摘要：汽车保险杠系统在汽车低速碰撞中起着至关重要的作用。本文列举了世界各国针对保险杠的耐撞性作出的法规和规范，并对各种不同类型的吸能式保险杠的结构进行了分析, 进行了两种保险杠支架的碰撞试验研究。
关键词：保险杠 耐撞性 法规
Analysis and Test for the Crashworthiness of Automotive Bumper System
Hu Jingwen, Zhang Jinhuan, Huang Shilin, Wang Guoqing
State Key Lab of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University
Changchun Yingli Automotive component Corporation
[Abstract] Automotive bumper system acts an important role in the low-speed impact. This paper
enumerated various regulations of different countries for the crashworthiness of bumper system, and analyzed the
structures of different kinds of energy-absorbing bumper systems. The impact tests for two kinds of bumper
brackets were also investigated.
Key words: bumper crashworthiness regulation
1 前言
保险杠系统是汽车车身的一个重要组成部分，其作用主要有四方面：①当汽车与其他车辆或障碍物发生低速碰撞（通常小于10km/h）时，保护翼子板、散热器、发动机罩和灯具等部件；②当汽车与行人发生碰撞时，最大限度的保护行人；③满足车身空气动力性的要求；④装饰和美化车身。从汽车被动安全性的角度出发，前两点作用都很重要。由于保险杠系统在“低速碰撞”和“行人保护”这两方面起着决定性的作用，因此是国内外汽车被动安全领域中的重点研究内容。
2 各国法规对保险杠系统试验方法的要求
由于保险杠在低速碰撞中的重要性，世界各国对保险杠的耐撞性都有具体的法规和试验规范要求。比如：美国的CFR part 581、comsumertest 和IIHS-Test，加拿大的CFVSS215，德国的AZT-Crash-Reparatur-Test，欧洲的ECE-R42 等。我国参照欧洲ECE-R42 法规要求，也颁布了汽车前、后端保护装置标准GB17354-1998。
表1 中列出了各种法规和规范的基本试验方法对比（美国comsumertest 和加拿大CFVSS215 相同）。表1 各保险杠法规和规范中试验方法的对比
 由表1 可以看出，世界各国对保险杠系统的试验方法和要求都不尽相同，但他们的目的都是提高汽车的低速耐撞性。
除了上面介绍的法规之外，保险杠系统还应满足“行人保护”的要求。不过应当指出的是，要满足“低速耐撞性”和“行人保护”两个不同的要求是比较困难的，必须通过适当的优化设计才能实现。
3 保险杠系统的主要型式
常见的汽车保险杠系统通常由外盖板、内衬、横杠、支架等部分组成, 其中内衬和支架都可作为缓冲吸能元件。按保险杠的功能，可分为非吸能式和吸能式。非吸能式保险杠由于没有内衬，支架也基本不吸能，所以缓冲吸能能力较差，基本只起装饰作用，不起保护作用。我国市场上的部分轻型客车使用的就是非吸能式保险杠，这其实是汽车安全性能的一个重大隐患。吸能式保险杠按缓冲吸能的方式不同可大致分为三类：自身吸能式、液压吸能式、带气腔式。另外，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。
3.1 普通式（自身吸能式）保险杠（Conventional Bumper System）
这种保险杠结构比较简单，它主要通过内衬和支架的变形吸收能量。大部分轿车都是使用这种型式的保险杠。由于支架需要有一定的强度，因此通常使用金属材料，而内衬的材料则多种多样，包括各种塑料、泡沫状金属材料、树脂等复合材料和蜂窝状材料等。这种保险杠的缓冲性能通常由缓冲材料的特性决定。
3.2 液压吸能式保险杠（Hydraulic Bumper System）
这种类型的保险杠如图1 所示。液压缓冲器通常作为保险杠的支架。当汽车与障碍物发生碰撞时，冲击力通过横杠内侧加强件传到活塞上，活塞推动液压油通过节流孔压向活塞右腔，推动活塞向左移动，并使氮气受到压缩。这样利用液压油的节流力吸收能量，效率可以高达80％，工作特性比较稳定。撞击后靠氮气产生复原动力，使保险杠复位。这种保险杠由于造价较高，通常使用在高档的轿车上。
1—横杠 2—横杠加强梁 3—氮气 4—活塞杆 5—浮动活塞 6—液压油 7—节流孔 8—缸体
图1 液压吸能式保险杠
3.3 带气腔式保险杠（Gas tube Bumper System）
这种类型的保险杠与第一类保险杠的区别如图2 所示。气腔通常作为内衬安装在外盖板和横杠之间。当碰撞发生时，气腔被压缩，进而影响其外面包裹部件的变形方式，从而改善吸能效果。相关文献曾指出，合理的设计气腔个数和气压并保证包裹气腔部件的强度，这种保险杠与第一类保险杠相比能使15km/h、40%偏置碰撞的减速度减小20%～50%。
图2 带气腔式保险杠和普通保险杠的结构对比
3.4 安全气袋式保险杠（Airbag Bumper System）
这是一种专门为了保护行人而设计的保险杠。简单的说，就是把安全气囊装入保险杠内。在行人触及保险杠的瞬间，保险杠内藏推板迅速落下，阻止行人被撞倒在车底下，与此同时，保险杠前方和两侧的气囊迅速充气，将被撞行人托起。这种保险杠可以有效的保证被撞行人的安全，但尚处于研究和试验阶段。
4 对AUDI 保险杠前、后支架碰撞性能的试验研究
由于我国在汽车被动安全领域的研究起步较晚，因此对汽车保险杠的研究也较少，特别是对适用于汽车保险杠的缓冲材料和缓冲结构的研究非常有限。清华大学汽车碰撞试验室受长春英利汽车部件有限公司的委托，对AUDI 保险杠前、后支架进行了碰撞试验。通过试验可以发现，对保险杠支架的结构进行合理设计，可以有效的提高汽车保险杠的耐撞性，从而提高汽车低速碰撞性能。
4.1 对AUDI 保险杠前支架的碰撞试验
试验条件和试验结果如表2 所示。表2 AUDI 保险杠前支架的碰撞试验数据表
 由图3～图5 支架碰撞前后的照片和碰撞曲线可以看出，这种支架是通过圆管和锥形套筒的挤压变形来吸收能量的。碰撞波形稳定，效果好，可以起到很好的缓冲作用。
图3 保险杠前支架试验前照 图4 保险杠前支架试验后照片
图5 保险杠前支架碰撞曲线
4.2 对AUDI 保险杠后支架的碰撞试验
试验条件和试验结果如表3 所示：表3 AUDI 保险杠后支架的碰撞试验数据表
 由图6～图8 支架碰撞前后的照片和碰撞曲线可以看出，这种支架是通过常见的金属褶皱来吸收能量的。碰撞波形稳定，效果好，同样可以起到很好的缓冲作用。
图6 保险杠后支架试验前照片 图7 保险杠后支架试验后照片
图8 保险杠前支架碰撞曲线
5 小结
汽车保险杠系统的耐撞性在汽车低速碰撞时起着至关重要的作用。国内外对汽车保险杠的研究越来越多，许多法规和试验规范的颁布也对汽车保险杠系统提出了更高的要求。国内外的许多研究表明，通过合理的选用缓冲材料、合理的设计缓冲结构，可以有效的提高保险杠系统的耐撞性，从而改善汽车的低速碰撞性能。
参考文献
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