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淺談汽車保險杠及其在行人保護中的應用
[ 發布時間:2018/2/8  閱讀:1667次  來源:rzbautoparts]

汽車作為目前陸地上的主要交通工具,汽車交通事故造成的人員死亡占各類事故死亡人數的首位。因此,汽車碰撞安全問題越來越引起人們的關注,在汽車碰撞過程中,發生幾率最高的是汽車前部的碰撞,首先涉及到前部SUV保險杠的碰撞,研究汽車保險杠的碰撞特性和碰撞過程中的吸能特性,對于提高汽車的碰撞安全性具有重要的意義。由于保險杠在低速碰撞中的重要性,世界各國對保險杠的耐撞性都制定了具體的法規和試驗要求。

SUV保險杠

1、保險杠簡介

保險杠是汽車上較大的覆蓋件之一,作為一個獨立的總成安裝在汽車上,它對車輛的安全防護、造型效果、空氣動力學特性等有著較大的影響。汽車保險杠安裝在汽車的最前端和最后端,在整車造型風格中起到至關重要的作用,好的保險杠不僅能夠起到保護乘客免于受傷和汽車免于受損,而且使用戶感到賞心悅目,得到美的享受。另外,發生碰撞時,保險杠作為安全防護裝置是現代汽車結構的重要組成部分,也是不可或缺的部分,它能有效地減輕人員傷亡程度以及汽車損壞程度。

1.1 保險杠的功能

(1)保護功能:當汽車發生縱向碰撞時,保險杠應能吸收部分能量,以保護車身。對此,各國都有嚴格的法規,一般要求保險杠能吸收相當于8km/h速度下的沖擊能量,并且對沖擊后,車身及車身功能件的保護和保險杠的永久變形量都做了嚴格的規定。

(2)裝置功能:在保險杠上,可以裝置燈具、牌照架及牌照等物件,要給予足夠的空間和裝置條件。

(3)美化功能。

(4)提高空氣動力特性:保險杠的正面迎風面積較大,對汽車的空氣動力特性影響也大,影響到汽車的經濟性和動力性,所以前保險杠形狀的最佳設計應對減小正面迎風阻力系數(CD)和升力系數(CL)效果明顯。

由于保險杠系統在“低速碰撞”和“行人保護”這兩方面起著決定性的作用,因此是國內外汽車被動安全領域中的重點研究內容。

1.2 汽車保險杠系統的主要類別

汽車保險杠按位置可分為前保險杠和后保險杠。

按其使用的材料,可分為金屬材料保險杠和非金屬材料保險杠。金屬材料保險杠一般用高強度鋼板沖壓而成。這種鋼板既有較高的強度,又有良好的沖壓性能,與一般熱軋鋼板相比,其厚度可以減薄,從而降低材料消耗和減輕質量。如使用含磷高強度沖壓鋼板,與普通鋼板相比,強度提高約15%~30%,厚度減薄10%左右。金屬材料保險杠一般用于客車和貨車。非金屬材料保險杠采用模壓塑料板材、改性PP材料,也可用玻璃纖維增強塑料,這些材料的機械性能接近冷軋鋼板,密度僅為鋼材的1/5,非金屬材料保險杠一般用于轎車。

按保險杠的功能,可分為非吸能式保險杠和吸能式保險杠。另外,出于保護行人的要求,現在國外也在研究安全氣囊式保險杠。

1.2.1 非吸能式保險杠

非吸能式保險杠是一種最簡單的結構形式。由于沒有內襯,支架也基本不吸能,所以緩沖吸能能力較差,基本只起裝飾作用,不起保護作用。當發生追尾和車頭相撞事故時,該類型的塑料保險杠沒有足夠的強度和剛度來抵御強烈的碰撞,不起保護作用,將導致轎車翼子板開裂,散熱器和燈具嚴重損壞,對客車而言,輕則損壞前圍,重則損壞擋風玻璃,方向盤和儀表板發生嚴重變形,甚至對駕駛員構成傷害。我國市場上的部分輕型客車使用的就是非吸能式保險杠,這將對汽車乃至乘員的安全構成極大的威脅。

1.2.2 吸能式保險杠

吸能式保險杠按緩沖吸能的方式不同可大致分為三類:自身吸能式、液壓緩沖吸能式和帶氣腔式。

(1)普通式(自身吸能式)保險杠(ConventionalBumperSystem)

其特點是結構比較簡單,主要通過支架和內襯的變形來吸收碰撞能量。由于支架需要有一定的強度,因此通常使用金屬材料,而內襯的材料包括泡沫狀金屬材料、各種塑料、蜂窩狀材料和樹脂等復合材料等。大部分轎車都是使用這種類型的保險杠。它的緩沖能力一般都是由其緩沖材料來決定的。

(2)液壓緩沖型保險杠(HydraulicBumperSystem)

這種橫杠內側加強件通過橡膠墊與液壓緩沖減振器的活塞桿相連接,活塞桿為空心結構,內裝有浮動活塞,活塞將其隔成左、右兩腔,左腔充滿氮氣,右腔充滿機械油,活塞桿外圓柱面與緩沖缸內圓柱面滑動配合,緩沖液壓缸內機械油與活塞桿右腔相通。

緩沖缸通常固定在車架或車身加強件上。當汽車發生碰撞時,保險杠受到的沖擊力傳到活塞桿上,活塞桿端部向右移動,擠壓液壓油通過節流孔向活塞桿右腔流動,推動浮動活塞向左移動,并使氮氣受到壓縮。這樣利用液壓油通過節流孔時的黏性阻力吸收撞擊的能量,吸收能量的效率可以高達80%。這種油氣彈簧式的緩沖減振器有效的利用了氣體緩沖、液體節流減振的工作原理,工作特性比較穩定。撞擊后靠氮氣產生復原動力,使保險杠復位。這種保險杠造價較高,通常使用在高檔的轎車上。

