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上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計1摘 要本設(shè)計的研究目的是為桑塔納 2000 設(shè)計一款新的后保險杠系統(tǒng)。保險杠是汽車重要的防護元件，對汽車的安全以及整車造型有著十分重大的意義。在對保險杠低速碰撞研究概況進行全面綜述和分析的基礎(chǔ)上，通過UG軟件繪制桑塔納2000后保險杠的三維模型，根據(jù)保險杠低速碰撞的法規(guī)要求，應(yīng)用UG有限元分析軟件，首先對桑塔納2000型轎車后保險杠橫梁模型進行了低速碰撞仿真研究，確定了適合仿真分析的保險杠橫梁評價方法，參照保險杠失效準則。通過對橫梁的變形情況，位移、應(yīng)力結(jié)果進行分析，對該保險杠橫梁結(jié)構(gòu)的進一步改進做出了改進。對于保險杠的工程設(shè)計，要從制造、結(jié)構(gòu)、安全性等幾個方面來考慮。在設(shè)計新保險杠的結(jié)構(gòu)方面過程中，要對保險杠的結(jié)構(gòu)做了一定的分析了解和布置設(shè)計。保險杠的結(jié)構(gòu)直接與安裝和裝配方式聯(lián)系在一起，保險杠各部分與車身上的相配合的部分都有各自的裝配要求，同時還需要考慮保險杠自身及其它零部件的維修方便性。關(guān)鍵詞：保險杠、碰撞、結(jié)構(gòu)、有限元上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計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.上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計3Key words: vehicle bumper, impact, structure, analysis上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計4轎車后保險杠的設(shè)計俞玉權(quán) 0611061300 引言汽車是現(xiàn)代工業(yè)文明的產(chǎn)物，而汽車的發(fā)明和普及又促進了人類文明的進步。汽車已成為 20 世紀占統(tǒng)治地位的交通工具。社會發(fā)展要求改善交通，為人們出行提供方便，提高通達能力，使比較短的時間，比較少的旅費，舒適、安全地到達目的地。因此，汽車尤其是個人轎車，以它的獨立性、自由性和私密性特別受到人們的青睞，成為最方便的交通工具，在許多城市甚至成了唯一可依賴的代步工具。汽車的普及，極大地提高了人們地工作效率、加快了人們的生活節(jié)奏。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，原來全金屬保險杠越來越不適應(yīng)現(xiàn)代汽車在輕量化、高機能化以及與車體造型一體化等方面的要求，尤其在轎車、輕型車上，有用塑料保險扛取代全金屬保險杠的趨勢。早期的汽車保險杠比較簡單，大多數(shù)用3毫米以上厚度的鋼板沖壓成u型槽鋼。一般保險杠與汽車車架縱梁鉚接或焊接在一起，這種保險扛的功能單一，形狀簡單，具有不可拆卸性。目前，這種金屬保險杠僅在重型載貨汽車和大型客車上被繼續(xù)采用。本設(shè)計結(jié)合現(xiàn)代保險杠的趨勢，運用最新的設(shè)計方法，設(shè)計出一個上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計5新的轎車后保險杠，對于保險杠的制造、安裝、法規(guī)以及材料做出前面的考慮。汽車保險杠作為一套極其復(fù)雜的系統(tǒng)正越來越成為研究的焦點。它在降低成本和減輕重量這兩個方面似乎具有無限的潛力。尤其值一提的是，美國的塑料制造商正在開發(fā)至少四種下一代的保險杠，它們能使車身結(jié)構(gòu)更緊湊、能使多種零件集中于一個注塑件內(nèi)、能使重量減輕很多。未來保險杠的發(fā)展將更多的集中在保險杠材料的開發(fā)和制造方法的改進。1 國內(nèi)的車型種類與市場要求簡介1.1 中國的汽車集團中國的汽車工業(yè)自新中國成立以來有了很大發(fā)展。自 1953 年起，經(jīng)過近 50 年堅忍不拔的奮斗，中國已形成了中國第一汽車集團公司（一汽）、東風(fēng)汽車公司、上海汽車工業(yè)（集團）總公司（上汽） 、中國重型汽車集團公司、躍進汽車集團、北京汽車工業(yè)總公司、天津汽車工業(yè)（集團）有限公司等一批骨干企業(yè)，汽車保有量在 1600 多萬輛，平均每 80 人擁有一輛汽車，每年生產(chǎn)各類汽車近 200 萬輛。1.2 國內(nèi)各種車型種類按照德國大眾對汽車的分級方法，汽車分為 A、B、C、D 級，字母越靠后代表車的軸距、排量、重量等參數(shù)數(shù)值越大，舒適性和豪華性越高。A 級車代表如捷達、寶來、速騰、明銳、花冠、卡羅拉等。B 級車如帕薩特、邁騰、天籟、馬自達 6、雅閣、凱美銳等。其中，又有比 A 級小一上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計6些的 A0 級和 A00 級，A0 級代表車型如上海大眾 POLO、廣本飛度等，A00級則包括奇瑞 QQ 等。