殷俊龍

基于行人保護(hù)要求的汽車保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)概述

殷俊龍

（標(biāo)致雪鐵龍上海工程技術(shù)中心，上海 200030）

保險(xiǎn)杠是汽車最前端部件，在碰撞發(fā)生時(shí)，與行人第一時(shí)間接觸，因此在整車行人保護(hù)性能中占據(jù)重要地位。文章從行人保護(hù)的角度對(duì)汽車保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)進(jìn)行探究。著重闡述了，通過哪些途徑以及何種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式，可以在保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)過程中最大化滿足行人保護(hù)性能的要求，以及未來的發(fā)展趨勢(shì)。

保險(xiǎn)杠；行人保護(hù)；汽車碰撞

1 行人保護(hù)概況

汽車安全有兩大關(guān)注點(diǎn)，一是乘員保護(hù)，二是行人保護(hù)。這兩點(diǎn)也是各國New Car Assessment Program的主要評(píng)測(cè)內(nèi)容。本文以行人保護(hù)為出發(fā)點(diǎn)，以汽車保險(xiǎn)杠為載體，簡要闡述行人保護(hù)與汽車保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)開發(fā)的挑戰(zhàn)以及發(fā)展方向。

在現(xiàn)行E-NCAP中，行人保護(hù)的關(guān)注點(diǎn)分為頭型試驗(yàn)以及腿型試驗(yàn)。

在2018版C-NCAP中，乘員保護(hù)，行人保護(hù)，主動(dòng)安全總分100，行人保護(hù)總分為15分，占比為15%。在新車評(píng)價(jià)體系中，如果要達(dá)到五星及五星+評(píng)定，總得分率需>=82%。而行人保護(hù)作為單項(xiàng)，其得分率必須>=65%。（如表1）

圖1 2018C-NCAP行人保護(hù)測(cè)試項(xiàng)目[2]

由此可見為了在新車評(píng)定中取得更高的星級(jí)評(píng)定結(jié)果，行人保護(hù)的考量至關(guān)重要。

表1 C-NCAP各部分最低得分率要求[2]

2 行人保護(hù)

雖然中國與歐洲在行人保護(hù)評(píng)定要求中存在差別，但行人保護(hù)評(píng)價(jià)均圍繞兩個(gè)維度：頭部保護(hù)，腿部保護(hù)，這兩項(xiàng)保護(hù)的貢獻(xiàn)分別集中在保險(xiǎn)杠以及機(jī)罩上。

本文主要圍繞行人保護(hù)對(duì)保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)要求，因此不對(duì)機(jī)罩加以闡述。

保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)可從以下幾個(gè)維度進(jìn)行考量。

2.1 保險(xiǎn)杠材料改良

保險(xiǎn)杠為塑料件，其主要材料為PP類改性材料，塑料相較于金屬擁有較好的塑性，同時(shí)為保證其具有一定的剛度，背部通常會(huì)布置塑料支架，以保證汽車低速行駛過程中，保險(xiǎn)杠可以承受一定的沖擊。但保險(xiǎn)杠的剛度提升，隨之帶來的是碰撞中對(duì)行人腿部傷害的提升。2007年9月5日拜耳公司公布了基于聚氨酯泡沫制造的保險(xiǎn)杠吸能系統(tǒng)。聚氨酯泡沫密度小，質(zhì)量輕，在碰撞過程中可充分變形并在碰撞后可恢復(fù)形狀，具有優(yōu)良的吸能性能。這種設(shè)計(jì)概念既可以為保險(xiǎn)杠提供支撐，也可以避免保險(xiǎn)杠過強(qiáng)，因此在現(xiàn)有車型中得到大規(guī)模應(yīng)用（如圖2）[3-4]。

農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造與世行貸款項(xiàng)目群管理比較研究…………………………………………… 付自龍，陳曉健(22.42)

圖2 某車型前保險(xiǎn)杠泡沫吸能器

然而在實(shí)際的應(yīng)用過程中，對(duì)于泡沫吸能器我們還會(huì)關(guān)注以下兩個(gè)方面：

（1）泡沫吸能器的密度

鑒于泡沫吸能器的成型工藝為聚氨酯發(fā)泡成型，那么發(fā)泡的密度將直接導(dǎo)致泡沫吸能器本身的剛度特性。密度越低，吸能器越軟，保險(xiǎn)杠的剛度就會(huì)越差，但碰撞過程中對(duì)于行人的傷害指數(shù)會(huì)得到改善。有學(xué)者已通過CAE仿真計(jì)算得到該結(jié)果[5]，保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)是一個(gè)權(quán)衡的過程，實(shí)際開發(fā)怎樣權(quán)衡性能要求是一個(gè)難點(diǎn)。

