載貨汽車后下部防護(hù)裝置的研究

吳克紹 徐昭

摘 要：文章介紹了載貨汽車車后下部防護(hù)裝置的相關(guān)法規(guī)，分析了該裝置的現(xiàn)狀，進(jìn)行了碰撞理論研究和相關(guān)力學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上，著重介紹了作者自主設(shè)計(jì)的載貨汽車后下部防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理、特點(diǎn)以及主要尺寸的設(shè)定方法。

關(guān)鍵詞：載貨汽車;后下部防護(hù)裝置;轎車追尾

中圖分類號(hào)：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）05-96-03

Abstract： This paper introduces the relevant laws and regulations of the rear lower protective device of freight cars， analyzes the current situation of the device， studies the collision theory and relevant mechanical analysis， and on this basis， emphatically introduces the structure， working principle and main size setting method of the rear protective device of freight cars designed by the author himself .

Keywords： Truck; Rear guard; Rear end collision of car

1 引言

1.1 研究背景

由于轎車追尾鉆入貨車后下部而引發(fā)的交通事故及人員傷亡時(shí)有發(fā)生。在搜索引擎中輸入“轎車鉆入貨車后下部”等相關(guān)字符，諸如“轎車‘鉆襠拱進(jìn)‘大貨”、“轎車鉆進(jìn)貨車后下部擠成面餅，司機(jī)尸體無法取出”等相關(guān)報(bào)道及圖片慘不忍睹，令人痛心疾首，而就目前的汽車結(jié)構(gòu)來看，完全無法防止此類事故的發(fā)生。

為此，研究防止轎車追尾鉆入貨車后下部裝置，對(duì)減少轎車追尾貨車交通事故，保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 貨車后下部防護(hù)裝置相關(guān)法規(guī)

針對(duì)轎車追尾貨車造成的嚴(yán)重傷害，各國相繼出臺(tái)了相應(yīng)的法規(guī)。美國交通安全管理局先后出臺(tái)了FMVSS 223《車輛追尾碰撞防護(hù)裝置》和FMVSS 224《車輛追尾碰撞保護(hù)》安全法規(guī)。隨后歐盟各國出臺(tái)了追尾貨車后碰撞防護(hù)裝置法規(guī)ECE R58。

我國最早頒布相關(guān)法規(guī)是1994年的GB11567.2-1994《汽車和掛車側(cè)面及后下部防護(hù)裝置要求》，2001年，又修訂出臺(tái)了GB11567.2-2001《汽車和掛車后下部防護(hù)要求》。我國的GB11567.2-2001的規(guī)定要求與ECE R58基本相同，所不同的是在ECE R58基礎(chǔ)上增加了移動(dòng)壁障追尾實(shí)驗(yàn)程序等。

國標(biāo)GB11567.2-2001的詳細(xì)要求主要包括形狀要求、尺寸要求、安裝位置要求和阻擋力的要求。其中阻擋力的要求的內(nèi)容為：在靜態(tài)載荷試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)載荷試驗(yàn)之后，安全裝置的后下部以及車輛后端的縱向水平距離≤400mm。除了以上幾點(diǎn)以外，對(duì)于安全裝置的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，規(guī)定：后防護(hù)裝置可以變形或是開裂，但是絕對(duì)不允許裝置脫落。移動(dòng)壁障減速度小于40g時(shí)，反彈速度不能大于2m/s。

2 貨車后下部防護(hù)裝置現(xiàn)狀

2.1 貨車后下部防護(hù)裝置概況

現(xiàn)有的貨車后下部防護(hù)裝置主要是設(shè)有一擋板，在實(shí)際碰撞過程中，大多無法起到應(yīng)有的作用。其原因是碰撞的相容性均較低。目前，市場和已裝車的擋板大多過于簡陋，還有一部分擋板防護(hù)性能較強(qiáng)，但是貨車在坡道上行駛時(shí)會(huì)減少其離去角，影響車輛的通過性能。

2.2 貨車后下部防護(hù)裝置研究方法

2.2.1 實(shí)車碰撞試驗(yàn)

貨車后下部防護(hù)裝置研究最早使用的是實(shí)車碰撞試驗(yàn)法，至今仍有許多相關(guān)研究采用該方法。根據(jù)國家規(guī)定，研制的汽車安全裝置必須經(jīng)過實(shí)車碰撞予以檢驗(yàn)其安全性能是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。雖然實(shí)車碰撞試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)很多，但是也存在試驗(yàn)周期長、成本高等缺點(diǎn)。

2.2.2 有限元分析法

計(jì)算機(jī)仿真可模擬完成一些實(shí)驗(yàn)，利用研究結(jié)果來對(duì)實(shí)際的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。大部分仿真軟件都是基于實(shí)車碰撞試驗(yàn)建立的模型庫，因此，保證了試驗(yàn)的可靠性，減少了作業(yè)工作量，降低了實(shí)驗(yàn)成本，具有便捷、高效等優(yōu)點(diǎn)，但與真實(shí)碰撞相比較，仍存在一定的誤差。

