一種新型可導向防撞墊的開發(fā)與性能研究

高 祥 馬保龍 單曉新 鄭 碩 張 檢 王東民 王 維 付程剛

(北京市高速公路交通工程有限公司 北京 101102)

一種新型可導向防撞墊的開發(fā)與性能研究

高 祥 馬保龍 單曉新 鄭 碩 張 檢 王東民 王 維 付程剛

(北京市高速公路交通工程有限公司 北京 101102)

為填補國內(nèi)市場上無滿足新評價標準可導向防撞墊的空白，開發(fā)了以吸能管與刀具組合的新型吸能構(gòu)件，利用臺車碰撞試驗和實車足尺碰撞試驗，研究了單個吸能構(gòu)件的吸能能力，優(yōu)化了各吸能構(gòu)件的尺寸并確定其安裝位置.加工試驗產(chǎn)品并經(jīng)實車足尺碰撞試驗驗證其防護能力.試驗結(jié)果表明，無防撞墊構(gòu)件侵入車輛乘員艙，車輛碰撞后沒有翻車且滿足導向駛出框要求，碰撞后車體最大加速度分別為14.03g，12.20g，12.67g，11.49g，說明該新型防撞墊滿足防護要求.

道路工程；可導向防撞墊；新型吸能構(gòu)件；防護能力；臺車碰撞試驗；實車足尺碰撞試驗

0 引 言

可導向防撞墊是一種獨立防護結(jié)構(gòu)，車輛正碰時，吸收車輛動能，減輕乘員傷害；車輛側(cè)碰時，可以導正車輛行駛方向，避免造成二次交通事故[1-2]，另一方面防撞墊也通過其表面顏色和圖形符號起警示和誘導作用.根據(jù)其工作特性的不同，可以將防撞墊分為兩類，即壓縮型和慣量傳遞型[3].壓縮型是通過自身構(gòu)件的變形或破壞來吸收車輛碰撞的能量，這類防撞墊需要剛性支座來支撐；慣量傳遞型是將車輛慣量通過碰撞傳遞給其他物體以達到消能目的，例如沙桶、水桶等，這類防撞墊無需剛性支座支撐.

國外對防撞墊的研究起步較早，并且有針對防撞墊的性能評價標準，已形成了一系列產(chǎn)品，但由于國內(nèi)外道路環(huán)境的差異，加上進口防撞墊價格較高，使得國外防撞墊產(chǎn)品并未在國內(nèi)廣泛使用.目前，國內(nèi)市場上缺少滿足評價標準的可導向防撞墊結(jié)構(gòu)，因此，開發(fā)滿足評價標準的可導向防撞墊，填補國內(nèi)防撞墊市場的空白已成為亟待解決的問題.

本文在以往的設(shè)計基礎(chǔ)上，提出了一種新型吸能構(gòu)件，優(yōu)化了導向滑軌，利用臺車碰撞試驗測定不同尺寸吸能構(gòu)件的吸能能力，從而確定了各吸能構(gòu)件的安裝位置及數(shù)量，最后進行小型客車正碰、偏碰、斜碰以及正向側(cè)碰實車足尺碰撞試驗.實車碰撞試驗評價結(jié)果表明該防撞墊各項指標均滿足文獻[4]的防護要求.

1 防撞墊的開發(fā)

1.1 防撞墊結(jié)構(gòu)的初步探討

本文設(shè)計防撞墊為壓縮型防撞墊，見圖1.

圖1 防撞墊結(jié)構(gòu)示意圖

鼻件的主要作用有三點：①保證汽車在碰撞防撞墊時，防撞墊構(gòu)件不會插入車體對乘員造成傷害，并且可以增加防撞墊的流線性，增加美觀效果；②鼻件的特殊結(jié)構(gòu)可以在汽車碰撞初期吸收部分動能；③鼻件表面張貼的反光膜，可以起到警示和誘導作用.尾部的剛性支座起約束作用，保證汽車碰撞時防撞墊有足夠的約束力，使吸能構(gòu)件沿導向索壓縮，充分發(fā)揮吸能構(gòu)件的吸能作用.導向板設(shè)置在防撞墊外側(cè)，有三個基本功能：①保證汽車側(cè)向碰撞時，汽車能夠被導回正常行駛車道，并使汽車駛出角度不超過碰撞角度的60%；②保證汽車在側(cè)向碰撞時，防撞墊構(gòu)件不會插入車體；③增加防撞墊的橫向剛度，保證汽車在側(cè)向碰撞時不會發(fā)生翻越和絆阻.

