新型分層逐級(jí)吸能式保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)

劉陽(yáng)訓(xùn)

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新型分層逐級(jí)吸能式保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)

劉陽(yáng)訓(xùn)

（浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310000）

汽車(chē)保險(xiǎn)杠是吸收緩和外界沖擊力、防護(hù)車(chē)身前后端的安全裝置。文章介紹了汽車(chē)吸能式保險(xiǎn)杠的主要類(lèi)型和工作原理，并給出一種新型逐級(jí)吸能式保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)，為汽車(chē)保險(xiǎn)杠實(shí)現(xiàn)分層逐級(jí)吸能擴(kuò)展思路。

汽車(chē)保險(xiǎn)杠；分層吸能；逐級(jí)吸能；設(shè)計(jì)

前言

汽車(chē)保險(xiǎn)杠作為汽車(chē)車(chē)身被動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分，一般獨(dú)立安裝在汽車(chē)的最前端和最后端，在車(chē)輛安全、行人保護(hù)、整車(chē)造型和空氣動(dòng)力學(xué)等方面都起重要的作用。在低速行駛發(fā)生碰撞時(shí)，保險(xiǎn)杠可以有效保護(hù)車(chē)輛組合燈具、引擎蓋、翼子板和散熱器等前部零件[1]；對(duì)行人的保護(hù)主要集中在行人下肢部位，當(dāng)發(fā)生正面碰撞（低速）時(shí)，可有效降低行人腿骨骨折、關(guān)節(jié)錯(cuò)位、韌帶撕裂等損傷或致殘概率[2]；在整車(chē)造型方面，保險(xiǎn)杠起到畫(huà)龍點(diǎn)睛的作用，它能夠與車(chē)身風(fēng)格自然結(jié)合，展示出整車(chē)外飾藝術(shù)特點(diǎn)[3]；前保險(xiǎn)杠處擾流板設(shè)計(jì)和后保險(xiǎn)杠通風(fēng)口設(shè)計(jì)都對(duì)車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)起著重要作用。

1 保險(xiǎn)杠的構(gòu)造和分類(lèi)

常見(jiàn)的汽車(chē)保險(xiǎn)杠一般由外飾蓋板、內(nèi)襯、橫杠和托架等構(gòu)成。按其功能可分為非吸能式汽車(chē)保險(xiǎn)杠和吸能式汽車(chē)保險(xiǎn)杠兩大類(lèi)。非吸能式汽車(chē)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，其材料一般為塑料，由于沒(méi)有內(nèi)襯、橫杠等吸能構(gòu)造，又沒(méi)有足夠的剛度和強(qiáng)度，在發(fā)生碰撞時(shí)無(wú)法起到足夠保護(hù)，會(huì)損壞汽車(chē)大燈、翼子板、散熱器等零件，對(duì)于大型車(chē)輛，甚至?xí)p壞前風(fēng)窗玻璃和儀表盤(pán)燈，因此一般只起到裝飾作用；采用合金材料的保險(xiǎn)杠無(wú)法保護(hù)行人，不能滿足人車(chē)碰撞共生性原則。綜上，非吸能式保險(xiǎn)杠無(wú)法兼顧低速碰撞和行人保護(hù)這兩個(gè)保險(xiǎn)杠最主要作用。吸能式保險(xiǎn)杠經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)能夠兼顧并滿足上述兩個(gè)作用，在目前汽車(chē)市場(chǎng)中應(yīng)用廣泛。

2 吸能式保險(xiǎn)杠分類(lèi)和工作原理

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

2.1 液壓吸能式

液壓吸能式保險(xiǎn)杠利用氣體緩沖和液壓節(jié)流減震兩種方式的結(jié)合大幅度提高了保險(xiǎn)杠緩沖吸能效率。其結(jié)構(gòu)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(nèi)側(cè)加強(qiáng)件與液壓減震器活塞桿連接在一起，活塞桿內(nèi)部充有緩沖氣體（一般為氮?dú)猓┎⒀b有浮動(dòng)活塞，活塞右側(cè)腔體充滿液壓油，當(dāng)汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)，吸能塊首先吸收部分沖擊力，隨后橫杠受到?jīng)_擊推動(dòng)活塞桿向右移動(dòng)，液壓油經(jīng)過(guò)節(jié)流孔涌入活塞右部腔體，活動(dòng)活塞向左移動(dòng)壓縮氣體，從而達(dá)到逐級(jí)緩沖吸震效果，其吸收能量的效率高達(dá)80%[4]。碰撞過(guò)后氣體膨脹，保險(xiǎn)杠恢復(fù)至初始形狀。液壓吸能式保險(xiǎn)杠由于工作穩(wěn)定和碰撞可恢復(fù)的特點(diǎn)，在發(fā)生碰撞時(shí)可有效保護(hù)車(chē)身并降低維修成本，但成本較高，應(yīng)用范圍小。

圖1 液壓吸能式保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)

