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工程评论

聚合物基复合材料汽车保险杠系统的评述

SM Sapuan¹*，N。Suddin¹ 和MA Maleque²

¹马来西亚Putra大学机械与制造工程系，

43400 Serdang，马来西亚雪兰莪

²马来西亚大学机械与材料工程系，

马来西亚吉隆坡50603

收稿日期：2002年4月15日;接受日期：2002年7月10日

摘要

汽车保险杠是汽车一种结构部件，在前后碰撞中对车辆的耐撞性和乘员保护起着重要作用。保险杠系统还保护发动机罩，后备箱，燃油、排气和冷却系统以及安全相关设备。简要介绍了保险杠的组成部分，并用具体方法对聚合物基保险杠系统进行了评述。本文提倡合适的保险杠设计和材料选择。作者还从材料及其制造工艺的角度讨论了保险杠部件。

1.引言

本文的目的是提供有关科学保险杠系统和部件的信息，并对保险杠材料进行讨论。还讨论了聚合物基复合材料与传统钢材相比的优缺点。保险杠是一种防护罩，通常由铝，钢，橡胶，复合材料或塑料制成，安装在汽车的前后端。在一些保险杠中使用能量吸收器或支架，而另一些则由泡沫缓冲材料制成。汽车保险杠设计用于吸收能量，从而在低速碰撞中防止或减少汽车前后端的物理损伤。汽车保险杠通常不设计成在高速的前后碰撞中仍对车辆的耐撞性或乘员保护起主要作用的结构部件。保险杠应按其安全功能来设计，因为它旨在减少冲击过程中减速的幅度。保险杠系统仅设计用于在低速碰撞中保护发动机罩，后备箱，车架，燃油、排气和冷却系统以及与安全相关设备，如停车灯，前照灯和尾灯。

保险杠系统在过去的20到30年间发生了翻天覆地的变化。更严格的政府安全法规和不同的造型理念催生了新的设计。例如，在20世纪70年代早期引入了由塑料面板覆盖的加强梁。造型时尚已经改变，我们不再使用几乎100％的镀铬板面杠，而是采用与车身颜色协调一致的面板系统。在工程界看来，轻型卡车、小型货车和运动型多功能车的发展创造了两类保险杠系统：一种用于乘用车，另一种用于轻型卡车。安全问题已经导致保险杠梁成为结构载荷传递路径的一部分²。

选择保险杠系统时需要考虑几个因素。最重要的考虑因素是保险杠系统吸收足够能量的能力，以满足原始设备制造商（OEM）内部保险杠标准¹。另一个是要求在高速碰撞中保持完整。重量，制造可加工性和成本也是在设计阶段必须考虑的因素。初始保险杠成本和维修成本都很重要。材料的可成形性对于大跨距的保险杠系统很重要。在材料选择阶段考虑的另一个因素是可回收性，钢有这方面的优势，但是在钢的回收或再熔化过程中产生的CO₂如何处理必须加以考虑。

2.保险杠系统和部件的简介¹

汽车中常用的保险杠系统有四种，如图1所示。下面给出每个系统的简要描述。

图1所示.四种不同类型的汽车保险杠系统：a）金属面杆系统，b）塑料面板和加强梁系统，c）和d）塑料面板，加强梁和能量吸收器¹。

2.1金属面杠系统

金属面杠系统由单个金属保险杠组成，可装饰车辆的前端或后端，并在碰撞时充当主要的能量吸收器。美国的保险杠规定要求，乘用车能够在控制的位置 -50mm误差范围内承受4公里/小时的碰撞，不会造成可见的损伤，也不会损伤安全相关物品。加拿大乘用车法规要求承受8公里/小时的碰撞，但是允许有限的损伤。北美原始设备制造商自愿设计他们的乘用车保险杠，能承受8公里/小时的撞击，没有可见的损伤，也没有损伤安全物品。目前的面杠系统只能在控制的位置 -50mm误差范围内承受4公里/小时的碰撞，没有可见的损伤，也不会损伤安全装置。出于这个原因，目前的面杠系统仅限用于轻型卡车。面杠的外观与全尺寸货车，皮卡和运动型多功能车的造型趋势相匹配。因此，大多数面杠目前正应用于这些车辆。

如果将轻型卡车保险杠的设计标准提高到8公里/小时的自愿乘用车标准，则必须重新设计用于全尺寸货车，皮卡和运动型多功能车的面杠系统。由于重量的原因，这种重新设计可能会回复到采用加强梁的系统¹。

