汽车保险杠轻量化的设计

汽车保险杠轻量化的设计

汽车轻量化设计有两大途径：一是通过改变汽车零件的结构来达到的轻量化设计的目的。通过结构的改进，使部件薄壁化、中空化、小型化及复合化，继而轻量化；二是使用轻量化材料，通过采用轻量化的金属和非金属材料，主要是采用高强度钢材、铝镁合金、工程塑料和各种复合材料进行汽车轻量化设计。

同样，保险杠的轻量化设计也不外乎这两种方式。

由于保险杠是由多个部分组成的，因此其采用的材料也非常广泛。例如金属材料一般用于保险杠内部的加强梁和大型车辆的保险杠外覆盖件上；而小型车辆保险杠的外覆盖件及部分承担吸能任务的元件则采用了复合材料。值得一提的是，在绝大多数小型乘用车辆如轿车或者小型面包车上，保险杠的外覆盖件都采用了塑料材料而非金属，这一方面是出于保护行人考虑，另一方面也可以进一步减小整车质量，而且此类材料的记忆特性可以使得保险杠在轻微碰撞后自动复原。当然，无论是新的金属还是复合材料，其研发目的都是更强、更轻。本文将分别介绍这些轻量化材料。

1铝

铝的密度仅为钢铁的1/3，是以轻量化为设计目标的汽车保险杠频繁采用的材料。奥迪100C3轿车的前保险杠是由塑料制成的外板和由铝合金制成的横梁等组成，横梁的材料为

A1MgSMnW27，板厚为2.0mm。用铝合金做前保险杠横梁的主要目的是减轻质量，其次是利用其吸收碰撞能量的特点。

2泡沫铝

近来，德国不来梅的科学家已经成功研制出泡沫金属铝，用这种材料制造的汽车保险杠，能很大程度地将两车的碰撞能量吸收掉，使汽车的安全性得到很大改善。有试验表明，两辆各自总质量(包括轿车和乘客)为2000kg，行驶速度为20km/h的轿车相碰撞，只需3块

15cm×15cm×10cm的泡沫金属铝就能将碰撞能量吸收掉，而这样的3块泡沫金属铝价格也就只有几十元。

从性能上说，泡沫铝填充圆管在轴向冲击时具有非常优异的抗冲击能量吸收作用，因此它在机械缓冲装置中具有非常广泛的应用前景。对比传统的薄壁空心金属保险杠，在吸能相同，圆管壁厚、圆管内半径和圆管长度均相同的情况下，泡沫铝填充圆管汽车保险杠只需泡沫铝填充圆管11根，而空心金属圆管保险杠需空心金属圆管20根，一根泡沫铝填充圆管吸收的能量与一根空心金属圆管吸收的能量相比提高了82%，因此泡沫铝填充圆管汽车保险杠的质量比空心金属圆管保险杠的减少了55%。汽车专用料、功能母料技术研讨及新产品推广。

3镍钛合金

镍钛合金是一种新型材料，有着其它材料所不具备的特殊性能，如形状记忆特性和伪弹性等，目前应用于某些汽车保险杠的内板和外板。钛是一种典型的轻金属，而镍钛合金的总体密度也比传统钢铁要低许多，从而拥有较高的比强度和比刚度。由于形状记忆特性而产生的巨大回复力也进一步提高了材料的总体性能。

4聚丙烯(PP)及改性PP

聚丙烯(PP)塑料具有轻质、原料来源丰富、性能价格比优越以及优良的耐热性、耐化学腐蚀性、易于成型、易于回收等特点，因此广泛应用于汽车保险杠中。

但是PP也存在着抗冲击性能低、耐老化性和尺寸稳定性较差的缺陷，难以满足汽车制件弯曲强度和冲击强度均衡的要求。因此在汽车制件中使用的PP材料多为改性PP，即PP 合金材料[5]。通常用来改性聚丙烯的橡胶类聚合物有顺丁橡胶(BR)、乙丙橡胶(EPR)、三元乙丙橡胶(EPDM)、SBS、POE等。BR、EPR、EPDM等于PP共混改性，可以大大提高其冲击强度，特别是EPDM与PP结构相似，溶解度参数相近，相容性好，因而用EPDM增韧改性PP最为广泛，共混物的冲击性能提高幅度也十分显著。

如桑塔纳轿车的面板材料采用的就是共聚丙烯加热塑性弹性体(PP/EPDM)，再加入助溶剂，经注塑成型。用PP/EPDM制成的汽车保险杠具有刚性高、冲击性能好、耐损伤性、光泽和弹性较好及易涂装等性能，在汽车高速行驶时受到冲撞不易破碎，且装饰美观。

5PC/PBT合金

国外不少中高档轿车保险杠是采用PC/PBT合金制成的，此材料不仅力学性能好，而且冲击强度比改性PP弹性体高出许多，并易于焊接和涂装。如美国GE公司的PBT/PC合金，其中的XenoyXT尤适用于汽车保险杠。DaimlerChrysler公司的Town、Country和Caravan 车的后保险杠就使用了该种塑料合金。目前世界上几家生产工程塑料的大公司，如拜耳和巴斯夫等公司生产此类材料。

6热塑性弹性体TPE(ThermoPlasticElastomer)

由于改性PP或PC/PBT合金不利于回收利用，所以国外有汽车公司采用单一的热塑性弹性体(TPE)来制造汽车保险杠的面板，而用玻纤增强PP来制造骨架材料，因都是同一族的材料，有利于回收再循环使用。目前世界保险杠市场采用TPE的已经占有了53%的份额。

TPE可以用热塑性塑料加工设备加工，但其性能却表现出橡胶一样的弹性，所以也有人称它为第3代橡胶材料。TPE材料密度小，容易回收利用，性能介于塑料和橡胶之间。目前汽车上常见的主要有如下4类:热塑性聚烯烃弹性体(TPO)、热塑性聚苯乙烯弹性体(TPS)、聚酯弹性体(TPEE)和聚氨酯弹性体(TPU)，它们之间又有些许差异，适用于不同场合。