一種薄壁化保險杠設計研究

李智，李凱，焦金鶴，張闖

（華晨汽車工程研究院車身部，遼寧 沈陽 110142）

引言

汽車輕量化一直是節能減排中的首席話題，據美國能源部DOE研究表明，一輛轎車的自重每減少10%，燃油消耗量就降低 6%～8%，C02排放降低 5%～6%[1]。輕量化已成為汽車業發展的重要方向之一，汽車零部件的薄壁化是實現汽車輕量化結構設計的重要方法之一，已經成為衡量各汽車設計能力的一個重要指標。汽車制件薄壁化技術的迅速發展，不僅提升了操控性能，而且減輕了整車重量，降低了整車油耗，還縮短了成型周期，降低了生產成本。

實現汽車制品的薄壁化設計，薄壁化材料的開發、制品的結構設計及模具設計都將是重要關鍵。然而薄壁化材料的開發將是實現零部件薄壁化的設計的基礎，材料基礎決定了產品設計并影響了模具設計！

1 薄壁化材料的性能要求

1.1 薄壁化保險杠材料的開發歷程

20世紀70～80年代，塑料替代金屬用于保險杠，降低成本，安全性，耐候；產品的壁厚一般大于4mm，產品重達5～7Kg，強度低，手感偏軟。20世紀90年代至2003年；零斷差，尺寸穩定，油漆性好，制品壁厚3～4mm。2003年至現在；降低總和成本，快速成型、薄壁、制品壁厚一般在 2.0～3.0mm，產品輕，偏硬[2]。

應用材料及車型：①聚酯材料保險杠（標致 405）②聚丙烯材料保險杠（奧迪 100，高爾夫，桑塔納）③聚丙烯改性薄壁化材料保險杠(發展趨勢) ④復合材料保險杠（SMC,GFRP，CFRP）

1.2 薄壁化保險杠的優勢分析

（1）產品壁厚減薄，重量減輕，調整后的原材料密度會有5%—10%的增加制件減重將達到10至20%左右；（2）能耗更低，由于制件生產和加工的物料量減少，運輸能耗也降低，塑料制件成型過程的降溫和升溫所需的能耗也必然降低；（3）成型周期短，制件壁厚減薄，注塑過程易于實現快速填充，產品成型周期短，冷卻降溫時間縮短，提高注塑生產節拍，降低了制造成本，生產節拍在40-50s[3]；（4）收縮率小，薄壁制件后收縮小，有利于制件與車身的匹配以及生產過程中的尺寸質量控制。相同材料的情況下，制件越薄收縮率越小，有利于產品尺寸穩定性；（5）同質化進程加快，薄壁設計加快了零件選材的同質化進程，薄壁設計選用的材料在性能和加工方面是較為卓越的，其性能往往能夠涵蓋以往的多個材料標準，同時結構設計的調整又將擴大薄壁化零件的設計應用范圍。

1.5 薄壁化保險杠對材料的性能要求

材料性能要求“三高三低”，即高沖擊性、高流動性、高剛性和低收縮率、低膨脹系數、低 VOC（材料及油漆中揮發性有機化合物）

1.6 薄壁化保險杠配方選材的注意事項

薄壁化材料配方選材（如圖1）。

圖1 配方選材

薄壁化需要對應提高剛度（強度，模量等），工藝上需要提高流動速度，快速充模，需提高熔指（流長），材料選擇需要注意環保性能，注意散發，控制蒸發排放.(添加物質需符合ELV及ROHS)。

