保险杠测试报告

汽车保险杠测试技术研究报告
S140200250
陈峥
汽车保险杠测试技术研究报告
摘要：介绍了汽车保险杠的发展现状，描述了国内外关于汽车保险杠测试的相关法规，以及NCAP中行人保护要求的现状和发展趋势。

详细叙述了我国保险杠低速碰撞试验和大小腿冲击器试验的过程和评价标准，并对其使用的试验设备进行了介绍。

1国内外现状
1.1保险杠简介
早期，汽车没有保险杠等安全装置。

随着汽车工业的发展，汽车保有量的增加，交通事故增多，汽车安全性得到重视，那么就出现了汽车保险杠系统。

从无到有，经过不断的演变发展，汽车保险杠已经成为现代车身结构不可缺少的重要部件。

汽车保险杠位于汽车的前、后端，是
重要的安全防护构件，其主要作用是当汽车与其他发生碰撞时，起到保护翼子板、散热器、发动机罩和灯具等部件，同时保护人员安全或降低人员伤害程度。

按功能汽车保险杠又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的结构形式简单。

在发达国家，在轿车上塑料保险杠的使用增加较快，但是这种塑料汽车保险杠一般只起到装饰的作用，不能够起到很好的保护作用。

随着世界上车辆保有量的增加，前后两侧发生的事故比较频繁。

由于没有足够的强度和刚度来抵御强烈的碰撞，塑料汽车保险杠在撞车时往往起不到很好的保护作用，从使得翼子板、发动机罩、散热器、灯具等受到比较严重的损坏。

对于大客车来说，其前围损坏严重时能够损坏风窗玻璃、方向盘、仪表盘，直至对驾驶员和前排成员造成伤害。

随着对车辆碰撞安全方面的重视，世界上许多国家纷纷制定相关法规和标准。

因此先进的吸能型汽车保险杠是汽车保险杠的主要发展方向之一，目前流行的吸能式保险杠主要有以下几种：
1.1.1自身吸能式保险杠
这种保险杠系统是由外盖板、吸能块、横杠和支架四部分组成（如图 1 所示）。

在横杠内填充有泡沫塑料等吸能材料，使用较多。

其外盖板和吸能块附着在横梁上，横杠与支架纵梁之间采用螺栓连接。

图1 自身吸能式保险杠结构示意图
1.1.2液压吸能式保险杠
液压吸能式保险杠的结构如图2所示，保险杠横梁和活塞杆相连，活塞杆里面有活塞，活塞右边有机械油，左边有氮气，缓冲液压缸内的机械油和活塞杆的右腔相通，缓冲缸固定在车
身加强件上。

当发生碰撞事故时，保险杠将受到的冲击载荷传到活塞杆，活塞杆向右侧移动，机械油通过节流孔向右腔流动，同时浮动活塞向左侧移动，氮气被压缩，利用黏性阻力来吸收碰撞能量，碰撞后靠氮气膨胀使保险杠复原。

该保险杠系统多在高档轿车上使用。

图2 液压吸能式保险杠结构示意图
1.1.3带气腔式保险杠
带气腔式的汽车保险杠与普通式汽车保险杠的区别主要如图3所示，其通常在外盖板和横杠之间安装气腔内衬。

当汽车发生前部碰撞时，首先压缩气腔，进而影响外包裹件的变形，来改善汽车保险杠的吸能效果。

气腔数量和气压的合理确定能保证包裹气腔部件的强度。

这种带气腔式汽车保险杠与普通式的相比能使每小时十五公里、百分之四十的前部偏置的碰撞减速度有效降低。

图3 带气腔式保险杠和普通保险杠的结构对比
1.1.4带安全气囊的汽车保险杠
国外研制的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的接触瞬间，传感器检测到发出指令，汽车保险杠的内藏板迅速放下，以便阻止行人倒后进入车底造成更大伤害。

内藏板迅速放下的同时汽车保险杠上的传感器发出信号来触发点火回路，点燃充气体器中的固体燃料，燃料燃烧迅速释放出大量的氮气，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，以使得被撞行人进行软接触。

位于汽车保险杠两侧翼状气囊充气后向也同时向两侧举升，这样可以防止行人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。

试验证明在发生汽车撞车事故中，这种新型的被动安全装置可以减轻汽车对行人的伤害程度。

1.2国内外法规
1.2.1前后保险杠低速碰撞法规
考虑和认识到汽车保险杠在汽车低速碰撞中的重要作用，世界上大多数国家和地区对汽车保险杠都制定有相应的法规。

其中影响较大的主要有：欧盟（非强制性）的ECE R42、美国（强制性）FMVSS 581、Consumer test、IIHS Test；加拿大（强制性）的CFVSS-215；德国的AZT-Crash--Test等。

