新材料与工艺手册

[底盘系统轻量化] 一种轻量化的后保险杠固定方法

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发表于 2021-8-4 11:14:41 | 显示全部楼层 |阅读模式

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一种轻量化的后保险杠固定方法

陈 玲
(上汽大众汽车有限公司,上海 201805)
摘 要:为了节能减排,保护环境,汽车保险杠轻量化的概念是近几年保险杠研发的一个重点。文章结合某新车型后保险杠的研发,提出了一种兼顾RCAR,满足造型与功能,整车轻量化的后保险杠固定方法,对于二氧化碳的减排有积极的贡献。
关键词:后保险杠;轻量化;固定方法
引言

[size=1em]随着节能环保的概念越来越深入人心,汽车“轻量化”概念也广泛应入到汽车研发中,成为汽车研发的新趋势。有试验表明,汽车质量每减轻10%,油耗下降6%~8%,排放量下降 4%。对于电动车来说,在相同的电池容量下,降低整车重量,亦可以提高续航里程。即使前后塑料保险杠的总重量只占整车重量的 1%左右,也是整车组成中不可忽视的大部件,在满足造型和功能的前提下,也要尽可能通过新材料新工艺的应用,结构的优化,在轻量化研发中贡献力量。

[size=1em]RCAR[1]旨在提高机动车辆的耐撞性、维修经济性和安全性,降低车辆在碰撞中可能引起的经济损失,保险杠在汽车低速碰撞中起到缓冲作用来保护汽车前后端,故保险杠与RCAR的关系非常密切。本文结合某新车型后保险杠的研发,提出了一种兼顾RCAR,满足造型与功能,又符合轻量化战略的后保险杠固定方法。

1 初始方案

[size=1em]后保险杠在侧围、后围板处的安装结构对于外观配合有着直接影响,典型的固定方法[2]如下图1所示的塑料支架方案,侧面导向件、尾灯导向件和后保固定条安装到侧围板和后围板,再将后保险杠卡接到塑料支架上。采用此方法,后保险杠装配及拆卸较为方便,可通过调整塑料支架改善后保险杠与周边零件的匹配关系。因此它是目前较为常见的安装方式。本次新开发车型的后保险杠初始采用此经典的塑料支架固定方法。

[size=0.8em]图1 后保险杠塑料支架

1.1 带有防腐筋片的侧面导向件

[size=1em]此项目的侧面导向件除了常规的固定后保险杠、控制后保险杠与侧围的间隙面差、保证保险杠靠近后轮胎处匹配的间隙面差的功能以外,还有如图2所示的防腐筋片,在装配完成以后,置身于侧围和后保蒙皮之间,防止后保蒙皮的模具分型线在车辆行驶运动中刮蹭侧围的油漆,从而具备防腐功能。此项目侧面导向件采用的材料是PP-TD20。

[size=0.8em]图2 侧面导向件

1.2 尾灯导向件

[size=1em]尾灯导向件以尾灯内部壳体下部结构为基准,用于Z向定位,便于调整后保蒙皮与尾灯外部的关系匹配。如下图 3的虚线所示,其与车身的固定采用不在一条直线上的固定点,形成三角防翻转结构,保证尾灯导向件的稳定性,使得保险杠蒙皮与尾灯导向件的卡接结构更为牢靠,控制后保蒙皮与尾灯的缝隙,使其匹配更为稳定、可靠。其材料采用PP-TD20。

[size=0.8em]图3 尾灯导向件

1.3 后保固定条的设计

[size=1em]后保险杠与后盖、密封条的配合对整车外观匹配以及后盖正常开闭功能的实现有重要影响,利用塑料后保固定条来固定后保蒙皮,对于其外观的匹配调整、塑料保险杠的安装和拆卸有积极的作用。下图4所示的后保固定条,其结构由框型结构和S筋结构组成。

[size=0.8em]图4 后保固定条的结构组成

[size=1em]下图5所示,框型结构具有固定保险杠的功能,根据车身宽/后盖的宽度和后保固定条的长度,一般均匀布置 4~5个与车身的固定点。以Y225 mm位置处为例子,可以看出通过焊接销钉和金属板螺母将后保固定条固定到车身后围板上,在靠近密封条处的框型结构上设计一条完整的卡扣槽,用来卡接保险杠蒙皮,控制后保险杠与后盖的间隙。

[size=0.8em]图5 保险杠尾部固定结构

[size=1em]上图5虚线框内的S筋具有Z向支撑保险杠的功能,防止保险杠下塌,S筋要尽可能往车尾方向延长,可以更多地支撑后保险杠蒙皮,在后备箱取放货物时,临时将货物放在保险杠上。若发生X向碰撞事故,它的S筋结构还可以压缩变形,吸收能量来缓冲保护车身后端,以满足RCAR要求在碰撞时候车身的钣金件不能损伤。如下图6所示为此项目初始方案的后保固定条的S筋在RCAR工况下碰撞受力时候的吸能变形示意图。经过CAE模拟仿真,此方案RCAR工况刚好合格。后保固定条的材料为PP-TD20,重量为610 g。

