汽车保险杠的结构特性及设计要求的研究
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摘 要：安全、节能、环保，已经成为汽车工业发展的三大主题。汽车保险杠位于汽车前部，是前部碰撞事故中首先接触的部位，在人车碰撞时低对行人的伤害和车车碰撞中减小对车辆的损坏方面起着重要作用。因此，对汽车前保险杠的结构特性进行研究，具有重要的意义。
关键词：保险杠；吸能型；气腔式
1.引言
汽车碰撞过程中发生最多的是汽车前部的碰撞，汽车保险杠系统在汽车低速碰撞中起着至关重要的作用。本文分析了目前国内外汽车保险杠的结构形式和主要类型，同时简单分析了汽车前保险杠的设计要求。
2.保险杠的结构及特点
轿车前保险杠系统一般由保险杠加强横梁、吸能盒、托架、内衬等组成[1]，有的还在保险杠加强横梁与保险杠的外壳之间装有塑性材料，当车辆与行人发生碰撞时，泡沫材料可以对行人腿部有缓冲作用，可以改善碰撞过程对行人小腿的损伤，同时为保险杠外壳提供支撑，避免外壳在轻微受压时断裂或变形。常见的保险杠有以下几种。
2.1 普通保险杠（conventional bumper system）
普通保险杠由防撞横杠、横杠加强件、支架、树脂类填料等组成， 结构简单，得到广泛应用。它在保险杠 U 形横梁和加强件之间填充树脂等复合材料、蜂窝状材料或氨基甲酸乙酯泡沫等，利用树脂块或泡沫的变形吸收碰撞时的能量。
2.2 液压吸能型保险杠（Hydraulic Bumper System）
液压吸能型保险杠的结构见图，保险杠横梁内侧的加强件通过橡胶垫和液压缓冲减振器里面的活塞杆相连，活塞杆是空心结构，里面有浮动活塞，活塞将活塞杆里面的空腔隔成左右两个腔，右腔里充满液压油，左腔里充满氮气，活塞杆的外圆柱面和缓冲液压缸的内圆柱面之间滑动配合，缓冲液压缸内的液压油和活塞杆的右腔相通。缓冲液压缸固定在车身加强件或车架上。当汽车发生碰撞事故时，保险杠将受到的冲击载荷传到活塞杆，活塞杆向右侧移动，液压油被挤压通过节流孔向活塞杆的右腔流动，液压油推动活塞杆中的浮动活塞向左侧移动，活塞杆左腔内的氮气被压缩，利用液压油流过节流孔时的黏性阻力来吸收碰撞能量，吸能的效率可高达 80%。这种油气弹簧式缓冲减振器有效利用了液体节流减振、气体缓冲的工作方式，工作特性稳定。碰撞后靠氮气膨胀产生复原力使保险杠恢复原位。这种保险杠造价较高，常使用于高档轿车上[2]。
图 2.2 液压吸能型保险杠
2.3 带气腔式保险杠（Gas Tube Bumper System）
气腔式保险杠使用气腔作为内衬，安装在外盖板和横梁之间。当发生碰撞时，气腔被压缩，影响气腔外包裹部件的变形，从而提高保险杠吸能效果。有文献数据表明，合理设计气腔个数和气压并保证包裹气腔部件的强度，与普通式保险杠相比，带气腔式保险杠能使 15 km/h 的工况下 40%偏置碰的减速度减小 20%～50%。
2.4 安全气囊式保险杠（Airbag Bumper System）[3]
国外研制了一种带安全气囊的汽车保险杠，这种带安全气囊的汽车保险杠装置主要通过传感器、气泵、气囊等主要部件构成，并集成后安装在汽车前保险杠内。当发生碰撞时，在行人同汽车保险杠接触的瞬间，传感器检测到信号后发出指令，汽车保险杠的内藏板迅速放下，以便防止行人被撞倒后进入车底造成更大伤害。同时，汽车保险杠上的传感器发出信号触发点火回路，点燃气体发生器内的固体燃料，燃料迅速燃烧，释放出大量的氮气，氮气在较大的气压作用下迅速充入气囊，便气囊向前快速打开，使被撞的行人与气囊进行软接触，起到保护行人的作用。位于汽车保险杠两侧的翼状气囊充气后也同时向两侧举升，这样可以防止行人被碰撞后滚落到公路上造成二次撞击，同时发出信号控制汽车来实施应急制动，以降低车速。
3.保险杠的设计要求
一般将汽车发动机舱的溃缩区域分为三级：依次是变形区、相容区、自身保护区。前保险杠位于变形区，是汽车车身结构的重要组成部分，作为重要的被动安全装置之一，在汽车上得到普遍的应用，在行人保护和低速碰撞等方面有着举足轻重的作用.
保险杠的设计要求有：
（1）当车辆与行人发生碰撞事故时，最大限度的减轻对行人的伤害；
（2）当汽车发生轻微的碰撞接触时，保险杠能吸收撞击的能量，并能自动恢复原状；
（3）当车辆和障碍物或其他车辆发生低速碰撞时，保护冷却系统、灯具照明系统、翼子板等部件，确保汽车的前纵梁不会发生变形，降低车辆的修复成本；
（4）保险杠前防撞横梁的作用是将碰撞中产生的能量尽可能均匀地传递到车身结构的吸能元件，偏置碰撞中能将碰撞力传递到保险杠的另一侧，使碰撞能量最大限度的被吸能元件吸收，同时将碰撞力均匀地分散到车身前纵梁骨架上[4]，并确保前纵梁压溃后内侵量不能过大。
（5）前保险杠横梁是车辆约束系统的控制单元（ECU）最先感知车辆碰撞减速度的部件，横梁的强度对 ECU 判断安全气囊点火时刻具有重要的意义。
此外，保险杠的设计要求质量轻；装饰和美化车身；总体结构外形满足整车空气动力学要求，以减小空气阻力，降低油耗；便于拆装更换，维修简便；制造工艺简单，成本低等。
4.结束语
本文简单的分析了几种汽车前保险杠结构、特点以及保险杠的一些设计要求，从中我们可以看出不同保险杠的优势所在，通过这些分析、对比，希望能够对以后汽车保险杠的设计人员有一定的帮助。
参考文献：
[1]Sandeep Kulkarni，Efficient and Cost Effective Energy Absorbers for Automotive Bumper： A Novel Energy Absorber[J]，SAE，2009-26-009
[2]屈求真.轿车保险杠系统的结构型式及其选用.湖北汽车工业学报，1996（16）
[3]Park In Song.A study on the performance of the new bumper system with gas tube[J].SAE 2002-01-2116
[4]周荣，孟岩，徐枭，等.汽车先进的整车与总成开发技术跟踪和研究[R].中国汽车技术研究中心，2008.6（第二期）