我国颁布的汽车前、后端保护装置标准GBl7354-1998是参照欧盟ECE R42 法规的相关要求制定的，与ECE R42法规要求基本相同。

各种法规和规范所采用的基本试验方法如表1所示。

表1 各种法规和规范的基本试验方法对比
在美国除强制性的法规FMVSS 581 外，另有Consumer test 和IIHS—Test Consumer test，这两种汽车保险杠系统的安全性试验规范为非强制性的,属于消费者组织确定的试验规程，试验结果供销费者和保险商参考使用。

2010年9月，国际汽车维修研究理事会(RCAR）布了最新的《保险杠碰撞试验规程》。

该规程采用一上下高度可调的可变形壁障作为其碰撞试验装置，主要由壁障体、吸能块、挡板、罩板、固定装置以及撞击墙等组成，相比于其他国际保险杠碰撞安全标准，例如欧洲ECE 42美国FMVSS CFR part 58l以及中国GB 17354-1998等，RCAR测试方法的特点与优点在于其采用类似于保险杠形状的可变形壁障，并且在壁障上部加设挡板，考虑到了实际碰撞中出现的钻撞现象，更加真实地模拟了两车相撞的情况，能够更加准确评价汽车保险杠的安全性能。

1.2.2行人安全相关法规
汽车保险杠的功能不仅仅是保护车身结构免受损坏，它也与行人安全密切相关。

随着行人安全日益受到重视，对保险杠的要求也越来越高。

欧盟较早将行人安全纳入欧洲新车评价程序（EURO-NCAP），对行人保护试验作出了规定。

我国仿照欧洲EURO-NCAP要求也推出了国家推荐标准《汽车碰撞时对行人的保护》。

其中明确规定了腿型对保险杠试验的性能要求：进行小腿腿型对保险杠试验时，其最大动态弯曲角度不大于19 度，其最大动态剪切位移不大于6.0mm。

小腿上段加速度不大于170g。

如果制造厂提供的保险杠试验宽度最大为264mm，小腿上段加速度不大于250g。

进行大腿腿型对保险杠试验时，相对于任何时刻的瞬态冲击力总合不大于7.5kN，试验冲击器的弯矩不大于510Nm。

按照其规定进行测试，目前汽车的保险杠会有大多数不符合行人保护方面的要求。

从对行人保护的要求和实践来看，其碰撞性能指标对保险杠的设计制造又提出了新的要求。

2测试方法及性能要求
2.1前后保险杠低速试验
我国的汽车前、后端保护装置评价标准是GB 17354-1998。

本标准要求车辆必须具有保护装置，该装置是指装在车辆前、后端的诸元件。

其设计要求是当车辆发生接触和轻度碰撞时避免导致车辆的严重损伤。

2.1.1试验条件
✧车辆应处于停止状态；
✧前轮应处在直行位置；
✧轮胎应按制造厂规定的气压冲气；
✧制动器应松开，变速器挂空档；
✧对装备油-气悬挂、液力或空气悬挂的车辆以及装有自动调整悬架（能根据载荷自动对
车辆进行调整）的车辆，应在制造商规定的正常行驶条件下进行试验；
✧试验采用摆锤冲击，其有效撞击质量等于被测试车辆的整备质量；
✧进行撞击试验时，试验地面应足够的面积以便设置碰撞器的驱动系统，供试验车辆受
撞后滑移以及安置试验所需的设备等；
✧停放试验车辆的地面应水平、硬实、平整。

本标准的检验项目包括纵向碰撞试验，对“车角”的碰撞试验。

下面分别介绍这两种试验的规程。

图4 碰撞器尺寸
2.1.2纵向碰撞试验
(1) 本试验包括对车辆正前方的两次碰撞和正后方的两次碰撞。

在各方向的两次碰撞中，一次是在车辆质量为“整车装备质量”时进行的，另一次是在其质量为“加载试验车质量”时进行的。

(2) 在车辆每一方向的两次碰撞中，第一次碰撞时，对碰撞器的位置没有限制，而第二次碰撞时，碰撞器的中垂面位置应与第一次碰撞时的位置相距不小于300mm，并应保证这两次碰撞时，碰撞器的外廓不超越由通过“车角”并平行于车辆纵向对称面的两个平面所限定的区域。