3 碰撞理論研究

3.1 碰撞的相容性

碰撞的相容性是指擋板的防碰撞能力，即其減輕碰撞對(duì)車輛和人員的傷害能力。相容性越好，對(duì)車輛和人員的傷害就越低。

3.2 碰撞相容性三要素

汽車碰撞的相容性，與以下三點(diǎn)因素有關(guān)。

（1）質(zhì)量。兩車相碰時(shí)，質(zhì)量小的一方相對(duì)來說更加危險(xiǎn)。一方的質(zhì)量越大，另一方人員與車輛受到的傷害的可能性就越大。在三要素中，質(zhì)量對(duì)相容性的影響是最大的。

（2）結(jié)構(gòu)剛度。結(jié)構(gòu)剛度與貨車后下部與轎車頭部兩者之間相容性有關(guān)。一碰撞發(fā)生時(shí)，若汽車的速度一定，則其變形量與車輛的結(jié)構(gòu)剛度成反比，即結(jié)構(gòu)剛度越大，變形量越小。

（3）車身的幾何外形。車身的幾何外形是指貨車后下部、轎車前端的高度、離地間隙等。

3.3 貨車后下部安全裝置防鉆效果分析

研究發(fā)現(xiàn)，貨車后下部安全裝置離地高度越高，轎車前端的變形就越大。當(dāng)相對(duì)速度為55km/h發(fā)生追尾、且貨車后下部的擋板離地高度為460 mm時(shí)，轎車前端的變形最大，說明此時(shí)貨車與轎車碰撞的相容性最差;當(dāng)貨車后下部的擋板離地高度為380 mm時(shí)，轎車前端的變形最小，說明此時(shí)貨車與轎車碰撞的相容性最好。

4 貨車后下部安全裝置力學(xué)分析

4.1 能量和動(dòng)量守恒定理

4.1.1 能量守恒定理

轎車追尾貨車后下部時(shí)兩車相碰撞的部位均會(huì)發(fā)生塑性變形。在碰撞過程中，轎車的動(dòng)能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換為聲波、熱能、聲能及應(yīng)變能等，為此，能量守恒定律可以應(yīng)用于轎車追尾貨車后下部碰撞的研究中。

4.1.2 動(dòng)量守恒定理

動(dòng)量守恒定理源于牛頓的第三定律。轎車追尾貨車后下部碰撞中，轎車和貨車會(huì)發(fā)生動(dòng)量交換，碰撞前后的總動(dòng)能相等。即動(dòng)量守恒定理可應(yīng)用于轎車追尾貨車后下部碰撞的研究中。

4.2 汽車碰撞力學(xué)的特點(diǎn)

轎車追尾貨車后下部碰撞過程可以分為碰撞開始、碰撞中、碰撞結(jié)束三個(gè)過程。兩車的動(dòng)量交換是發(fā)生在“碰撞中”這個(gè)過程;其過程中均要發(fā)生塑性變形、彈性變形。

通過對(duì)轎車追尾貨車后下部碰撞的受力分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）轎車追尾貨車后下部碰撞過程動(dòng)量交換時(shí)間十分短暫，一般為在0.1s-0.2s左右，并且與碰撞兩車的剛度成反比，即剛度越大，碰撞過程越短。

（2）轎車追尾貨車后下部碰撞過程中，減速度的大小與碰撞兩車各自的質(zhì)量成反比，即質(zhì)量越大的汽車發(fā)生碰撞時(shí)減速度越小，乘客和車輛受到的傷害也就越小。

（3）兩車碰撞的彈性變形和塑性變形通過擠壓變形來抵消碰撞時(shí)的動(dòng)能。通常用系數(shù)E代表車輛碰撞產(chǎn)生變形的情況。也就是碰撞部位恢復(fù)形變的能力，其范圍一般為0-1之間。

5 貨車后下部安全裝置的設(shè)計(jì)

5.1 貨車后下部安全裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1.1 結(jié)構(gòu)