中高級轎車是每一個廠家產(chǎn)品布局中最關(guān)鍵的棋子。相比高檔車而言，它的市場份額和中級車一樣擁有大眾化的消費群體，相對中級車而言它又有更豐厚的利潤空間，是各大廠家覬覦的“肥肉” 。同時，廠家出于品牌形象和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要，中高級轎車又起著承上啟下的作用，為其它車型的推出奠定良好基礎(chǔ)。因此，不少合資汽車廠家推出的第一款車就是中高級轎車，如廣州本田的雅閣、上海通用的別克新世紀、東風(fēng)日產(chǎn)的藍鳥、北京現(xiàn)代的索納塔，以及剛上市的廣州豐田凱美瑞，而且都取得不錯業(yè)績。同時樹立了很好品牌形象，上海通用賽歐上市就借用“小別克”炒作極為成功，雅閣的影響力對飛度成功也是極大的促進，索納塔之后推出伊蘭特也更容易為人接受。從當初中高級轎車市場僅有幾款車，到現(xiàn)在的十幾款車，說“該來的都來了”一點不過分，沒有一個廠家愿意放棄這個市場，包括自主品牌。本文主要介紹桑塔納車型的保險杠設(shè)計。1.3 桑塔納車型的介紹這里說的桑塔納通常被人們叫“普?！?，它的原型車是德國大眾公司的帕薩特b2。b2在德國本土只生產(chǎn)了13萬輛，而作為第一款合資生產(chǎn)的轎車，桑塔納在中國已經(jīng)生產(chǎn)了20年，累計產(chǎn)量200多萬臺。20年間上海大眾對桑塔納不斷進行改進，直到今天桑塔納還在不停的駛下生產(chǎn)線。外形：桑塔納進入中國20年，可它憨厚樸實的外形和剛來的時候幾乎沒有什么變化。4.546米長且棱角分明的車身，平坦寬闊的引擎蓋，四四方方的車燈，標準的“船型”三廂造型——設(shè)計年代隨早，但在今天依上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計7然顯得很氣派。在中國，恐怕沒有幾款車能夠比桑塔納的造型更深入人心。20年里，桑塔納最大的外觀變化可能就是車身顏色了。珍珠灰，酷白，龍綠，海藍，眾多顏色的金屬漆取代了陳舊的紅、藍、白色外衣。顏色的改變，也為桑塔納陳舊的外形注入了一些新鮮的活力。 桑塔納在各個方面都基本沿襲了八十年代進入中國時的風(fēng)格。上海大眾對它進行的不斷改進也保證了它20年間的經(jīng)久不衰。但不能否認的一點是，無論在內(nèi)外設(shè)計還是在技術(shù)水平上，桑塔納都和新生車型不在同一個技術(shù)層面上。1.4 市場要求對于保險杠來說市場的要求一是其安全性，再就是它對于整車外形所起的裝飾作用。現(xiàn)在，保險杠以及整車的造型在購車者心中是越來越重要。汽車造型是車型開發(fā)系統(tǒng)工程中最重要的環(huán)節(jié)。在復(fù)雜的車身產(chǎn)品開發(fā)程序中，廣義的三維造型既是設(shè)計工作的起點，又是工程目標的最終體現(xiàn)。隨著新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，特別是計算機輔助技術(shù)及同步技術(shù)的日臻完善，幾乎將傳統(tǒng)的汽車開發(fā)周期縮短了三分之一，其中最大的改進就表現(xiàn)在汽車車身的造型階段。汽車造型的目的是以其美去吸引和打動觀眾，根據(jù)汽車整體設(shè)計的多方面要求來塑造最理想的車身形狀，對汽車外部和車廂內(nèi)部進行造型計。 汽車造型設(shè)計主要涉及科學(xué)和藝術(shù)兩大方面。設(shè)計師在具備車身結(jié)構(gòu)、制造工藝要求、空氣動力學(xué)、人機工程學(xué)、工程材料學(xué)、機械制圖學(xué)、聲學(xué)和光學(xué)知識的同時還需要有高雅的藝術(shù)品味和豐富的藝術(shù)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計8知識，如造型的視覺規(guī)律原理、繪畫、雕塑、圖案學(xué)、色彩學(xué)等等。設(shè)計師在精通這些知識的基礎(chǔ)上，不斷推陳出新，兼顧成本和顧客的心理需求，創(chuàng)作出更富魅力的汽車造型。汽車造型應(yīng)考慮下列因素：(1)合理的形狀，簡單的結(jié)構(gòu)，美觀的整體外形。(2)制造工藝簡單，易裝配，滿足大批量生產(chǎn)。(3)汽車外形具有良好的空氣動力性能。(4)汽車表面零件應(yīng)具有足夠的剛度和聯(lián)接強度。(5)汽車外形應(yīng)保證良好的視野。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車造型越來越注重物質(zhì)和精神的雙重特性，汽車不再只是簡單的交通工具，而是成為人們心目中的精美藝術(shù)品。掌握現(xiàn)代科技和造型理論，現(xiàn)代汽車正朝著功能與藝術(shù)完美結(jié)合的方向發(fā)展。汽車造型的好壞直接左右了消費者的判斷，也影響了市場的趨向。因此，市場對汽車設(shè)計是十分重要的，它決定了汽車設(shè)計的方向。汽車設(shè)計思路的第一步就是造型的設(shè)計。車身造型是設(shè)計師在汽車工業(yè)團體中用來傳遞創(chuàng)作思想和設(shè)計規(guī)范的一種信息載體。