東北地區(qū)通用運(yùn)材車后下部防護(hù)裝置的研究

瞿炳華 于建國

摘要 針對東北林區(qū)的特殊環(huán)境，在分析車輛追尾碰撞理論的基礎(chǔ)上，探討適用于東北地區(qū)運(yùn)材車的后下部吸能防護(hù)裝置要求。根據(jù)裝置功能要求、耐低溫材料要求、構(gòu)件聯(lián)接要求、安裝要求、結(jié)構(gòu)剛度要求和多級吸能要求提出采用擺桿曲柄連桿機(jī)構(gòu)、擴(kuò)脹管吸能、阻尼缸和橡膠金屬螺旋復(fù)合彈簧相結(jié)合設(shè)計(jì)一款新型吸能防護(hù)裝置。該裝置能夠有效避免鉆撞并通過多級吸能減緩沖擊。該設(shè)計(jì)經(jīng)過有限元分析驗(yàn)證已達(dá)到了相關(guān)規(guī)定，為后下部防護(hù)裝置的實(shí)際應(yīng)用提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)理論根據(jù)。

關(guān)鍵詞 東北地區(qū)；運(yùn)材車；后下部防護(hù)裝置；避免鉆撞

中圖分類號 S776.36+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）20-06869-03

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，林材產(chǎn)品需求量增加，木材運(yùn)輸已經(jīng)不再局限于林業(yè)伐區(qū)到林區(qū)貯木場之間，運(yùn)材車也不再局限于傳統(tǒng)的大型原木（原條）運(yùn)輸車。我國東北地區(qū)不僅擔(dān)負(fù)著輸出林木產(chǎn)品任務(wù)，而且擔(dān)負(fù)著從俄羅斯托木斯克等地區(qū)戰(zhàn)略進(jìn)口林木的重任，其中公路運(yùn)輸是目前東北地區(qū)最常用的的運(yùn)材方式。目前使用較多的是由汽車和半掛車組成的靈活性較高的通用型運(yùn)材車。交通運(yùn)輸過程中運(yùn)材車一旦發(fā)生追尾碰撞將發(fā)生重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。在交通事故中追尾事故的發(fā)生率高達(dá)46%，其中小型轎車和載重車輛追尾碰撞造成的人身安全威脅和經(jīng)濟(jì)損失比例最高，致死比例是轎車與其他車型碰撞致死的4倍[1] 。

考慮東北地區(qū)運(yùn)材車的作業(yè)環(huán)境，該文從運(yùn)材車后下部防護(hù)裝置的性能要求出發(fā)，設(shè)計(jì)出適用于東北地區(qū)通用運(yùn)材車的新型后下部吸能防護(hù)裝置。該裝置具有5大創(chuàng)新點(diǎn)，并滿足GB11567.2—2001的標(biāo)準(zhǔn)，在追尾碰撞時(shí)可以通過多級吸能達(dá)到車輛的被動(dòng)保護(hù)目的并基于有限元分析通過證驗(yàn)證[2]。

1 車輛追尾碰撞分析

車輛追尾碰撞分為正面碰撞追尾和偏追尾碰撞兩類，如圖1和圖2所示。兩種情況對后下部防護(hù)裝置的防護(hù)要求略有不同，由于偏追尾碰撞沖擊力的非均勻性造成后者對后下部防護(hù)裝置的要求略高于前者。

圖1 追尾鉆撞現(xiàn)象

圖2 偏追尾碰撞

小車追尾碰撞時(shí)，后下部防護(hù)裝置既能夠及時(shí)避免小車發(fā)生鉆撞現(xiàn)象，又能最大限度地減輕碰撞對追尾車及載車人員的沖擊損傷，并可有效避免碰撞反彈帶來的二次沖擊損傷。

從碰撞力學(xué)的角度來看，碰撞直接結(jié)果導(dǎo)致車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變和車輛變形。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變是力對作用對象外效應(yīng)的體現(xiàn)，變形式力的對作用對象內(nèi)效應(yīng)的表現(xiàn)。在追尾撞擊前后小轎車、載重車輛構(gòu)成一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)沒有外力的存在，遵守沖量守恒定理，即：