2.2塑料面板和加强梁系统

该系统由塑料面板和加强梁组成，加强梁直接固定在车架或汽车车厢尾部（图1b）。它主要用于欧洲和日本，这些地方的保险杠规定不如北美严格。在欧洲和日本的许多车辆上，该系统中的加强梁也用作第一结构横梁。虽然这种布置导致保险杠性能小的损失，但它增加了车辆的耐撞性。如果加强梁是白车身的一部分，则由于与横梁相关的结构要求，所以优选的材料是钢。此外，钢与OEM的塑料面板、加强梁和能量吸收系统使用的白车身E-涂层和涂料系统完全兼容。

2.3塑料面板，加强梁和机械能量吸收系统

带有塑料面板，加强梁和能量吸收器的保险杠系统 如图1 c和d所示。这些系统容易满足北美原始设备制造商制定的8 km / h自愿保险杠标准。世界上所有乘用车和大多数小型货车都有这种类型的系统，只是能量吸收方法略有不同。能量可以通过机械吸收器（图1c），泡沫或蜂窝（图1d）或加强梁本身来吸收¹。

保险杠系统由三个部件组成（所示 如图2），例如面板，能量吸收器和保险杠梁。以下小节提供了组件的简要说明。

2.4面板

保险杠面板设计用于满足多种要求。它必须符合空气动力学的要求，以控制汽车周围的空气流动和进入发动机室空气量。它应该让消费者在审美上感到愉悦。典型的面板（如图3所示）具有许多曲线和棱角线，以增加保险杠立体感并区分交通车辆与竞赛车模。保险杠面板的另一个要求是易于制造。重量轻也很重要。实际上，每个面板都是由三种材料中的一种制成的：聚丙烯，聚氨酯或聚碳酸酯¹。

2.5能量吸收器

能量吸收器设计用于吸收车辆碰撞时产生的一部分动能。这在低速碰撞中是非常有效，其中保险杠弹回到其原始位置。为了符合美国联邦法规，制造商为其保险杠配备了能量吸收器。通常，能量吸收器安装在面杠/保险杠加强梁和车架之间。

有三种类型的能量吸收器。最常见的类似于减震器。典型的保险杠减震器是液压

图2.汽车保险杠系统组件

汽缸。在受到撞击时，一个充满惰性气体的活塞被迫压入气缸。在压力下，液压流体通过一个小开口流入活塞。受控流体的流动吸收了冲击能量。流体还移动活塞管内的浮动活塞，其压缩惰性气体。当冲击力被释放时，压缩气体的压力迫使液压流体流出活塞。压缩气体迫使液压流体离开活塞管并返回汽缸。此动作迫使保险杠返回其原始位置。还有另一种能量吸收器设计，在受到冲击时，流体从储存器通过计量阀流入外部气缸。当冲击力释放时，吸收器中的弹簧将保险杠返回到其原始位置。

许多轻型汽车和跑车上都装有另一种能量吸收器。在面板和面杠或加强杠之间安装泡沫而不是减震器，一块厚的聚氨酯泡沫板夹在防撞杠和塑料面杠或面罩之间。在一些车辆上，防撞杠通过能量吸收螺栓连接到车架上。螺栓和支架设计成能在碰撞过程中变形，以吸收一些冲击力。在大多数碰撞修理中必须更换支架。

在现代保险杠系统中，使用一种能自身恢复的弹性体能量吸收装置。当汽车以高达8km / h的速度撞击障碍物时，用弹性聚合物材料做的能量吸收器能够挠曲变形后回弹到其原始位置。弹性体模制成空心圆柱体，套在能量吸收器的滑动中心构件上。当碰撞保险杠时，弹性圆柱体压缩，然后弯曲，提供能量吸收和储能效果。在撞击之后，存储在弹性体圆筒中的能量使该装置和保险杠返回到其初始位置。

2.6保险杠梁

加强保险杠梁是保险杠系统的关键部件，有助于吸收碰撞产生的动能，并为车辆的其他部分提供保护。通过在碰撞期间保持完整，该梁保护了车架。加强梁的设计问题包括强度，可制造性，重量，可回收性和成本。

目前的保险杠系统采用钢来制造保险杠梁。钢加强梁由Plannja工艺（热冲压工艺）冲压，轧制成型或制造。

冲压梁有利于大批量生产，并且提供复杂的形状。然而，冲压工艺是资本密集型的，并且该工艺本身需要钢材具有良好的可成形性。 Plannja工艺是一种热冲压工艺，它能生产出高强度的梁，但由于其低生产率而使得价格相对昂贵。将钢板连续送入燃气炉中，并在约3至5分钟内加热至约900 ℃的奥氏体化温度。然后将材料送入液压机。压力机循环向下，保持在该位置，同时模具快速冷却成形的板材，直到温度约为40 ℃，远低于马氏体形成温度。冷却模具中的部件所需的时间是每毫米厚度约10秒。轧制成型的梁占目前使用的钢加强梁绝大部分。轧制梁的常见横截面是箱形，C形或槽形，以及帽形。通常，这些横截面由具有非常薄的壁厚的超高强度钢制成。有时将背板焊接到开口的槽形或帽形截面以形成箱形截面。所有钢加强梁都具有良好的耐腐蚀性。有些是由热浸镀锌或电镀锌钢板制成。这些产品上的锌涂层具有优异的抗腐蚀性能。