它可以通過平面與立體這兩種主要傳播媒介表達。常見的產(chǎn)品預(yù)想圖、車身工程圖就屬于二維平面的視覺傳達設(shè)計。而模型、產(chǎn)品實體則屬于三維的立體造型。將平面設(shè)計歸于造型范疇，針對車身工程圖，是因為它描述了三維空間的形狀，是立體造型的抽象，它記錄了物體形狀的“缺省值”。因此在設(shè)計階段繪制圖紙要比制作實樣經(jīng)濟簡便。車身形體不同于其它的機械形體是在于它通常由許多不同曲率的曲面混合而成。不像簡單的幾何體能用直線和正圓去表示。因而在工程圖中形成了專門表達車身形體的分支：稱為“車身制表面?！?現(xiàn)代汽車車身設(shè)計的顯著特征之一，上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計9是在計算機中建立三維模型。依靠計算機軟件提供的多種工具，可以很方便的進行車身造型設(shè)計。它能用幾條曲線去自動生成一張曲面。經(jīng)過建模程序，在屏幕上顯示的線框造型，使用的是與車身制表面相似的形體表達方法：用曲面的法向截交線描述曲面的形變；用曲面的坐標平面截交線作曲面的評估工具。根據(jù)要求很快就可以做出形象其實精確度很高的造型方案，這些方案既不同于車身制表面中的網(wǎng)格線條，也不僅是線條豐富的彩色圖片。而是極其完整的表達三維空間的“數(shù)學(xué)模型” 。數(shù)學(xué)模型可以快速精確的修改，還可以通過計算機網(wǎng)絡(luò)傳送。現(xiàn)代汽車車身設(shè)計的顯著特征之二，是它在車型開發(fā)的所有階段都廣泛應(yīng)用計算機技術(shù)，不僅將傳統(tǒng)的全部設(shè)計片段連結(jié)成一張通訊網(wǎng)，而且還延伸到汽車工業(yè)的各個角落，是融計算機輔助設(shè)計/計算機輔助工程／計算機輔助制造／計算機輔助測驗／計算機輔助管理/等技術(shù)為一體的綜合汽車開發(fā)系統(tǒng)統(tǒng)，按照國外車型開發(fā)的最新程序，汽車產(chǎn)品的前期開發(fā)過程在目標確定的前提下，先經(jīng)過計算機造型，再面對模型進行大量的計算機輔助工程項目的研究，以期達到最佳的設(shè)計目標，然后再往下開發(fā)的。車身產(chǎn)品的早期開發(fā)當然也不例外。在車身早期設(shè)計階段就應(yīng)該展開的計算機輔助工程項目有：結(jié)構(gòu)完整性；車輛構(gòu)架和系統(tǒng)優(yōu)化；流體力學(xué)；電氣系統(tǒng)分析；控制系統(tǒng)工程；噪聲和振動；整車力學(xué)；車輛碰撞合成，乘員保護合成；車輛安全；等等；要做這些項目的工具是各種適用的計算機軟件，研究的對象只有一個，就是在計算機中建立起來的車身模型．因此在計算機中建立概念模型是車身產(chǎn)品早期開發(fā)的首要任務(wù)。概念模型是按一定標準建立起來的。這個標準就是設(shè)計目標的確定。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計10目標通過三個步驟落實．第一步是預(yù)測，選擇車身的主要功能去對照競爭車型的相同功能作“主觀評估” ，并預(yù)測未來競爭的趨勢。第二步是關(guān)連。將“主觀評估 ”與“功能指標”聯(lián)系起來，建立可以量測 “主觀評估”的“功能指標”。第三步是分解。用 “功能指標”確定車身主要功能的目標．然后分解車身主要功能目標，成零組件功能目標。主要功能目標的分解與細化有三個階段。即：初步的車身目標，初步的組件目標，零部件目標。這是車身產(chǎn)品早期開發(fā)的第一大內(nèi)容：目標確定與追蹤。有了初步的車身目標就可以在計算機中建立概念的車身模型。在這個車身模型中試裝多種可能的結(jié)構(gòu)。隨后選出主要的結(jié)構(gòu)去對照初步的組件目標，調(diào)整成新的車身組件模型。新的車身組件模型經(jīng)過零部件目標的評估，再一組一組的拼裝起來就生成了新的車身模型。2 保險杠的介紹2.1 保險杠的功能介紹對于桑塔納這種轎車來說，保險杠不論是在安全上還是裝飾上都非常重要。保險杠系統(tǒng)是轎車車身的重要組成都分。其作用為當轎車與其他車輛或障礙物發(fā)生碰撞時能保護車身和附件，具體說就是保護燈具、翼子板、散熱器和發(fā)動機罩等部件。輕微事故時保險杠系統(tǒng)能吸收沖擊能量，撞后自動恢復(fù)原狀，有效地降低了轎車的修理費用。遇上嚴重的撞車事故時，沖擊力經(jīng)保險橫杠被合理導(dǎo)向分散給整個車身，以避免局部區(qū)域變形過大，保證乘客有足夠的生存空間。轎車保險杠的附加功能為裝飾和美化車身，優(yōu)美的保險杠造型常能達到吸引顧客之功效。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計112.2 汽車保險杠的類別汽車保險杠按位置可分為前保險杠和后保險杠。按其使用的材料，可分為金屬材料保險杠和非金屬材料保險杠。金屬材料保險杠一般用高強度鋼板沖壓而成。非金屬材料保險杠一般用于轎車。按其功能，可分為非吸能型保險杠和吸能型保險杠。非吸能型是一種最簡單的結(jié)構(gòu)形式。這種保險杠只起裝飾作用，不起保護作用。