（机械制造及其自动化专业论文）货车碰撞试验系统动力学分析研究.pdf

摘要 随着我国公路运输事业的高速发展，交通事故急剧攀升，由传统捆扎方法 运输货物的货车在事故中捆扎系统极易失效，货物易散落出现二次事故，造成 更大经济损失，因此货物捆扎器的捆扎标准研究与制定具有重大的意义。 捆扎标准的研究与法规的制定需要以试验数据为依据，而完全基于实车碰 撞模拟测试虽数据真实可靠，但成本过高，不适于重复试验，且我国目前尚无 专门针对货物约束系统性能进行碰撞试验研究的装置。因此，设计成本低，可 重复试验，碰撞效果好的货车安全碰撞试验台追在眉睫。 本文通过研究国内外安全碰撞试验的现状与特点，结合本课题被动安全试 验的需要，提出了两种缓冲吸能方案进行对比研究。首先，碟簧组合的缓能， 在对比三组碟簧6 种系列的缓冲吸能效果后，得出碟簧组合刚度、所占空间、 质量均较大，缓能量欠佳，不宜单独应用于缓能，需要配合其他缓能系统才能 发挥其特长。其次，新型可调节式液压缓冲吸能，阐述了其结构与工作原理， 并建立相应的数学模型，采用m a t i _ a b s i m u l i n k 软件进行了仿真优化，得出了 与法规相近的波形图，突出了可调节装置的功能优点，计算出了合理的公式用 于指导实践。其优点如下：针对不同质量和速度的碰撞试验台车，可以通过旋 转液压缓冲装置尾部突起的角度旋转装置，调整角度口从而产生合适的缓冲力与 减速度波形图，以达到合理的碰撞效果。并针对缸壁阻尼孔的布置进行了设计， 具有很高的实用性。 同时以北汽福田某款中型运输货车为原型，对其车架进行了三维参数模型 设计和有限元分析。并且针对车架强度进行了速度v = l o m s 的碰撞模拟试验， 满足碰撞试验要求，针对车架刚度问题进行了静力载荷的挠度变形分析，检验 结果显示车架不会发生大的挠度变形，可以满足试验要求。 最后总结全文，讨论了货车碰撞试验需要完善的部位，为以后货车碰撞试 验装黄的开发、完善提出了参考。 关键字：货车碰撞试验系统动力学蝶形弹簧液压缓冲车架 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr o a dt r a n s p o r ti n d u s t r y , t r a f f i ca c c i d e n t s r o s es h a r p l y , b i n d i n gb yt h et r a d i t i o n a lm e t h o do ft r a n s p o r to fg o o d sv e h i c l e si na n a c c i d e n te a s i l yl a p s e ，t om a k eas e c o n d a r ys c a t t e r e dc a r g ot r a f f i c ，r e s u l t i n gi ng r e a t e r e c o n o m i cl o s s e s ，s ot h eg o o d ss t r a p p i n gd e v i c er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fb i n d i n g s t a n d a r d sh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c e c r i t e r i af o rt h ef o r m u l a t i o no fl a w sa n dr e g u l a t i o n sn e e dt ob ec o n s t r a i n e db a s e d o ne x p e r i m e n t a ld a t a ，w h i l et h et e s tv e h i c l ec r a s hs i m u l a t i o nb a s e d e n t i r e l yo nt h er e a l t e s ti st r u ea n dr e l i a b l ei n f o r m a t i o n ，b u tt h ee c o n o m i cc o s ti st o oh i g h ，n o ts u i t a b l ef o r r e p e a t e di m p a c tt e s t , a n do u rc o u n t r y i s c u r r e n t l y n os p e c i f i cg o o d ss y s t e m p e r f o r m a n c ec o n s t r a i n t so ft h ed e v i c ei m p a c tt e s t t h e r e f o r e ，t h ed e s i g no fl o wc o s t ， a n dr e p e a t a b l et e s tr e s u l t sg o o dv e h i c l ec o l l i s i o ns a f e t yt e s tb e c o m ea l lt h em o r e u r g e n t t h i sp a p e rs t u d i e dt h ei n t e r n a la n de x t e r n a li m p a c tt e s to fs e c u r i t ys i t u a t i o na n d c h a r a c t e r i s t i c s ，c o m b i n e dw i t ht h es u b j e c to fp a s s i v es a f e t yt e s t i n gn e e d s ，e n e r g y a b s o r p t i o ni nt h eb u f f e rp u tf o r w a r dac o m p a r a t i v es t u d yo ft w op i l o tp r o g r a m s p r o g r a m m e1 ，t h ed e s i g no fd i s cs p r i n gc o m b i n a t i o nc a ns l o w i nc o n t r a s tt ot h et h r e e g r o u p so f6s e r i e sd i s cs p r i n gc u s h i o ne n e r g ya b s o r p t i o ne f f e c t ，i td r o wt h a tt h ed i s c s p r i n gc o m b i n a t i o no fs t i f f n e s s ，a c c o u n t i n gf o rs p a c e ，q u a l i t ya r el a r g e ，a n d a b s o r p t i o no fe n e r g y i sp o o r w h i c hc a n n 、ta l o n eu s ei nt h ee n e r g ya b s o r p t i o n ，n e e dt o b ew i t ho t h e rs y s t e mt op l a yi t ss t r e n g t h s p r o g r a m m e2 ，an e w t y p eo fa d j u s t a b l e h y d r a u l i cc u s h i o nt oa b s o r bt h ep r o g r a m ，d e s c r i b e di t ss t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l e ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l ，u s e dm a t l a b | s i m u l i n kt o s i m u l a t ea n a l y s e ，a n do b t a i n e ds i m i l a rw