淺析汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)碰撞性能研究

魏偉

摘要：在交通事故中，汽車前、后方碰撞概率最高。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)是汽車正面碰撞中主要的承受沖擊和吸能零部件。因此，本文在分析保險(xiǎn)杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、國內(nèi)外研究現(xiàn)況的基礎(chǔ)上，提出了保險(xiǎn)杠系統(tǒng)碰撞性能研究的有效方法，對(duì)于提高汽車碰撞安全性有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：汽車，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)，碰撞性能

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國汽車保有量不斷提高，截至2017年底，全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到3.10億輛，其中汽車2.17億輛。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，汽車交通事故造成的死亡數(shù)量占各類事故死亡人數(shù)的首位，所有如何提高汽車在碰撞過程中的耐撞性、降低維修費(fèi)用和盡可能地減少人員的傷亡成為我國汽車安全性研究的重要課題。

1 保險(xiǎn)杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

汽車前、后端保護(hù)裝置，俗稱保險(xiǎn)杠系統(tǒng)，指安裝在汽車前部和后部的零件，通常由吸能材料制成，比如鋼材、鋁材、塑料和泡沫等。發(fā)生碰撞時(shí)，大多數(shù)情況下都有保險(xiǎn)杠的參與，作為一種保護(hù)裝置，其設(shè)計(jì)要求是：在接觸和輕度碰撞過程中，不會(huì)對(duì)車輛造成嚴(yán)重?fù)p傷，并保護(hù)車身、發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，以及與安全相關(guān)的燈光等不受損傷。

以前保險(xiǎn)杠系統(tǒng)為例，其結(jié)構(gòu)分解如圖1。汽車前端保險(xiǎn)杠系統(tǒng)主要包括保險(xiǎn)杠殼體、保險(xiǎn)杠支架、吸能塊、保險(xiǎn)杠加強(qiáng)橫梁、前圍與縱梁連接模塊。

其中，塑料保險(xiǎn)杠殼體、吸能塊和保險(xiǎn)杠加強(qiáng)橫梁都可作為緩沖吸能部件。汽車的前后部分為碰撞吸能區(qū)，殼體部分采用強(qiáng)度比較低的塑料材料制造，在發(fā)生碰撞時(shí)可以變形，吸收一部分的碰撞能量，不僅防止車輛本身被撞壞，還能防止車輛把行人撞傷。在殼體內(nèi)部與車身結(jié)構(gòu)銜接中間，增加吸能區(qū)，通過吸能塊吸收了大部分的碰撞能量，吸能塊的主要功能是支撐、防撞、吸能。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)里面承擔(dān)沖擊的主要部件是保險(xiǎn)杠加強(qiáng)橫梁。加強(qiáng)橫梁材質(zhì)通常選擇鋁合金或鋼材材質(zhì)，通過沖壓或輥壓工藝加工成U型槽，用螺栓固定在車身縱梁上，為了方便售后維修，防撞梁一般可以單獨(dú)拆下來。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)況

（1）國內(nèi)現(xiàn)狀

GB 17354-1998是參照歐盟ECE R42法規(guī)制定的汽車前、后端保護(hù)裝置評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，與ECE R42法規(guī)要求基本相同。法規(guī)是對(duì)汽車產(chǎn)品的最低要求，而日益盛行的的一些評(píng)價(jià)規(guī)程，如NCAP（新車評(píng)價(jià)程序）則對(duì)汽車安全性能提出了更高的要求。與汽車碰撞安全法規(guī)不同，NCAP是由政府、保險(xiǎn)公司、消費(fèi)者組織、汽車俱樂部等機(jī)構(gòu)共同制定，其評(píng)價(jià)測試條件往往比法規(guī)更為嚴(yán)格^【1】。2006年，為了促進(jìn)中國汽車產(chǎn)品安全技術(shù)水平的快速發(fā)展，降低道路交通安全事故傷亡率，實(shí)現(xiàn)構(gòu)建和諧汽車社會(huì)的目標(biāo)，中國汽車技術(shù)研究中心正式建立了中國新車評(píng)價(jià)規(guī)程（C-NCAP）^【2】。