文獻[7]指出，乘員碰撞速度的縱向和橫向分量均不得大于12 m/s，碰撞后加速度的縱向和橫向分量均不得大于200 m/s2.汽車在碰撞初期，由于汽車速度較快，碰撞能量大，故碰撞后加速度大[5].為解決汽車碰撞初期加速度過大的問題，又不影響防撞墊的吸能效果，將吸能區(qū)分為弱吸能區(qū)，中度吸能區(qū)以及強吸能區(qū)，弱吸能區(qū)采用剛度較弱，緩沖能力較強的吸能構(gòu)件，后面則依次增加吸能構(gòu)件剛度，增加其吸能能力，見圖2.

圖2 防撞墊吸能區(qū)結(jié)構(gòu)

1.2 吸能構(gòu)件的開發(fā)

薄壁金屬圓管由于其良好的吸能特點常被用來制作能量吸收裝置，已有研究表明，圓管的撕裂卷曲破壞在吸能效果上比破碎、軸向屈曲或彎曲更有效.本文在以往的研究基礎(chǔ)上，開發(fā)一種新型吸能構(gòu)件，吸能構(gòu)件由吸能管與刀具組成，吸能管為直徑48 mm無縫Q235金屬圓管，刀具材質(zhì)同為Q235.

其吸能原理見圖3.汽車碰撞后，推動支架后移，促使吸能管尾端刀具撕裂吸能管，使吸能管撕裂卷曲變形，通過吸能管的撕裂變形，以達到緩沖吸能的目的.

圖3 吸能構(gòu)件工作原理

1.3 導向軌的設(shè)計

常見的導向軌有圓管式，矩形管式，工字鋼式等.張曉峰等[6]開發(fā)的防撞墊，他們采用的是圓鋼導向軌；趙永成等[7]將支架滑槽卡在矩形管上，并在矩形管下加裝槽鋼，將導軌抬高地面至一定高度，避免滑槽與地面直接接觸；韓海峰等[8-9]則采用工字鋼，將滑槽與工字鋼相連接，使防撞墊沿導軌方向滑動.目前導軌主要采用是鋼結(jié)構(gòu)，采用鋼結(jié)構(gòu)的好處是可以增加防撞墊的橫向剛度，大大增強了防撞墊的側(cè)向防撞能力，但是它們都有一個共同的缺陷，汽車在碰撞防撞墊后，由于汽車會給防撞墊一個向上的力，防撞墊有向上抬起趨勢，使得鋼結(jié)構(gòu)導軌發(fā)生彎曲，影響了吸能構(gòu)件的滑動，使防撞墊的緩沖能力大大降低.

為解決防撞墊碰撞過程中導軌彎曲的問題，本文開發(fā)一種柔性導軌，即采用鋼絲繩，見圖4.每個支架底部安裝2個U形卡，左右對稱布置，U形卡卡住鋼絲繩，利用一定預(yù)緊力卡住鋼絲繩，螺栓預(yù)緊力不能過大，以免影響防支架滑動，鋼絲繩兩端固定，一端與防撞墊末端支架連接，另一端與基礎(chǔ)預(yù)埋件連接.這種結(jié)構(gòu)雖然避免了導軌的彎曲變形，但使得防撞墊的側(cè)向剛度大大減弱了，為解決這個問題，防撞墊側(cè)面采用普通二波板，上下兩層布置，前后導向板首尾相互疊加，導向板上開有導向槽，并用螺栓將導向板與支架連接.