在追尾事故中，為了有效防止鉆撞現(xiàn)象、碰撞后反彈，減少碰撞對追尾車及人員整體的損傷，載重汽車合理配置后下部吸能防護(hù)裝置至關(guān)重要。然而我國相關(guān)法律還不完善，汽車生產(chǎn)商標(biāo)準(zhǔn)不一，導(dǎo)致車輛后下部吸能防護(hù)裝置往往不能奏效。

2 東北地區(qū)運(yùn)材車后下部吸能防護(hù)裝置的工作要求

運(yùn)材汽車一般由牽引車和半掛車或者掛車組成，目前國內(nèi)還沒有針對運(yùn)材車后下部吸能防護(hù)裝置的技術(shù)要求，尤其是對東北地區(qū)低寒地區(qū)作業(yè)的運(yùn)材車。參照我國2001年制定的GB 11567.2-2001《汽車和掛車后下部防護(hù)要求》和美國標(biāo)準(zhǔn)（FMVSS 203和FMVSS 204），東北地區(qū)運(yùn)材車后下部吸能防護(hù)裝置須滿足以下要求：

（1）裝置功能要求。阻擋追尾車、避免鉆撞，降低追尾碰撞對人身的傷害；吸能緩沖、提高車輛追尾碰撞的相容性，有效降低人身安全威脅和經(jīng)濟(jì)損失；高度自行調(diào)節(jié)，在一定范圍內(nèi)改變離去角提高車輛的通行性；適應(yīng)低寒的工作環(huán)境[3-4]。

（2）裝置材料低溫要求。金屬材料在-30 ℃以下時(shí)金屬材料的沖擊吸收能量明顯下降并引起冷脆現(xiàn)象，金屬材料的物理機(jī)械性能發(fā)生改變。常溫下金屬材料原子彼此結(jié)合疏松，具有一定的彈性，受力時(shí)通過變形可以吸收較多的沖擊能量。在低溫下金屬原子結(jié)合緊密彼此彈性降低，受力時(shí)其吸收的沖擊能量降低，金屬材料呈現(xiàn)脆性，極易脆斷[5]。東北地區(qū)冬季溫度一般保持在-30 ℃左右，漠河地區(qū)高達(dá)-50 ℃，建議后下部吸能防護(hù)裝置采用低合金鐵素體鋼，通過加入錳、鎳等微量元素或者改變金屬加工工藝改善材料的低溫脆性，確保低寒地區(qū)車輛吸能防護(hù)裝置的有效性并延長其使用壽命。

（3）裝置構(gòu)件聯(lián)接要求。目前比較流通的運(yùn)材汽車后下部防護(hù)裝裝置為采用焊接工藝的沖擊梁結(jié)構(gòu)，由于后下部防護(hù)裝置構(gòu)件材料和焊接材料、焊接工藝、后下部防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)類型、適用環(huán)境要求等[6]不足造成氣孔、未焊透、焊接裂縫、夾渣等缺陷，焊接交接處應(yīng)力集中，使得焊接交接處收到?jīng)_擊載荷時(shí)內(nèi)部應(yīng)力首先達(dá)到屈服極限而破裂，造成裝置掉落而失效，或錫焊接構(gòu)件在-45 ℃以下時(shí)易產(chǎn)生裂紋或碎成粉末狀[7]，從接頭的位置斷裂。建議選用鉸接、減少焊接點(diǎn)、改變裝置結(jié)構(gòu)減少焊接缺陷。

（4）裝置安裝要求。兼顧運(yùn)材車在林區(qū)復(fù)雜路況的通行性和高速公路行駛的防護(hù)性，空載狀態(tài)下車輛后下部防護(hù)裝置下邊緣離地高度在防護(hù)狀態(tài)可調(diào)時(shí)離地高度小于450 mm[8-11]，后下部防護(hù)狀態(tài)不可調(diào)時(shí)離地高度小于560 mm[12]；裝置安裝后不可隨意移動(dòng)，改變位置時(shí)外力最大值低于400 N；后下部防護(hù)裝置的任一端最外緣與后軸車輪最外端的橫向水平距離不大于100 mm，不得超出后軸寬度[13]。

