新型分層逐級吸能式保險杠設計

劉陽訓

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新型分層逐級吸能式保險杠設計

劉陽訓

（浙江經濟職業技術學院，浙江 杭州 310000）

汽車保險杠是吸收緩和外界沖擊力、防護車身前后端的安全裝置。文章介紹了汽車吸能式保險杠的主要類型和工作原理，并給出一種新型逐級吸能式保險杠設計，為汽車保險杠實現分層逐級吸能擴展思路。

汽車保險杠；分層吸能；逐級吸能；設計

前言

汽車保險杠作為汽車車身被動安全防護系統的重要組成部分，一般獨立安裝在汽車的最前端和最后端，在車輛安全、行人保護、整車造型和空氣動力學等方面都起重要的作用。在低速行駛發生碰撞時，保險杠可以有效保護車輛組合燈具、引擎蓋、翼子板和散熱器等前部零件[1]；對行人的保護主要集中在行人下肢部位，當發生正面碰撞（低速）時，可有效降低行人腿骨骨折、關節錯位、韌帶撕裂等損傷或致殘概率[2]；在整車造型方面，保險杠起到畫龍點睛的作用，它能夠與車身風格自然結合，展示出整車外飾藝術特點[3]；前保險杠處擾流板設計和后保險杠通風口設計都對車輛空氣動力學起著重要作用。

1 保險杠的構造和分類

常見的汽車保險杠一般由外飾蓋板、內襯、橫杠和托架等構成。按其功能可分為非吸能式汽車保險杠和吸能式汽車保險杠兩大類。非吸能式汽車保險杠結構形式簡單，其材料一般為塑料，由于沒有內襯、橫杠等吸能構造，又沒有足夠的剛度和強度，在發生碰撞時無法起到足夠保護，會損壞汽車大燈、翼子板、散熱器等零件，對于大型車輛，甚至會損壞前風窗玻璃和儀表盤燈，因此一般只起到裝飾作用；采用合金材料的保險杠無法保護行人，不能滿足人車碰撞共生性原則。綜上，非吸能式保險杠無法兼顧低速碰撞和行人保護這兩個保險杠最主要作用。吸能式保險杠經過合理設計能夠兼顧并滿足上述兩個作用，在目前汽車市場中應用廣泛。

2 吸能式保險杠分類和工作原理

吸能式保險杠指采用特殊方式（內部填充吸能塊等）和材料（PP+T系），在發生碰撞時可發生潰縮并大幅度吸收撞擊力同時最大限度保護行人下肢和駕駛員自身安全的保險杠。吸能式保險杠按吸能方式可分為液壓吸能式和自身吸能式兩大類。

2.1 液壓吸能式

液壓吸能式保險杠利用氣體緩沖和液壓節流減震兩種方式的結合大幅度提高了保險杠緩沖吸能效率。其結構如圖1所示，泡沫或橡膠吸能塊位于外蓋板與橫杠之間，橫杠內側加強件與液壓減震器活塞桿連接在一起，活塞桿內部充有緩沖氣體（一般為氮氣）并裝有浮動活塞，活塞右側腔體充滿液壓油，當汽車發生碰撞時，吸能塊首先吸收部分沖擊力，隨后橫杠受到沖擊推動活塞桿向右移動，液壓油經過節流孔涌入活塞右部腔體，活動活塞向左移動壓縮氣體，從而達到逐級緩沖吸震效果，其吸收能量的效率高達80%[4]。碰撞過后氣體膨脹，保險杠恢復至初始形狀。液壓吸能式保險杠由于工作穩定和碰撞可恢復的特點，在發生碰撞時可有效保護車身并降低維修成本，但成本較高，應用范圍小。

圖1 液壓吸能式保險杠結構

2.2 自身吸能式

自身吸能式保險杠吸能原理是利用自身結構潰縮吸能和內部填充物變形吸能（泡沫或樹脂塊）來實現的，其結構一般比較簡單，由外蓋板、吸能塊、橫杠（防撞梁）、吸能盒和固定支架組成，如圖2所示。當發生碰撞時吸能塊首先發生變形吸能，達到吸能極限后吸能盒和防撞梁發生潰縮吸能從而起到防護作用。將吸能塊用氣腔結構替代即可得到一種帶氣腔式保險杠，該類型保險杠的氣腔在被壓縮時可影響其表面材料變形方式從而提升緩沖吸能效果，對氣腔壓力和氣腔內部氣囊單元數量的合理調整、氣腔表面材料強度和剛度選擇可有效改善自身吸能式保險杠的吸能效果，尤其是在發生低速偏置碰撞時[5]。自身吸能式保險杠由于結構簡單、造價低和設計靈活等優點，在目前各種檔次轎車上被廣泛引用。