當發(fā)生追尾撞車和車頭相撞事故時，該類型的塑料保險杠沒有足夠的強度和剛度來抵御強烈的碰撞，不起保護作用，將導(dǎo)致轎車翼子板開裂，散熱器和燈具嚴重損壞，客車則損壞前圍。重者損壞檔風(fēng)玻璃，方向盤和儀表板發(fā)生嚴重變形，甚至對駕駛員構(gòu)成致命危害。吸能型保險杠又可分為液壓緩沖型保險杠和自身吸能型保險杠。液壓緩沖型保險杠的橫杠內(nèi)側(cè)加強件通過橡膠墊與液壓緩沖減振器的活塞桿相連接，活塞桿為空心結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝有浮動活塞，活塞將其分隔成左右兩腔，左腔充滿氮氣，右腔充滿機械油，活塞桿外圓柱面與液壓缸內(nèi)圓柱面滑動配合，液壓缸內(nèi)的機械油與活塞桿右腔相通，當汽車與障礙物碰撞時，保險橫杠受到的沖擊力傳到活塞桿上，活塞桿端部向右移動，擠壓機械油按箭頭所示方向經(jīng)節(jié)流孔壓向活塞桿右腔，推動浮動活塞向左移動，并使氮氣受到壓縮。這樣，利用機械油通過節(jié)流孔時的黏性阻力吸收撞擊能量，吸收能量的效率高達 80％。這類油氣彈簧式的緩沖減振器有效地利用了氣體緩沖、液體節(jié)流減振的工作方式，工作特性比較穩(wěn)定。撞后被壓縮的氣體能推動浮動活塞運動使保險杠復(fù)位。液上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計12壓缸后部的塑性變形元件為第二級變形元件，一旦沖撞力超過了某一極限，活塞桿的端部直接頂上該變形元件（空心鋼管類）使其變形吸能。緩沖減振器作為一個總成直接用螺栓安裝到車身縱梁上，變形元件的右端則頂在縱梁的內(nèi)臺階上。低速撞車時緩沖減振器本身緩沖、吸能，不會損壞車身，撞擊后保險杠系統(tǒng)能自動恢復(fù)原狀。較嚴重撞車時損壞的緩沖減振器總成可很方便地更換，極為有效地降低了修車成本。如下圖：1—橫杠 2—橫杠加強梁 3—氮氣 4—活塞桿 5—浮動活塞 6—液壓油 7—節(jié)流孔 8—缸體 圖 2.1 液壓緩沖型保險杠自身吸能型通常由橫杠、內(nèi)襯加強件和樹脂類泡沫填料等組成。碰撞時利用泡沫材料或非金屬內(nèi)襯元件的變形吸收能量。此類結(jié)構(gòu)多用于中、低檔轎車。2.3 保險杠與周邊關(guān)系的處理此外，保險杠與周邊零件的關(guān)系也是設(shè)計時必須弄清楚的，可以通過做截面的方式來研究保險杠與周邊元件的間隙、高度差、安裝是否到上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計13位以及是否存在干涉等等。因此，考慮保險杠設(shè)計時也需要將相關(guān)的周邊元件一起考慮。保險杠系統(tǒng)會裝配一些不屬于保險杠系統(tǒng)的部件。例如，燈、線束、車身側(cè)圍、電器模塊、擋泥板、防水裝置和尾氣管等。保險杠與車身的安裝具體可以看以下的白車身圖：圖 2.2 轎車的白車身圖上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計14車主/駕者用戶使用規(guī)范使 用要求環(huán)境周邊和運行環(huán)境車輪間隙要求車輪周邊的包跡制動器充足的氣流氣流的要求車架、底盤牽引支架要求附件間隙和支撐標準外飾燈電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計裝配關(guān)系排氣間隙和溫度的標準工程/HVAC冷卻系統(tǒng)充足的氣流氣流的要求車身結(jié)構(gòu)間隙和附件準 保護車身面板汽車前后端保護裝置圖 2.3 保險杠周邊結(jié)構(gòu)圖3 保險杠的制造工藝和材料3.1 保險杠的制造工藝在保險杠設(shè)計思路的展開過程中，對于保險杠成型工藝和模具制造的考慮卻是要貫穿始終的。20 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形槽鋼，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，好像是一件附加上去的部件。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車保險杠作為一種重要的安全裝置也走向上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計15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的和諧與統(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。桑塔納 2000 的塑料保險杠是由外板、緩沖材料和橫梁三部分組成。外板和緩沖材料附著在橫梁上，橫梁與車架縱梁螺絲連接，可以隨時拆卸下來。這種塑料保險杠使用的塑料，大體上使用聚酯系和聚丙烯系兩種材料，采用注射成型法制成。例如標致４０５轎車的保險杠，采用了聚酯系材料并用反應(yīng)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，可以很自然的與車體結(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。