[size=0.8em]图6 后保固定条S筋的变形

1.4 初始方案的风险点

[size=1em]初始方案的后保固定条是结合后保险杠蒙皮的造型光顺、后围板唇边的位置、RCAR壁障的最苛刻侵入量和后保固定条的模具可行性来设计的。

[size=1em]一般原则是以方案样车为模型,通过CAE模拟仿真得到RCAR壁障的最大入侵位置以及最大入侵量a(图7)。因为后保固定条的框型结构是硬性的,设计时要求框型结构与RCAR壁障最大侵入位置距离b大于5 mm,以确保其框型结构在RCAR工况下不会顶到后围板,由于框型结构的模具可行性原因,初始方案中的b值只有3 mm,同时焊接销钉与RCAR壁障最大入侵位置的距离c只有5 mm,与前期总布置设计要求的10 mm有点偏差。焊接销钉与后围板上连接是硬性的,一旦受到冲击,势必对后围板造成不可逆的塑形变形,此方案的RCAR工况,尽管是满足要求,但不是绝对安全。

[size=0.8em]图7 后保与RCAR壁障

2 轻量化的固定方案

[size=1em]上文提到了初始方案中后围板上的焊接销钉,对于RCAR工况有潜在的风险。其根本原因,是此项目的后围板唇边到后保蒙皮大面的距离相对其它项目较短,没有足够的空间来布置后保固定条。如果X向空间足够,充分利用S筋的缓冲功能,非常有利于RCAR工况。考虑到此项目的造型元素,后牌照板是放在后保险杠的,产生了一个大胆的想法,干脆取消后保固定条,在后保蒙皮的牌照区域做一个大凹坑,直接固定到后围板,利用后牌照板把这个凹坑给遮蔽起来。如下图8所示,此方法可以保持造型元素不受影响,同时,没有了后保固定条,有利于RCAR工况,又可以降低整车重量,又可以优化材料成本。

[size=0.8em]图8 后保蒙皮牌照板区域

2.1 调整后围板唇边,优化后盖

[size=1em]初始方案的后围板唇边到后保的距离如下图9所示有65(45+20)mm。这是一个比较矛盾的数值,对于初始方案的固定条来说,这个距离太短了,S筋的X向有点短,在碰撞时候无法充分变形吸能。但是对于轻量化的方法来说,蒙皮灰区与牌照凹坑结构形成了几字型结构,若后保灰区X向深度太长,不利于后保蒙皮自身的强度,存在后保蒙皮下塌的风险。

[size=0.8em]图9 后围板唇边位置调整

[size=1em]研究了后保险杠、后围板和后盖三者之间的关系(图9),在保持后保险杠外观造型不变的前提下,若后围板唇边往车尾方向移动20 mm,有如下优点:

[size=1em](1)行李箱的空间变大。

[size=1em](2)后保灰区的X向深度相应缩短20 mm,此处蒙皮的重量减少40 g。

[size=1em](3)后盖的X向深度从120 mm降低到100 mm,后盖打开以后,视觉效果上相对轻薄美观,提升了产品的客户价值。

[size=1em](4)经过CAE仿真,后盖自身刚度满足要求,后盖内的牌照灯等部件空间布置合理,且后盖内板重量减少20 g。

2.2 固定点的布置

[size=1em]如果没有后保固定条,那么后保险杠在与后盖一圈匹配的区域,就要利用后保蒙皮的灰区结构,采用可见标准件的方案,如图10所示,固定点1和固定点4利用后盖来遮挡,其 Y向位置由后围板唇边和后盖的宽度来决定,本项目在Y±500 mm左右位置。

[size=0.8em]图10 固定点Y向的分布

[size=1em]在上图10中,固定点2和固定点3在后牌照板区域Y[-220,220]之间。为了后保可以均匀受力,与白车身更好地匹配,我们希望4个固定点可以在Y向均匀分布。考虑后保蒙皮的油漆可行性,校核标准件的安装空间以后,将固定 2和固定点3布置在了牌照板凹坑的Y向外侧极限处,两个固定点的Y现象距离为364 mm(图11的方案1),经CAE模拟仿真以后,发现固定点在Y±182 mm位置的方案1,刚性连接的固定点非常接近RCAR壁障边缘,导致后围板有3.4%的不可逆变形,不满足RCAR目标。结合RCAR壁障的位置,经过多次模拟仿真,最终确认固定点2和固定点3的最优Y向分布如图11的方案2,在Y±130 mm处,RCAR工况的模拟仿真亦满足要求。

