新型分层逐级吸能式保险杠设计

刘阳训



新型分层逐级吸能式保险杠设计

刘阳训

（浙江经济职业技术学院，浙江 杭州 310000）

汽车保险杠是吸收缓和外界冲击力、防护车身前后端的安全装置。文章介绍了汽车吸能式保险杠的主要类型和工作原理，并给出一种新型逐级吸能式保险杠设计，为汽车保险杠实现分层逐级吸能扩展思路。

汽车保险杠；分层吸能；逐级吸能；设计

前言

汽车保险杠作为汽车车身被动安全防护系统的重要组成部分，一般独立安装在汽车的最前端和最后端，在车辆安全、行人保护、整车造型和空气动力学等方面都起重要的作用。在低速行驶发生碰撞时，保险杠可以有效保护车辆组合灯具、引擎盖、翼子板和散热器等前部零件[1]；对行人的保护主要集中在行人下肢部位，当发生正面碰撞（低速）时，可有效降低行人腿骨骨折、关节错位、韧带撕裂等损伤或致残概率[2]；在整车造型方面，保险杠起到画龙点睛的作用，它能够与车身风格自然结合，展示出整车外饰艺术特点[3]；前保险杠处扰流板设计和后保险杠通风口设计都对车辆空气动力学起着重要作用。

1 保险杠的构造和分类

常见的汽车保险杠一般由外饰盖板、内衬、横杠和托架等构成。按其功能可分为非吸能式汽车保险杠和吸能式汽车保险杠两大类。非吸能式汽车保险杠结构形式简单，其材料一般为塑料，由于没有内衬、横杠等吸能构造，又没有足够的刚度和强度，在发生碰撞时无法起到足够保护，会损坏汽车大灯、翼子板、散热器等零件，对于大型车辆，甚至会损坏前风窗玻璃和仪表盘灯，因此一般只起到装饰作用；采用合金材料的保险杠无法保护行人，不能满足人车碰撞共生性原则。综上，非吸能式保险杠无法兼顾低速碰撞和行人保护这两个保险杠最主要作用。吸能式保险杠经过合理设计能够兼顾并满足上述两个作用，在目前汽车市场中应用广泛。

2 吸能式保险杠分类和工作原理

吸能式保险杠指采用特殊方式（内部填充吸能块等）和材料（PP+T系），在发生碰撞时可发生溃缩并大幅度吸收撞击力同时最大限度保护行人下肢和驾驶员自身安全的保险杠。吸能式保险杠按吸能方式可分为液压吸能式和自身吸能式两大类。

2.1 液压吸能式

液压吸能式保险杠利用气体缓冲和液压节流减震两种方式的结合大幅度提高了保险杠缓冲吸能效率。其结构如图1所示，泡沫或橡胶吸能块位于外盖板与横杠之间，横杠内侧加强件与液压减震器活塞杆连接在一起，活塞杆内部充有缓冲气体（一般为氮气）并装有浮动活塞，活塞右侧腔体充满液压油，当汽车发生碰撞时，吸能块首先吸收部分冲击力，随后横杠受到冲击推动活塞杆向右移动，液压油经过节流孔涌入活塞右部腔体，活动活塞向左移动压缩气体，从而达到逐级缓冲吸震效果，其吸收能量的效率高达80%[4]。碰撞过后气体膨胀，保险杠恢复至初始形状。液压吸能式保险杠由于工作稳定和碰撞可恢复的特点，在发生碰撞时可有效保护车身并降低维修成本，但成本较高，应用范围小。

图1 液压吸能式保险杠结构

2.2 自身吸能式

自身吸能式保险杠吸能原理是利用自身结构溃缩吸能和内部填充物变形吸能（泡沫或树脂块）来实现的，其结构一般比较简单，由外盖板、吸能块、横杠（防撞梁）、吸能盒和固定支架组成，如图2所示。当发生碰撞时吸能块首先发生变形吸能，达到吸能极限后吸能盒和防撞梁发生溃缩吸能从而起到防护作用。将吸能块用气腔结构替代即可得到一种带气腔式保险杠，该类型保险杠的气腔在被压缩时可影响其表面材料变形方式从而提升缓冲吸能效果，对气腔压力和气腔内部气囊单元数量的合理调整、气腔表面材料强度和刚度选择可有效改善自身吸能式保险杠的吸能效果，尤其是在发生低速偏置碰撞时[5]。自身吸能式保险杠由于结构简单、造价低和设计灵活等优点，在目前各种档次轿车上被广泛引用。

图2 自身吸能式保险杠结构

3 分层逐级吸能式保险杠结构设计

汽车保险杠实现分层吸能的目的是在低速与行人碰撞时保护行人，此时保险杠内部泡沫吸能块起一级吸能作用；在中高速与障碍物碰撞时保护车辆前部总成，此时横杠和吸能盒发生溃缩实现二级吸能。但在低速与行人碰撞时，对行人胫骨部位造成伤害与吸能泡沫材料和形状[6]、保险杠高度、面积、内部结构设计、车辆自身状态等很多因素有关，普通吸能式保险杠不能实现在不同低速范围内最大限度减少对行人腿部伤害程度。

本文给出了一种能够实现分层逐级吸能保险杠设计思路，如图3所示。图中外盖板1、吸能块2、横杠4为普通吸能式保险杠构造，9为碟簧，7为不同剪切强度的凸起挡块，11、12、13分别为摄像头、测速传感器和雷达装置，可以在正常行驶状态下检测车辆行驶速度和前方路况。其工作原理是，当与行人在超低速发生碰撞时，碟簧首先发生弹性收缩，随着车辆在不同低速范围情况下与行人发生碰撞，碟簧产生不同程度收缩，从而实现对行人的保护；在与其他障碍物碰撞时，碟簧收缩达到一定程度后，滑块会向凸起挡块移动并撞击具有不同剪切强度的凸起挡块从而吸收不同碰撞强度所带来的冲击，起到保护驾驶员和车辆前部总成的作用。

图3 分层逐级吸能式保险杠结构

1.外盖板 2.吸能块 3.斜杠 4.横杠 5.滑槽 6.滑块 7.挡块 8.加强筋 9.碟簧 10.挡片 11.摄像头 12. 测速传感器 13.雷达装置 14.橡胶块 15.防护快

4 结语

（1）不同车辆保险杠都要兼顾行人保护和车辆碰撞安全作用。

（2）吸能式保险杠中自身吸能式保险杠为目前主流类型保险杠，被市场广泛应用。

（3）本文给出了一种保险杠内部结构的优化设计，实现了分层多级吸能，对该保险杠在各低速区间下达到最佳吸能效果的结构优化有待进一步研究。

[1] 陈现岭,岳鹏,张凯.基于RCAR试验的汽车低速碰撞性能设计[J].汽车工程,2009,31(12):1165-1168.

[2] 李莉,杨济匡,李伟强等.汽车碰撞行人交通伤害特点分析[J].汽车工程,2005,27(1):44-46.

[3] 胡卫军.浅谈汽车设计中的美学规律[M].吉林:吉林大学艺术学院. 2010-08-15.

[4] 赵桂范,杨娜.汽车制造工艺[M].北京大学出版社,2008.

[5] 赵刘军.保险杠的发展及应用[J].公路与汽运,2009(04).

[6] 曲杰,徐梁,马超.满足行人腿部保护要求的保险杠部件改进[J].研究与开发,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

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1671-7988(2019)03-144-02

U462

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1671-7988(2019)03-144-02

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刘阳训，硕士，讲师，浙江经济职业技术学院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.03.047