為提高轎車追尾貨車的相容性，克服現(xiàn)有貨車在后下部加裝攔板對(duì)離去角的影響，本文設(shè)計(jì)了一款安全可靠的防止轎車追尾鉆入貨車后下部裝置。該裝置不僅能夠有效地防止轎車鉆入貨車后下部，而且在追尾時(shí)具有緩沖作用，同時(shí)在結(jié)構(gòu)上較好地解決了因加裝該裝置而引起的貨車離去角減小的問題。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在貨車后下部車架2上固定一擋塊3，擋塊3上設(shè)有止推柱4。為了使擺臂10能與止推柱4可靠接觸，止推柱4的自由端設(shè)計(jì)成斜面。止推柱4上分別裝有連接彈簧（軟彈簧）9和緩沖彈簧（硬彈簧）5，為了防止運(yùn)動(dòng)干涉，兩者旋向相反。連接彈簧9的一端與擋塊3固連，另一端與擺臂10固連;緩沖彈簧5的一端與擋塊3固連，另一端處于自由狀態(tài)。緩沖彈簧即吸能元件。擺臂10的一端鉸接在車架2上，另一端固定一擋板8，擋板8即用來擋攔追尾的轎車。在擺臂10的兩側(cè)設(shè)有加強(qiáng)板7，在擺臂下端設(shè)有滾輪6。

5.1.2 工作原理

正常行駛時(shí)，擺臂10在連接彈簧9的牽制和緩沖彈簧5的推抵作用下處于穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)貨車由下坡轉(zhuǎn)入平地時(shí)，滾輪6觸地托起擺臂10，增大離去角;當(dāng)轎車追尾時(shí)，擋板8有效攔阻轎車防止其鉆入貨車后下部。碰撞時(shí)擺臂10先壓縮緩沖彈簧5使轎車緩沖，當(dāng)擺臂10接觸到止推柱4時(shí)，由于擺臂10的彈性使轎車再次緩沖，并最終使轎車停車。

5.1.3 特點(diǎn)

本裝置可以避免貨車后面的轎車因追尾鉆入貨車后下部可能引發(fā)的交通事故，同時(shí)較好地解決了貨車離去角問題，不影響貨車的正常行駛。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低廉，便于現(xiàn)有車輛的加裝。

5.2 防鉆撞裝置主要尺寸設(shè)定

防護(hù)裝置的尺寸主要包含安裝尺寸、擋板截面尺寸、擺臂和吸能元件的形狀尺寸。安裝尺寸主要是車架的縱橫間距以及距地間隙，這需要考慮貨車車架的尺寸才能確定。擋板截面尺寸也就是對(duì)截面長寬高的設(shè)定。而防護(hù)裝置的其他細(xì)節(jié)尺寸在國標(biāo)GB11567.2-2001 中都有相關(guān)要求，僅需參照該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定即可。

5.2.1 擋板截面尺寸的確定

（1）擋板離地高度的設(shè)定。在GB1589-2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》中對(duì)載貨車輛的最大橫向?qū)挾冉o出了明確的限制，要求最大值不能超過 2500mm。貨車后防護(hù)裝置的離地高度是防鉆撞的關(guān)鍵參數(shù)，該值越小越有效，但是過小會(huì)影響車輛的離去角。為此，因設(shè)計(jì)采用擺臂加滾輪的方式解決了這一問題。轎車前保險(xiǎn)杠離地高度一般位于350mm至500mm的范圍之內(nèi)。為此，我們將防護(hù)擋板的離地高度設(shè)為300mm，將防護(hù)擋板的高度尺寸設(shè)為150mm，則擋板上沿距地高度就為450mm，該值正好處于轎車前保險(xiǎn)桿所處的300mm -500mm的范圍。

（2）擋板尺寸的設(shè)定。將防護(hù)擋板長度設(shè)為2400mm，截面寬度為 80mm，高度為 150mm，厚度為 3mm。

5.2.2 彈簧的選擇與受力分析

本裝置根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)需要選用壓縮彈簧，用來緩沖轎車追尾時(shí)的沖擊力。

沖擊力F=kx（k為彈性系數(shù)，x為彈簧受力時(shí)壓縮的長度）。根據(jù)碰撞特點(diǎn)，我們選擇GB1222型彈簧，其材料為55CrMn。外彈簧直徑選定為60mm，線徑為8mm，內(nèi)彈簧直徑選定為400mm，線徑為5mm，其力學(xué)性能見表1。

5.2.3 擺臂尺寸的確定

本文采用拓?fù)鋬?yōu)化和自由尺寸優(yōu)化相結(jié)合的形式對(duì)擺臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。據(jù)此設(shè)計(jì)的擺臂的具體的尺寸為：1的直徑為35mm，2的截面為120mm×100mm×60mm，3的截面為30mm×40mm，材料為低碳合金鋼，材料的屈服強(qiáng)度為 235Mpa。

6 結(jié)語

本文針對(duì)目前貨車后下部防護(hù)裝置阻擋能力低、緩沖吸能弱和碰撞相容性較差等特點(diǎn)，根據(jù)能量守恒等定理，設(shè)計(jì)出一款新型具有吸能功能和防止減少離去角功能的后防護(hù)裝置。并基于相關(guān)軟件對(duì)本防護(hù)裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)證明，該防護(hù)裝置對(duì)改善碰撞相容性和降低碰撞對(duì)乘員和車輛的傷害具有明顯的作用。