浅谈汽车保险杠及其在行人保护中的应用

浅谈汽车保险杠及其在行人保护中的应用摘要：汽车保险杠安装在汽车的最前端和最后端，在整车造型风格中起到至关重要的作用，最重要的是在发生碰撞时，保险杠作为安全防护装置，能有效地减轻人员伤亡程度以及汽车损坏程度，本文介绍了汽车保险杠的基本类型、功能和相关法规和标准，以及其在行人保护方面的应用。

关键词：保险杠，行人保护汽车作为目前陆地上的主要交通工具，汽车交通事故造成的人员死亡占各类事故死亡人数的首位。

因此，汽车碰撞安全问题越来越引起人们的关注，在汽车碰撞过程中，发生几率最高的是汽车前部的碰撞，首先涉及到前部保险杠的碰撞，研究汽车保险杠的碰撞特性和碰撞过程中的吸能特性，对于提高汽车的碰撞安全性具有重要的意义。

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制定了具体的法规和试验要求。

1 保险杠简介保险杠是汽车上较大的覆盖件之一，作为一个独立的总成安装在汽车上，它对车辆的安全防护、造型效果、空气动力学特性等有着较大的影响。

汽车保险杠安装在汽车的最前端和最后端，在整车造型风格中起到至关重要的作用，好的保险杠不仅能够起到保护乘客免于受伤和汽车免于受损，而且使用户感到赏心悦目，得到美的享受。

另外，发生碰撞时，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，也是不可或缺的部分，它能有效地减轻人员伤亡程度以及汽车损坏程度。

图1保险杠结构图1.保险杠支架2.保险杠骨架3保险杠面罩4.保险杠侧导向架5.保险杠横梁6.进风口格栅7.装饰条8.扰流板图1为保险杠的结构示意图。

这种结构形式的保险杠由横杠、侧角（有的无侧角）和托架等组成，其中内衬和支架都可作为缓冲吸能元件。

横杠的断面为H形，内侧装有加强件，用螺钉和U形件固定在一起，以增加横杠的强度和刚度。

横杠通过托架装到车架或车身支撑梁上。

1.1保险杠的功能（1）保护功能：当汽车发生纵向碰撞时，保险杠应能吸收部分能量，以保护车身。

对此，各国都有严格的法规，一般要求保险杠能吸收相当于8km/h速度下的冲击能量，并且对冲击后，车身及车身功能件的保护和保险杠的永久变形量都做了严格的规定。

（2）装置功能：在保险杠上，可以装置灯具、牌照架及牌照等物件，要给予足够的空间和装置条件。

（3）美化功能。

（4）提高空气动力特性：保险杠的正面迎风面积较大，对汽车的空气动力特性影响也大，影响到汽车的经济性和动力性，所以前保险杠形状的最佳设计应对减小正面迎风阻力系数（CD）和升力系数（CL）效果明显。

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。

1.2汽车保险杠系统的主要类别汽车保险杠按位置可分为前保险杠和后保险杠。

按其使用的材料，可分为金属材料保险杠和非金属材料保险杠。

金属材料保险杠一般用高强度钢板冲压而成。

这种钢板既有较高的强度，又有良好的冲压性能，与一般热轧钢板相比，其厚度可以减薄，从而降低材料消耗和减轻质量。

如使用含磷高强度冲压钢板，与普通钢板相比，强度提高约15%~30%,厚度减薄10%左右。

金属材料保险杠一般用于客车和货车。

非金属材料保险杠采用模压塑料板材、改性PP材料，也可用玻璃纤维增强塑料，这些材料的机械性能接近冷轧钢板，密度仅为钢材的1/5，非金属材料保险杠一般用于轿车。

按保险杠的功能，可分为非吸能式保险杠和吸能式保险杠。

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。

1.2.1非吸能式保险杠非吸能式保险杠是一种最简单的结构形式。

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。

当发生追尾和车头相撞事故时，该类型的塑料保险杠没有足够的强度和刚度来抵御强烈的碰撞，不起保护作用，将导致轿车翼子板开裂，散热器和灯具严重损坏，对客车而言，轻则损坏前围，重则损坏挡风玻璃，方向盘和仪表板发生严重变形，甚至对驾驶员构成伤害。

我国市场上的部分轻型客车使用的就是非吸能式保险杠，这将对汽车乃至乘员的安全构成极大的威胁。

1.2.2吸能式保险杠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、液压缓冲吸能式和带气腔式。

（1）普通式（自身吸能式）保险杠（Conventional Bumper System）其特点是结构比较简单，主要通过支架和内衬的变形来吸收碰撞能量。

由于支架需要有一定的强度，因此通常使用金属材料，而内衬的材料包括泡沫状金属材料、各种塑料、蜂窝状材料和树脂等复合材料等。

大部分轿车都是使用这种类型的保险杠。

它的缓冲能力一般都是由其缓冲材料来决定的。

（2）液压缓冲型保险杠（Hydraulic BumperSystem ）这种类型的保险杠如图2所示。

横杠内侧加强件通过橡胶垫与液压缓冲减振器的活塞杆相连接，活塞杆为空心结构，内装有浮动活塞，活塞将其隔成左、右两腔，左腔充满氮气，右腔充满机械油，活塞杆外圆柱面与缓冲缸内圆柱面滑动配合，缓冲液压缸内机械油与活塞杆右腔相通。

