汽車氣囊吸能式保險(xiǎn)杠的研究

楊 瑞，劉金龍

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，哈爾濱 150040）

根據(jù)公安部交管局的統(tǒng)計(jì)，自2001年起，我國每年道路交通事故死亡人數(shù)都在10萬人以上，連續(xù)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(guān)注，從各類交通事故的死亡人數(shù)來看，很多交通事故都于汽車保險(xiǎn)杠有關(guān)，目前，國內(nèi)外對汽車保險(xiǎn)杠的研究越來越多。因此，分析與研究汽車保險(xiǎn)杠的碰撞特性和碰撞過程中的吸能特性，改進(jìn)和設(shè)計(jì)吸能式保險(xiǎn)杠對于提高汽車的碰撞安全性具有重要的意義。

1 國內(nèi)外汽車保險(xiǎn)杠的研究方法與趨勢

保險(xiǎn)杠作為安全防護(hù)裝置是現(xiàn)代汽車安全結(jié)構(gòu)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(jīng)成為目前汽車保險(xiǎn)杠的主要研究方向，研究方法主要有碰撞實(shí)驗(yàn)分析法和軟件仿真分析法，研究趨勢主要是吸能式保險(xiǎn)杠的優(yōu)化設(shè)計(jì)和新材料新工藝的應(yīng)用。

1.1 國外汽車保險(xiǎn)杠的研究方法與趨勢

國外的研究方法比較先進(jìn):交通事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、實(shí)車碰撞試驗(yàn)、臺車碰撞試驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)結(jié)合事故數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，然后再通過實(shí)車碰撞確定車體耐撞的有效性，通過臺車碰撞試驗(yàn)確定乘員約束系統(tǒng)的安全性，以及通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對碰撞中車體結(jié)構(gòu)和乘員約束系統(tǒng)的模擬縮短了產(chǎn)品開發(fā)的試驗(yàn)量和周期。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以大變形非線性有限元為基礎(chǔ)的大型碰撞模擬軟件已經(jīng)達(dá)到一定的精度，基于顯式有限元方法的抗撞性分析計(jì)算機(jī)模擬軟件可以模擬計(jì)算實(shí)際的汽車結(jié)構(gòu)碰撞壓潰響應(yīng)，如 LS－DYNA3D、PAM－CRASH、MSC－DYTRAN和ANSYS等。

國外保險(xiǎn)杠的研究和發(fā)展速度較快，他們所研究的吸能式保險(xiǎn)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(hù)行人的要求，現(xiàn)在國外也在研究安全氣囊式保險(xiǎn)杠。

1.2 國內(nèi)汽車保險(xiǎn)杠的研究方法和趨勢

當(dāng)前國內(nèi)許多大學(xué)正在進(jìn)行著汽車碰撞安全性的研究。清華大學(xué)的研究方向包括碰撞試驗(yàn)機(jī)構(gòu)及假人與氣囊模擬計(jì)算方法，以及道路交通事故再現(xiàn)模擬分析系統(tǒng)等;湖南大學(xué)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(yè)大學(xué)的主要研究方向?yàn)榘踩珟У燃s束系統(tǒng);上海交通大學(xué)的研究方向包括整車碰撞模擬，吸能結(jié)構(gòu)和保險(xiǎn)杠的研究等;同濟(jì)大學(xué)的研究方向包括追尾、側(cè)碰分析和乘員響應(yīng)分析等。目前具有汽車碰撞試驗(yàn)?zāi)芰Φ臋C(jī)構(gòu)有:中國汽車技術(shù)研究中心、清華大學(xué)汽車碰撞試驗(yàn)室、一汽長春汽車研究所、二汽襄樊汽車試驗(yàn)研究所等。

綜上所述，國內(nèi)外對汽車碰撞形式、碰撞傷害機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)對措施方面近局限于結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新材料新工藝應(yīng)用，對新吸能手段研究還不充分。