3. 保险杠系统的制造¹

在1997年，向北美原始设备制造商提供了近2800万个保险杠部件¹。其中，76％为钢，17.6％为复合材料，6.4％为铝。大约150万个钢制部件是由塑料面板覆盖的加强梁，大约570万个钢制部件是镀铬面杠，剩下的400万个钢制部件是涂漆面杠。就制造工艺而言，大约60％的钢制部件是冲压而40％的轧制成型。北美保险杠加强梁和面板市场在1997车型年份总共消耗了约30万吨钢材。鉴于这项活动的重要性，政府和非政府组织/机构应设立一个汽车保险杠项目小组，负责编写技术信息公报，提供有关汽车保险杠系统的基本背景资料。

材料也发生了巨大变化。由于强调车辆的性能，特别是燃料经济性，车辆重量的考虑是汽车工程师项目清单的首要设计标准。已经开发出高强度和超高强度钢，允许设计者减少金属板厚度，从而减轻重量。

企业管理实践已发生变化。在过去，汽车装配商（OEM）生产了大部分保险杠系统，只有少数相对规模较小的独立冲压加工厂补充了市场容量。现在，原始设备制造商在保险杠制造方面只扮演一个小的角色，严重依赖于不断发展的专业零部件制造行业，在某些情况下专注于生产保险杠部件和系统,其它什么都不做。事实上，大多数独立制造商都提供所有设计细节和验证测试。原始设备制造商提供整体要求，即保险杠系统如何适应整体车辆外观，如何连接在车辆上，重量限制，外部边界尺寸限制等。

与所有其他汽车零部件一样，保险杠系统是仍然会不断变化。轻型卡车领域继续从面杠向由面板包裹的加强梁系统的转变。继续从更昂贵的铝和复合材料系统回归钢材，其趋势是更高屈服强度的钢材。它将雾灯，前大灯，转向灯和散热栅格集成于一体。原始设备制造商越来越依赖其保险杠供应商提供技术创新。出于成本原因，轻质钢是保险杠系统的更好选择。此外，即使市场正在经历不断变化，钢材也在加强其地位。预计钢材的市场份额将从1997车型年的76.0％增加到2001车型年的84.2％。在同一时期，铝的使用量预计将从6.4％下降到1.9％，复合材料的使用量从17.6％下降到13.9％（按吨位¹）。

4.聚合物基复合材料保险杠系统评述

目前的保险杠系统设计采用钢制作保险杠梁。由于保险杠系统的功能是在碰撞过程中吸收动能，人们已经尝试使用复合材料来代替钢。已经投入了大量的精力来开发复合材料保险杠系统^2-7。凯尔曼等人² 描述了使用复合材料对前端保险杠系统组件的设计，开发，原型和测试的研究。选择用于能量吸收器以及用于面板和梁/支架的材料是聚氨酯，分别使用反应增强注塑（RRIM）和结构增强注塑（SRIM）。

采用具有随机短玻璃纤维片状模塑料（SMC）制造复合材料保险杠系统³。测量机械性能如拉伸强度，拉伸模量和硬度，以观察材料的性能是否可接受。 Minaudo 等人⁴ 开发了一种带有杆冲击保护的一体式，注塑成型，热塑性塑料后保险杠系统。作者还描述了保险杠的设计，开发和验证过程以及迄今取得的成果。它是首款采用工程热塑性塑料注塑成型的单件式后保险杠系统，可提供抗8 km / h的柱冲击性能，并符合小型乘用车的联邦机动车辆安全标准（FMVSS）保护要求。与传统的铝和聚丙烯相比，保险杠可节省1.5千克的质量。

回收反应注塑成型（RIM）聚氨酯聚合物的技术已经完善到商业实用阶段。该工艺允许回收再利用涂漆和未涂漆的加工废料，及潜在的客户报废料，用于相同的用途，而不会损失表面质量或聚合物性能。这将会影响聚合物的粒度和水分含率，并且必须考虑涂漆废料对聚合物性能的影响。摩根等人⁸ 讨论了“三流”RIM工艺的细节。虽然还有其他回收RIM热固性聚合物的替代方法，例如化学溶解和热压成型，但“三流”RIM粉碎再生工艺比其他回收途径具有潜在的成本优势。

最近的需求导致了用于汽车面板的轻质聚氨酯弹性体的开发。这些材料可以为汽车面板制模工提供了增强型RIM聚氨酯弹性体的优点，是一种极具竞争力的包裹材料

资料编号：[4029]