圖4 導向鋼絲繩

1.4 防撞墊設(shè)計細節(jié)

圖5為防撞墊設(shè)計細節(jié)圖.由圖5可知，導向板與支架采用螺栓連接，為避免導向板滑動過程中連接螺栓脫落，在導向板外側(cè)增設(shè)滑塊；由于支架底部與地面直接接觸，為避免支架滑動過程中，由于地面不平或障礙物阻礙了支架的滑動，在其底部增設(shè)兩個滑槽，滑槽邊緣進行倒圓角處理.

圖5 防撞墊設(shè)計細節(jié)

2 吸能構(gòu)件臺車碰撞試驗

2.1 試驗條件

本文設(shè)計防撞墊防撞等級為TA級，根據(jù)文獻[7]可知，1.5 t小型客車，設(shè)計車速為80 km/h.為了解單根吸能管吸能能力與其壁厚的關(guān)系，考慮到試驗準確性和安全性并結(jié)合試驗條件的局限性，采用以實車動能的1/16為參考點(即實驗臺車條件為1.5 t，20 km/h)，碰撞角度為0°.吸能管采用直徑48 mm無縫Q235金屬圓管,長度為1 m，其厚度分別為3，2.5，2 mm，臺車通過重錘牽引加速系統(tǒng)進行加速，在圓管兩側(cè)各安裝一個傳感器，記錄碰撞力.

臺車試驗共三次，控制其他試驗條件不變，改變圓管厚度，測試圓管厚度對試驗結(jié)果的影響，試驗安排見表1.

表1 臺車試驗碰撞條件

2.2 理論指導

傳感器測得數(shù)據(jù)值均在護欄板吸能和吸能管撕裂變形過程中產(chǎn)生，而不一定是實驗臺車在碰撞過程中受的最大力.經(jīng)分析假設(shè)，護欄板在碰撞中吸收的能量是傳感器的平均值之和與齒槽長度的積，即

E=(F1平均+F2平均)×s

(1)

實驗臺車在破壞齒型中產(chǎn)生的最大加速度為傳感器最大值之和與臺車質(zhì)量之比，即

amax=(F1max+F2max)/m臺車

(2)

2.3 試驗裝置及安裝

1) 刀具與金屬圓管 每根刀具軸的外母線沿圓周等間隔設(shè)有四條刀刃，每條刀刃呈直角三角形，刀刃的刃口為直角三角形的斜邊，刀刃的一條直角邊固定在刀具軸外母線且使斜邊刃口呈14°角指向與之連接的金屬圓管，類似于弓箭箭頭的指向，以更好、更平穩(wěn)的角度撕裂圓管.圓管端口邊沿等圓周間隔開有相對應(yīng)的四個卡口，卡口寬度與刀刃寬度5mm對應(yīng).金屬薄壁圓管與刀具相連構(gòu)成吸能構(gòu)件，刀具軸的四個刀刃卡在鋼管的四個卡口上.

2) 金屬圓管夾緊固定裝置 本實驗在已有實驗基礎(chǔ)上進行，實驗夾緊固定裝置采用已有裝置.根據(jù)已有實驗數(shù)據(jù)，使用M30的地角螺栓將其固定在地面上.為了防止碰撞過程中固定裝置傾倒，在固定裝置背面焊接槽鋼支撐.由于速度變化后期能量較大，為了保護刀具，在固定裝置上安裝與刀具尺寸對應(yīng)的鋼管.

3) 移動導軌 刀具及金屬圓管組成吸能構(gòu)件，將刀具安裝到固定裝置上后，圓管仍處于無約束狀態(tài).考慮到碰撞過程中圓管的長度在不斷減小，采用沿圓管軸向移動的支撐裝置，在固定裝置后方設(shè)置移動導軌.圓管前端由鋼筋焊接固定，將固定鋼筋連接到后方移動裝置上.

4) 測力傳感器 測力傳感器位于刀具固定端后方，兩測力傳感器對稱安裝.將刀具焊接到與固定裝置槽口對應(yīng)厚度的方形鋼柱上，在鋼柱兩側(cè)焊接金屬鋼板，測力傳感器安裝于鋼板后方.

