杨 瑞，刘金龙

（东北林业大学交通学院，哈尔滨 150040）

根据公安部交管局的统计，自2001年起，我国每年道路交通事故死亡人数都在10万人以上，连续十年居世界第一位［1－2］。汽车碰撞安全问题越来越引起人们的关注，从各类交通事故的死亡人数来看，很多交通事故都于汽车保险杠有关，目前，国内外对汽车保险杠的研究越来越多。因此，分析与研究汽车保险杠的碰撞特性和碰撞过程中的吸能特性，改进和设计吸能式保险杠对于提高汽车的碰撞安全性具有重要的意义。

1 国内外汽车保险杠的研究方法与趋势

保险杠作为安全防护装置是现代汽车安全结构的重要组成部分，有效地减轻人员伤亡程度以及汽车损坏程度已经成为目前汽车保险杠的主要研究方向，研究方法主要有碰撞实验分析法和软件仿真分析法，研究趋势主要是吸能式保险杠的优化设计和新材料新工艺的应用。

1.1 国外汽车保险杠的研究方法与趋势

国外的研究方法比较先进:交通事故数据统计、实车碰撞试验、台车碰撞试验以及计算机仿真技术结合事故数据的统计，然后再通过实车碰撞确定车体耐撞的有效性，通过台车碰撞试验确定乘员约束系统的安全性，以及通过计算机仿真技术对碰撞中车体结构和乘员约束系统的模拟缩短了产品开发的试验量和周期。随着计算机技术的发展，以大变形非线性有限元为基础的大型碰撞模拟软件已经达到一定的精度，基于显式有限元方法的抗撞性分析计算机模拟软件可以模拟计算实际的汽车结构碰撞压溃响应，如 LS－DYNA3D、PAM－CRASH、MSC－DYTRAN和ANSYS等。

国外保险杠的研究和发展速度较快，他们所研究的吸能式保险杠按缓冲吸能的方式不同可大致分为3类:自身吸能式、液压吸能式、带气腔式。另出于保护行人的要求，现在国外也在研究安全气囊式保险杠。

1.2 国内汽车保险杠的研究方法和趋势

当前国内许多大学正在进行着汽车碰撞安全性的研究。清华大学的研究方向包括碰撞试验机构及假人与气囊模拟计算方法，以及道路交通事故再现模拟分析系统等;湖南大学的研究方向包括碰撞接触算法和气囊展开过程中的接触搜寻问题等;吉林工业大学的主要研究方向为安全带等约束系统;上海交通大学的研究方向包括整车碰撞模拟，吸能结构和保险杠的研究等;同济大学的研究方向包括追尾、侧碰分析和乘员响应分析等。目前具有汽车碰撞试验能力的机构有:中国汽车技术研究中心、清华大学汽车碰撞试验室、一汽长春汽车研究所、二汽襄樊汽车试验研究所等。

综上所述，国内外对汽车碰撞形式、碰撞伤害机理、模拟分析与分析手段的研究投入了大量的精力，但车身结构设计应对措施方面近局限于结构优化和新材料新工艺应用，对新吸能手段研究还不充分。

2 汽车保险杠的功能

汽车保险杠作为安全防护装置是现代汽车结构的重要组成部分，它能有效地减轻人员伤亡程度以及汽车损坏程度。在低速碰撞时，保险杠要满足保护驾驶员、乘员和行人的安全，还要缓和外界对车身的撞击保护车体主要结构，保险杠发挥的功能主要表现在以下4个方面［3］:

（1）保护汽车主要结构的作用。当汽车与其它车辆或障碍物相撞时，应当能够吸收大部分能量，保护车体主要结构。

（2）保护行人的作用。当汽车碰撞到行人时，尽可能保护行人以免受到致命伤害。

（3）符合空气动力学要求。保险杠要符合动力学要求，减小行车阻力，提高汽车的经济性。

（4）装饰和美化整车的作用。随着汽车产品竞争越来越烈激，保险杠的设计要满足人们审美观点的要求，起到装饰和美化车身的作用。

3 保险杠系统的主要形式

按保险杠的功能，可分为非吸能式保险杠和吸能式保险杠。非吸能式保险杠结构简单，没有内衬，支架基本上不吸能，因此缓冲吸能能力较差，只能起到装饰作用。

在自制实验台上对普通吸能式保险杠与非吸能式保险杠分别进行碰撞试验，并记录实验数据，见表1。

表1 碰撞试验记录Tab.1 Collision experiment records

根据表1可见，吸能式保险杠与非吸能式保险杠实际碰撞变形量相比，吸能式保险杠的变形量比非吸能式保险杠的变形量小20%～30%左右，由此我们得出，吸能式保险杠可以通过内部填充物质有效地吸收多余的碰撞能量，减少保险杠结构的变型程度，吸能能力可以得到有效地提高。