2 汽車保險(xiǎn)杠的功能

汽車保險(xiǎn)杠作為安全防護(hù)裝置是現(xiàn)代汽車結(jié)構(gòu)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(xiǎn)杠要滿足保護(hù)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(hù)車體主要結(jié)構(gòu)，保險(xiǎn)杠發(fā)揮的功能主要表現(xiàn)在以下4個方面［3］:

（1）保護(hù)汽車主要結(jié)構(gòu)的作用。當(dāng)汽車與其它車輛或障礙物相撞時，應(yīng)當(dāng)能夠吸收大部分能量，保護(hù)車體主要結(jié)構(gòu)。

（2）保護(hù)行人的作用。當(dāng)汽車碰撞到行人時，盡可能保護(hù)行人以免受到致命傷害。

（3）符合空氣動力學(xué)要求。保險(xiǎn)杠要符合動力學(xué)要求，減小行車阻力，提高汽車的經(jīng)濟(jì)性。

（4）裝飾和美化整車的作用。隨著汽車產(chǎn)品競爭越來越烈激，保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)要滿足人們審美觀點(diǎn)的要求，起到裝飾和美化車身的作用。

3 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的主要形式

按保險(xiǎn)杠的功能，可分為非吸能式保險(xiǎn)杠和吸能式保險(xiǎn)杠。非吸能式保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)簡單，沒有內(nèi)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(shí)驗(yàn)臺上對普通吸能式保險(xiǎn)杠與非吸能式保險(xiǎn)杠分別進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1。

表1 碰撞試驗(yàn)記錄Tab.1 Collision experiment records

根據(jù)表1可見，吸能式保險(xiǎn)杠與非吸能式保險(xiǎn)杠實(shí)際碰撞變形量相比，吸能式保險(xiǎn)杠的變形量比非吸能式保險(xiǎn)杠的變形量小20%～30%左右，由此我們得出，吸能式保險(xiǎn)杠可以通過內(nèi)部填充物質(zhì)有效地吸收多余的碰撞能量，減少保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的變型程度，吸能能力可以得到有效地提高。

吸能式保險(xiǎn)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(xiǎn)杠、液壓吸能式保險(xiǎn)杠和帶空氣腔式保險(xiǎn)杠［4］。

普通吸能型保險(xiǎn)杠，其結(jié)構(gòu)比較簡單，碰撞時通過內(nèi)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(xiǎn)杠利用液壓油通過節(jié)流孔時的黏性阻力吸收碰撞時的能量，其工作特性穩(wěn)定，碰撞后靠氮?dú)猱a(chǎn)生復(fù)原動力，使保險(xiǎn)杠復(fù)位，吸能能力較強(qiáng)，效果明顯。但是，液壓吸能式保險(xiǎn)杠價(jià)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(nèi)襯的保險(xiǎn)杠稱為帶空氣腔式保險(xiǎn)杠，與普通式保險(xiǎn)杠相比，合理的氣腔數(shù)量和氣壓，能使這種保險(xiǎn)杠與普通式保險(xiǎn)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(xiǎn)杠設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和技術(shù)原理的先進(jìn)性

眾所周知，被動安全包括結(jié)構(gòu)耐撞性、乘員約束系統(tǒng)和障礙物一次碰撞。而一次碰撞耐撞性設(shè)計(jì)的一個關(guān)鍵技術(shù):是解決在有限的碰撞空間內(nèi)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(tǒng)保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)受限

由于受到鋼材強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)重量，工藝和制造成本的限制，常規(guī)結(jié)構(gòu)在規(guī)定壓縮距離內(nèi)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(shè)計(jì)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(xiàn)有耐撞性技術(shù)主要手段有結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、高強(qiáng)鋼應(yīng)用、激光焊接和液壓成型等先進(jìn)工藝應(yīng)用，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)很難突破現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)吸能極限。

4.2 國外安全氣囊式保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的優(yōu)先設(shè)計(jì)