（5）裝置結(jié)構(gòu)剛度要求。裝置構(gòu)件具有足夠的剛度，避免追尾車發(fā)生鉆撞現(xiàn)象，碰撞時(shí)后部吸能防護(hù)裝置可以變形、開裂，但是不允許整體從貨車連接處脫落[12]；但剛度過大會(huì)造成追尾車的碰撞反彈，給追尾車人員帶來二次沖擊傷害（圖2）。所以應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)材料、尺寸、工作環(huán)境選擇具有合適剛度的吸能防護(hù)裝置。

（6）裝置吸能要求。通過桿件彎曲變形、阻尼材料形變、吸能盒、擴(kuò)脹管緩沖等形式改變傳統(tǒng)沖擊梁式后下部防護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)多級雙向吸能提高裝置在碰撞后的緩沖能力，最大限度延遲沖擊力的作用時(shí)間，降低沖擊載荷達(dá)到減少碰撞對追尾車及人員的沖擊傷害。

3 運(yùn)材汽車后下部防護(hù)裝置的改進(jìn)

3.1 新型裝置的基本組成

常見的運(yùn)材車后下部防護(hù)裝置由車架、支撐臂、橫梁組成，結(jié)構(gòu)為焊接，低溫條件下極易脆斷。它的吸能防護(hù)效果極差，在小轎車高速追尾運(yùn)材車的瞬間基本失效，鉆撞現(xiàn)象為此產(chǎn)生。在傳統(tǒng)載重車后下部防護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，結(jié)合曲柄連桿結(jié)構(gòu)提出新型運(yùn)材車后下部吸能防護(hù)裝置的構(gòu)想（圖3）。

圖3 新型吸能防護(hù)裝置示意圖

新型吸能防護(hù)裝置以曲柄連桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，其中連桿由二級吸能擴(kuò)脹管組成。該裝置利用擴(kuò)脹管、阻尼彈簧（橡膠金屬螺旋復(fù)合彈簧）、緩沖缸組成的四級吸能系統(tǒng)達(dá)到在避免鉆撞的同時(shí)最大程度降低碰撞時(shí)的巨大沖力對追尾車人員及車輛的危害。

3.2 新型運(yùn)材車后下部防護(hù)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

3.2.1 吸能防護(hù)原理創(chuàng)新。沖擊載荷經(jīng)過防撞橫梁直接傳遞到支撐臂（連桿）上，兩者的運(yùn)動(dòng)受到阻尼彈簧、緩沖缸的約束和擴(kuò)脹管的2級緩解。這反映在碰撞過程中就是吸能防護(hù)裝置對沖擊載荷的4級吸能緩沖作用，直接降低沖擊力對人員的損傷。橡膠金屬螺旋復(fù)合彈簧作為阻尼彈簧，具有阻尼減震效果好、與金屬碰撞不產(chǎn)生火花的優(yōu)點(diǎn)。擴(kuò)脹管因具有穩(wěn)定吸能的作用已被應(yīng)用于碰撞波形發(fā)生器上。2011年吉林大學(xué)的張昕等首次將擴(kuò)脹管應(yīng)用于車輛后下部吸能防護(hù)裝置上，經(jīng)過驗(yàn)證其具有良好的吸能防護(hù)效果。緩沖缸里面的填充的阻尼材料采用玻璃纖維材料，具有彈性系數(shù)高、減震效果出色、價(jià)格便宜的特點(diǎn)。

3.2.2 通行性創(chuàng)新。裝置結(jié)構(gòu)推翻傳統(tǒng)沖擊梁的設(shè)計(jì)，采用可翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)加大離去角，避免后防護(hù)裝置被卡住。由圖3可知，當(dāng)原始狀態(tài)下的曲柄連桿結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)角（a），在后下部防護(hù)裝置非工作狀態(tài)下時(shí)a=45°，曲柄連桿機(jī)構(gòu)在阻尼彈簧的壓力、緩沖缸的推力作用下保持平衡狀態(tài)，此時(shí)防護(hù)裝置的防撞橫梁距離地面的垂直高度為400 mm，即安裝高度為400 mm；工作狀態(tài)下0

3.2.3 裝置連接創(chuàng)新。傳統(tǒng)沖擊梁的焊接連接不適合在低寒的東北地區(qū)作業(yè)的運(yùn)材車，該裝置連接采用鉸鏈接，避免了低溫帶來的焊接缺陷問題。