另外，為了減少轎車在發(fā)生側(cè)撞事故時對乘員的傷害，在轎車上通常安裝有車門保險杠，以增強車門的防撞沖擊力。下面就介紹一下汽車保險杠用塑料的成型方法和工藝。塑料注射成型是將粒狀或粉狀的塑料原料加進注射機料筒，塑料在熱和機械剪切力的作用下塑化成具有良好流動性的熔體，隨后在柱塞或螺桿的推動下，熔體快速進入溫度較低的模具內(nèi)，冷卻固化形成與模腔形狀一致的塑料上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計16制品。注射成型與其他塑料成型方法相比有一些明顯優(yōu)點：能一次成型外形復(fù)雜、尺寸精確、可帶有各種金屬嵌件的塑料制品，制品的大小可以從鐘表齒輪到汽車保險杠，用注射成型生產(chǎn)塑料制品的品種之多和花樣之繁是任何其他塑料成型方法都無法比擬的；可加工的塑料種類繁多，除 PTFE 和 UMWHDPE 等極少數(shù)品種外，幾乎所有的熱塑性塑料（通用塑料、纖維增強塑料、工程塑料） 、熱固性塑料和彈性體都能用這種方法方便地成型制品；成型過程自動化程度高，其成型過程的合模、加料、塑化、注射、開模和制品頂出等全部操作均由注射自動完成。注射成型是汽車用塑料零部件最常用的成型加工方法，如儀表板、保險杠、方向盤、擋泥板、車身板、內(nèi)門板、車頂框架、外殼、行李箱蓋、儀表罩、儀表殼、暖風(fēng)殼等。注塑制品的生產(chǎn)過程由物料準備、注射成型和成型制品的熱處理與調(diào)濕處理等三個階段組成。其中注射成型包括兩個過程：物料熔融塑化和塑料熔體在模具內(nèi)的成型。所謂熔融塑化是將固體物料在料筒內(nèi)加熱熔融并混合均勻的過程，該過程是注射成型的一個準備階段，塑化所得熔體的質(zhì)量對成型過程和制品的質(zhì)量都有不可忽視的影響。在塑化過程中，重要的一點是保證熔體達到要求的成型溫度，且熔體溫度分布盡可能均勻，其中的熱降解產(chǎn)物含量應(yīng)盡可能少。目前廣泛采用的是螺桿式注射機。氣體輔助注塑成型（gas-assisted injection molding）簡稱 GAIM又稱為 Air-Mould 法。是在傳統(tǒng)的注塑基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的成型工藝。近年來，GAIM 已經(jīng)成為塑料工業(yè)中最重要的樹脂成型方法。因為上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計17它不但能生產(chǎn)壁厚不均勻的、形狀復(fù)雜的制品，而且制品的性能優(yōu)異、表面平整光滑。其原理是：在一定量的熔體注入型腔后，再將壓縮空氣注入熔體中心，然后在壓縮空氣的作用下充滿型腔。GAIM 具有充模壓力低、制品應(yīng)力低、表面光潔等優(yōu)點。GAIM 是一項新穎的塑料成型加工技術(shù)，且仍在不斷發(fā)展。采用 GAIM能降低制品生產(chǎn)成本，它集傳統(tǒng)注塑及吹塑技術(shù)的優(yōu)點于一身并且不同于兩者，吹塑只能生產(chǎn)薄壁且形狀簡單的制品，GAIM 工藝過程與吹塑類似，但能生產(chǎn)大型、復(fù)雜、三維中空制品，且有傳統(tǒng)成型的外觀。所以GAIM 已經(jīng)在汽車塑料件中得到了廣泛的應(yīng)用。3.2 保險杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計就像本文一開頭所敘述的保險杠是汽車上較大的外覆蓋件之一，作為一個獨立的總成安裝在汽車上，它對車輛的安全防護、造型效果、空氣動力性等有著較大的影響。其作用有兩方面：起保護作用，當汽車與其他車輛或障礙物發(fā)生碰撞時，避免損傷車身和附件；裝飾作用。因此，國內(nèi)外十分重視保險杠的研究。特別是轎車保險杠，眾多廠家更是追求造型優(yōu)美、結(jié)構(gòu)獨特和由不同材料組合而成的新型保險杠。因此，保險杠結(jié)構(gòu)設(shè)計有著較嚴格的外部約束條件和復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)系，在具體的設(shè)計過程中，會遇到諸多因素的制約。表 3.1 桑塔納 2000 汽車保險杠結(jié)構(gòu)組成名稱 功用及說明 常用材料保險杠支架 連接保險杠總成與車體 08A1 厚 2.0mm上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計18保險杠骨架縱梁；安全防護主要承力件，08A1 厚 0.2～2.0mmSMC 厚 3.0mm保險杠面罩 一般燈口區(qū)域和端部設(shè)有加強結(jié)構(gòu)改性 PP 厚 3.6mm保險杠橫梁保險杠后部兩側(cè)可靠定位連接，保證與翼子板間隙，防止保險杠后側(cè)面變形，緩沖吸能，連接面罩與骨架改性 PP 厚 2.0mm進風(fēng)口格柵 通風(fēng)、裝飾造型效果 改性 PP 厚 2.0mm裝飾條也叫防擦條，設(shè)計成獨立裝配件擦碰傷后可單獨替換改性 PP 厚 3.6mm上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計19圖 3.1 后保險杠面罩 UG 模型圖 3.2 后保險杠中間金屬件 UG 模型上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計20圖 3.3 后保險杠橫梁 UG 模型3.3 保險杠的模具保險杠面罩與橫架都是大型薄壁注塑件，面罩同時又是外覆蓋件，要求所用材料在注塑過程中有較好的流動性，并具備較好的制件精度和耐紫外線穩(wěn)定性，一般采用改性 PP。