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10.16638/jki.1671-7988.2019.13.060
基于行人保护要求的汽车保险杠设计概述
殷俊龙
（标致雪铁龙上海工程技术中心，上海 200030）
摘 要：保险杠是汽车最前端部件，在碰撞发生时，与行人第一时间接触，因此在整车行人保护性能中占据重要地位。文章从行人保护的角度对汽车保险杠的设计进行探究。着重阐述了，通过哪些途径以及何种结构优化方式，可以在保险杠设计过程中最大化满足行人保护性能的要求，以及未来的发展趋势。 关键词：保险杠；行人保护；汽车碰撞
中图分类号：U463.99  文献标识码：A  文章编号：1671-7988(2019)13-183-03
Bumper Design Study Summary Based On Pedestrian Protection Requirement
Yin Junlong
（PSA Group Shanghai Tech Center, Shanghai 200030）
Abstract: 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. Keywords: Bumper; Pedestrian Protection; Vehicle crash
CLC NO.: U463.99  Document Code: A  Article ID: 1671-7988(2019)13-183-03
1 行人保护概况
汽车安全有两大关注点，一是乘员保护，二是行人保护。这两点也是各国New Car Assessment Program 的主要评测内容。本文以行人保护为出发点，以汽车保险杠为载体，简要阐述行人保护与汽车保险杠设计开发的挑战以及发展方向。
在现行E-NCAP 中，行人保护的关注点分为头型试验以及腿型试验。
2018版的C-NCAP 中，其关注点与E-NCAP 类似，同样为两个：头型试验，腿型试验[1]
。
与E-NCAP 不同点的是，C-NCAP 的腿型试验以保险杠的下部高度作为标准，判别不同车型应试用上腿型还是下腿型试验[2]。然而在E-NCAP 中小腿以及大
腿碰撞试验需同时考核。
在2018版C-NCAP 中，乘员保护，行人保护，主动安全总分100，行人保护总分为15分，占比为15%。在新车评价体系中，如果要达到五星及五星+评定，总得分率需>=82%。而行人保护作为单项，其得分率必须>=65%。（如表1）
图1  2018C-NCAP 行人保护测试项目[2]
由此可见为了在新车评定中取得更高的星级评定结果，行人保护的考量至关重要。
汽车后保险杠作者简介：殷俊龙，硕士，外饰研发工程师，就职于标致雪铁龙上海工程技术中心。
汽车实用技术
184表1 C-NCAP各部分最低得分率要求[2]
2 行人保护
虽然中国与欧洲在行人保护评定要求中存在差别，但行人保护评价均围绕两个维度：头部保护，腿部保护，这两项保护的贡献分别集中在保险杠以及机罩上。
本文主要围绕行人保护对保险杠的设计要求，因此不对机罩加以阐述。
保险杠的设计可从以下几个维度进行考量。
2.1 保险杠材料改良
保险杠为塑料件，其主要材料为PP类改性材料，塑料相较于金属拥有较好的塑性，同时为保证其具有一定的刚度，背部通常会布置塑料支架，以保证汽车低速行驶过程中，保险杠可以承受一定的冲击。但保险杠的刚度提升，随之带来的是碰撞中对行人腿部伤害的提升。2007年9月5日拜耳公司公布了基于聚氨酯泡沫制造的保险杠吸能系统。聚氨酯泡沫密度小，质量轻，在碰撞过程中可充分变形并在碰撞后可恢复形状，具有优良的吸能性能。这种设计概念既可以为保险杠提供支撑，也可以避免保险杠过强，因此在现有车型中得到大规模应用（如图2）[3-4]。
图2 某车型前保险杠泡沫吸能器
然而在实际的应用过程中，对于泡沫吸能器我们还会关注以下两个方面：
（1）泡沫吸能器的密度
鉴于泡沫吸能器的成型工艺为聚氨酯发泡成型，那么发泡的密度将直接导致泡沫吸能器本身的刚度特性。密度越低，吸能器越软，保险杠的刚度就会越差，但碰撞过程中对于行人的伤害指数会得到改善。有学者已通过CAE仿真计算得到该结果[5]，保险杠设计是一个权衡的过程，实际开发怎样权衡性能要求是一个难点。
（2）泡沫吸能器的形状，截面
泡沫吸能器的形状，截面设计以及不同位置的厚度，都会对碰撞过程中的行人保护性能产生较大影响。怎样通过在提供保险杠刚度支撑的同时，通过优化泡沫吸能器的形状截面满足行人保护性能是设计中的研究重点之一。有学者以C 型截面为基础，将各尺寸参数化，通过CAE迭代模拟实现了行人保护性能的提升[6]。
2.2 保险杠内部支架强度优化
CNCAP中对于腿型试验的评价标准如下：