5) 試驗臺車 中采用重錘加速系統(tǒng)對臺車速度進行控制，通過將重物放于臺車中部，以實現(xiàn)對臺車質(zhì)量的控制.

2.4 試驗結(jié)果與分析

臺車試驗中需測量的數(shù)據(jù)主要包括臺車碰撞圓管的實際速度v0，金屬圓管的撕裂長度L，測力傳感器的峰值和平均值以及臺車碰撞時間.觀察圓管撕裂情況并檢查圓管是否發(fā)生彎曲，記錄臺車碰撞后的反彈情況，試驗結(jié)果見表2.

根據(jù)式(1)～(2)計算臺車碰撞后圓管吸收的能量以及臺車碰撞過程中的最大加速度，記錄臺車碰撞后圓管的彎曲情況及臺車反彈情況，結(jié)果見表3.

表2 臺車試驗數(shù)據(jù)

臺車試驗中臺車動能主要由三個部分吸收，圓管的撕裂變形、臺車的變形及反彈及護欄擋板，主要靠圓管的撕裂變形吸收.由表2可知，隨著圓管壁厚的減小，圓管的撕裂長度增加，作用時間增加，根據(jù)沖量定理F·t=m·v可知，在臺車動量不變的情況下，隨著作用時間t的增加，平均作用力F降低.由表3可知，隨著圓管壁厚的減小，圓管吸收的能量降低，原因在于圓管壁厚的減小，克服其變形所需能量越小，導致其吸能能力降低.

表3 臺車試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果

由表3圓管彎曲情況可知，隨著圓管壁厚的減小，其彎曲程度降低，參照表2測力傳感器平均值，作用在圓管兩端力的差值隨圓管壁厚的減小而減小，說明作用在圓管截面上的力不平均會使得圓管發(fā)生彎曲，并在一定范圍內(nèi)隨圓管厚度的增加其彎曲程度增加.

臺車碰撞過程中臺車受力最大值在碰撞初期，由表3可知，三組試驗臺車的最大加速度基本相等，說明當圓管厚度在一定范圍內(nèi)時，臺車碰撞過程中的最大加速度與圓管厚度無關(guān).

3 防撞墊吸能構(gòu)件的設(shè)定

根據(jù)臺車試驗結(jié)果分析可知，圓管的壁厚越小，其緩沖能力越強，但其吸能能力越弱；圓管壁厚越大，其碰撞過程中受力越不均勻，越容易發(fā)生彎曲，而圓管彎曲會使圓管的吸能能力大大減弱，因此,在設(shè)計圓管壁厚時應(yīng)適當減小圓管壁厚.

根據(jù)1.1所述，雖然吸能區(qū)可以進行分區(qū)，但是其沒有明確的分區(qū)界限，國內(nèi)外也尚無指導性文獻參考，不合理的分區(qū)很可能會使汽車碰撞的加速度過大，而對乘員生命安全造成威脅.為解決這一問題，根據(jù)以往的工作經(jīng)驗，決定將吸能區(qū)分為四個部分，每個部分采用不同吸能能力的吸能構(gòu)件，這既可以避免碰撞加速度過大，又不影響防撞墊的吸能能力.

為避免碰撞中圓管發(fā)生彎曲而影響其吸能，分析決定采用φ48×1，φ48×1.2，φ48×1.5，φ48×1.8 mm四種規(guī)格的圓管.文獻[7]對TA級防撞墊的設(shè)計要求是吸收1.5 t小型客車，車速80 km/h的碰撞，其碰撞能量約為340.4 kJ.對于防撞墊來說，汽車碰撞能量由五個部分吸收，分別為鼻件、吸能區(qū)、尾部剛性支座、車輛本身及其他，其中其他包括側(cè)向?qū)虬濉⒅Ъ芘c地面的摩擦等，主要靠的是吸能區(qū)吸能，參照臺車的試驗結(jié)果，經(jīng)分析計算，決定采用六組吸能構(gòu)件，每組四個吸能構(gòu)件，為使吸能構(gòu)件受力均勻，四個吸能構(gòu)件均勻分布在防撞墊中間位置，其具體安裝位置見圖6.