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)綜合考慮幾何形狀與成型特點，使模具分型面滿足成型工藝要求。為便于塑料件從模具型腔中取出或從塑料件中抽出型芯，在設(shè)計時必須考慮塑料件內(nèi)外壁應(yīng)具有足夠的脫模斜度，當保險杠結(jié)構(gòu)件材料選用改性 PP 時一般取 30 度～10 度脫模斜度。脫模方向及分型面同脫模斜度是同時確定的，又是塑料件結(jié)構(gòu)設(shè)計的基準和依據(jù)，所以應(yīng)本著分型面盡量簡單的原則，減少分型面處飛邊對制件的影響，在結(jié)構(gòu)處理上應(yīng)盡量避免飛邊或使其易于清除。塑料件的壁厚取決于對其性能的要求，如結(jié)構(gòu)強度、尺寸穩(wěn)定性、裝配等，一般在 1～6mm 之間，最常用的值為 2～3mm，面罩一般取3～4mm，核梁取 2～3mm。同時，應(yīng)盡量使壁厚均勻一致，以避免因壁厚上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計21變化造成的縮孔、氣泡、塌坑等缺陷影響制件質(zhì)量。如結(jié)構(gòu)需要，壁厚不均勻度應(yīng)在 1：1.5～1：2 范圍內(nèi)。圖 3.4 后保險杠中間金屬件二維圖為確保塑料件的強度和剛度，而又不致使塑料件的壁厚過厚，可在塑料件的適當部位設(shè)置加強筋。加強筋的厚度必須小于產(chǎn)品壁厚的1/3，否則引起表面縮印。但有時必須采用較高的加強筋時，如核梁結(jié)構(gòu)基本上時由縱橫交錯的筋構(gòu)成，筋的高度一般不應(yīng)超過 40mm，尖端厚在1.2～2mm 之間，并取合理的脫模斜度，以利于模具的加工和制成品脫模。圓角，圓角太小可能引起模具上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計22型腔應(yīng)力集中，導(dǎo)致型腔開裂。設(shè)置合理的圓角，還可以改善模具的加工工藝，如型腔可直接用 R 刀銑加工，而避免低效率的電加工。不同的圓角可能會引起分型線的移動，應(yīng)結(jié)合實際情況選擇不同的圓角或清角?？椎男螤顟?yīng)盡量簡單，一般取圓形?？椎妮S向和開模方向一致，可以避免抽芯。當孔的長徑比大于 2 時，應(yīng)設(shè)置脫模斜度。此時孔的直徑應(yīng)按小徑尺寸（最大實體尺寸）計算。盲孔的長徑比一般不超過 4?？着c產(chǎn)品邊緣的距離一般大于孔徑尺寸。3.4 保險杠的材料PP 是目前使用最多的保險杠材料，所以這里主要介紹 PP 材料在用作保險杠方面的性能設(shè)計。眾所周知，PP 是綜合性能優(yōu)良的一種通用塑料，但 PP 本身低溫性能及抗沖擊性能差、耐老化性及尺寸穩(wěn)定性差，難以滿足汽車保險杠對材料性能的苛刻要求。因此，汽車保險杠中使用的PP 材料均為改性 PP。根據(jù)汽車行業(yè)對保險杠的要求，以及保險杠材料構(gòu)成上的差異，PP汽車保險杠專用料可以從以下幾個方面進行性能設(shè)計。一．PP 共混性是用增容劑、增強劑、填充劑、偶聯(lián)劑、交聯(lián)劑、熔體流動速率調(diào)節(jié)劑以及抗老化等與 PP 基料共混，使 PP 改性，大幅度提高其性能。采用各種合成橡膠和 PP 進行共混改善 PP 的低溫韌性，是生產(chǎn) PP 保險杠專用的傳統(tǒng)工藝。二．隨著催化劑的不斷改進，目前已能采用兩步串聯(lián)氣相聚合技術(shù)生產(chǎn)橡膠含量高的優(yōu)質(zhì)抗沖擊 PP 共混料。通過提高乙烯含量及控制乙烯上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計23單體引入 PP 大分子鏈上方式的不同，不僅能獲得韌性較好的產(chǎn)品，還能在一定范圍內(nèi)調(diào)整聚合物、共聚單體含量相同材料的剛性與韌性之間的相對關(guān)系，從而獲得所需性能的新材料。這種材料從微觀結(jié)構(gòu)看是 PP和 EPDM 的混合物，即 PP 硬相中分散有高彈性 EPDM 顆粒，故被稱為PP/EPDM 型“反應(yīng)共混料” 。三．日本 Styren Paper 公司生產(chǎn)的非交聯(lián)發(fā)泡保險杠現(xiàn)已被豐田公司采用。這種保險杠采用 JSP 公司開發(fā)生產(chǎn)的 PP 發(fā)泡珠粒，先將珠粒裝入模具中發(fā)泡成型，生產(chǎn)的保險杠具有良好的耐熱性、尺寸穩(wěn)定性和緩沖性。這種泡沫硬度做汽車保險杠非常合適。四．國外生產(chǎn)企業(yè)還不斷推出共聚級 PP 汽車專用樹脂。它的沖擊性和韌性的綜合平均值均超過了常規(guī) PP。除 PP 保險杠外，還有其他材料保險杠，如 PC 合金保險杠等。