隨著主動避撞技術(shù)的日趨成熟，臨撞判斷技術(shù)（對不可避免的碰撞時間的預(yù)測）的開發(fā)已經(jīng)接近到可以區(qū)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(fā)生之前的瞬間可以根據(jù)被撞對象的性質(zhì)改變保險(xiǎn)杠的剛度。國外有一類應(yīng)對措施是安全氣囊式保險(xiǎn)杠，它將傳感器、固體燃料、氣囊集成后安裝在汽車的前保險(xiǎn)杠內(nèi)。如果臨撞判斷系統(tǒng)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(tǒng)就會起爆并彈出一個安裝在保險(xiǎn)杠外部的行人保護(hù)氣囊，在保險(xiǎn)杠和行人之間形成吸能隔離區(qū)，從而起到保護(hù)行人的作用。這類系統(tǒng)需要安裝火工充氣裝置 （類似于乘員保護(hù)安全氣囊的原理），所以結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價(jià)格也比較昂貴。

4.3 吸能式氣囊保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和技術(shù)原理的先進(jìn)性

本設(shè)計(jì)采用另一種應(yīng)對措施:保險(xiǎn)杠體為中空狀，在保險(xiǎn)杠體內(nèi)安裝一種預(yù)充氣式結(jié)構(gòu)氣囊，其整體剖視示意圖如圖1所示，通過沖入適當(dāng)壓力的氣體，使其剛度與現(xiàn)有傳統(tǒng)保險(xiǎn)杠的剛度相當(dāng)，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(xiǎn)杠的外力。

當(dāng)避撞系統(tǒng)檢測到被撞物是行人時，控制系統(tǒng)就會開啟保險(xiǎn)杠氣囊上的一個泄氣閥，將氣囊的剛度調(diào)整到剛好適合保護(hù)行人下肢的參數(shù)。這個過程不需要實(shí)時判斷和系統(tǒng)閉環(huán)控制，只需要事先根據(jù)行人腿部撞擊試驗(yàn)，調(diào)整好泄氣閥的固定開度就可以，控制系統(tǒng)只需要輸出一個開關(guān)量，所以成本會比臨時充氣式結(jié)構(gòu)降低很多，而且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上也更容易于實(shí)現(xiàn)。

圖1 氣囊式保險(xiǎn)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(fā)動機(jī)的變型甚至汽車內(nèi)室的變型，結(jié)構(gòu)氣囊預(yù)充氣剛度可以經(jīng)過大量測試設(shè)定為某一特定值，在碰撞達(dá)剛度到這個特定值時，結(jié)構(gòu)氣囊破裂將氣體全部泄出，多緩沖掉一部分碰撞能量。

5 結(jié)束語

根據(jù)國內(nèi)外汽車保險(xiǎn)杠的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢可見，吸能式保險(xiǎn)杠在汽車碰撞中的重要性逐漸提高，吸能式保險(xiǎn)杠的吸能作用明顯。而汽車吸能式氣囊保險(xiǎn)杠能最大限度地保護(hù)汽車和行人安全，采用結(jié)構(gòu)氣囊以后，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體剛度不變的前提下，不僅有效地提高了保險(xiǎn)杠的吸能特性，而且降低了縱梁和碰撞盒等原有金屬結(jié)構(gòu)件的重量，或替代高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jīng)濟(jì)性。因此，研究和開發(fā)吸能式氣囊保險(xiǎn)杠具有十分廣闊的發(fā)展前景。

】

［1］中國歷年交通事故死亡人數(shù)官方統(tǒng)計(jì)［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(xiàn)現(xiàn)仿真研究［J］.森林工程，2012，28（3）:42 －46.

［3］趙劉軍.保險(xiǎn)杠的發(fā)展及應(yīng)用［J］.公路與汽車，2009（4）:16－17.

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

［5］胡敬文.汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的耐碰性研究綜述及保險(xiǎn)杠支架的碰撞試驗(yàn)研究［A］.中國汽車工程學(xué)會2003學(xué)術(shù)會議［C］.北京:機(jī)械出版社，2003:41－44.