1.2.3 帶氣腔式保險杠(GastubeBumperSystem)

這種類型的保險杠與第一類保險杠的區別如圖3所示。氣腔一般是安裝在外蓋板和橫杠之間,相當于內襯。當碰撞發生時,氣腔被壓縮,影響其外面包裹部件的變形方式,從而提高吸能效果。如果合理的設計氣壓和氣腔個數,并保證包裹氣腔部件的強度,這種保險杠與第一類保險杠相比能使15km/h、40%偏置碰撞的減速度減小20%~50%。

2、汽車保險杠的相關法規要求和標準

由于保險杠在低速碰撞中的重要性,世界各國對保險杠的耐撞性都有具體的法規和試驗規范要求。比如:美國的CFRpart581、comsumertest和IIHS-Test,加拿大的CFVSS215,德國的AZT-Crash-Reparatur-Test,歐洲的ECE-R42等。我國參照歐洲ECE-R42法規要求,也頒布了汽車前、后端保護裝置標準GB17354-1998。

與保險杠設計有關的標準:

與保險杠設計有關的汽車行業標準有IS02985《道路車輛一轎車的外部防護》、歐洲標準ECENo42《關于車輛及其前后防護裝置(保險杠等)認證的統一規定》、美國標準PART581《汽車保險杠標準》、日本標準JASOB102-87《汽車保險杠高度》等,在產品設計中應貫徹這些標準。

國家標準《轎車前、后端保護裝置》(修訂稿)中規定:保險杠的基準高度為455mm,基準高度是通過碰撞器基準線的水平面的高度;汽車無論處于“整車裝備質量”時或者是處于“加載試驗車質量”時,保險杠均應具有有效的保護作用。日本標準(JASO8102-87)《汽車保險杠高度》中對各種類型的汽車前后保險杠有效接觸區域給出了明確規定,并規定在前后端應連續遮擋汽車總寬度的70%以上,其中轎車保險杠,上端最小高度≥480mm,下端最大高度度≤470mm,并對大型車輛下端最大高度,小型車輛上端最小高度作出規定,以此來保護汽車外部裝置免受低速行駛時發生的輕微碰撞的損傷。在具體的產品設計過程中,在滿足了高度標準要求的條件下,對于小型車輛,保險杠應盡可能升高,對于大型車輛,保險杠盡可能降低,以使不同類型汽車保險杠高度盡可能接近。

3、保險杠在行人保護方面的應用

在行人遭受腿及膝關節部位的嚴重損傷中,主要是被汽車保險杠碰撞,盡管人體腿及膝關節的損傷一般不會有生命危險,但常常會造成人的終生殘廢或喪失工作能力,所以保險杠除了保護汽車和乘員以外,設計時還需要考慮到行人。

安全氣袋式保險杠就是一種專門為了保護行人而設計的保險杠。它是在汽車與行人發生正面碰撞的緊急狀態下使行人免受傷害或減輕傷害的被動安全裝置。該裝置由傳感器、充氣泵和氣囊等部件組成,并集中裝入保險杠內,相當于再保險杠里裝入安全氣囊。在行人觸及保險杠的瞬間,保險杠內藏推板迅速落下,阻止行人被撞倒在車底下,同時,裝在保險杠上的傳感器被觸發,點火回路導通,閃動火花,引燃充氣泵內的氣體發生器的固體燃料,燃料燃燒釋放出大量的氮氣,并達到約1000℃的高溫;氣體通過冷卻器層降溫后,進入過濾器,經過濾后的清潔氣體迅速充入內藏的楔狀氣囊,使其向前張開,托起被碰撞的行人,與此同時,保險杠兩側的翼狀氣囊充氣后向兩側舉升,防止行人滾落到公路上,并控制汽車實施應急制動。國外用假人模擬試驗測得傳感器檢測行人撞車信號的響應時間為20ms,點火時間為2ms,氣體開始排出時間為3ms,氣囊充氣膨脹時間為30ms,累計時間為55ms,整個過程是在極短的時間內完成的,撞車當事人幾乎無法察覺(人的反應時間約為0.2s)。待人明白發生撞車事故時,撞車已經結束了。人在撞車事故中不可能本能地保護自己,靠這種新型的被動安全裝置可減輕傷害。這種保險杠可以有效的保證被撞行人的安全,但尚處于研究和試驗階段。

此外通過改進保險杠的外形設計也可以提高行人保護能力。以奧迪為例,老款車型的保險杠凸出一塊撞上行人時會對行人的腿部造成很大傷害。而且由于碰撞點較低還很容易將行人撞飛使行人的頭部撞到發動機罩上形成更大傷害。新款奧迪則采用“大嘴”式前臉設計將保險杠融入整個前中網。這樣不僅使外形看起來更加圓潤也有助于增加其行人保護水平。測試證明這種設計非常有利于降低對行人的傷害。

4、總結

汽車保險杠的設計不僅應滿足本身汽車性能和美學方面的要求,更應該體現出以人為本的宗旨,隨著汽車技術、新材料技術、計算機仿真技術的發展,汽車保險杠應該向著更加安全更加美觀的方向設計,通過合理的選用緩沖材料、合理的設計緩沖結構,有效的提高保險杠系統的耐撞性,從而改善汽車的碰撞性能,提高汽車乘員以及行人的安全性。


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