圖2 自身吸能式保險杠結構

3 分層逐級吸能式保險杠結構設計

汽車保險杠實現分層吸能的目的是在低速與行人碰撞時保護行人，此時保險杠內部泡沫吸能塊起一級吸能作用；在中高速與障礙物碰撞時保護車輛前部總成，此時橫杠和吸能盒發生潰縮實現二級吸能。但在低速與行人碰撞時，對行人脛骨部位造成傷害與吸能泡沫材料和形狀[6]、保險杠高度、面積、內部結構設計、車輛自身狀態等很多因素有關，普通吸能式保險杠不能實現在不同低速范圍內最大限度減少對行人腿部傷害程度。

本文給出了一種能夠實現分層逐級吸能保險杠設計思路，如圖3所示。圖中外蓋板1、吸能塊2、橫杠4為普通吸能式保險杠構造，9為碟簧，7為不同剪切強度的凸起擋塊，11、12、13分別為攝像頭、測速傳感器和雷達裝置，可以在正常行駛狀態下檢測車輛行駛速度和前方路況。其工作原理是，當與行人在超低速發生碰撞時，碟簧首先發生彈性收縮，隨著車輛在不同低速范圍情況下與行人發生碰撞，碟簧產生不同程度收縮，從而實現對行人的保護；在與其他障礙物碰撞時，碟簧收縮達到一定程度后，滑塊會向凸起擋塊移動并撞擊具有不同剪切強度的凸起擋塊從而吸收不同碰撞強度所帶來的沖擊，起到保護駕駛員和車輛前部總成的作用。

圖3 分層逐級吸能式保險杠結構

1.外蓋板 2.吸能塊 3.斜杠 4.橫杠 5.滑槽 6.滑塊 7.擋塊 8.加強筋 9.碟簧 10.擋片 11.攝像頭 12. 測速傳感器 13.雷達裝置 14.橡膠塊 15.防護快

4 結語

（1）不同車輛保險杠都要兼顧行人保護和車輛碰撞安全作用。

（2）吸能式保險杠中自身吸能式保險杠為目前主流類型保險杠，被市場廣泛應用。

（3）本文給出了一種保險杠內部結構的優化設計，實現了分層多級吸能，對該保險杠在各低速區間下達到最佳吸能效果的結構優化有待進一步研究。

[1] 陳現嶺,岳鵬,張凱.基于RCAR試驗的汽車低速碰撞性能設計[J].汽車工程,2009,31(12):1165-1168.

[2] 李莉,楊濟匡,李偉強等.汽車碰撞行人交通傷害特點分析[J].汽車工程,2005,27(1):44-46.

[3] 胡衛軍.淺談汽車設計中的美學規律[M].吉林:吉林大學藝術學院. 2010-08-15.

[4] 趙桂范,楊娜.汽車制造工藝[M].北京大學出版社,2008.

[5] 趙劉軍.保險杠的發展及應用[J].公路與汽運,2009(04).

[6] 曲杰,徐梁,馬超.滿足行人腿部保護要求的保險杠部件改進[J].研究與開發,2018(06).

A New Hierarchical And Gradual Energy-absorbing bumper Design

Liu Yangxun

（Zhejiang Technical Institute of Economics, Zhejiang Hangzhou 310000 )

Car bumper is a kind of safety device for absorbing and moderating impact from traffic accidents and protecting the front-back of car. Different structures and operating principles of energy-absorbing bumper are introduced, a new hierar -chical and gradual energy-absorbing bumper design is also introduced to expand design method for gradually energy-absorbing of bumper.

car bumper; hierarchical energy-absorbing; gradual energy-absorbing;design

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1671-7988(2019)03-144-02

U462

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1671-7988(2019)03-144-02

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劉陽訓，碩士，講師，浙江經濟職業技術學院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.047