后保险杠踏步踩踏空间是否能够让乘员方便踩踏，都是在设计开发过程中需充分考虑的因素。

2.2.1 蹬车方便性设计

后保险杠踏步高度布置应满足大部分人员能够方便的蹬车，蹬车方便性是建立在使用者能够方便舒适的伸长大、小腿、脚掌，方便蹬踏的基础上的。后保险杠踩踏区域若设计太高，则人员将难以轻松的蹬踏。研究表明，人员蹬车时最舒适的姿势是上体与大腿间角在90°～115°。

如下图3所示，通过一个身高为170cm身高的假人模拟人员蹬车上下货箱的状态：假人大腿与身体成115°夹角，小腿与大腿成90°夹角，脚掌与小腿成90°夹角。在该状态下，后保险杠踏步高度离地面距离约为600mm。即皮卡后保险杠踏步离地高度不高于600mm时，能给使用人员提供较为舒适的蹬车方便性。

图3 蹬车方便性校核示意图

2.2.2 踩踏舒适性设计

后保险杠设计开发时不仅要考虑后保险杠踏步离地高度满足使用者蹬踏的方便性，同时要考虑后保险杠踏步的宽度设计设置应能够满足使用者踩踏的舒适性的要求。

根据调查，适用于中国95%成年男子群体的脚掌长度约为264mm。正常男子脚掌前1/3长度（88mm）为脚趾至趾关节处，即平稳踩踏着力长度至少大于脚掌1/3长度。基于安全性和乘车方便性，后保险杠踏步踩踏宽度至少大于1/2脚掌长度（132mm）。假人模拟踩踏舒适性校核如图3所示。

图3 踩踏舒适性校核示意图

为给使用者上下皮卡货箱提供一个较舒适的蹬车踏步宽度，我们在后保险杠设计时，对后保险杠宽度设定了相关数值，如下图4所示，设计开发的后保险杠踩踏空间（后保险杠宽度）分别为一级后保险杠踏步踩踏宽度为140mm，其中踏步宽度为114mm，二级保险杠踏步踩踏宽度为150mm，其中踏步宽度为125mm，能给使用者提供较为舒适平稳的踩踏空间。

图4 设计开发后保险杠宽度示意图

2.3 后保险杠安全性设计

皮卡后保险杠作为乘员上下货箱的蹬踏工具，不仅仅要从布置上考虑使用者蹬车的方便性，踩踏的舒适性，更多的要从上下货箱时的安全性方便进行设计开发。即设计时要充分考虑皮卡后保险杠踏步是否具有防滑性，后保险杠强度能否承载人员上下货箱。

2.3.1 踏步防滑性设计

皮卡后保险踏步表面必须设计开发具有防滑的结构，避免雨雪天气下人员上、下货箱时滑伤出现安全事故。本文所述的后保险杠踏步材料选择PP工程塑料注塑而成，保险杠踏步模具上烂粗皮纹处理，使后保险杠踏步注塑成型后表面便存在皮纹特征，本身具有一定的防滑性。同时，在开发踏步时，后保险杠踏步表面设计了并排的宽度为14mm，高度为2mm的踏步防滑特征，即提升了后保险杠踏步的外观质量，又起到了踏步防滑的效果。后保险杠踏步防滑特征示意如下图5所示。

图5 保险杠踏步防滑特征示意图

2.3.2 保险杠承载安全性设计

后保险杠作为乘员上下皮卡货箱的蹬车踩踏受力机构，在使用过程中应至少保证能够承受一个人蹬车踩踏时时的重量，设计开发过程中，为了保证皮卡后保险杠具有足够的承载强度，通常需通过CAE模拟分析，对后保险杠（主要是后保险杠金属骨架）强度进行分析验证。

进行皮卡后保险杠强度CAE设计分析时，首先需模拟后保险杠安装状态，通过约束车架截断处、车架与货箱连接处等区域所有方向的自由度来模拟后保险杠的安装状态。模拟后保险杠安装后，需进一步模拟人员蹬车踩踏状态，如下图6所示，分别在所分析的后保险杠骨架上、下两级踏步区域处施加等效于体重为150kg的人站在踏步上的Z向均载。

图6 后保险杠骨架CAE加载示意图

后保险杠骨架总成由后保险杠骨架本体、后保险杠左右支架、牌照加强板组成。CAE分析时，要求后保险杠骨架各组成部件能够满足承载150kg的人而不被破坏。分析加载结构见图7表1所示。

图7 后保险杠骨架加载结果示意图

表1 后保险杠骨架加载分析结果统计

通过CAE分析模拟分析，可有效的指导、帮助设计对后保险杠承载性能进行确认。分析显示，后保险杠上下两级踏步区域能够分别承载150kg人，且安全系数＞1.1，符合设计要求。

3、总结

文章梳理了皮卡后保险杠的分类及发展趋势，并结合工作中的实际案例详述了皮卡后保险杠设计方法及要点。一个良好的皮卡后保险杠的设计开发，不仅要从以满足乘员蹬车踩踏的方便性和舒适性的角度出发，从人机工程布置的角度设计开发，体现汽车设计中的人性化；同时，应采用CAE分析手段，对其承载强度进行仿真分析辅助设计，提高承载安全性。

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[4]李增勇,王成涛.驾驶疲劳与汽车人机工程学初探[M],机械设计与制造工程,2001.9.

Pickup truck bumper plastic design and application

Mei Xiangquan, Qian Jun, Guo Xing, Zheng Mingmin, Wu Xiangdong
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Auhui Hefei 230601 )

This document describes the types, the characteristics and the development of the general rear bumper of pickup and introduces the advantages of the plastic rear bumpers compared to other materials. From the aspect of man-machine engineering,this document detailedly introduces the height of the pedal on the base of the ground, the design basis and design key points of the width of the pedal,and make a specific request of the skid resistance of the pedal .Concerning to the security, we make a CAE analysis and verification on the bearing strength of the bumper.

Pick-up; After the bumper; Step; The man-machine engineering; security

U463.83

A

1671-7988(2017)02-43-04

梅相全，男，(1988-)，2011年7月毕业于南昌大学机电工程学院，获得学士学位。同年进入安徽江淮汽车集团股份有限公司，现有职称为助理工程师。主要从事汽车车身外饰产品研发工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.015