3.5 保險杠制造的行業(yè)標準下面來介紹一下與保險杠設(shè)計有關(guān)的汽車行業(yè)標準，有ISO2985《道路車輛——轎車的外部防護》 、歐洲標準 ECE NO42《關(guān)于車輛及其前后防護裝置（保險杠）認證的統(tǒng)一規(guī)定》 、美國標準 PART 581《汽車保險杠標準》 、日本標準 JASO B102-87《汽車保險杠高度》等，在產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)貫徹這些標準。保險杠標準中對結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了相應(yīng)要求。對燈具、外裝飾的保護要求：如在與汽車縱向中面相平行的任意鉛垂面內(nèi)保險杠有效接觸區(qū)的最外面應(yīng)高出燈具等重要的零部件和被保護的外裝件的任何部分，安裝到保險杠上的燈具表面應(yīng)低于與保險杠相鄰上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計24的表面（后保險杠頂部車牌號燈和按客車車身標準制造的前轉(zhuǎn)向燈除外，JASO B102-87） 。對保險杠外部形狀的要求：不應(yīng)有尖銳凸起及突出的旋轉(zhuǎn)部分等妨礙交通安全的危險形狀，如保險杠的端部不允許有勾掛行人衣服等危險結(jié)構(gòu)，轎車的后保險杠（限于其端部位于車身后部側(cè)面附近的保險杠）應(yīng)安裝在車身凹入部分內(nèi)，與車身之間的間隙超過 20mm，但用直徑100mm 的球體同時車身和保險杠時，凡不能同時接觸的，都得將保險杠端部附近的部分向車身側(cè)彎曲（日本安全標準第 18 條第 1 項第 3 號） 。對汽車外部凸出物的要求：車身外表面不得由于其形狀、尺寸、朝向、硬度等因素而刮傷、撞傷人體或加重被撞者的傷勢，車身外表面上亦不得有致使發(fā)生上述事故的尖銳零件或凸出物。這些同樣使用于保險杠設(shè)計，保險杠兩端應(yīng)向車身表面彎曲，保險杠組件所有額外的剛性表面的曲率半徑不得小于 5mm。圖 3.5 后保險杠外表面上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計25在對桑塔納 2000 型汽車的設(shè)計過程中，以上要求都是必須注意的。3.6 材料的處理汽車保險杠另一重要的功能是裝飾。進入 20 世紀 90 年代以來，隨著人們審美意識的變化，對汽車外觀的要求也越來越苛刻。PP 汽車保險杠由于具有良好的物性、可回收性以及更低的成本等特點，自 80 年代以來在世界范圍內(nèi)得到了普及與發(fā)展。90 年代以后，隨著各種新型、高檔、豪華轎車的問世，對保險杠外觀的要求相應(yīng)提高，原有的色母粒著色保險杠已不能滿足要求，噴涂保險杠便應(yīng)運而生。噴涂保險杠與普通保險杠相比，容易實現(xiàn)不同顏色之間的相互配合，使之與汽車車身同色，在外觀上更加具有整體感，而且色澤更加艷麗明亮，還可以遮蓋塑料表面的花紋或劃傷等缺陷，另外，保險杠外部的漆膜保護層可提高表面硬度，使保險杠耐火性、耐水性、耐油性、耐化學(xué)藥品性和防塵性得到提高。而且，由于 PP 僅由碳氫原子組成，是非極性高分子材料，而且表面能低，結(jié)晶度高，致使其表面與涂料的黏結(jié)強度低。改進 PP 汽車保險杠的噴涂性成為國內(nèi)外研究的重點和熱點。有一些為改善 PP 保險杠的噴涂性能而常用的一些方法。目前汽車保險杠材料多為 PP 合金，PP 本身是一種非極性高聚物，表面張力低。用EPDM 改性后雖在涂裝中抗溶劑性得到改善，但其低表面張力、PP 與EPDM 的非均相分布、加工成塑料制品時又引入向表面遷移的化學(xué)添加劑，以及無機顏料對涂裝的負作用和運輸過程中產(chǎn)生的玷污等都會對PP/EPDM 汽車保險杠的涂裝有不良影響，因此在噴漆前必須對基材進行上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計26適當?shù)那疤幚怼Ｌ幚淼淖饔萌缦拢海?）PP 表面的脫脂；(2)去除弱界面層；（3）刻蝕 PP 表面；（4）溶脹 PP 基材。經(jīng)過處理基材與涂膜的黏結(jié)性提高，增強了涂膜的附著力。提高 PP/EPDM 黏結(jié)性的表面改性前處理方法可分為化學(xué)方法和物理方法兩大類。化學(xué)方法包括：化學(xué)侵蝕、化學(xué)氧化、表面接枝反應(yīng)、輻射反應(yīng)及等離子體聚合反應(yīng)。物理方法如：火焰法、電暈法、等離子體法、離子束法、紫外線法、激光法及 X 射線法。國外 PP/EPDM 涂裝前處理用的比較多的方法有火焰法、等離子體法、電暈法或二苯甲酮/紫外線法。一．火焰法是應(yīng)用較為普遍的一種方法，它用火焰的氧化焰部分（即藍色部分）接觸 PP 保險杠材料表面，由于噴在材料表面上的熱氧化焰溫度高達 1100～2800 攝氏度，故通過對 PP 表面的脫氫和氧化反應(yīng)而在表面生成氨基、羥基等含氧極性基團和不飽和雙鍵，增加表面極性，從而提高表面能。二．一般情況下，在 PP/EPDM 底材涂裝以前先用低固體分氯化聚烯烴（PO-C）的溶液噴涂一層 2～3μm 厚的薄薄的過渡層，是改進其表面極性行之有效的方法。