淺析汽車保險杠系統(tǒng)碰撞性能研究

魏偉

（東風(fēng)悅達(dá)起亞汽車有限公司 224000)

1 保險杠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

汽車前、后端保護(hù)裝置，俗稱保險杠系統(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，大多數(shù)情況下都有保險杠的參與。作為一種保護(hù)裝置，其設(shè)計要求是：在接觸和輕度碰撞過程中，不會對車輛造成嚴(yán)重?fù)p傷，并保護(hù)車身、發(fā)動機、排氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，以及與安全相關(guān)的燈光等不受損傷。

以前保險杠系統(tǒng)為例，其結(jié)構(gòu)分解如圖1。汽車前端保險杠系統(tǒng)主要包括保險杠殼體、保險杠支架、吸能塊、保險杠加強橫梁、前圍與縱梁連接模塊。其中，塑料保險杠殼體、吸能塊和保險杠加強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)，殼體部分采用強度比較低的塑料材料制造，在發(fā)生碰撞時可以變形，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、防撞和吸能。保險杠系統(tǒng)里面承擔(dān)沖擊的主要部件是保險杠加強橫梁。加強橫梁材質(zhì)通常選擇鋁合金或鋼材，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拆下來。

圖1 前保險杠系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)況

2.1 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)裝置評價標(biāo)準(zhǔn)，與ECE R42法規(guī)要求基本相同。法規(guī)是對汽車產(chǎn)品的最低要求，而日益盛行的一些評價規(guī)程，如NCAP（新車評價程序）則對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、保險公司、消費者組織和汽車俱樂部等機構(gòu)共同制定，其評價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，實現(xiàn)構(gòu)建和諧汽車社會的目標(biāo)，中國汽車技術(shù)研究中心正式建立了中國新車評價規(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)試驗及評價要求，各大整車廠商在新款車型的開發(fā)中，更加注重保險杠系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，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，腿部保護(hù)設(shè)計可以改變?nèi)梭w的運動軌跡，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（安裝在前保險杠面罩下部）、防撞梁組合式（安裝在防撞梁上）和底護(hù)板一體式（與發(fā)動機下?lián)醢寮梢惑w式）。

2.2 國外現(xiàn)狀

美國1979年最早采用NCAP體系，30年來，世界各國家和地區(qū)也相繼開展了NCAP評價。目前，美國、韓國和日本等國家以及歐洲地區(qū)均根據(jù)NCAP相關(guān)要求，結(jié)合自身實際制定了相應(yīng)的USNCAP、K-NCAP、J-NCAP和 Euro-NCAP等測試標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 行人保護(hù)下橫梁

針對汽車保險杠系統(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)。其中影響較大有：美國FMVSS CFR 581、歐盟ECE R42、德國的AZT-Crash-Test和加拿大CFVSS 215等。

此外，美國還有一項IIHS試驗標(biāo)準(zhǔn)。IIHS是美國保險公司指定的對汽車安全性能的測試指標(biāo)，這是全球諸多安全碰撞試驗中最嚴(yán)格的一個碰撞測試[3]。從總體試驗強度和碰撞速度方面比較，IIHS比FMVSS 581的要求更高，但是消費者和汽車制造商對這個結(jié)果都很重視。因為IIHS的檢測結(jié)果是公開的，會對消費者購買汽車和汽車保險費有一定的影響。

3 碰撞性能研究方法

目前，對汽車碰撞研究的方法主要是試驗研究和計算機仿真研究。汽車被動安全性的分析最早是通過試驗來進(jìn)行的，通過分析研究碰撞試驗結(jié)果，改進(jìn)設(shè)計結(jié)構(gòu)，從而滿足相關(guān)法規(guī)的要求。但是，汽車碰撞試驗對安全性評價的準(zhǔn)確率和改進(jìn)能力，取決于試驗手段的先進(jìn)性和測量裝置的精準(zhǔn)性。

3.1 碰撞試驗分析

碰撞試驗可分為實車碰撞試驗和模擬碰撞試驗（即臺車試驗）。實車碰撞試驗是用實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。通過整車碰撞試驗，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，試驗花費很高。此外，每次試驗的條件不能完全相同，試驗分析會受到許多隨機因素的影響，如試驗測量設(shè)備等外界因素對試驗結(jié)果影響就很大。但是，實車碰撞與實際發(fā)生事故的環(huán)境最接近，是衡量車身變形對乘員生存空間的影響和評價車輛綜合安全性能最直接、最有效的方法。所以對于市場上新車型碰撞安全性能測試，我們更傾向于相信實車碰撞試驗結(jié)果。比如NCAP和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。

臺車碰撞試驗是對整車碰撞試驗的一種簡化模擬形式，借助試驗臺車模擬實車的約束條件，對汽車零部件進(jìn)行碰撞試驗確認(rèn)。臺車試驗相對實車碰撞試驗方法，試驗成本較低，可重復(fù)操作，研究周期較短。比如：C-NCAP中的鞭打試驗就屬于臺車碰撞試驗。

3.2 碰撞仿真分析

試驗方法來研究車輛的耐撞性能存在一定的局限性，隨著計算機技術(shù)、圖形圖像技術(shù)和建模技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了計算機仿真技術(shù)。與試驗研究方法對比，計算機仿真方法具有如下優(yōu)點。

(1)節(jié)省開發(fā)成本。運用計算機仿真方法，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，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)計開發(fā)階段，對CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機仿真分析，及時優(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。計算機仿真依賴于計算機硬件本身，試驗條件可以通過計算機設(shè)定，不受外界隨機因素的影響。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，計算機仿真可以不受試驗設(shè)備和監(jiān)測點位置的限制，只要在檢測點上建立局部坐標(biāo)，就可以獲得所需數(shù)據(jù)。

(5)不受時間、空間和氣候等條件限制，可隨時進(jìn)行分析研究。

計算機仿真研究不可能完全脫離試驗或替代試驗。這是因為計算機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的碰撞情況。同時，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算機仿真而脫離試驗。因此，計算機仿真的結(jié)果正確與否最終需要試驗來驗證。通過以上分析對比，整理出汽車碰撞性能研究方法的優(yōu)缺點如表1。

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

表1 汽車碰撞性能研究方法