一种汽车蜂窝吸能防撞梁设计研究

许亚军

【摘  要】由于汽車数量的急剧增加，交通事故频发。在大多数事故中，汽车底盘变形，发动机报废，造成车上人员及财产的重大损失。目前，汽车底盘防撞梁结构在安全性设计方面有一定欠缺，对行车安全造成了安全隐患。论文在对汽车防撞梁结构分析的基础上，提出一种汽车蜂窝吸能防撞梁设计方案，使车辆在中小型交通事故发生时，能有效地吸收碰撞能量，尽可能保证车上人员的生命和财产安全。

【Abstract】Due to the rapid increase in the number of automobiles， traffic accidents occur frequently. In most of the accidents， the chassis of the automobile is deformed and the engine is scrapped， which causes heavy losses of people and property on the automobile. At present， there are some deficiencies in the safety design of the anti-collision beam structure of the automobile chassis， which has caused safety hazards to the driving safety. Based on the analysis of the structure of automobile anti-collision beam， this paper puts forward a design scheme of automobile honeycomb energy absorption anti-collision beam， which can effectively absorb the collision energy and ensure the safety of life and property of the people on the automobile when the small and medium-sized traffic accidents happen.

【关键词】碰撞;安全;防撞梁;吸能装置;蜂窝;缓冲

【Keywords】collision; safety; anti-collision beam; energy absorption device; honeycomb; buffer

【中图分类号】U463.32+6                               【文献标志码】A                                   【文章编号】1673-1069（2020）10-0166-02

1 引言

随着汽车技术的迅猛发展，汽车保有量逐年增加，私家车数量急剧攀升，道路交通安全问题日益严重，交通事故随处可见，新手上路导致的交通事故、斑马线礼让行人导致的追尾事故频发，汽车防撞梁安全设计已显得非常重要。

2 汽车防撞梁设计现状

汽车防撞梁的结构设计，弓形钢结构的居多，此结构可以增强防撞梁的屈服强度，当车辆受到冲击时，能抵御较大的外力冲击，减少车辆自身的损失。目前，在防撞梁材料设计方面则以轻量化的铝合金材料为主，铝合金材料质轻且强度好，纯铝的抗拉强度约为80MN/m2，是低碳钢的五分之一[1]。但经过热处理其强度会大幅增加。虽然目前出现了无人驾驶汽车，无人驾驶车辆的安全性设计已经比较可靠，但应用还不是很广泛，目前传统车还占很大的比重，车辆安全设计还是一个很重要的课题。

在国外，防撞梁的安全问题越来越被重视，由于防撞梁在事故中对车辆起到很重要的保护作用，如果防撞梁设计得足够安全，在事故中就会对车辆发挥很大的保护作用，保险公司就会从中获利，所以美国的保险公司推出汽车防撞钢梁设计标准，以此来减少车辆在事故中的损伤，从而减少保险公司的成本。

目前，国内汽车防撞梁的设计也较少考虑碰撞中能量的吸收问题，而在汽车发生碰撞时，瞬间的碰撞能量是很大的，需要通过防撞梁自身的缓冲设计加以吸收。吸收瞬间的碰撞能量，一方面可以减少车辆自身的损伤，如减少发动机在瞬间的碰撞中受到过大的冲击而损坏，另一方面可以减轻车内人员受到冲击后的受伤程度。虽然目前防撞梁在纵梁上有溃缩设计，但横梁上缺乏相关安全设计。

3 蜂窝防撞吸能设计

3.1 蜂窝结构的优点

蜜蜂可谓能工巧匠，蜂窝的构造更加精巧，在保证受力的同时节省材料。蜂窝由无数个大小相同的正六边形墙体组成，每个六边形单体互邻连接，六边形的底既不是平的，也不是圆的，是尖的，这个底是由3个完全相同的菱形组成。有人测量过菱形的角度，两个钝角都是109°而两个锐角都是70°[2]。调查发现，几乎所有的蜂窝都是这一结构，蜂窝这一独特的结构可以使其应用在汽车防撞梁上成为可能。

蜂窝这一结构材料和工字钢结构相似，如精密排列的工字钢，故而结构变得异常坚固，其抗弯、抗压强度极高，而且其内部为空心，质量较轻，空间变形余量较大，具有极佳的缓冲性能和收缩性。从材料力学角度分析，蜂窝结构六边面与受力方向平行，由于立面比平面可承受较大的冲击力，在冲击时表现出优异的抵弯性能，故而在缓冲包装材料中被大量应用。而蜂窝结构在汽车上应用较少，汽车散热水箱虽然不是蜂窝结构，但在事故中，受力面与受力方向也是平行的，中小交通事故表明散热水箱的结构也可以起到一定的缓冲作用，减少事故中发动机的损伤，而蜂窝结构的缓冲性能优于散热水箱，将此结构应用于汽车防撞梁设计，提高汽车在中小型事故中的安全性。

