一种汽车蜂窝吸能防撞梁设计研究

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。

文章来源：《中国安全科学学报》 网址: http://www.zgaqkxxb.cn/qikandaodu/2021/0204/557.html