(3) 如图4所示的碰撞器，A平面与地面保持垂直，基准线保持水平且基准高度达到
445mm。

(4) 车辆的摆放位置应进行调整，使位于“车角”间的点接触碰撞器但又不致引起碰撞器的晃动，同时，车辆的纵向对称面应与碰撞器的A 平面保持垂直。

(5) 车辆的碰撞速度应控制在4km/h 。

2.1.3对“车角”的碰撞试验
(1)碰撞装置的放置位置使平面A 垂直，基准线为水平线，基准高度为445mm;
(2) 车辆的摆放位置应进行调整，使位于“车角”间的点接触碰撞器，不会引起碰撞器起动。

此外还应满足以下条件：(a) 碰撞器与车辆的纵向对称面构成60±5°的夹角；(b) 碰撞时最先接触的点应在碰撞器的中垂面上（允差±25 mm）；
(3) 车辆碰撞速度为2.5 km/h
(4) 本试验包括在车辆质量为“整车整备质量”时对一个前“车角”和一个后“车角”的各一次碰撞，以及车辆质量为“加载试验车质量”时对另一个前“车角”和另一个后“车角”的各一次碰撞。

试验要求如下：
(1) 照明和信号装置应能继续正常工作并清晰可见。

如果出厂时安装好的照明装置失调，允许进行调整以符合规定要求，但只即使于采用常规的调整方法。

如果灯丝折断，应允许更换灯泡。

(2) 发动机罩、行李箱盖和车门应能正常开闭。

车辆的侧门在碰撞的作用下不得自行开启。

(3) 车辆的烯料和冷却系统应无泄漏，不发生油、水路堵塞，其密封装置与油、水箱盖亦能正常工作。

(4) 车辆的排气系统不应有妨碍其正常工作的损坏或错位现象。

(5) 车辆的传动系统、悬架系统（包括轮胎）、转向系统、制动系统应保持良好的调整状态并能正常工作。

2.2行人安全试验
我国的行人安全法规GBT 24550-2009与保险杠相关的是小腿冲击器和大腿冲击器试验。

2.2.1试验条件
1）试验设备和车辆及其他设备应在相对湿度40%±30%、温度20℃±4℃的条件下；
2）试验场地平整、光滑、坚硬，不平度不大于1%；
3）车辆处于正常行驶状态，并且牢固地固定在支撑架上或在制动状态下安放在水平地面上；
4）切割的车身应包括车辆前部结构的所有部分，并以正常行驶姿态牢固地固定；
5）车辆所有用于行人保护的装置应当开启；
6）有可改变位置或形态的车辆部件，则在不同位置和形态下车辆都应符合要求。

2.2.2小腿冲击器试验
试验程序：
a) 车辆或子系统的状态应符合规定的要求。

测试应在规定的保险杠部位进行。

b) 撞击速度矢量的方向应位于一个水平面内，并与车辆的纵垂面平行。

在撞击接触瞬间，撞击速度矢量的方向在水平面和垂直面上的误差不得超过±2°。

c) 撞击器的轴应与水平面垂直，且其在纵向和横向上的误差均不得超过±2°。

水平面、纵切面和横切面3个平面之间互相垂直。

d) 在撞击器与保险杠发生第一次接触时，撞击器的底部应位于地面参照面上，误差不得超过±10毫米。

e) 在设定推进系统的高度时，撞击器自由飞行过程中受地球应力影响的因素应被加以考虑。

f) 在撞击器与保险杠发生第一次接触时，应确保撞击器的竖轴处于预期方位，误差不超过±5°，以便膝关节可进行正确的动作。

g) 在撞击器与保险杠发生第一次接触时，撞击器的中线与选定的撞击位置之间的偏差不得超过±10毫米。

h) 在撞击器和车辆的接触过程中，撞击器不得接触地面，亦不得接触除车辆部件以外的其它任何物体。

i) 在撞击保险杠时，撞击器的撞击速度应为11.1±0.2米/秒。

当在撞击器与保险杠发生第一次接触前对撞击速度进行测量时，重力效应应被加以考虑。

图5 小腿腿型对处于正常行驶转台的整车（左侧）和安装在支撑上的切割车身（右侧）的保险杠试验
性能要求：膝部最大动态弯曲角不大于19°，膝部最大动态剪切位移不大于6mm，小腿上端加速度应不大于170g。