（2）泡沫吸能器的形狀，截面

泡沫吸能器的形狀，截面設(shè)計(jì)以及不同位置的厚度，都會(huì)對(duì)碰撞過程中的行人保護(hù)性能產(chǎn)生較大影響。怎樣通過在提供保險(xiǎn)杠剛度支撐的同時(shí)，通過優(yōu)化泡沫吸能器的形狀截面滿足行人保護(hù)性能是設(shè)計(jì)中的研究重點(diǎn)之一。有學(xué)者以C型截面為基礎(chǔ)，將各尺寸參數(shù)化，通過CAE迭代模擬實(shí)現(xiàn)了行人保護(hù)性能的提升[6]。

2.2 保險(xiǎn)杠內(nèi)部支架強(qiáng)度優(yōu)化

CNCAP中對(duì)于腿型試驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）下腿型試驗(yàn)。通過采集碰撞過程中小腿4個(gè)彎矩以及膝部韌帶延伸量MCL，ACL和PCL七個(gè)指標(biāo)，來評(píng)價(jià)車輛對(duì)行人腿部的碰撞保護(hù)性能。

（2）上腿型試驗(yàn)。采集碰撞過程中的2個(gè)沖擊力值和彎矩值五個(gè)指標(biāo)，來評(píng)價(jià)車輛對(duì)行人腿部的碰撞保護(hù)性能。

該兩項(xiàng)試驗(yàn)均重點(diǎn)關(guān)注膝部的彎矩值，即膝部的彎曲狀態(tài)。圖3為行人碰撞瞬間姿態(tài)圖：

圖3 行人碰撞瞬間姿態(tài)圖

人的腿型由大腿，膝關(guān)節(jié)以及小腿構(gòu)成。碰撞過程中人體上部勢(shì)必向機(jī)罩方向傾倒。為研究腿型姿態(tài)我們?cè)趫D3中選取三點(diǎn)，A’,B’,C’。A’點(diǎn)為髖關(guān)節(jié)，B’點(diǎn)為膝關(guān)節(jié)，C’為腳部位置。將這三點(diǎn)映射到車身上，可以得到對(duì)應(yīng)的三個(gè)點(diǎn)A,B,C。

通過研究可以發(fā)現(xiàn)腿型的姿態(tài)由車身上A,B,C三點(diǎn)的強(qiáng)度狀態(tài)決定的。由于碰撞過程中，人體髖關(guān)節(jié)以上勢(shì)必有向車身方向旋轉(zhuǎn)（如圖3）。若A點(diǎn)較強(qiáng)，上半身的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)會(huì)加大，髖關(guān)節(jié)的過度旋轉(zhuǎn)與行人保護(hù)初衷相違背。因此研究前我們假設(shè)A點(diǎn)強(qiáng)度較弱。通過對(duì)B,C點(diǎn)的強(qiáng)弱進(jìn)行組合可以得到以下四種狀態(tài)：

Case a：A弱，B弱，C弱

Case b：A弱，B弱，C強(qiáng)

Case c：A弱，B強(qiáng)，C弱

Case d：A弱，B強(qiáng)，C強(qiáng)

前面我們闡述過，行人保護(hù)的關(guān)注點(diǎn)在于膝蓋的彎曲狀態(tài)，可簡化為A’B’與B’C’的夾角α（如圖4），α越大對(duì)應(yīng)的膝蓋彎曲力矩以及韌帶拉伸量越小。

圖4

假定行人上半身碰撞瞬間的姿態(tài)固定（以A’D’表示），B點(diǎn)以及C點(diǎn)位置bumper強(qiáng)度的差別就可以得出四種狀態(tài)下的腿部姿態(tài)（如圖4分別對(duì)應(yīng)于Case a, Case b, Case c, Case d四種狀態(tài)）。Case a以及Case b的膝蓋彎曲程度較小，而Case c, Case d的彎曲狀態(tài)較差。但Case a的髖關(guān)節(jié)彎曲狀態(tài)相比Case b較差，因此較為理想的狀態(tài)為Case b, 其次為Case a。由此可見通過三點(diǎn)分析法，可在項(xiàng)目前期缺少CAE驗(yàn)證的情況下對(duì)保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)提供方向性的判斷。

圖5

如果我們以Case b狀態(tài)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，那么在設(shè)計(jì)過程中，保險(xiǎn)杠的上部以及中部設(shè)計(jì)應(yīng)該避免結(jié)構(gòu)硬點(diǎn)（如與鈑金的強(qiáng)安裝點(diǎn)），或硬點(diǎn)結(jié)構(gòu)在碰撞中可以后退潰縮，而保險(xiǎn)杠的下部應(yīng)該加強(qiáng)。

2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)可潰縮設(shè)計(jì)