2 薄壁化保險杠產品設計要點

2.1 壁厚和加強筋設計

（1）薄壁化的保險杠應壁厚均勻、厚薄適當且不應有突變，厚薄不同的部位應逐漸過渡（如圖2）。

（2）加強筋和制品壁的連接處及端部，都應用圓弧相連，以防止應力集中而影響制品質量。設計加強筋應注意掌握以下幾點：

①筋位厚度應小于制品厚度的1/3左右，以免產生縮痕。

②高度不宜過大，否則會使筋部受力破壞。

③設置方向應與槽內料流方向一致，以免由于料流的干擾而損害制品的質量。

④多條加強筋要分布得當，排列應互相錯開，以減少收縮不勻而引起破壞。

⑤不應設置在大面積制品的中央部位，如非設置在中央不可時，則應在其相對應的外表面上加設槽溝，以免消除可能產生的流紋。

圖2 壁厚診斷

2.2 結構優化

薄壁化的保險杠應壁厚均勻、厚薄適當且不應有突變，厚薄不同的部位應逐漸過渡，防止產品因膠位突變導致產品出現縮痕、收縮不均勻而導致產品變形（如圖3）。對于保險杠的薄壁化設計不論內、外表面的轉折處均應設計成圓角，這樣不但機械強度高，外觀漂亮，塑料在型腔里流動也比較容易。否則，保險杠在使用時夾角處易受壓而破壞，成型冷卻時易產生內應力和裂紋（如圖4）。

圖3 壁厚要求

圖4 壁厚填充

3 薄壁化保險杠模具設計要點

3.1 進膠點排位設計

由于保險杠的壁厚減薄，由普遍使用的 3mm，薄壁化設計為 2.5mm。對原材料在模具內的流動產生很大的影響。原材料的流動距離和單個熱流道噴嘴的進膠量都會受到嚴重影響。因此在模流分析中的點位排布非常重要，產品是否能夠完整填充就取決于熱嘴的布置（如圖5，6）。

圖5 進膠點布置

圖6 等值曲線

3.2 澆口形式設計

對于薄壁化的保險杠，澆口形式的設計會影響產品的填充和產品的表面質量。由于澆口較小，高速的熔融塑料在通過澆口時會產生較大剪切力，使產品二次加熱，提高塑料材料問題，從而能夠增加流動距離。如果設計的澆口過小，會使進膠量減少，也會產生無法填充飽和的問題（如圖7）。

圖7 膠口尺寸

3.3 過度壁厚設計

對于薄壁化的保險杠，在有翻遍和安裝結構的位置做均勻壁厚的防縮結構（如圖8）；或者適當增加壁厚，并且與主壁厚做好過度，防止出現縮痕表面缺陷（如圖9）。

圖8 減膠設計

圖9 增加壁厚

3.4 頂出設計

對于薄壁化的保險杠，由于壁厚減薄，產品的表面強度降低，而且保險杠的整體強度降低，在頂出設計要考慮頂出結構的頂出面積和整個產品的平衡頂出。頂出設計全部應用頂塊（如圖 10），用于保證頂出面積。同時零件頂出左右和上下保持平衡，避免頂出變形和劃傷。

圖10 頂出設計

3 薄壁化保險杠應用規劃

薄壁化保險杠計劃按照以下階段分步驟進行：第一階段：在2017年實現采用薄壁化材料使保險杠壁厚由2.8mm降至2.5mm，在滿足性能目標的前提下，維持單件成本基本不變，實現減重8%-10%的輕量化目標；第二階段：在2020年實現保險杠壁厚在2.5mm以下，實現低密度薄壁化材料的應用，實現減重12%的輕量化目標；至2025年實現實現保險杠壁厚在2.0mm，實現減重15%-20%的輕量化目標。

4 結束語

通過分析總結薄壁化材料性能要求和薄壁化保險杠的結構和模具設計要點，從而保證薄壁化保險杠滿足基本性能要求及良好的外觀質量。汽車保險杠采用薄壁化材料進行薄壁化設計是材料輕量化與結構輕量化結合的產物，為整車減重的實現提供了有效路徑。

[1] 卡爾松,運動休閑2014年第 5期[J],環保減排從輕量化開始,100-102,2004.

[2] 羅忠富,黃達,李永華.汽車保險杠用聚丙烯材料的研究開發進展[J].塑料工業,2009, 37(a02):4-6.

[3] 王鎮江,何造,龔世海,等. 汽車塑料保險杠的薄壁化技術[J].汽車實用技術, 2017(4):51-53.