2.2 自身吸能式

自身吸能式保險(xiǎn)杠吸能原理是利用自身結(jié)構(gòu)潰縮吸能和內(nèi)部填充物變形吸能（泡沫或樹(shù)脂塊）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)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(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)吸能塊首先發(fā)生變形吸能，達(dá)到吸能極限后吸能盒和防撞梁發(fā)生潰縮吸能從而起到防護(hù)作用。將吸能塊用氣腔結(jié)構(gòu)替代即可得到一種帶氣腔式保險(xiǎn)杠，該類(lèi)型保險(xiǎn)杠的氣腔在被壓縮時(shí)可影響其表面材料變形方式從而提升緩沖吸能效果，對(duì)氣腔壓力和氣腔內(nèi)部氣囊單元數(shù)量的合理調(diào)整、氣腔表面材料強(qiáng)度和剛度選擇可有效改善自身吸能式保險(xiǎn)杠的吸能效果，尤其是在發(fā)生低速偏置碰撞時(shí)[5]。自身吸能式保險(xiǎn)杠由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低和設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，在目前各種檔次轎車(chē)上被廣泛引用。

圖2 自身吸能式保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)

3 分層逐級(jí)吸能式保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車(chē)保險(xiǎn)杠實(shí)現(xiàn)分層吸能的目的是在低速與行人碰撞時(shí)保護(hù)行人，此時(shí)保險(xiǎn)杠內(nèi)部泡沫吸能塊起一級(jí)吸能作用；在中高速與障礙物碰撞時(shí)保護(hù)車(chē)輛前部總成，此時(shí)橫杠和吸能盒發(fā)生潰縮實(shí)現(xiàn)二級(jí)吸能。但在低速與行人碰撞時(shí)，對(duì)行人脛骨部位造成傷害與吸能泡沫材料和形狀[6]、保險(xiǎn)杠高度、面積、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、車(chē)輛自身狀態(tài)等很多因素有關(guān)，普通吸能式保險(xiǎn)杠不能實(shí)現(xiàn)在不同低速范圍內(nèi)最大限度減少對(duì)行人腿部傷害程度。

本文給出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)分層逐級(jí)吸能保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)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(xiǎn)杠構(gòu)造，9為碟簧，7為不同剪切強(qiáng)度的凸起擋塊，11、12、13分別為攝像頭、測(cè)速傳感器和雷達(dá)裝置，可以在正常行駛狀態(tài)下檢測(cè)車(chē)輛行駛速度和前方路況。其工作原理是，當(dāng)與行人在超低速發(fā)生碰撞時(shí)，碟簧首先發(fā)生彈性收縮，隨著車(chē)輛在不同低速范圍情況下與行人發(fā)生碰撞，碟簧產(chǎn)生不同程度收縮，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)行人的保護(hù)；在與其他障礙物碰撞時(shí)，碟簧收縮達(dá)到一定程度后，滑塊會(huì)向凸起擋塊移動(dòng)并撞擊具有不同剪切強(qiáng)度的凸起擋塊從而吸收不同碰撞強(qiáng)度所帶來(lái)的沖擊，起到保護(hù)駕駛員和車(chē)輛前部總成的作用。

圖3 分層逐級(jí)吸能式保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)

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(qiáng)筋 9.碟簧 10.擋片 11.攝像頭 12. 測(cè)速傳感器 13.雷達(dá)裝置 14.橡膠塊 15.防護(hù)快

4 結(jié)語(yǔ)

（1）不同車(chē)輛保險(xiǎn)杠都要兼顧行人保護(hù)和車(chē)輛碰撞安全作用。

（2）吸能式保險(xiǎn)杠中自身吸能式保險(xiǎn)杠為目前主流類(lèi)型保險(xiǎn)杠，被市場(chǎng)廣泛應(yīng)用。

（3）本文給出了一種保險(xiǎn)杠內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了分層多級(jí)吸能，對(duì)該保險(xiǎn)杠在各低速區(qū)間下達(dá)到最佳吸能效果的結(jié)構(gòu)優(yōu)化有待進(jìn)一步研究。

[1] 陳現(xiàn)嶺,岳鵬,張凱.基于RCAR試驗(yàn)的汽車(chē)低速碰撞性能設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)工程,2009,31(12):1165-1168.

[2] 李莉,楊濟(jì)匡,李偉強(qiáng)等.汽車(chē)碰撞行人交通傷害特點(diǎn)分析[J].汽車(chē)工程,2005,27(1):44-46.

[3] 胡衛(wèi)軍.淺談汽車(chē)設(shè)計(jì)中的美學(xué)規(guī)律[M].吉林:吉林大學(xué)藝術(shù)學(xué)院. 2010-08-15.

[4] 趙桂范,楊娜.汽車(chē)制造工藝[M].北京大學(xué)出版社,2008.

[5] 趙劉軍.保險(xiǎn)杠的發(fā)展及應(yīng)用[J].公路與汽運(yùn),2009(04).

[6] 曲杰,徐梁,馬超.滿足行人腿部保護(hù)要求的保險(xiǎn)杠部件改進(jìn)[J].研究與開(kāi)發(fā),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

A

1671-7988(2019)03-144-02

U462

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1671-7988(2019)03-144-02

U462

劉陽(yáng)訓(xùn)，碩士，講師，浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.047