[size=0.8em]图11 固定点2/3的布置

[size=1em]为了更好地控制后保险杠与后盖之间的缝隙,固定点2/3的Z向高度尽可能高。这个大凹坑结构相对初始方案来说,多了4个翻边结构,增重了100 g。

2.3 灰区造型设计

[size=1em]在初始方案的设计中,后保固定条是内部结构件,通过焊接销钉和板螺母固定到后围板上的,固定强度好。如果采用这两个标准件来固定后保蒙皮,如图12(右侧)的焊接销钉方案,其焊接销钉是随白车身总成一起电泳油漆的,不可避免会有流挂之类的外观不雅现象,此范围作为灰区,在安装牌照板以前,客户是可见的,如此特别粗糙的外观,不满足企业的质量要求。故采用图12(左侧)所示的胀紧螺母方案,此方案需要在后围板上开10X10 mm的方孔,因后围板内部属于干区,故需要选择有防水圈的TP5型号防水胀紧螺母,螺钉为常规的TP5X16型号。

[size=0.8em]图12 标准件的选择

[size=1em]开发过程中,分析了固定点1和固定点4的2种固定方案,如图13所示:方案1,后保蒙皮直接固定到金属尾灯支撑板上,此固定方法的强度及稳定性都较好,但是金属尾灯支撑板由于冲压成型性原因不能往车尾方向延伸,导致后保蒙皮的凹坑结构随形于金属尾灯支撑板,那么凹坑的X向深度很长,不仅油漆质量较难控制,而且灰区不美观,容易积灰,不利于清洁。方案2是延长塑料尾灯导向件,提供自攻螺柱结构用于后保蒙皮的固定,此方案从外观上看,后保蒙皮凹坑较浅,灰区相对美观,延长的尾灯导向件可以加强保险杠系统的刚度,同时可节约2个胀紧螺母,成本上有优势。综合各方因素,最终采用了图13的方案2(右侧),后保蒙皮直接固定在塑料的尾灯导向件上。

[size=0.8em]图13 固定点1/4的方案选择

3 模拟仿真计算

[size=1em]模拟仿真计算是虚拟样车技术里面最重要的一环,使汽车生产厂家可以在尽可能短的时间内,使用尽可能低的资金开发符合市场需求的产品。在保险杠开发过程中,结构数据锁定的前提是相关试验工况的模拟仿真计算结果满足要求。

3.1 RCAR工况

[size=1em]由于没有后保固定条,后保险杠蒙皮与车身之间具有相对多的变形空间,有利于后保蒙皮的缓冲吸能,对于RCAR更有利。在16 km/h的碰撞速度中,后纵梁、后围板、后盖的变形均在可接受范围内,其模拟仿真结果如图14所示,其变形量在 2%以内,低于目标值,不存在肉眼可见的明显变形,满足技术要求。

[size=0.8em]图14 RCAR工况模拟仿真

3.2 低速摆锤工况

[size=1em]在保险杠的设计过程中,还有一个强制性标准GB17354汽车前后端保护,要求在发生刮蹭和轻度碰撞时,不会导致车辆严重损伤,保护汽车车身、发动机供油系统、排气系统、冷却系统以及与安全有关的灯具不受损伤。对于本次开发的后保险杠来说的,相关的有后部PDC,PLA雷达,反射片,BSD雷达,后盖等,其在模拟仿真计算结果均未受到损伤,满足要求。

4 结语

[size=1em]本次新开发项目,将后围板唇边往车尾方向移动了20 mm,减少了后盖内板的X向深度,后盖内板的重量减轻20 g。后保险杠系统取消后保固定条,利用后牌照板的遮挡,将后保蒙皮直接固定到做后围板;同时利用后盖两侧的灰区结构,将后保蒙皮直接固定到尾灯导向件,相比初始方案,减重大约570 g;为今后的后保险杠研发提供了新的设计思路;优化了材料成本,提高企业的市场竞争力;为整车轻量化,减少二氧化碳排放作出了一定的贡献。

[size=1em]参考文献

[size=1em][1]孙晴,高保才.基于RCAR的保险杠低速碰撞的分析与应对措施[J].汽车安全与节能学报.2012,3(4):332-338.

[size=1em][2]曹渡,苏忠.汽车内外饰设计与实战手册[M].北京:机械工业出版社,2017.


[size=0.64]A Lightweight Rear Bumper Fixing Method
[size=1em]CHEN Ling
( SAIC Volkswagen Automotive Co., Ltd., Shanghai 201805 )

[size=1em]Abstract: In order to meet the energy saving emission reduction strategy and protect environment, the lightweight concept becomes a focus of bumper research and development in recent years. This paper is based on the research and development of a new vehicle rear bumper, then puts forward a rear bumper fixing method that takes into account RCAR, design, function and lightweight, make a positive contribution to the reduction of CO2.

[size=1em]Keywords: Rear bumper; Lightweight; Fixing method


[size=1em]中图分类号:U463.99

[size=1em]文献标识码:B

[size=1em]文章编号:1671-7988(2021)13-80-04

[size=1em]10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.013.026

[size=1em]作者简介:陈玲(1986—),女,工程师,就职于上汽大众汽车有限公司,从事汽车外饰件研发。

[size=1em]CLC NO.: U463.99

[size=1em]Document Code:B

[size=1em]Article ID:1671-7988(2021)13-80-04



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