當前乘用車市場發(fā)展迅速，汽車保有量也相應增加。 在讓出行更加便捷的同時，更好的節(jié)能、環(huán)保、安全成為現(xiàn)代汽車發(fā)展的新課題。
汽車保險杠的輕量化設計是減少環(huán)境污染、提高產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保的有效途徑。 它已成為汽車可持續(xù)發(fā)展的重要研究方向。
本文從汽車前保險杠的外板形狀（如圖1所示）、材料及加工工藝三個因素進行對比分析。
汽車保險杠材料特性及加工工藝
汽車保險杠材料特性
目前，市場上的客車保險杠按材質(zhì)分為合金材料、通用塑料、熱塑性塑料和碳纖維復合材料。
(1)合金材料
20世紀80年代之前，汽車保險杠主要由碳鋼、鋁合金等合金材料制成。 這類材料密度高，不易成型和加工。
(2)通用塑料——聚丙烯(PP)
聚丙烯(C3H6)n是由丙烯加成聚合反應形成的聚合物。 與傳統(tǒng)金屬保險杠材料相比，聚丙烯的密度更小（0.89g/cm3），可以滿足材料輕量化的要求。 但聚丙烯的耐候性和耐寒性較差，低溫下易脆化，抗蠕變性較差，易變形。 周毅等. 對聚丙烯進行改良，有效提高其常規(guī)力學性能和密度。 改性聚丙烯可以大幅度提高汽車保險杠的拉伸強度，最大彎曲模量達到1.9GPa，并且改進后的聚丙烯具有熔點更高、耐腐蝕、耐彎曲的特點，有效延長了保險杠的使用壽命。汽車保險杠。
(3)工程塑料——聚碳酸酯(PC)
聚碳酸酯由雙酚 A 和氧氯烴 (COCl2) 合成。 其密度為1.2g/cm3，耐熱、耐沖擊，具有良好的機械性能。 其彈性模量為2.32GPa； 增強型聚碳酸酯的安全耐溫指數(shù)（UL）高達120~140℃，絕緣性能優(yōu)良。 目前，歐美40%~50%的汽車制造行業(yè)采用聚碳酸酯材料。
(4)碳纖維復合材料-片狀模塑料復合材料(SMC)
片狀模塑料是一種易于模壓的玻璃纖維增??強聚酯材料。 該材料由玻璃纖維增??強特種紗、不飽和聚酯、填料及各種添加劑組成。 片狀模塑料復合材料的抗彎性和回彈性均高于金屬材料，彈性模量不小于0.17GPa，密度不大于1.0g/cm3，具有較強的耐腐蝕性。
(5)玻璃纖維增??強熱塑性塑料(GMT)
玻璃纖維增??強熱塑性塑料又稱玻璃纖維增??強塑料，是合成樹脂與玻璃纖維經(jīng)合成加工制備而成的新型復合材料（密度為1.5~2.0g/cm-3）。 成型周期短，沖擊性能好。 彈性模量不小于0.4GPa。 玻璃纖維增??強熱塑性塑料在美國已廣泛應用于汽車保險杠材料。
(6)碳纖維增強復合材料(CFRP)
碳纖維材料的密度較低（1.7g/cm3），是碳鋼材料的1/5，但其硬度卻比碳鋼材料高。 雖然碳纖維材料成本較高，但因其輕質(zhì)、高硬度等優(yōu)點，引起了國內(nèi)外學者的關(guān)注。 張英等. 提出改性環(huán)氧樹脂基玻璃纖維復合材料是一種新型碳纖維增強復合材料（CFRP）。 它是在塑料基體中添加連續(xù)碳纖維，經(jīng)過一定的成型方法而獲得的具有優(yōu)異性能的復合材料。 材料的最大彎曲模量可達5.5GPa，因此該材料是一種力學性能優(yōu)異的復合材料。
汽車保險杠加工技術(shù)
合金材料采用還原加工技術(shù)（如鍛造、鑄造）和機械加工； 通用塑料和工程塑料通常采用模壓成型或注塑成型； 碳纖維采用新型增量加工技術(shù)。 不同的加工技術(shù)賦予保險杠不同的形狀和特性。