這種用附著力促進劑改進塑料表面極性的經(jīng)典方法用于處理 PP/EPDM 尚有如下不足之處。（1） 處理液固體分低。（2） 增加額外施工步驟，增加成本。（3） 適用于 EPDM 含量在 25％左右的 PP/EPDM。采用等離子氮或等離子氧，與 PP 表面發(fā)生氧化或氮化等反應(yīng)，在表上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計27面生成大量活性基團，從而改善表面化學(xué)活性。用這種方法處理的表面，其剝離強度比用傳統(tǒng)方法增加 40％，且不造成環(huán)境污染。日本 suzuki聯(lián)合有限公司用有機溶劑清洗 PP 彩色保險杠表面，再用等離子氧處理，最后用等離子聚合的四甲基硅烷和等離子氮進行處理，在 PP 保險杠表面形成透明的四甲基硅烷聚合物涂膜，該涂膜在 60 攝氏度下光澤度可達86％，而且耐磨性好。三．利用一定的紫外線照射 PP 保險杠表面，可以引起表面的氧化反應(yīng)或交聯(lián)反應(yīng)，而使表面激活，從而提高涂漆性能。日本 Kinugawa 橡膠工業(yè)聯(lián)合有限公司用紫外線光照射法成功地將黑色汽車保險杠涂為白色。3.7 保險杠的涂裝在汽車保險杠涂裝體系上，目前世界上有兩大流派。美國傾向于單組分漆，歐洲則是雙組分聚氨酯漆。但有一點是共同的，即環(huán)境保護是涂料新品種的發(fā)展動力。美國主要是在原漆配方中減少有機揮發(fā)溶劑組分，向高固體分漆方向發(fā)展；歐洲并不像美國那樣有一個統(tǒng)一的 VOC 排放法規(guī)，重點是降低在施工和漆膜形成過程中溶劑的揮發(fā)量，向水性漆方向發(fā)展。表 3.2 列舉了 PP/EPDM 保險杠常用的涂裝材料體系。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計28表 3.2 PP/EPDM 汽車保險杠常用涂裝體系涂裝體系 顏色要求 光澤 烘烤 涂料類型單涂層 不與車身同色 低/中等 低溫單組分聚氨酯漆雙組分聚酯－異氰酸酯漆二涂層（單色）與車身同色 中/高等 低溫底漆單組分聚氨酯漆雙組分環(huán)氧丙烯酸雙組分聚酯－異氰酸酯漆面漆雙組分聚酯－異氰酸酯漆三涂層（單色/閃光色）與車身同色 中/高等 低溫底漆單組分聚氨酯漆雙組分聚酯－異氰酸酯漆雙組分環(huán)氧丙烯酸底色漆單組分聚酯/氨基/CAB 漆丙烯酸型罩光漆雙組分聚酯－異氰酸酯漆在選擇 PP/EPDM 汽車保險杠涂裝材料體系的化學(xué)組成時，應(yīng)考慮:一．PP/EPDM 是一種高分子材料，相對于金屬車身底材其表面極性上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計29和表面張力都非常低。為了保證與底材良好的附著力，底漆用樹脂應(yīng)選擇具有一定量的極性基因（如羥基、氨基和環(huán)氧基等）的樹脂；或在設(shè)計配方時保留一定的極性基因，有利于附著力的提高。二．汽車是戶外用品，在時間和地域上跨度較大，還要經(jīng)受酸雨、鳥糞、雪天馬路上鹽水等的侵蝕。注重面漆的裝飾性的同時還必須考慮其防護效果。長期的戶外使用要求其保光保色性好，還必須具備與車身高溫漆同等的耐濕熱、耐鹽霧、耐紫外線、耐化學(xué)溶劑性和耐劃傷等性能，同時還應(yīng)具備優(yōu)良的柔韌性故可選擇耐候性及綜合性能較好的雙組分丙烯酸聚氨酯漆。涂裝系統(tǒng)流程如下：過去：成型保險杠——三氯乙烷（TCE）蒸汽處理——干燥——底涂——干燥——噴涂——烤漆現(xiàn)在：成型保險杠——脫脂——水洗——表面調(diào)整——干燥——底涂——干燥——噴涂——烤漆4 保險杠的設(shè)計過程和方法4.1 保險杠的安裝點的設(shè)計考慮好保險杠的制造工藝與材料后，如何把保險杠安裝到車身上去也是一大重點。為此，需要制訂保險杠的一系列安裝定位點。安裝定位點的制訂過程中要注意限定保險杠的六個自由度。在制訂定位孔的形狀時要考慮留出安裝余量，便于整車裝配時安裝。桑塔納 2000 汽車保險杠許多的安裝點都是定在保險杠的翻邊上的，因此，對保險杠翻邊的設(shè)計上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 轎車后保險杠的設(shè)計30有一定要求，尤其是保險杠與車身翼子板以及與側(cè)圍的安裝要求是零間隙。在桑塔納 2000 后保險杠安裝點的設(shè)計過程中，考慮對于保險杠自由度的限制，在保險杠正前方的上下各設(shè)計四個安裝孔，上部與車身上的焊接鐵片連接，下部與保險杠骨架的下安裝支架連接，限制了保險杠的六個自由度。側(cè)翼尾部有一個安裝點，與車身側(cè)圍連接。由于是腰形孔，限制了上下左右的自由度。側(cè)翼還設(shè)計了一個塑料定位卡子，與車身側(cè)圍外板裝配。還在保險杠車角部分設(shè)計了兩個安裝點，一個與燈內(nèi)鈑金連接，限制了保險杠的六個自由度；一個與車身外板連接，由于是腰形孔，限制了保險杠前后上下的自由度。在保險杠的側(cè)翼下部設(shè)計有三個安裝點，兩個連接擋泥板，由于是腰形孔，限制了保險杠上下左右的自由度；一個與車身外板下焊接鐵支架連接，限制了保險杠的六個自由度。