汽車氣囊吸能式保險杠的研究

楊 瑞，劉金龍

（東北林業大學交通學院，哈爾濱 150040）

根據公安部交管局的統計，自2001年起，我國每年道路交通事故死亡人數都在10萬人以上，連續十年居世界第一位［1－2］。汽車碰撞安全問題越來越引起人們的關注，從各類交通事故的死亡人數來看，很多交通事故都于汽車保險杠有關，目前，國內外對汽車保險杠的研究越來越多。因此，分析與研究汽車保險杠的碰撞特性和碰撞過程中的吸能特性，改進和設計吸能式保險杠對于提高汽車的碰撞安全性具有重要的意義。

1 國內外汽車保險杠的研究方法與趨勢

保險杠作為安全防護裝置是現代汽車安全結構的重要組成部分，有效地減輕人員傷亡程度以及汽車損壞程度已經成為目前汽車保險杠的主要研究方向，研究方法主要有碰撞實驗分析法和軟件仿真分析法，研究趨勢主要是吸能式保險杠的優化設計和新材料新工藝的應用。

1.1 國外汽車保險杠的研究方法與趨勢

國外的研究方法比較先進:交通事故數據統計、實車碰撞試驗、臺車碰撞試驗以及計算機仿真技術結合事故數據的統計，然后再通過實車碰撞確定車體耐撞的有效性，通過臺車碰撞試驗確定乘員約束系統的安全性，以及通過計算機仿真技術對碰撞中車體結構和乘員約束系統的模擬縮短了產品開發的試驗量和周期。隨著計算機技術的發展，以大變形非線性有限元為基礎的大型碰撞模擬軟件已經達到一定的精度，基于顯式有限元方法的抗撞性分析計算機模擬軟件可以模擬計算實際的汽車結構碰撞壓潰響應，如 LS－DYNA3D、PAM－CRASH、MSC－DYTRAN和ANSYS等。

國外保險杠的研究和發展速度較快，他們所研究的吸能式保險杠按緩沖吸能的方式不同可大致分為3類:自身吸能式、液壓吸能式、帶氣腔式。另出于保護行人的要求，現在國外也在研究安全氣囊式保險杠。

1.2 國內汽車保險杠的研究方法和趨勢

當前國內許多大學正在進行著汽車碰撞安全性的研究。清華大學的研究方向包括碰撞試驗機構及假人與氣囊模擬計算方法，以及道路交通事故再現模擬分析系統等;湖南大學的研究方向包括碰撞接觸算法和氣囊展開過程中的接觸搜尋問題等;吉林工業大學的主要研究方向為安全帶等約束系統;上海交通大學的研究方向包括整車碰撞模擬，吸能結構和保險杠的研究等;同濟大學的研究方向包括追尾、側碰分析和乘員響應分析等。目前具有汽車碰撞試驗能力的機構有:中國汽車技術研究中心、清華大學汽車碰撞試驗室、一汽長春汽車研究所、二汽襄樊汽車試驗研究所等。

綜上所述，國內外對汽車碰撞形式、碰撞傷害機理、模擬分析與分析手段的研究投入了大量的精力，但車身結構設計應對措施方面近局限于結構優化和新材料新工藝應用，對新吸能手段研究還不充分。

2 汽車保險杠的功能

汽車保險杠作為安全防護裝置是現代汽車結構的重要組成部分，它能有效地減輕人員傷亡程度以及汽車損壞程度。在低速碰撞時，保險杠要滿足保護駕駛員、乘員和行人的安全，還要緩和外界對車身的撞擊保護車體主要結構，保險杠發揮的功能主要表現在以下4個方面［3］:

（1）保護汽車主要結構的作用。當汽車與其它車輛或障礙物相撞時，應當能夠吸收大部分能量，保護車體主要結構。

（2）保護行人的作用。當汽車碰撞到行人時，盡可能保護行人以免受到致命傷害。

（3）符合空氣動力學要求。保險杠要符合動力學要求，減小行車阻力，提高汽車的經濟性。

（4）裝飾和美化整車的作用。隨著汽車產品競爭越來越烈激，保險杠的設計要滿足人們審美觀點的要求，起到裝飾和美化車身的作用。

3 保險杠系統的主要形式

按保險杠的功能，可分為非吸能式保險杠和吸能式保險杠。非吸能式保險杠結構簡單，沒有內襯，支架基本上不吸能，因此緩沖吸能能力較差，只能起到裝飾作用。

在自制實驗臺上對普通吸能式保險杠與非吸能式保險杠分別進行碰撞試驗，并記錄實驗數據，見表1。

表1 碰撞試驗記錄Tab.1 Collision experiment records

根據表1可見，吸能式保險杠與非吸能式保險杠實際碰撞變形量相比，吸能式保險杠的變形量比非吸能式保險杠的變形量小20%～30%左右，由此我們得出，吸能式保險杠可以通過內部填充物質有效地吸收多余的碰撞能量，減少保險杠結構的變型程度，吸能能力可以得到有效地提高。