制造商可指定最大为264mm的保险杠试验区域，此区域的小腿上端加速度不大于250g。

2.2.3大腿冲击器试验
试验程序：
a) 车辆或子系统的状态应符合所规定的要求。

测试设备、车辆或子系统的温度应稳定于20±4 摄氏度。

b) 测试应在规定的保险杠部位进行。

c) 撞击方向应与车辆的纵轴平行。

在与保险杠第一次接触时，大腿模拟撞击器轴应处于垂直状态。

上述方向的误差不得超过±2°。

在与保险杠第一次接触时，大腿模拟撞击器的中线应处于保险杠上参照线和保险杠下参照线之间，误差不得超过±10 毫米。

同时，大腿模拟撞击器中线与选定撞击点的横向偏差亦不得超过±10 毫米。

d) 在撞击保险杠时，撞击器的撞击速度应为11.1±0.2 米/秒。

图6 大腿冲击器试验
性能要求：相对任何时刻的瞬间冲击力总和不大于7.5kN，试验冲击器的弯曲不大于510N·m。

3.试验设备
3.1低速碰撞试验设备
天津中汽研与吉林大学开发了如图7所示的汽车保险杠碰撞试验台。

该试验台符合美国联邦机动车安全标准（FMVSS）第581 号要求、欧洲车辆前部防护装置法规ECE R42 和我国国家标准GB17354-1998 对保险杠不同的技术要求。

图6 汽车保险杠碰撞试验台
该试验设备主要由摆锤提升机构、横梁举升机构、摆锤制动机构、设备软件操作机构等四部分组成。

试验设备主要测量按标准要求施加在保险杠上的冲击速度、加速度、力等技术参数。

根据该试验台在试验过程中碰撞冲击作用需要，摆锤撞击部位采用高强度淬火钢铸造，摆锤整体钢板焊接。

摆锤质量由基本质量与调整配重组成，使得试验质量可调。

摆锤采用组合撞击头形式可满足多种不同试验对冲击头的要求。

摆锤在碰撞试验采用采用刚性杆平行四边形悬吊，保证摆锤在摆动过程中始终保持水平（试验设备结构简图见图7）。

图7 试验设备结构简图
1．摆锤提升机构的功能：摆锤利用卷扬机通过钢丝拉索提升，可提升至任意高度。

采用气动杠杆挂钩机构锁定和释放拉索。

设置气缸驱动插拔的保险销，以防止意外脱落。

卷扬机带有停机和断电制动装置。

摆锤的提升角度可根据撞击速度和能量，由角度传感器确定，作为摆锤提升依据。

2．横梁举升机构的功能：摆锤臂的悬吊横梁可进行高低位置的升降调整，以满足不同试验标准中撞击高度的要求。

升降机构为电动丝杠传动，减轻调整工作强度。

3．摆锤制动机构的功能：试验台设计配置了摆锤制动机构，保证撞击后能使摆锤尽快稳定停摆。

该制动机构为气动，可提供最大2500N 的制动力，根据试验碰撞后的剩余能量在200 焦耳以内，经过摆锤回程和剩余去程的两次制动可以保证摆锤完全停止。

试验装置的撞击初速度采用欧母龙光电测速传感器测量。

拉索锁定和释放状态，保险销的锁定和打开，采用气缸配置的行程开关来判别。

当出现挂钩未锁定和未释放、保险销未锁定和未打开等异常故障，会提供报警信号。

并且拉索锁定和释放状态、保险销的锁定和打开及提升卷扬机的操作是互相保护互锁的，操作动作必须逐步完成，否则下一个操作不能进行，以避免
摆锤意外的脱落。

根据标准中相关要求，设备在碰撞器上安装了力传感器、加速度传感器、位移传感器（采用独立的弹簧自复位位移传感器测量）。

每次碰撞后通过相关曲线可分析判定保险杠的吸能性能。

3.2 行人保护试验设备
GBT 24550-2009对使用的行人小腿和大腿模拟冲击器进行了规定：
1）小腿冲击器
小腿模拟撞击器应由外面包裹泡沫塑料的两段刚性结构组成（如图8），分别代表股骨（大腿）和胫骨（小腿），中间使用可变形的模拟膝关节连接。

小腿模拟撞击器的全长应为926±5毫米，重量应为13.4±0.2公斤。

为进行发射而装配于小腿模拟撞击器上的支架和滑轮等附件可能会使小腿模拟撞击器的实际尺寸有所延伸。

小腿模拟撞击器上应装配传感器，以测量膝部的弯曲角度和剪切位移。

同时，在小腿模拟撞击器胫骨上未进行碰撞的一侧靠近膝关节处应装配一个单轴加速度计，并将其量测轴转向撞击方向。

图8 小腿冲击器
2）大腿冲击器
大腿模拟撞击器应为刚性结构（如图9），在撞击一侧应覆盖泡沫塑料层，长度应为350±5 毫米。

大腿模拟撞击器上应装配 2 个负载传感器，分别用于测量大腿模拟撞击器两端所承受的力；同时应装配多个变形测定器，分别用于测量大腿模拟撞击器中心以及中线两侧50 毫米处所承受的弯曲力矩。

图9 大腿冲击器。