3.2 蜂窝防撞梁结构功能设计

此汽车防撞梁的设计是一种蜂窝吸能缓冲装置，车辆正前方为“U”字型框架，框架两端连接有安装片，安装片将蜂窝缓冲梁连接到车架上。“U”字型框架外围布满若干蜂窝单体，蜂窝单体通过卡箍固定在防撞梁“U”字型基本框架上，以方便安装和拆卸。蜂窝单体由薄钢板折弯焊接而正六边形，再通过点焊将每个蜂窝单元连接成带状，带状蜂窝单体固定到“U”字型基本框架上，当车辆发生碰撞事故时，蜂窝单体的缓冲结构性能便发挥作用，蜂窝的立面结构将来自正面的撞击力加以吸收，蜂窝结构随之变形，能量进行了转换，在中小型事故中这种蜂窝结构发挥了更好的缓冲保护作用。在带状蜂窝单体外侧粘接有软袋体，“U”字型基本框架内侧两端均固定有储液缸，由出液管和进液管将储液缸和软袋体进行联通，出液管和进液管上均安装有单向阀，储液缸远离软袋体一端连接有端盖，端盖内侧固定有复位弹簧，且复位弹簧另一端连接有活塞，当防撞梁受到来自外部的冲击时，软袋体内的阻燃性液体通过单向阀流向储液缸，将碰撞的一部分能力进行吸收，减缓了对车辆的冲击，“U”字型基本框架与安装片之间连接吸能盒，起到进一步吸收能力的作用。

此汽车蜂窝吸能防撞梁设计考虑能量的层级衰减，在防撞梁外侧设置软袋体进行第一层级的缓冲，可以吸收较小的碰撞能量，当碰撞能量较大时，蜂窝状结构带发挥第二层级的缓冲作用，蜂窝的变形再次吸收大部分碰撞能量，使碰撞能量再次得到衰减，另外，吸能盒的设置可以再次吸收更多的碰撞能量，达到第三层级的缓冲作用，所以此蜂窝防撞梁设计有三道缓冲防线，将车辆受到的外部碰撞做到了层级衰减，可以更大程度减少车辆及车上人员的碰撞损伤，起到被动防御的目的。

3.3 蜂窝吸能装置关键连接点设计

此防撞梁连接点设计包括“U”字型框架1，其两端连接有安装片10，框架1与安装片10之间连接有吸能盒[3]9，框架1外侧设置蜂窝单体6，蜂窝单体6通过若干卡箍7固定于框架1上，蜂窝单体6由多个薄钢片2相互焊接组成，且薄钢片2呈蜂窝状，通过框架1两端端部的安装片10将整个防撞梁安装在车体纵梁上，吸能盒9在车辆低速碰撞时减小对车身纵梁的损害;在汽车发生重大碰撞事故时，蜂窝单体6能吸收大部分碰撞能量。蜂窝单体6外围粘接有软袋体8，“U”字型框架1内侧两端均固定有储液缸5，储液缸5靠近软袋体8一端分别连接有出液管3和进液管4，进出液管上均安装有单向阀15，储液缸5远离软袋体8一端螺接有端盖12，端盖12内侧固定有复位弹簧11，且复位弹簧11另一端连接有活塞13，复位弹簧11内部套接有限位柱14，且限位柱14一端固定在端盖12上，另一端贯穿活塞13并固定在储液缸5内壁，出液管3上的单向阀15开向软袋体8，进液管4上的单向阀15开向储液缸5，软袋体8内充满阻燃性液体，当有轻微碰撞时，软袋体8受到外力而被挤压，其内部阻燃性液体由进液管4进入储液缸5内，从而推动活塞13挤压复位弹簧11，而后复位弹簧11在弹力作用下复位，带动活塞13将阻燃性液体由出液管3排回软袋体8内，由于出液管3直径小于进液管4直径，使得阻燃性液体在排出时受阻尼力，以达缓冲之目的。

3.4 蜂窝吸能及装置设计关键点分析

本设计方案利用了蜂窝的吸能这一独特的结构，给予防撞梁吸能的特性。由于蜂窝的结构复杂难加工，所以采用单体连接，将蜂窝结构通过卡箍固定到防撞梁上，方便了加工过程。另外，采用了吸能盒和软袋的设计，将碰撞能量进一步吸收，起到保护车辆和乘员的目的。

4 结语

本文在汽车防撞梁设计存在的问题分析的基础上，进行了汽车防撞梁安全设计实践，分析了蜂窝特性及强度，确定了装置的设计方案，希望本装置的设计实践能对汽车防撞梁的设计人员提供可借鉴的方案。

【参考文献】

【1】朱平，张宇，葛龙，等.基于正面耐撞性仿真的轿车车身材料轻量化研究[J].机械工程学报，2005（09）：207-211.

【2】徐中明，徐小飞，万鑫铭，等.铝合金保险杠防撞梁结构优化设计[J].机械工程学报，2013，49（08）：136-142.

【3】米林，魏显坤，萬鑫铭，等.铝合金保险杠吸能盒碰撞吸能特性[J].重庆理工大学学报（自然科学），2012，26（06）：1-7.