(1)合金材料加工技術(shù)
鍛造工藝是對合金材料進行預鍛造，然后利用鍛造壓力機對金屬材料施加壓力，使金屬材料根據(jù)其自身特性成型。 該工藝生產(chǎn)成本高，環(huán)節(jié)多。 鑄造工藝是在常壓下利用重力作用填充液態(tài)金屬并鑄造，是一種比較傳統(tǒng)的鑄造模式。 該方法生產(chǎn)工藝要求較低，可實現(xiàn)批量生產(chǎn)，但產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量較差，縮孔、氣孔問題嚴重。
(2)工程塑料加工技術(shù)
壓縮成型工藝主要用于熱固性工程塑料。 該工藝原料消耗低、產(chǎn)量高、生產(chǎn)效率高、能耗低，可實現(xiàn)機械化、自動化、清潔生產(chǎn)。 對環(huán)境污染小，生產(chǎn)的產(chǎn)品可回收、可生物降解。 注塑成型制造精密、自動化程度高、生產(chǎn)效率高、設計創(chuàng)作自由度高、成型靈活。
注射成型可用于批量生產(chǎn)各種形狀復雜、尺寸要求高的塑料零件。 采用這種成型工藝可以在一定程度上減少材料的使用，提高成型塑件的質(zhì)量。 但這種成型工藝的設備價格昂貴，注塑所需的模型工具結(jié)構(gòu)也比較復雜，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)周期長，因此不適合單件的生產(chǎn)和小批量塑料零件。
(3)碳纖維加工技術(shù)
近年來出現(xiàn)的3D打印技術(shù)給碳纖維保險杠的加工帶來了希望。 3D打印技術(shù)又稱增材技術(shù)，是一種快速成型技術(shù)。 主要工藝有四種：①粉末熔融型、②定向能量沉積型、③粘合注射型、④材料擠出型。 成形原理決定了這四種工藝各自的應用領(lǐng)域。 與傳統(tǒng)加工相比，3D打印技術(shù)降低了小批量加工和定制零件的成本，給用戶帶來了更大的靈活性。
汽車保險杠表面處理
汽車保險杠不同材質(zhì)采用的表面噴涂工藝不同。 目的是防止材料腐蝕，增強其耐熱性，改善保險杠外觀并提高其阻燃性能。 目前合金材料保險杠的表面處理工藝主要有四種：烘烤、噴涂、電鍍、水轉(zhuǎn)印。 工程塑料主要采用噴涂工藝。
(1)合金材料保險杠的表面處理工藝
傳統(tǒng)的烘烤和噴涂工藝的價格相對較低，且所得表面經(jīng)久耐用。 然而，它們對生態(tài)環(huán)境造成了極大的破壞。 如今，烘烤工藝主要用于客車保險杠修復。 電鍍工藝有兩種：水電鍍和純電鍍：純電鍍更環(huán)保，價格更貴，所得表面可以長期保存，具有良好的腐蝕性能和光澤度； 水電鍍成本較低，但所得表面不能長期保存。 水轉(zhuǎn)印工藝是一種比較新型的表面處理工藝，也是一種比較環(huán)保的加工方法。
(2)工程塑料保險杠表面處理工藝
工程塑料保險杠的噴涂質(zhì)量要求極高，從搬運、噴涂到固化的整個過程都需要嚴格控制。 塑料保險杠噴涂多采用多層噴涂工藝，應用流程如圖2所示。
底漆、面漆、清漆的噴涂是汽車保險杠表面處理過程中最重要的三道工序。 底漆可以增強基材的附著力。 由于工程塑料是缺乏極性的高分子化合物，因此需要底漆以使面漆更好地附著在塑料表面。 面漆的作用是滿足美觀并保護汽車保險杠免受氧化、腐蝕和紫外線傷害。