（1）下腿型试验。通过采集碰撞过程中小腿4个弯矩以及膝部韧带延伸量MCL，ACL和PCL七个指标，来评价车辆对行人腿部的碰撞保护性能。
（2）上腿型试验。采集碰撞过程中的2个冲击力值和弯矩值五个指标，来评价车辆对行人腿部的碰撞保护性能。
该两项试验均重点关注膝部的弯矩值，即膝部的弯曲状态。图3为行人碰撞瞬间姿态图：
图3 行人碰撞瞬间姿态图
人的腿型由大腿，膝关节以及小腿构成。碰撞过程中人体上部势必向机罩方向倾倒。为研究腿型姿态我们在图3中选取三点，A’,B’,C’。A’点为髋关节，B’点为膝关节，C’为脚部位置。将这三点映射到车身上，可以得到对应的三个点A,B,C。
通过研究可以发现腿型的姿态由车身上A,B,C三点的强度状态决定的。由于碰撞过程中，人体髋关节以上势必有向车身方向旋转（如图3）。若A点较强，上半身的旋转趋势会加大，髋关节的过度旋转与行人保护初衷相违背。因此研究前我们假设A点强度较弱。通过对B,C点的强弱进行组合可以得到以下四种状态：
Case a：A弱，B弱，C弱
Case b：A弱，B弱，C强
Case c：A弱，B强，C弱
Case d：A弱，B强，C强
前面我们阐述过，行人保护的关注点在于膝盖的弯曲状态，可简化为A’B’与B’C’的夹角α（如图4），α越大对应的膝盖弯曲力矩以及韧带拉伸量越小。
图4
假定行人上半身碰撞瞬间的姿态固定（以A’D’表示），B点以及C点位置bumper强度的差别就可以得出四种状态下的腿部姿态（如图4分别对应于Case a, Case b, Case c, Case d四种状态）。Case a以及Case b的膝盖弯曲程度较小，而
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Case c, Case d 的弯曲状态较差。但Case a 的髋关节弯曲状态相比Case b 较差，因此较为理想的状态为Case b, 其次为Case a 。由此可见通过三点分析法，可在项目前期缺少CAE 验证的情况下对保险杠的设计提供方向性的判断。
图5
如果我们以Case b 状态作为设计目标，那么在设计过程中，保险杠的上部以及中部设计应该避免结构硬点（如与钣金的强安装点），或硬点结构在碰撞中可以后退溃缩，而保险杠的下部应该加强。 2.3 内部结构可溃缩设计
整车性能往往是各种性能需求的均衡，第2点中为满足行人保护，我们可以优化保险杠的内部强度点的布置。但如果从保险杠的自身性能而言，要保证其在汽车行驶过程中能够维持与环境件的匹配，不张开不脱落，那么其目标应该设计的足够强。这与行人保护需求相矛盾的[7]
。
为解决这一矛盾，很多保险杠在设计过程中都采用了X 向（汽车长度方向）可溃缩式结构。保险杠的支撑为Z 向（汽车高度方向），行人碰撞为X 向，如果结构设计中保证Z 向的支撑强度而弱化X 向，就可以解决这一矛盾[8]。
也有公司在大灯的安装点上做X 向可溃缩设计同样是基于类似的考量。如图6某车型在安装点位置对结构料后做了减薄，以实现碰撞过程中该位置剪切断裂。
图 6
2.4 与主动式机罩的结合
随着电子技术的发展，通过应用主动弹出式机罩，实现在人车碰撞的瞬间，机罩弹起一定高度，为行人撞击机罩时提供更多的缓冲空间，避免行人直接与机罩以及其机舱内部的刚性零件接触对头部造成致命伤害[9]
。
图7  压力传感器
保险杠作为碰撞发生瞬间第一接触的零件，是布置主动式机罩的触发传感器的最佳载体。主动式机罩的触发传感器
一般为压力传感器，如图2.6布置在泡沫吸能器中，这将对泡沫吸能器的设计提出更多挑战[10]。
3 未来发展趋势
未来保险杠设计在行人保护领域的挑战将主要体现在以下三个维度：
（1）怎样在行人保护测试中更贴近真实碰撞环境 行人保护腿型试验最开始的腿型模型为刚性结构（称
为刚性腿），由于刚性腿无法准确模拟行人碰撞过程中的韧带拉伸状态，进而演变成当下的柔性腿碰撞，未来应该如何更真实的模拟碰撞状态，以为设计提供更为贴切的依据，相信这将是一个持续的研究过程。
（2）主动安全的挑战
汽车电气化趋势是当下的潮流，保险杠作为汽车最前端的零件，可作为电子件的承载平台，实现碰撞发生的预知以及碰撞瞬间的感应。如何提供电子件的安装接口，并保证电子件在汽车行驶中的正常工作。势必将会对未来保险杠的设计带来更多的挑战。
（3）被动安全设计考量
本文仅仅从保险杠的设计角度，阐明现有的设计理念如何降低汽车碰撞中对行人的伤害。但随着城市路况的愈发复杂以及碰撞评判要求的日益增长。保险杠的设计如何去满足新的法规需求，如何与其他零件组合设计实现伤害的进一步降低，以整体视角去优化设计将尤为重要。
参考文献
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