圖6 吸能構(gòu)件安裝圖

3 實車碰撞試驗

3.1 實車碰撞試驗條件

根據(jù)文獻[7]，對防撞墊進行正碰、偏碰、斜碰以及正向側(cè)碰四組試驗，只有四組試驗全部滿足評價標準才為合格.本文防撞墊設(shè)計防護等級為TA級，試驗條件見表4.

表4 TA級防撞墊實車碰撞試驗條件

3.2 實車碰撞試驗結(jié)果

防撞墊安全性能評價指標包括阻擋功能、緩沖功能以及導向功能.①阻擋功能指防撞墊構(gòu)件及其脫離件不得侵入車輛乘員艙，當質(zhì)量大于2 kg的防撞墊脫離件散落時，散落位置應(yīng)位于規(guī)定區(qū)域內(nèi)；②緩沖功能指乘員碰撞速度的縱向與橫向分量均不得大于12 m/s，乘員碰撞后加速度的縱向與橫向分量均不得大于200 m/s2；③導向功能指車輛碰撞后不得翻車，車輛駛出輪跡應(yīng)滿足駛出導向框要求，且車輛駛出時車輛重心處速度不得大于碰撞速度的10%.防撞墊碰撞試驗評價結(jié)果見表5.

表5 TA級防撞墊實車碰撞試驗評價結(jié)果

由表5可知，本文設(shè)計防撞墊經(jīng)過正碰、斜碰、偏碰以及正向側(cè)碰四組實車足尺碰撞試驗后，其試驗結(jié)果均滿足文獻[7]中防撞墊的安全性能評價指標.

4 結(jié) 論

1) 本文開發(fā)出了一種新型吸能構(gòu)件，采用圓管與刀具組合式吸能構(gòu)件，通過圓管的撕裂變形來吸收汽車碰撞能量.

2) 優(yōu)化了導向軌設(shè)計，采用鋼絲繩代替剛性導軌，避免碰撞過程中導軌彎曲變形影響防撞墊的壓縮變形.

3) 設(shè)計臺車試驗，測試不同厚度圓管對試驗的影響，結(jié)果表明圓管厚度越小，緩沖能力越好，但吸能能力越差，并針對臺車試驗結(jié)果優(yōu)化吸能管的尺寸.

4) 按照設(shè)計要求加工防撞墊，并經(jīng)過正碰、斜碰、偏碰以及正向側(cè)碰4組實車足尺碰撞試驗，試驗結(jié)果表明本文設(shè)計防撞墊滿足評價要求.

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Development and Performance Study of a New-style Redirective Crash Cushion

GAO Xiang MA Baolong SHAN Xiaoxin ZHENG Shuo ZHANG Jian WANG Dongmin WANG Wei FU Chenggang

(BeijingHighwayTrafficEngineeringCo.Ltd.,Beijing101102,China)

To fill the gap that there is no redirective crash cushion that can meet the new standards in the market, a new-style energy-absorbing component which is the combination of energy-absorbing pipe and cutting tool is developed. The sled impact test and full-scale impact test with real vehicle are used; the energy-absorbing capability of a single energy-absorbing component is researched; the size of a single energy-absorbing component is optimized and its installation position is confirmed after the analysis of sled impact test; the test product is fabricated and its protective performance is verified by full-scale impact test with real vehicle. The results show that there is no crash cushion member breaking in the vehicle occupant compartment; the vehicle does not turn over after impact and meet the requirement of redirective exit box; the maximum accelerations of the vehicle after impact are 14.03g, 12.20g, 12.67gand 11.49g, which indicate that the crash cushion designed by this paper meet the protection requirements.

road engineering; redirective crash cushion; new-style energy-absorbing component; protective performance; sled impact test; full-scale impact test with real vehicle

2017-06-12

U417.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.024

高祥(1972—)：男，碩士，高級工程師，主要研究領(lǐng)域為智能交通及安全設(shè)施