吸能式保險杠按照緩沖吸能方式的不同一般可分為3類:普通吸能保險杠、液壓吸能式保險杠和帶空氣腔式保險杠［4］。

普通吸能型保險杠，其結構比較簡單，碰撞時通過內部填充樹脂塊或泡沫的變形來吸收能量，吸能能力可以得到提高，但是效果有限;液壓吸能式保險杠利用液壓油通過節流孔時的黏性阻力吸收碰撞時的能量，其工作特性穩定，碰撞后靠氮氣產生復原動力，使保險杠復位，吸能能力較強，效果明顯。但是，液壓吸能式保險杠價格昂貴，一般用于高檔轎車;在外蓋板和橫梁之間安裝空氣腔作為內襯的保險杠稱為帶空氣腔式保險杠，與普通式保險杠相比，合理的氣腔數量和氣壓，能使這種保險杠與普通式保險杠相比能使40%偏置、15 km/h碰撞得速度減小20% ～50%［5］，吸能效果明顯，研究空間較大。

4 吸能式氣囊保險杠設計結構和技術原理的先進性

眾所周知，被動安全包括結構耐撞性、乘員約束系統和障礙物一次碰撞。而一次碰撞耐撞性設計的一個關鍵技術:是解決在有限的碰撞空間內吸收碰撞能量的最大化問題，即剛度最大與瞬間吸能最大之間的矛盾性問題。

4.1 傳統保險杠設計機構受限

由于受到鋼材強度、結構重量，工藝和制造成本的限制，常規結構在規定壓縮距離內的吸能量是很有限的。雖然壓縮空間越長，吸能余地就越大，但是，整車總布置設計都是要求動力總成前后的空間越小越好，也就是壓縮空間越短越好。現有耐撞性技術主要手段有結構拓撲優化、高強鋼應用、激光焊接和液壓成型等先進工藝應用，傳統設計已經很難突破現有的結構吸能極限。

4.2 國外安全氣囊式保險杠結構的優先設計

隨著主動避撞技術的日趨成熟，臨撞判斷技術（對不可避免的碰撞時間的預測）的開發已經接近到可以區分即將被撞的物體是障礙物還是行人的程度，這就意味著，在碰撞發生之前的瞬間可以根據被撞對象的性質改變保險杠的剛度。國外有一類應對措施是安全氣囊式保險杠，它將傳感器、固體燃料、氣囊集成后安裝在汽車的前保險杠內。如果臨撞判斷系統判斷出被撞物體是一個行人而不是一個車輛，這時控制系統就會起爆并彈出一個安裝在保險杠外部的行人保護氣囊，在保險杠和行人之間形成吸能隔離區，從而起到保護行人的作用。這類系統需要安裝火工充氣裝置 （類似于乘員保護安全氣囊的原理），所以結構比較復雜，價格也比較昂貴。

4.3 吸能式氣囊保險杠設計結構和技術原理的先進性

本設計采用另一種應對措施:保險杠體為中空狀，在保險杠體內安裝一種預充氣式結構氣囊，其整體剖視示意圖如圖1所示，通過沖入適當壓力的氣體，使其剛度與現有傳統保險杠的剛度相當，在與固定障礙物的碰撞中時提高吸能作用，來有效地緩沖和吸收沖撞保險杠的外力。

當避撞系統檢測到被撞物是行人時，控制系統就會開啟保險杠氣囊上的一個泄氣閥，將氣囊的剛度調整到剛好適合保護行人下肢的參數。這個過程不需要實時判斷和系統閉環控制，只需要事先根據行人腿部撞擊試驗，調整好泄氣閥的固定開度就可以，控制系統只需要輸出一個開關量，所以成本會比臨時充氣式結構降低很多，而且在結構設計上也更容易于實現。

圖1 氣囊式保險杠剖視示意圖Fig.1 Cut-open view of energy-saving airbag bumper

為了避免撞擊力和沖撞能量過大，引起汽車發動機的變型甚至汽車內室的變型，結構氣囊預充氣剛度可以經過大量測試設定為某一特定值，在碰撞達剛度到這個特定值時，結構氣囊破裂將氣體全部泄出，多緩沖掉一部分碰撞能量。

5 結束語

根據國內外汽車保險杠的發展狀況和發展趨勢可見，吸能式保險杠在汽車碰撞中的重要性逐漸提高，吸能式保險杠的吸能作用明顯。而汽車吸能式氣囊保險杠能最大限度地保護汽車和行人安全，采用結構氣囊以后，在系統結構整體剛度不變的前提下，不僅有效地提高了保險杠的吸能特性，而且降低了縱梁和碰撞盒等原有金屬結構件的重量，或替代高強鋼結構設計，降低了制造成本，同時可以減輕車身重量，提高了汽車燃油經濟性。因此，研究和開發吸能式氣囊保險杠具有十分廣闊的發展前景。

】

［1］中國歷年交通事故死亡人數官方統計［EB/OL］.http://www.5law.cn，2010 －07 －08.

［2］單 玢，王 玉，王 哲，等.汽車與行人碰撞事故現現仿真研究［J］.森林工程，2012，28（3）:42 －46.

［3］趙劉軍.保險杠的發展及應用［J］.公路與汽車，2009（4）:16－17.

［4］喬維高，張金虎.吸能式保險杠的研究現狀及發展趨勢［J］.汽車科技2009，1（1）:12－14.

［5］胡敬文.汽車保險杠系統的耐碰性研究綜述及保險杠支架的碰撞試驗研究［A］.中國汽車工程學會2003學術會議［C］.北京:機械出版社，2003:41－44.