整車性能往往是各種性能需求的均衡，第2點(diǎn)中為滿足行人保護(hù)，我們可以優(yōu)化保險(xiǎn)杠的內(nèi)部強(qiáng)度點(diǎn)的布置。但如果從保險(xiǎn)杠的自身性能而言，要保證其在汽車行駛過程中能夠維持與環(huán)境件的匹配，不張開不脫落，那么其目標(biāo)應(yīng)該設(shè)計(jì)的足夠強(qiáng)。這與行人保護(hù)需求相矛盾的[7]。

為解決這一矛盾，很多保險(xiǎn)杠在設(shè)計(jì)過程中都采用了X向（汽車長度方向）可潰縮式結(jié)構(gòu)。保險(xiǎn)杠的支撐為Z向（汽車高度方向），行人碰撞為X向，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中保證Z向的支撐強(qiáng)度而弱化X向，就可以解決這一矛盾[8]。

也有公司在大燈的安裝點(diǎn)上做X向可潰縮設(shè)計(jì)同樣是基于類似的考量。如圖6某車型在安裝點(diǎn)位置對(duì)結(jié)構(gòu)料后做了減薄，以實(shí)現(xiàn)碰撞過程中該位置剪切斷裂。

圖 6

2.4 與主動(dòng)式機(jī)罩的結(jié)合

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，通過應(yīng)用主動(dòng)彈出式機(jī)罩，實(shí)現(xiàn)在人車碰撞的瞬間，機(jī)罩彈起一定高度，為行人撞擊機(jī)罩時(shí)提供更多的緩沖空間，避免行人直接與機(jī)罩以及其機(jī)艙內(nèi)部的剛性零件接觸對(duì)頭部造成致命傷害[9]。

圖7 壓力傳感器

保險(xiǎn)杠作為碰撞發(fā)生瞬間第一接觸的零件，是布置主動(dòng)式機(jī)罩的觸發(fā)傳感器的最佳載體。主動(dòng)式機(jī)罩的觸發(fā)傳感器一般為壓力傳感器，如圖2.6布置在泡沫吸能器中，這將對(duì)泡沫吸能器的設(shè)計(jì)提出更多挑戰(zhàn)[10]。

3 未來發(fā)展趨勢(shì)

未來保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)在行人保護(hù)領(lǐng)域的挑戰(zhàn)將主要體現(xiàn)在以下三個(gè)維度：

（1）怎樣在行人保護(hù)測(cè)試中更貼近真實(shí)碰撞環(huán)境

行人保護(hù)腿型試驗(yàn)最開始的腿型模型為剛性結(jié)構(gòu)（稱為剛性腿），由于剛性腿無法準(zhǔn)確模擬行人碰撞過程中的韌帶拉伸狀態(tài)，進(jìn)而演變成當(dāng)下的柔性腿碰撞，未來應(yīng)該如何更真實(shí)的模擬碰撞狀態(tài)，以為設(shè)計(jì)提供更為貼切的依據(jù)，相信這將是一個(gè)持續(xù)的研究過程。

（2）主動(dòng)安全的挑戰(zhàn)

汽車電氣化趨勢(shì)是當(dāng)下的潮流，保險(xiǎn)杠作為汽車最前端的零件，可作為電子件的承載平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)碰撞發(fā)生的預(yù)知以及碰撞瞬間的感應(yīng)。如何提供電子件的安裝接口，并保證電子件在汽車行駛中的正常工作。勢(shì)必將會(huì)對(duì)未來保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)帶來更多的挑戰(zhàn)。

（3）被動(dòng)安全設(shè)計(jì)考量

本文僅僅從保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)角度，闡明現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理念如何降低汽車碰撞中對(duì)行人的傷害。但隨著城市路況的愈發(fā)復(fù)雜以及碰撞評(píng)判要求的日益增長。保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)如何去滿足新的法規(guī)需求，如何與其他零件組合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)傷害的進(jìn)一步降低，以整體視角去優(yōu)化設(shè)計(jì)將尤為重要。

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[9] 匡芳,劉宏達(dá),陳林,陳琳,樓植楊.行人保護(hù)研究綜述[J].汽車科技. 2018,04:96-102.

[10] 陳亮鋒.汽車行人保護(hù)的現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].汽車實(shí)用技術(shù).2014, 9:1-3.

Bumper Design Study Summary Based On Pedestrian Protection Requirement

Yin Junlong

（PSA Group Shanghai Tech Center, Shanghai 200030）

Bumper is the front-end part of a vehicle. When crash happened, it’s the first part contact with pedestrian. It plays an important role in pedestrian protection performance. This article based on the requirement of pedestrian protection to give a global view of the methods that can be applied in design to meet the target. Besides, it also gives a view of the future challenge in bumper design and pedestrian protection.

Bumper; Pedestrian Protection; Vehicle crash

U463.99

A

1671-7988(2019)13-183-03

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殷俊龍，碩士，外飾研發(fā)工程師，就職于標(biāo)致雪鐵龍上海工程技術(shù)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.060