清漆可以增強汽車保險杠的表面質(zhì)感，使表面更加光澤，也可以保護保險杠免受外部侵蝕。
汽車保險杠外形設計研究
汽車設計理念的第一步是造型設計。 車身造型設計是創(chuàng)意思想的載體，汽車保險杠的形狀可以直接影響正向建模的可行性和準確性。 保險杠造型設計流程如圖3所示。由于汽車保險杠位于客車的前部和后部，因此在造型設計過程中必須研究以下幾方面：①汽車發(fā)生碰撞時，減少對車身的沖擊。車 ; ②考慮到空氣動力學原理，降低汽車高速行駛時的空氣阻力； ③考慮與行人的碰撞，減少對行人的傷害； ④ 提升汽車品牌認知度； ⑤材料的輕量化設計。
汽車保險杠材料與形狀關(guān)系研究
(1)碳鋼保險杠
早期的汽車保險杠由金屬制成，獨立于車身（如吉姆12），保險杠之間有緩沖空間。 隨著流線型運動的流行，速度型汽車的設計得到了很大的發(fā)展。 保險杠的形狀發(fā)生了變化。 金屬保險杠逐漸與車身融為一體，一體化設計由此誕生。 這種造型設計視覺沖擊力較強，但汽車碰撞時緩沖效果較低。
20世紀80年代初期，為了減少事故對車輛造成的損壞、降低維修成本、提高行人安全，拉達2105車型的保險杠主要采用沖壓成型技術(shù)，整體形狀為U型槽鋼。
用這種方法進行造型設計并不容易。 碳鋼保險杠美觀性較差，就像一個附加部件。 無法實現(xiàn)面板拼接和一體化組裝設計。 而且保險杠較重，不符合國家節(jié)能輕量化設計發(fā)展。 政策。 碳鋼保險杠的整體形狀為“半包圍”，如圖4所示。如今，碳鋼保險杠在乘用車上逐漸被取代，主要應用于卡車、摩托車等。
(2)鋁合金保險杠
鋁合金加工生產(chǎn)工藝靈活，可以實現(xiàn)細長的網(wǎng)狀和環(huán)繞式（包圍外側(cè)）形狀，見圖5。鋁合金保險杠即使在中空程度極高的情況下也能保持優(yōu)異的剛性，因此具有各種形狀和美麗的特征。
并且鋁合金本身具有導電性好、耐腐蝕性強、散熱性好的優(yōu)點，因此在設計初期限制少，靈活性高； 此外，它通常采用管狀形狀設計，倒角較圓，與車身形狀相匹配。 連接更加自然。 通過將蒙皮與測桿（如夏利N3）分離組裝，解決了結(jié)構(gòu)復雜、截面梯度變化大的鋁合金輪轂的造型問題，以及制造工藝難度大、成本高的問題。鋁合金保險杠進一步縮小。
但由于技術(shù)創(chuàng)新，鋁合金的密度和彈性模量較低，對行人安全不利，鋁合金保險杠正逐漸被更適合保險杠的工程塑料所取代。 它們目前主要用于越野車和小型貨車。
(3)工程塑料保險杠
工程塑料保險杠常用的材料是聚碳酸酯（PC），它在強度、剛性和裝飾性方面都比較理想。 從外觀上看，工程塑料成型工藝具有很強的靈活性，因此設計自由度較高，保險杠可以自然地與車身融為一體，如圖6所示。
紅旗的前臉比較寬。 此類客車保險杠常采用運動流線型弧面裝飾。 其低矮的視覺感能夠打破傳統(tǒng)商務車的沉穩(wěn)氣質(zhì)，提升運動氣息。 前臉橫向格柵的布局凸顯了保險杠的造型，既張揚又不乏沉穩(wěn)，頗具科技感。 這種保險杠可以減少空氣動力行駛阻力，減少對行人碰撞的傷害，因此被乘用車公司廣泛采用。
(4)碳纖維保險杠
