2019 款雪佛兰 Silverado：轻量化热塑性复合保险杠支架提升性能

通用汽车（GM）2019 款雪佛兰 Silverado 皮卡在隐蔽但关键位置——钢保险杠后的左右前侧——采用了复合材料的新结构应用。混合热塑性复合材料/金属支架在有限包装空间内实现减重，在模态、应力、疲劳与碰撞测试中达到同等或更优性能，降低腐蚀与质保风险，并实现显著部件集成。所有图片来源：General Motors Co.

作为全尺寸皮卡项目的 OEM 设计工程师并不轻松。一方面要让车辆尽可能安全、配置丰富、燃效高；另一方面，客户——尤其是建筑与农业行业用户——每天酷使车辆，对耐用材料有固有认知。他们认可钢材，对复合材料？可能不那么信任。

当 Chris Heo——通用汽车全尺寸皮卡首席设计发布工程师——与团队着手新一代 Silverado 开发时，他们讨论哪些应用可从金属转为复合材料以减重。

2019 款已决定保留造型保险杠防撞梁——带有造型 A 面表面与饰面（镀铬或车身同色喷漆）的冲压钢保险杠——用于车头与车尾。受造型驱动形状与钢外壳重量影响，此类保险杠通常需一根或多根钢加强支架将保险杠连接车架，以满足 GM 的保险杠耐久、车辆易损性、碰撞性能与包装要求。本案中，一对支架环绕保险杠左右拐角。团队思考能否将这些沉重、复杂、多件冲压件转化为更轻的方案，同时不牺牲性能或耐久性。

“我们讨论如何保留保险杠金属外皮但将隐藏部件轻量化，”Heo 回忆。“我们知道这是挑战，因为支撑重保险杠需要坚固支架，且保险杠与支架必须全生命周期可靠。即使是金属，偏置壁垒碰撞测试也极具挑战。”

首次尝试

团队迎难而上，引入指定保险杠供应商 Flex-N-Gate Corp.（FNG，美国伊利诺伊州厄巴纳）。最初因外观造型尚在定型，联合团队花费一年调研业内方案并讨论可行路径。“我们在等待合适时机，因为最终造型会改变设计与路径，”Heo 解释。

“我们知道另一家公司曾在卡车保险杠上将一个极小的非结构支架转为复合材料，这给了我们起点，”FNG 工程研发经理 Steve Perucca 补充。FNG 已有大量乘用车结构金属件转热塑性复合材料经验，给团队信心推进。

设计考量

随着皮卡外观设计定型，联合团队带着需求清单开展支架设计。基准支架采用高强低合金（HSLA）钢冲压，因其力学性能优于碳钢且耐腐蚀性更好。支架公称厚度 3 毫米，单件重 4.362 公斤。首先，复合支架需适应保险杠后大致相同的有限包装空间，因此需要足够强度的材料以避免壁厚显著增加。

其次，前保险杠通常环绕车头前角以实现造型意图。但因被刚性钢支架固定车架，高速碰撞时保险杠可能内陷压入车轮，负面影响车轮定位并锁死转向。为尽可能长时间保护受撞侧车轮，希望支架在撞击时断离。但为避免质保问题，保险杠正常使用全寿命周期内必须保持连接。团队需平衡这两相互竞争的需求。

团队还想解决：受钢成形限制，基准支架无法集成雾灯，需额外一对重金属支架。若可行，团队希望将雾灯支撑集成至复合支架。

此外，线束穿过支架时必须避免夹点防止磨损断裂导致大灯、风扇等关键功能短路。金属支架开孔需额外冲孔工序，因设计自由度受限增加模具成本。因此希望在复合支架上解决此问题。当然，也要避免因使用复合支架而改变车辆装配流程。汽车应用中，复合支架理想情况是比金属基准更轻且更便宜。最后担忧：现有 CAE 模型能否准确预测不连续纤维增强热塑性材料的高循环疲劳/耐久性。

混合方案

团队带着愿望清单开工。早期决策是选材——选择 FNG 已有经验且获 GM 认可的材料。他们选用 Lotte Chemical（韩国首尔）名为 Supran PP1340 GMW15890P 的黑色 40% 纤维重量分数（FWF）长纤玻纤聚丙烯（LFT-PP）。因支架不暴露阳光且远离发动机热源，韧性烯烃聚合物提供足够热性能。高流动注塑级熔体流动指数（MFI）为 40，确保复杂几何良好填充无需额外浇口；额外浇口会产生比周围材料更弱的熔接线，结构件尤其是需通过碰撞测试的件应避免。

为平衡长期耐久与高碰撞性能的竞争需求，团队采用混合方案拆分支架。连接保险杠与车架的部分保留 HSLA 钢，外部部分转为复合材料。这种方案赋予更大设计自由度集成部件、减重并融入雾灯，但复合部分设计为高速侧向碰撞时断离，确保车轮定位尽可能长时间保持纵向以维持转向能力。为满足 GM 所有要求，复合侧添加金属嵌件与三个衬套，允许装配调整。设计师发现材料无问题允许支架腿（CAE 设计中复合/棕色部分的弯曲端部）延伸覆盖雾灯，省去该位置单独支架（图 1）。

项目推进中，实物部件生产测试让团队欣喜地发现 CAE 模型相当准确。“最初我们担心能否准确仿真，因为要预测高循环疲劳耐久性与碰撞建模中的高 G 负载，”Heo 说。“令人惊讶的是，摇台测试的预测与实测结果高度吻合，碰撞工况亦然。”最终支架设计在六个月内完成。尺寸约 41 x 46 厘米，公称壁厚 3 毫米，带加强筋提升力学性能。

模具由 Integrity Tool & Mold Inc.（加拿大安大略省 Oldcastle）制造，采用排气良好的 2+2 叠模，每板两型腔、两直浇口（冷流道）配顺序阀控，每循环产四件，得益于 Silverado 平台高产量。FNG Ventra Evart 事业部负责注塑。按钮到按钮循环时间 60 秒。

显著成果

GM 混合方案在结构保险杠支架首次商用（图 2）即带来诸多收益。首先，在模态、应力、疲劳与碰撞测试中达到同等或优越性能（见下表）。

混合复合支架配金属嵌件不仅减重，其定制几何还改善了应力与模态性能。

其次，复合材料设计自由度在有限包装空间内实现更激进造型。第三，一对混合支架每车减重 2.5 公斤。得益于质量去耦合效应，更轻的保险杠拐角使保险杠安装支架等其他部件也能减薄，前保险杠系统总重比 2016 款减轻 7.3 公斤。

此外，复合支架不生锈，降低腐蚀风险与质保成本。减重惠及消费者，提升燃油经济性或在不超法定轴载前提下提高载荷能力。

单件价格上，混合支架因注塑模具成本增加而持平。但系统成本层面，因可降级其他部件而有节省，虽难量化具体数额。支架已量产三年无问题。

下一代 Silverado，Heo 团队计划继续前保险杠用混合支架，但已挑战团队思考如何在后保险杠支架采用混合方案。这因后保险杠拐角含踏步辅助功能以便进出货箱，且更多部件（如倒车预警传感器）布置在钢外皮后，包装空间更紧张。

“我们将坚持智能工程方法：审视问题、理解产品使用方式与功能需求，然后突破边界，”Heo 总结。