一種汽車蜂窩吸能防撞梁設計研究

許亞軍

【摘? 要】由于汽車數量的急劇增加，交通事故頻發。在大多數事故中，汽車底盤變形，發動機報廢，造成車上人員及財產的重大損失。目前，汽車底盤防撞梁結構在安全性設計方面有一定欠缺，對行車安全造成了安全隱患。論文在對汽車防撞梁結構分析的基礎上，提出一種汽車蜂窩吸能防撞梁設計方案，使車輛在中小型交通事故發生時，能有效地吸收碰撞能量，盡可能保證車上人員的生命和財產安全。

【Abstract】Due to the rapid increase in the number of automobiles， traffic accidents occur frequently. In most of the accidents， the chassis of the automobile is deformed and the engine is scrapped， which causes heavy losses of people and property on the automobile. At present， there are some deficiencies in the safety design of the anti-collision beam structure of the automobile chassis， which has caused safety hazards to the driving safety. Based on the analysis of the structure of automobile anti-collision beam， this paper puts forward a design scheme of automobile honeycomb energy absorption anti-collision beam， which can effectively absorb the collision energy and ensure the safety of life and property of the people on the automobile when the small and medium-sized traffic accidents happen.

【關鍵詞】碰撞;安全;防撞梁;吸能裝置;蜂窩;緩沖

【Keywords】collision; safety; anti-collision beam; energy absorption device; honeycomb; buffer

【中圖分類號】U463.32+6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）10-0166-02

1 引言

隨著汽車技術的迅猛發展，汽車保有量逐年增加，私家車數量急劇攀升，道路交通安全問題日益嚴重，交通事故隨處可見，新手上路導致的交通事故、斑馬線禮讓行人導致的追尾事故頻發，汽車防撞梁安全設計已顯得非常重要。

2 汽車防撞梁設計現狀

汽車防撞梁的結構設計，弓形鋼結構的居多，此結構可以增強防撞梁的屈服強度，當車輛受到沖擊時，能抵御較大的外力沖擊，減少車輛自身的損失。目前，在防撞梁材料設計方面則以輕量化的鋁合金材料為主，鋁合金材料質輕且強度好，純鋁的抗拉強度約為80MN/m2，是低碳鋼的五分之一[1]。但經過熱處理其強度會大幅增加。雖然目前出現了無人駕駛汽車，無人駕駛車輛的安全性設計已經比較可靠，但應用還不是很廣泛，目前傳統車還占很大的比重，車輛安全設計還是一個很重要的課題。

在國外，防撞梁的安全問題越來越被重視，由于防撞梁在事故中對車輛起到很重要的保護作用，如果防撞梁設計得足夠安全，在事故中就會對車輛發揮很大的保護作用，保險公司就會從中獲利，所以美國的保險公司推出汽車防撞鋼梁設計標準，以此來減少車輛在事故中的損傷，從而減少保險公司的成本。

目前，國內汽車防撞梁的設計也較少考慮碰撞中能量的吸收問題，而在汽車發生碰撞時，瞬間的碰撞能量是很大的，需要通過防撞梁自身的緩沖設計加以吸收。吸收瞬間的碰撞能量，一方面可以減少車輛自身的損傷，如減少發動機在瞬間的碰撞中受到過大的沖擊而損壞，另一方面可以減輕車內人員受到沖擊后的受傷程度。雖然目前防撞梁在縱梁上有潰縮設計，但橫梁上缺乏相關安全設計。

3 蜂窩防撞吸能設計

3.1 蜂窩結構的優點

蜜蜂可謂能工巧匠，蜂窩的構造更加精巧，在保證受力的同時節省材料。蜂窩由無數個大小相同的正六邊形墻體組成，每個六邊形單體互鄰連接，六邊形的底既不是平的，也不是圓的，是尖的，這個底是由3個完全相同的菱形組成。有人測量過菱形的角度，兩個鈍角都是109°而兩個銳角都是70°[2]。調查發現，幾乎所有的蜂窩都是這一結構，蜂窩這一獨特的結構可以使其應用在汽車防撞梁上成為可能。

蜂窩這一結構材料和工字鋼結構相似，如精密排列的工字鋼，故而結構變得異常堅固，其抗彎、抗壓強度極高，而且其內部為空心，質量較輕，空間變形余量較大，具有極佳的緩沖性能和收縮性。從材料力學角度分析，蜂窩結構六邊面與受力方向平行，由于立面比平面可承受較大的沖擊力，在沖擊時表現出優異的抵彎性能，故而在緩沖包裝材料中被大量應用。而蜂窩結構在汽車上應用較少，汽車散熱水箱雖然不是蜂窩結構，但在事故中，受力面與受力方向也是平行的，中小交通事故表明散熱水箱的結構也可以起到一定的緩沖作用，減少事故中發動機的損傷，而蜂窩結構的緩沖性能優于散熱水箱，將此結構應用于汽車防撞梁設計，提高汽車在中小型事故中的安全性。