碳纖維加工是一種樹脂成型增量加工技術(shù)，可以保證大面積整體成型。 常用材料主要包括片狀模塑料（SMC）、玻璃纖維增??強熱塑性塑料（GMT）和碳纖維增強復合材料（CFRP）。 碳纖維比合金材料更輕、更堅固，并且具有更好的抗氧化和耐腐蝕性。 集成成型技術(shù)為其組件創(chuàng)造了更多空間。 但由于材料生產(chǎn)加工復雜、生產(chǎn)成本較高，該技術(shù)僅應用于超級跑車等少數(shù)高速客車。 碳纖維材質(zhì)的保險杠可以滿足復雜多變的造型，質(zhì)感飽滿，曲線起伏強烈，可以給車輛較低的視覺沖擊力，給用戶帶來強烈的運動感，從而產(chǎn)生出色的視覺效果。 如圖7中GTR35跑車的設計所示，前保險杠采用碳纖維材質(zhì)，保險杠與進氣格柵融為一體設計，可以補充汽車前端的性能（如增加進氣通道）。 有效降低空氣阻力。 在整車設計過程中，寶馬M3的保險杠組件設計也非常出色。 設計延續(xù)了側(cè)身車身的流暢線性，增加視覺沖擊力。 “寬體半包圍”設計與現(xiàn)代“肌肉感”設計相結(jié)合，凸顯了車身的線條張力，給消費者帶來狂野的感覺，凸顯了BMW品牌在M車型中的地位。 產(chǎn)品中的性能區(qū)分達到凸顯品牌價值的目的。
不同材料保險杠結(jié)構(gòu)外觀對比分析
保險杠的結(jié)構(gòu)設計應盡可能保證四個原則：①主動安全性，②被動安全性，③和諧一致，④易于安裝和維護。
表1是不同材料的保險杠結(jié)構(gòu)的外觀對比分析。 保險杠的幾何形狀不僅要考慮其與整車形狀的一致性，最大限度地滿足其基本功能，還要保證材料的力學性能和吸能性能。 不應與其他部件干涉，間隙應合理，安裝應符合人體工學。
由于早期的保險杠結(jié)構(gòu)大量使用碳鋼等金屬材料，保險杠的拆裝和拼接方式主要是焊接，這使得無法完成集成裝置的附加設施，加工成型技術(shù)無法達不到更好的審美效果。
后來保險杠材料發(fā)展為工程塑料。 但這些原料的分子結(jié)構(gòu)存在一定的差異。 零件冷卻過程中的凝固和冷卻速度不同，造成局部不均勻，很容易導致裝配變形、縮痕等，而且由于剛性不足，必須在一些大曲面和接頭處安裝加強筋滿足強度和剛度要求，從而減少整車配置。
新型碳纖維3D打印一體成型技術(shù)可以更好地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)組裝，為附加功能留出更多空間，從而實現(xiàn)更好的美觀性。
汽車保險杠輕質(zhì)材料安全模擬試驗
不同材料保險杠的需求層次分析（AHP）
需求層次分析法（ of ，AHP）根據(jù)支配關(guān)系建立決策問題中相關(guān)因素的層次結(jié)構(gòu)，然后進行決策分析，得到各因素對總需求的綜合權(quán)重。 通過對大量用戶需求的對比分析，得到用戶需求層次結(jié)構(gòu)（見圖8）。
根據(jù)指標體系，采用標度法和專家咨詢法進行問卷調(diào)查。 評選出該領(lǐng)域的8位專家，并對評分結(jié)果進行內(nèi)部討論和總結(jié)。 研究表明，當兩兩比較的因素太多時，人們的判斷力會受到很大影響。 同時，比較時需要進行n(n-1)/2兩兩判斷，才能得到較為合理的排名，如表2所示。
當n = 1, 2時，RI = 0，因為1階和2階的正向和逆矩陣始終是一致矩陣（見表3）。
C1美觀要求、C2功能要求、C3結(jié)構(gòu)要求成對區(qū)分，相互要求如表4所示。