吸能式保险杠按照缓冲吸能方式的不同一般可分为3类:普通吸能保险杠、液压吸能式保险杠和带空气腔式保险杠［4］。

普通吸能型保险杠，其结构比较简单，碰撞时通过内部填充树脂块或泡沫的变形来吸收能量，吸能能力可以得到提高，但是效果有限;液压吸能式保险杠利用液压油通过节流孔时的黏性阻力吸收碰撞时的能量，其工作特性稳定，碰撞后靠氮气产生复原动力，使保险杠复位，吸能能力较强，效果明显。但是，液压吸能式保险杠价格昂贵，一般用于高档轿车;在外盖板和横梁之间安装空气腔作为内衬的保险杠称为带空气腔式保险杠，与普通式保险杠相比，合理的气腔数量和气压，能使这种保险杠与普通式保险杠相比能使40%偏置、15 km/h碰撞得速度减小20% ～50%［5］，吸能效果明显，研究空间较大。

4 吸能式气囊保险杠设计结构和技术原理的先进性

众所周知，被动安全包括结构耐撞性、乘员约束系统和障碍物一次碰撞。而一次碰撞耐撞性设计的一个关键技术:是解决在有限的碰撞空间内吸收碰撞能量的最大化问题，即刚度最大与瞬间吸能最大之间的矛盾性问题。

4.1 传统保险杠设计机构受限

由于受到钢材强度、结构重量，工艺和制造成本的限制，常规结构在规定压缩距离内的吸能量是很有限的。虽然压缩空间越长，吸能余地就越大，但是，整车总布置设计都是要求动力总成前后的空间越小越好，也就是压缩空间越短越好。现有耐撞性技术主要手段有结构拓扑优化、高强钢应用、激光焊接和液压成型等先进工艺应用，传统设计已经很难突破现有的结构吸能极限。

4.2 国外安全气囊式保险杠结构的优先设计

随着主动避撞技术的日趋成熟，临撞判断技术（对不可避免的碰撞时间的预测）的开发已经接近到可以区分即将被撞的物体是障碍物还是行人的程度，这就意味着，在碰撞发生之前的瞬间可以根据被撞对象的性质改变保险杠的刚度。国外有一类应对措施是安全气囊式保险杠，它将传感器、固体燃料、气囊集成后安装在汽车的前保险杠内。如果临撞判断系统判断出被撞物体是一个行人而不是一个车辆，这时控制系统就会起爆并弹出一个安装在保险杠外部的行人保护气囊，在保险杠和行人之间形成吸能隔离区，从而起到保护行人的作用。这类系统需要安装火工充气装置 （类似于乘员保护安全气囊的原理），所以结构比较复杂，价格也比较昂贵。

4.3 吸能式气囊保险杠设计结构和技术原理的先进性

本设计采用另一种应对措施:保险杠体为中空状，在保险杠体内安装一种预充气式结构气囊，其整体剖视示意图如图1所示，通过冲入适当压力的气体，使其刚度与现有传统保险杠的刚度相当，在与固定障碍物的碰撞中时提高吸能作用，来有效地缓冲和吸收冲撞保险杠的外力。

当避撞系统检测到被撞物是行人时，控制系统就会开启保险杠气囊上的一个泄气阀，将气囊的刚度调整到刚好适合保护行人下肢的参数。这个过程不需要实时判断和系统闭环控制，只需要事先根据行人腿部撞击试验，调整好泄气阀的固定开度就可以，控制系统只需要输出一个开关量，所以成本会比临时充气式结构降低很多，而且在结构设计上也更容易于实现。

图1 气囊式保险杠剖视示意图Fig.1 Cut-open view of energy-saving airbag bumper

为了避免撞击力和冲撞能量过大，引起汽车发动机的变型甚至汽车内室的变型，结构气囊预充气刚度可以经过大量测试设定为某一特定值，在碰撞达刚度到这个特定值时，结构气囊破裂将气体全部泄出，多缓冲掉一部分碰撞能量。

5 结束语

根据国内外汽车保险杠的发展状况和发展趋势可见，吸能式保险杠在汽车碰撞中的重要性逐渐提高，吸能式保险杠的吸能作用明显。而汽车吸能式气囊保险杠能最大限度地保护汽车和行人安全，采用结构气囊以后，在系统结构整体刚度不变的前提下，不仅有效地提高了保险杠的吸能特性，而且降低了纵梁和碰撞盒等原有金属结构件的重量，或替代高强钢结构设计，降低了制造成本，同时可以减轻车身重量，提高了汽车燃油经济性。因此，研究和开发吸能式气囊保险杠具有十分广阔的发展前景。

】

［1］中国历年交通事故死亡人数官方统计［EB/OL］.http://www.5law.cn，2010 －07 －08.

［2］单 玢，王 玉，王 哲，等.汽车与行人碰撞事故现现仿真研究［J］.森林工程，2012，28（3）:42 －46.

［3］赵刘军.保险杠的发展及应用［J］.公路与汽车，2009（4）:16－17.

［4］乔维高，张金虎.吸能式保险杠的研究现状及发展趋势［J］.汽车科技2009，1（1）:12－14.

［5］胡敬文.汽车保险杠系统的耐碰性研究综述及保险杠支架的碰撞试验研究［A］.中国汽车工程学会2003学术会议［C］.北京:机械出版社，2003:41－44.