2018年版C-NCAP管理規(guī)則中新增加了行人保護(hù)試驗(yàn)及評(píng)價(jià)要求，各大主機(jī)廠在新款車型的開發(fā)中，更加注重保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，紛紛增加了行人保護(hù)下橫梁，如果車輛與行人發(fā)生碰撞時(shí)，腿部保護(hù)設(shè)計(jì)可以改變?nèi)梭w的運(yùn)動(dòng)軌跡，防止腿部卷入車底。行人保護(hù)下橫梁的常見類型如圖2，分為：下置式（安裝在前保險(xiǎn)杠面罩下部）、防撞梁組合式（安裝在防撞梁上）、底護(hù)板一體式（與發(fā)動(dòng)機(jī)下?lián)醢寮梢惑w式）。

（2）國外現(xiàn)狀

美國1979年最早采用NCAP體系，近三十多年來，世界各國家和地區(qū)也相繼開展了NCAP評(píng)價(jià)。目前，美國、歐洲、韓國、日本等國家均根據(jù)NCAP相關(guān)要求結(jié)合自身實(shí)際制定了相應(yīng)的US-NCAP、Euro-NCAP、K-NCAP、J-NCAP等測試標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的耐撞性能，世界上大多數(shù)國家和地區(qū)都制定了相關(guān)的法規(guī)和規(guī)范。其中影響較大的主要有：美國FMVSS CFR 581、歐盟ECE R42、德國的AZT-Crash-Test、加拿大CFVSS 215等。

此外，美國還有一項(xiàng)IIHS試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。IIHS是美國保險(xiǎn)公司指定的對(duì)汽車安全性能的測試指標(biāo)，這是全球諸多安全碰撞試驗(yàn)中最嚴(yán)格的一個(gè)碰撞測試^[3]。從總體試驗(yàn)強(qiáng)度和碰撞速度方面比較，IIHS比FMVSS 581的要求更高，但是消費(fèi)者和汽車制造商對(duì)這個(gè)結(jié)果都很重視。因?yàn)镮IHS的檢測結(jié)果是公開的，會(huì)對(duì)消費(fèi)者購買汽車和汽車保險(xiǎn)費(fèi)有一定的影響。

3 碰撞性能研究方法

目前，對(duì)汽車碰撞研究的方法主要是試驗(yàn)研究、計(jì)算機(jī)仿真研究。汽車被動(dòng)安全性的分析最早是通過試驗(yàn)來進(jìn)行的，通過分析研究碰撞試驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，從而滿足相關(guān)法規(guī)的要求。但是，汽車碰撞試驗(yàn)對(duì)安全性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確率和改進(jìn)能力，取決于試驗(yàn)手段的先進(jìn)性和測量裝置的精準(zhǔn)性。隨著計(jì)算機(jī)的普及運(yùn)用，有限元理論開始應(yīng)用于工程計(jì)算。

3.1 碰撞試驗(yàn)分析

碰撞試驗(yàn)可分為實(shí)車碰撞試驗(yàn)和模擬碰撞試驗(yàn)（即臺(tái)車試驗(yàn)）。實(shí)車碰撞試驗(yàn)是用實(shí)際的汽車整車按照相關(guān)法規(guī)或規(guī)范的要求進(jìn)行碰撞試驗(yàn)。通過整車碰撞試驗(yàn)，檢查新開發(fā)的車輛是否滿足設(shè)定要求。汽車整車碰撞試驗(yàn)涉及的零部件很多，試制樣車的成本高，而且作為破壞性試驗(yàn)，試驗(yàn)花費(fèi)很高。此外，每次試驗(yàn)的條件不能完全相同，試驗(yàn)分析會(huì)受到許多隨機(jī)因素的影響，如試驗(yàn)測量設(shè)備等外界因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響就很大。但是，實(shí)車碰撞與實(shí)際發(fā)生事故的環(huán)境最接近，是衡量車身變形對(duì)乘員生存空間的影響和評(píng)價(jià)車輛綜合安全性能最直接、最有效的方法。所以對(duì)于市場上新車型碰撞安全性能測試，我們更傾向于相信實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果。比如NCAP、IIHS，便是將市場上購買的新車型進(jìn)行嚴(yán)格、全面的碰撞安全性能測試。