利用軟件計算判斷矩陣S的最大特征值λmax=3.0092，然后計算指標的權(quán)重。 發(fā)現(xiàn)審美需求的比重為0.1634，功能需求的比重為0.5396，結(jié)構(gòu)需求的比重為0.297。 采用層次分析法計算各指標權(quán)重（如表5），構(gòu)建判斷矩陣如式（1）所示：
S =( uij) p×p (1)
計算判斷矩陣的最大特征值λmax=3.0037，然后進行一致性檢驗并計算一致性指數(shù)（CI），見公式（2）：
以同樣的方式計算功能需求和結(jié)構(gòu)需求判斷矩陣，計算出矩陣的最大特征值分別為3.0183和5.0686。
由于各一致性比RI均小于0.1，判斷矩陣合理，最終C11-C24的綜合用戶需求權(quán)重（見表6）分別為C11：0.5816、C12：0.1095、C13??：0.309、C21：0.1365 ，C22：0.2385，C23：0.625，C31：0.4422，C32：0.0625，C33：0.1577，C34：0.2457，C35：0.092。 根據(jù)一級指標權(quán)重值計算二級指標綜合權(quán)重值，完成表6的需求相關(guān)矩陣。
由此可見，用戶對輔助功能需求的重視程度從高到低分別是變形、吸能值、剛性、輕量化、質(zhì)感、安全雷達、自愈量。
保險杠低速碰撞安全分析
基于輔助需求的材料定位和碰撞試驗安全分析。 碰撞是一個復雜的瞬態(tài)物理過程。 橫梁和吸能箱裝置均可作為緩沖吸能原件，因此本次測試主要針對橫梁裝置進行。
圖9為某客車采用不同材料保險杠梁裝置在低速行駛路徑上的碰撞模型能量曲線。 總能量和時間都是定量的。 邊界條件中，速度按照國際碰撞研究標準設置（以50km/h的速度與剛性墻碰撞），求解時間設置為0.18s。
從圖9可以看出，碳纖維材料產(chǎn)生的內(nèi)能可以在短時間內(nèi)迅速降低，其次是碳鋼材料，然后是工程塑料。 因此，復合碳纖維材料的自修復性能高于其他材料。
通過分析圖10中的數(shù)據(jù)可以得出，碳鋼保險杠的最大變形為48mm，發(fā)生在0.064s時； SMC工程塑料的最大變形為36.1mm，發(fā)生在0.043s時； PP工程塑料最大變形量為23.7mm，發(fā)生時間為0.042s； 碳纖維材料的最大變形量為27.3mm，發(fā)生在0.045s時。
僅從最大變形角度來看，可以看出碳纖維材料吸收相同動能的同時保持最低變形。 通過采用高強度碳纖維復合材料，降低汽車碰撞動能，提高汽車碰撞中行人的安全系數(shù)，可以極大滿足各大用戶的需求。
結(jié)論
汽車保險杠的輕量化是實現(xiàn)整車輕量化的一個重要方面。 目前，汽車行業(yè)的金屬材質(zhì)保險杠僅應用于低端車型。 大多數(shù)中高端品牌汽車主要采用工程塑料和鋁合金材料。
隨著新材料、新加工工藝的出現(xiàn)，一些高端品牌汽車的研發(fā)部門也開始探索碳纖維復合材料保險杠裝置。 3D打印技術(shù)應用于汽車保險杠，具有輕量化、美觀、款式多樣的特點。 增量技術(shù)注定會在未來的發(fā)展過程中給汽車生產(chǎn)設計和批量制造帶來很多便利。
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