缓冲缸通常固定在车架或车身加强件上。

当汽车发生碰撞时，保险杠受到的冲击力传到活塞杆上，活塞杆端部向右移动，挤压液压油通过节流孔向活塞杆右腔流动，推动浮动活塞向左移动，并使氮气受到压缩。

这样利用液压油通过节流孔时的黏性阻力吸收撞击的能量，吸收能量的效率可以高达80％。

这种油气弹簧式的缓冲减振器有效的利用了气体缓冲、液体节流减振的工作原理，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。

这种保险杠造价较高，通常使用在高档的轿车上。

1.2.3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 3 所示。

气腔一般是安装在外盖板和横杠之间，相当于内衬。

当碰撞发生时，气腔被压缩，影响其外面包裹部件的变形方式，从而提高吸能效果。

如果合理的设计气压和气腔个数，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3带气腔式保险杠和普通保险杠的结构对比2.汽车保险杠的相关法规要求和标准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，图2 液压缓冲型保险杠 1.横杠 2.横杠内侧加强件 3.氮气 4.活塞杠 5.浮动活塞 6.机械油 7.节流孔 8.缓冲杠及其支座也颁布了汽车前、后端保护装置标准GB17354-1998。

与保险杠设计有关的标准：与保险杠设计有关的汽车行业标准有IS02985《道路车辆一轿车的外部防护》、欧洲标准ECENo42《关于车辆及其前后防护装置(保险杠等)认证的统一规定》、美国标准PART 581《汽车保险杠标准》、日本标准JASO B102-87《汽车保险杠高度》等，在产品设计中应贯彻这些标准。

国家标准《轿车前、后端保护装置》(修订稿)中规定:保险杠的基准高度为455 mm，基准高度是通过碰撞器基准线的水平面的高度；汽车无论处于“整车装备质量”时或者是处于“加载试验车质量”时，保险杠均应具有有效的保护作用。

日本标准( JASO8102-87)《汽车保险杠高度》中对各种类型的汽车前后保险杠有效接触区域给出了明确规定，并规定在前后端应连续遮挡汽车总宽度的70%以上，其中轿车保险杠，上端最小高度≥480 mm，下端最大高度度≤470 mm，并对大型车辆下端最大高度，小型车辆上端最小高度作出规定，以此来保护汽车外部装置免受低速行驶时发生的轻微碰撞的损伤。

在具体的产品设计过程中，在满足了高度标准要求的条件下，对于小型车辆，保险杠应尽可能升高，对于大型车辆，保险杠尽可能降低，以使不同类型汽车保险杠高度尽可能接近。

表1各种法规和规范的基本试验方法对比（美国comsumertest和加拿大CFVS215相同）3.保险杠在行人保护方面的应用在行人遭受腿及膝关节部位的严重损伤中, 主要是被汽车保险杠碰撞, 尽管人体腿及膝关节的损伤一般不会有生命危险, 但常常会造成人的终生残废或丧失工作能力，所以保险杠除了保护汽车和乘员以外，设计时还需要考虑到行人。

安全气袋式保险杠（Airbag Bumper System）就是一种专门为了保护行人而设计的保险杠。

它是在汽车与行人发生正面碰撞的紧急状态下使行人免受伤害或减轻伤害的被动安全装置。

该装置由传感器、充气泵和气囊等部件组成，并集中装入保险杠内，相当于再保险杠里装入安全气囊。

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，同时，装在保险杠上的传感器被触发，点火回路导通，闪动火花，引燃充气泵内的气体发生器的固体燃料，燃料燃烧释放出大量的氮气，并达到约1000℃的高温;气体通过冷却器层降温后，进入过滤器，经过滤后的清洁气体迅速充入内藏的楔状气囊，使其向前张开，托起被碰撞的行人，与此同时，保险杠两侧的翼状气囊充气后向两侧举升，防止行人滚落到公路上，并控制汽车实施应急制动。

国外用假人模拟试验测得传感器检测行人撞车信号的响应时间为20ms，点火时间为2ms，气体开始排出时间为3ms，气囊充气膨胀时间为30ms ,累计时间为55ms,整个过程是在极短的时间内完成的，撞车当事人几乎无法察觉(人的反应时间约为0. 2s)。

待人明白发生撞车事故时，撞车已经结束了。

人在撞车事故中不可能本能地保护自己，靠这种新型的被动安全装置可减轻伤害。

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。

此外通过改进保险杠的外形设计也可以提高行人保护能力。

以奥迪为例，老款车型的保险杠凸出一块撞上行人时会对行人的腿部造成很大伤害。

而且由于碰撞点较低还很容易将行人撞飞使行人的头部撞到发动机罩上形成更大伤害。

新款奥迪则采用“大嘴”式前脸设计将保险杠融入整个前中网。

这样不仅使外形看起来更加圆润也有助于增加其行人保护水平。

测试证明这种设计非常有利于降低对行人的伤害。

4.总结汽车保险杠的设计不仅应满足本身汽车性能和美学方面的要求，更应该体现出以人为本的宗旨，随着汽车技术、新材料技术、计算机仿真技术的发展，汽车保险杠应该向着更加安全更加美观的方向设计，通过合理的选用缓冲材料、合理的设计缓冲结构，有效的提高保险杠系统的耐撞性，从而改善汽车的碰撞性能，提高汽车乘员以及行人的安全性。

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