臺(tái)車碰撞試驗(yàn)是對(duì)整車碰撞試驗(yàn)的一種簡化模擬形式，借助試驗(yàn)臺(tái)車模擬實(shí)車的約束條件，對(duì)汽車零部件進(jìn)行碰撞試驗(yàn)確認(rèn)。臺(tái)車試驗(yàn)相對(duì)實(shí)車碰撞試驗(yàn)方法，試驗(yàn)成本較低，可重復(fù)操作，研究周期較短。比如：C-NCAP中的鞭打試驗(yàn)就屬于臺(tái)車碰撞試驗(yàn)。

3.2 碰撞仿真分析

試驗(yàn)方法來研究車輛的耐撞性能存在一定的局限性，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、建模技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。與試驗(yàn)研究方法對(duì)比，計(jì)算機(jī)仿真方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）節(jié)省開發(fā)成本。運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真方法，不需要電器、光學(xué)等測試硬件設(shè)備，也無需進(jìn)行破壞性的試驗(yàn)，因此可以節(jié)省大量的物力和人力成本。

（2）開發(fā)周期短。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段，對(duì)CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析，及時(shí)優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從而縮短零部件開發(fā)周期。

（3）可重復(fù)性好。計(jì)算機(jī)仿真依賴于計(jì)算機(jī)硬件本身，試驗(yàn)條件可以通過計(jì)算機(jī)設(shè)定，不受外界隨機(jī)因素的影響。所以，改變某一參數(shù)，很容易就可以獲取該參數(shù)對(duì)于碰撞性能的影響。

（4）可獲得任意所需數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，計(jì)算機(jī)仿真可以不受試驗(yàn)設(shè)備和監(jiān)測點(diǎn)位置的限制，只要在檢測點(diǎn)上建立局部坐標(biāo)，就可以獲得所需數(shù)據(jù)。

（5）不受時(shí)間、空間、氣候等外界條件的限制，可以隨時(shí)進(jìn)行分析研究。

與實(shí)車碰撞試驗(yàn)相比，計(jì)算機(jī)仿真研究方法的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)無法企及的，但是計(jì)算機(jī)仿真不可能完全脫離試驗(yàn)或替代試驗(yàn)。這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)仿真方法中建立的模型存在許多局限性，并不能充分反映真實(shí)的碰撞情況。同時(shí)，仿真精度的影響使得目前的車輛耐撞性研究無法完全依靠計(jì)算機(jī)仿真而脫離試驗(yàn)。因此，計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果的正確與否最終需要試驗(yàn)來驗(yàn)證。通過以上分析對(duì)比，整理出汽車碰撞性能研究方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1。

由此可見，在進(jìn)行汽車保險(xiǎn)杠系統(tǒng)碰撞性能分析時(shí)，碰撞試驗(yàn)研究和仿真研究各有優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)沒有辦法完全互相替代。所以，在研究保險(xiǎn)杠系統(tǒng)碰撞性能時(shí)，可以將計(jì)算機(jī)仿真分析及試驗(yàn)方法相結(jié)合，通過仿真提前分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修正并驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果，從而有效地進(jìn)行保險(xiǎn)杠系統(tǒng)新產(chǎn)品的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬美林. 中國新車評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)簡介[J]. 中國科技信息，2007，（7）：88-89.

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[3] 李建材.某乘用車保險(xiǎn)杠的碰撞安全性能研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2014.