3.2.4 裝置構(gòu)件材料創(chuàng)新。由于材料造價(jià)和車輛運(yùn)輸重量限制常用于車輛后下部防護(hù)裝置的材料大多為45鋼、Q235。該裝置金屬材料選用低碳錳鋼，Mn含量為0.6%～2%，C含量為0.05%～0.28%，利用脫氮除磷技術(shù)去除金屬材料中的氮、磷等有害雜質(zhì)，并適量加入鈦、鋁等金屬元素細(xì)化晶粒，處理后的金屬材料最低耐用溫度為-60 ℃；對低碳錳鋼進(jìn)行冷作硬化處理，通過預(yù)加材料塑性變形使材料彈性極限提高，增加材料在彈性階段的承載能力；采用退火工藝消除冷作硬化后的脆性缺陷。

3.2.5 裝置構(gòu)件截面創(chuàng)新。一般后下部防護(hù)裝置采用方形梁，其截面為矩形或者正方形。兼并優(yōu)化汽車重量和造價(jià)，該裝置的防撞橫梁采用工字鋼、支撐臂采用空心軸。桿件在受到外力時(shí)共有4種基本形式的變形：軸向拉伸（軸向壓縮）、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn)。后下部吸能防護(hù)裝置在追尾碰撞時(shí)主要承擔(dān)沖擊載荷的是支撐臂和防撞橫梁，其受力后的變形是4種基本變形的組合，但裝置的橫梁主要受剪力和彎矩、支撐臂受到的主要是軸向壓縮。構(gòu)件截面的創(chuàng)新表現(xiàn)為4項(xiàng)微觀方面，即構(gòu)件伸長率、抗壓截面系數(shù)、抗扭截面系數(shù)、抗彎截面系數(shù)提高。

伸長率是衡量桿件變性能力的重要指標(biāo)之一，變形能力大小與裝置吸能緩沖的效果成正比。同一尺寸的材料做成的構(gòu)件在同一外力作用下的伸長率與桿件的橫截面積成反比。新型吸能防護(hù)裝置的支撐臂采用的空心軸，假設(shè)空心軸的寬度等于傳統(tǒng)方形梁的寬，則空心軸的橫截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于后者，空心軸的伸長率大于后者。在追尾碰撞時(shí)桿件吸能變形越多，對沖擊載荷的緩沖效果越大。

為了保證桿件的足夠的剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性，桿件的最大應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力值，即要求桿件抗壓截面系數(shù)、抗扭截面系數(shù)、抗彎截面系數(shù)越大越好。碰撞時(shí)首當(dāng)其沖的是防撞橫梁，它的剛度、強(qiáng)度等要求較高，該裝置采用工型鋼，同比一橫截面積的矩形鋼、圓形鋼、T型鋼等它的抗壓截面系數(shù)、抗扭截面系數(shù)、抗彎截面系數(shù)最大，剛度和強(qiáng)度較好。

3.3 CATIA建模 根據(jù)GB11567.1-2001要求利用CATIA建模，取支撐臂壁厚2 mm，防撞橫梁壁厚2 mm、車架橫梁壁厚6 mm、曲柄壁厚為8 mm。然后基于ANSYS對移動(dòng)壁障碰撞動(dòng)態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行有限元分析；分析結(jié)果如圖4、5所示。在32 km/h速度下該裝置在碰撞變形中擴(kuò)脹管（支撐臂）最大吸能量為12.40 kJ，防撞橫梁最大吸能量為14.97 kJ，因此，裝置具有良好的吸能防護(hù)效果。

4 結(jié)論

根據(jù)東北地區(qū)運(yùn)材半掛車的作業(yè)要求，參照我國2001年制定的GB 11567.2-2001《汽車和掛車后下部防護(hù)要求》和美國標(biāo)準(zhǔn)（FMVSS 203和FMVSS 204），對比傳統(tǒng)車輛后下部防護(hù)裝置提出了東北地區(qū)通用運(yùn)材車的新型后下部吸能防護(hù)裝置。該裝置在吸能防護(hù)原理、結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)、材料選用、交通通行性等方面實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新。對由橡膠金屬螺旋復(fù)合彈簧、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、阻尼缸、擴(kuò)脹管組成的新型吸能防護(hù)裝置進(jìn)行有限元分析后發(fā)現(xiàn)該裝置具有良好的吸能防護(hù)效果，滿足相關(guān)規(guī)定。