3.2 蜂窩防撞梁結構功能設計

此汽車防撞梁的設計是一種蜂窩吸能緩沖裝置，車輛正前方為“U”字型框架，框架兩端連接有安裝片，安裝片將蜂窩緩沖梁連接到車架上。“U”字型框架外圍布滿若干蜂窩單體，蜂窩單體通過卡箍固定在防撞梁“U”字型基本框架上，以方便安裝和拆卸。蜂窩單體由薄鋼板折彎焊接而正六邊形，再通過點焊將每個蜂窩單元連接成帶狀，帶狀蜂窩單體固定到“U”字型基本框架上，當車輛發生碰撞事故時，蜂窩單體的緩沖結構性能便發揮作用，蜂窩的立面結構將來自正面的撞擊力加以吸收，蜂窩結構隨之變形，能量進行了轉換，在中小型事故中這種蜂窩結構發揮了更好的緩沖保護作用。在帶狀蜂窩單體外側粘接有軟袋體，“U”字型基本框架內側兩端均固定有儲液缸，由出液管和進液管將儲液缸和軟袋體進行聯通，出液管和進液管上均安裝有單向閥，儲液缸遠離軟袋體一端連接有端蓋，端蓋內側固定有復位彈簧，且復位彈簧另一端連接有活塞，當防撞梁受到來自外部的沖擊時，軟袋體內的阻燃性液體通過單向閥流向儲液缸，將碰撞的一部分能力進行吸收，減緩了對車輛的沖擊，“U”字型基本框架與安裝片之間連接吸能盒，起到進一步吸收能力的作用。

此汽車蜂窩吸能防撞梁設計考慮能量的層級衰減，在防撞梁外側設置軟袋體進行第一層級的緩沖，可以吸收較小的碰撞能量，當碰撞能量較大時，蜂窩狀結構帶發揮第二層級的緩沖作用，蜂窩的變形再次吸收大部分碰撞能量，使碰撞能量再次得到衰減，另外，吸能盒的設置可以再次吸收更多的碰撞能量，達到第三層級的緩沖作用，所以此蜂窩防撞梁設計有三道緩沖防線，將車輛受到的外部碰撞做到了層級衰減，可以更大程度減少車輛及車上人員的碰撞損傷，起到被動防御的目的。

3.3 蜂窩吸能裝置關鍵連接點設計

此防撞梁連接點設計包括“U”字型框架1，其兩端連接有安裝片10，框架1與安裝片10之間連接有吸能盒[3]9，框架1外側設置蜂窩單體6，蜂窩單體6通過若干卡箍7固定于框架1上，蜂窩單體6由多個薄鋼片2相互焊接組成，且薄鋼片2呈蜂窩狀，通過框架1兩端端部的安裝片10將整個防撞梁安裝在車體縱梁上，吸能盒9在車輛低速碰撞時減小對車身縱梁的損害;在汽車發生重大碰撞事故時，蜂窩單體6能吸收大部分碰撞能量。蜂窩單體6外圍粘接有軟袋體8，“U”字型框架1內側兩端均固定有儲液缸5，儲液缸5靠近軟袋體8一端分別連接有出液管3和進液管4，進出液管上均安裝有單向閥15，儲液缸5遠離軟袋體8一端螺接有端蓋12，端蓋12內側固定有復位彈簧11，且復位彈簧11另一端連接有活塞13，復位彈簧11內部套接有限位柱14，且限位柱14一端固定在端蓋12上，另一端貫穿活塞13并固定在儲液缸5內壁，出液管3上的單向閥15開向軟袋體8，進液管4上的單向閥15開向儲液缸5，軟袋體8內充滿阻燃性液體，當有輕微碰撞時，軟袋體8受到外力而被擠壓，其內部阻燃性液體由進液管4進入儲液缸5內，從而推動活塞13擠壓復位彈簧11，而后復位彈簧11在彈力作用下復位，帶動活塞13將阻燃性液體由出液管3排回軟袋體8內，由于出液管3直徑小于進液管4直徑，使得阻燃性液體在排出時受阻尼力，以達緩沖之目的。

3.4 蜂窩吸能及裝置設計關鍵點分析

本設計方案利用了蜂窩的吸能這一獨特的結構，給予防撞梁吸能的特性。由于蜂窩的結構復雜難加工，所以采用單體連接，將蜂窩結構通過卡箍固定到防撞梁上，方便了加工過程。另外，采用了吸能盒和軟袋的設計，將碰撞能量進一步吸收，起到保護車輛和乘員的目的。

4 結語

本文在汽車防撞梁設計存在的問題分析的基礎上，進行了汽車防撞梁安全設計實踐，分析了蜂窩特性及強度，確定了裝置的設計方案，希望本裝置的設計實踐能對汽車防撞梁的設計人員提供可借鑒的方案。

【參考文獻】

【1】朱平，張宇，葛龍，等.基于正面耐撞性仿真的轎車車身材料輕量化研究[J].機械工程學報，2005（09）：207-211.

【2】徐中明，徐小飛，萬鑫銘，等.鋁合金保險杠防撞梁結構優化設計[J].機械工程學報，2013，49（08）：136-142.

【3】米林，魏顯坤，萬鑫銘，等.鋁合金保險杠吸能盒碰撞吸能特性[J].重慶理工大學學報（自然科學），2012，26（06）：1-7.