揭秘汽车吸能盒：保险杠的玄机就在这里

汽车吸能盒是汽车保险杠系统中重要的吸能装置，它安装在横梁与车架纵梁之间，作为一种低速安全保护系统而存在。各大厂家出于设计及制造理念的不同，市面出现了多种样式的吸能盒装置，这也直接导致了吸能盒吸收撞击能量的能力有高有低。
那么，你有没有认真看过你的吸能盒长啥样呢？车聚君今天就来带大家了解一下这看似简单却暗藏玄机的吸能装置。

一、吸能盒的意义
物体在发生强烈碰撞时会发生塑性变形，主要表现为完全变形、翘曲变形和褶皱变形三种方式，其中褶皱变形是一种理想的吸能方式。吸能盒作为一种金属薄壁构件，在碰撞时容易发生褶皱变形，这正好满足了车辆在低速碰撞时能有效吸收碰撞能量，并尽可能减小撞击力对车身纵梁损害的目的。可以看到吸能盒的设计既提高了汽车的被动安全性，又降低了撞击带来的维修成本。

二、吸能盒历史
关于薄壁结构碰撞性能的研究可以追溯到上世纪六十年代，当时主要针对的是薄壁构件的力学模型研究，比如说Pusley推导出了轴向载荷的平均值，Alexander简化了薄壁构件的力学模型等。
而关于制备技术的提高则是发生在近代，其中标志性的事件是Sohn等人于2007年通过对速度、材料应变效应的研究，设计了一款液压成型的吸能盒，这种吸能盒结构简单、加工方便，和传统的保险杠支架相比有着更好的碰撞吸能效果。但是当时这种结构的制造成本相对较高，并没有大范围使用。此后，关于吸能盒的研究就呈现了一种百花齐放的局面，各种结构的吸能盒被研究出来，制造成本也大幅降低了，现在来说大多数车型都配备了吸能盒装置。

三、你的吸能盒是铝制的吗？

为了满足刚度要求，吸能盒材料主要为低碳钢和铝合金两种。相比于低碳钢，铝合金能够降低一倍左右的重量，同时由于其良好的导热效果，能够保证其在吸收能量时能将能量以热能的形式迅速传导到外界，避免局部过热发生爆炸等危险。此外，铝的力学性能在低温状态下仍能保持不变，这能够有效地保证其在恶劣气候下还能够正常发挥吸能作用。
最重要的，铝制吸能盒较碳钢吸能盒有着更好的溃缩吸能效果。下图是关于铝制和钢制吸能盒静态压缩试验，可以看到铝制吸能盒在基本不改变碰撞力峰值的情况下，吸收能和平均压缩力都有显著提高。
四、为什么吸能盒多是方的？
汽车吸能盒的截面形状与碰撞吸能特性有着直接的关系。不同截面形状下其吸能效果、碰撞力大小以及压缩变形效果都有着很大的区别。吸能盒截面形状主要分为正方形、等角六边形、等角八边形、圆形这几种，此外在此基础上还存在单腔和多腔结构。
根据国内外研究发现，正方形和六边形截面的汽车吸能盒具有较大的吸能量和较小的碰撞力峰值，是比较好的吸能结构。以某铝制吸能盒碰撞测试分析为例：

此外，焊接成型方式也会在一定程度上影响到吸能盒的碰撞吸能特性。在实际加工生产中，一般是先将板料冲压成型，然后进行切边裁剪，最后将两部分冲压件通过点焊的方式焊接在一起。从装配工艺角度来说，正方形结构会相对容易一些。当然了出于实际生产等原因，说是绝对的正方形也不太恰当，准确来说应该是宽高比接近的四边形结构。
五、你的吸能盒有溃缩引导吗？
由于汽车碰撞过程是一个非常复杂的动力学过程，多数吸能盒是薄壁构件，而且在碰撞初始阶段的碰撞力是最大的，如果碰撞压缩变形不稳定，碰撞力过大，则会降低吸能盒的作用。因此，我们可以看到溃缩引导设计的目的所在了——通过在特定位置设置诱导槽来引导汽车吸能盒进行碰撞压缩变形，同时降低其碰撞初始阶段的碰撞力。
我们知道碰撞力峰值过大，会引起接触点的破坏、不产生轴向的压缩变形等一系列不利影响。通过碰撞对比测试我们可以发现设置了诱导槽结构的吸能盒能够有效地降低碰撞力峰值，虽然设置诱导槽会降低吸能盒的吸能量，但是这种设置会大大降低碰撞力峰值，达到了平稳吸收碰撞能量的目的，综合来说是十分有利的。
六、纠结的吸能盒壁厚问题
由于吸能盒和保险杠是连接在一起的，随着吸能盒壁厚的减小，保险杠吸收的总能量会逐渐增加，但安全距离则会相应变小。在设计时要权衡吸能盒壁厚和保险杠吸收能量之间的关系，但总体来说，吸能盒壁厚要大一些比较好。下表是某保险杠设计中的碰撞测试，碰撞中设定保险杠厚度相同。

当然了，由于材料、设计方式及装配工艺不同，不同吸能盒之间不能单纯地以厚度进行比较。但是就同种吸能盒结构来说，一般厚度大一些较好。
七、吸能盒研究方向
吸能盒的设计还远远没有达到上限，传统金属材料已经不具备性能优势，关于其材料和结构的优化还有待进一步改进。而仿生学原理为结构轻量化和耐撞击性开辟了一条新的研究方向，比如说在吸能盒中增加填充材料，如蜂窝夹心或者是泡沫铝等，这种设计能够的提高变形稳定性和吸能效果。
就以泡沫铝结构为例，在较高（80%左右）孔隙率下，填充泡沫铝后的吸能盒缓冲载荷波动的能力很好，同时由于泡沫铝本身就是一种很好的吸能材料，这进一步提高了吸能盒的吸能效果。
虽然这种设计的实际使用还比较少，但并不是没有可能，比如说泡沫铝就已经被使用在汽车的车架中。厂家暂时没有采用这种设计多是从成本角度考虑的
车聚小结：
如今，吸能盒已经是大多数乘用车的保险杠构成之一，除了凯美瑞等少数车型之外，其他车型都已经采用。这个不起眼的部件，在汽车被动安全中扮演着重要的角色。
有时候，汽车安全被片面地误解为“铁皮厚度”，殊不知，像吸能盒这样默默躲在后方的组成部分，才是真正发挥了关键作用。
相信有些同学读完此文之后会去翻开自己爱车的保险杠，检查吸能盒的情况；而另一些同学则会点点头，感慨一声：“好，下次扯汽车安全又有新说辞了。”