a v e f o r m sa n dr e g u l a t i o n s t h er e s u l t so ft h e b u f f e rm a k ear e a s o n a b l ec o r r e c t i o na n d a d j u s t m e n t ，f i n a l l yh i g h l i g h t e dt h e a d v a n t a g e so fa d j u s t a b l ef u n c t i o no ft h ed e v i c e ，f i g u r e do u tar e a s o n a b l ef o r m u l a w h i c hu s e dt og u i d ep r a c t i c e ，w h e ni tn e e dt om e e tc e r t a i nb u f f e rc a p a c i t ya n db u f f e r e n e r g y , w h i c hc a nb eb u f f e r e db yr o t a t i n gh y d r a u l i cu n i tr o t a t i o na n g l e0o ft h et a i l p r o t r u d i n gd e v i c e ，a d j u s t i n gt h ea n g l er e s u l t i n gi na na p p r o p r i a t eb u f f e rf o r c ea n d d e c e l e r a t i o nw a v e f o r r nt om e e tt h ed i f f e r e n tq u a l i t yc a rc r a s ht e s ts p e e d r e q u i r e m e n t s i i a n d a g a i n s tt h ec y l i n d e rw a l ld a m p i n g h o l el a y o u tw a sd e s i g n e dw i t hh i g hu s a b i l i t y f o t o nap a r a g r a p hi nb o t hm e d i u m - s i z e dt r u c k sf o rt h ep r o t o t y p et e s to ft h e i m p a c tp a r a m e t e rm o d e lc a l c h a s s i sd e s i g n ，b u i l d e dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e ld i a g r a m ， a n dm a k e dt h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，w i t hs p e e dv = 1 0 m so f c r a s hs i m u l a t i o nt e s t f o rf r a m es t r e n g t h ，t h er e s u l tw a st h a ti tc o u l dm e e tt h ec r a s ht e s tr e q u i r e m e n t s f o r t h ei s s u eo ff r a m es t i f f n e s so ft h el o a dd e f l e c t i o ns t a t i ca n a l y s i s ，t e s tr e s u l t ss h o w e d t h a ti tw o u l db en om a j o rf r a m ed e f l e c t i o n ，c o u l dm e e tt h et e s tr e q u i r e m e n t s f i n a l l yc o n c l u d i n gr e m a r k s ，a n dd i s c u s s e dt h en e e df o ri m p r o v e dc r a s ht e s tt r u c k p a r t s ，w h i c hi s b e t t e rf o rt r u c kc o l l i s i o nt e s td e v i c eo ff u t u r ed e v e l o p m e n t ，a n d i m p r o v e m e n t k e y w o r d s ： c r a s ht e s tt r u c k s s y s t e md y n a m i c s b u t t e r f l ys p r i n g h y d r a u l i cb u f f e r f r a m e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 知t o 、主呼 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉 理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论 文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ，- 7 研究生( 签名) ：f 丑治辞导师( 签名) ：了当乙劢殳日期多州口厂，2 舌 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 车辆的碰撞安全问题从汽车诞生以来就存在，在早期由于车速较低，车辆 相对较少而未得到人们的足够重视。但是随着近年来各国的汽车工业迅速发展， 汽车速度得到不断提高，汽车保有量也迅速增加，这同时也直接导致了与汽车 相关的各种事故的迅猛增长【1 2 1 。在我国公路交通运输行业中更深刻体现了这一 点。 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 1 背景 随着中国高速公路总里程的不断增加，中国汽车保有量超过4 5 0 0 万辆，其 中货运车辆拥有1 5 0 0 万辆左右，到2 0 1 0 年中国公路货运量将达1 6 0 亿吨【引。如 此巨大的运输能力背后也潜藏着很大的安全隐患，据中国交通部门有关统计， 平头货车成员伤亡在交通事故司乘人员伤亡中所占比例最高，每年因此造成的 直接经济损失达数十亿元1 4 j 。直接经济损失包含货物和车辆两方面的损失，其中 由于货物约束系统失效所造成的经济损失约占1 3 左右，但目前国内尚无准确 的统计数字。 货车运输途中，碰撞事故因捆扎不够等原因更易造成后面货物的倾翻，从 而造成交通堵塞或者更大的交通事故，因此对货车运输中人员与货物的安全问 题研究日益重要，对货车运输捆绑安全装备的需求也就日益增强。 货物约束系统( 见图卜l 货车货物约束系统的组成) 通常由绞车、捆绑器 ( t i ed o w n ) 、捆绑带、车厢体等组成。当碰撞事故发生时，运输货物受到外力 的冲击，约束系统将对货物起到一定程度的约束、缓冲和保护的作用。【5 】 武汉理工大学硕士学位论文 图i - i 卡车货物约束系统的组成 1 一车厢体瑚绑器3 捆绑带蝴车 目前我国公路交通运输行业大部分货车还是采用的传统货物捆绑绳，还没 有具体的货物捆扎标准。传统的货物捆绑绳张力不够，耐磨性差，更易造成货 物损伤，在货物运输中安全隐患很大，为避免事故发生。急需采用现代捆绑器， 并制定相应的国家货物捆扎标准。而要制定相关的标准必须进行模拟货车碰撞 试验，以获得在碰撞时货车的速度、加速度、捆绑带拉力等数据。因此，厂家 对货车碰撞试验装置的需求是很急迫的。 11 2 意义 在实验室检验车辆安全性能的重要手段就是实车碰撞模拟测试，这也是最 能真实反应实际情况的，而完全基于宴车碰撞的试验，其被动安全产品的研制成 本非常高，往往试验中需要数次的碰撞测试，经济成本造成这种方法不合实际。 如果借助模拟设备及吸能装置能够再现汽车碰撞时的动力学特性那将为被动 安全系统的研究提供一种廉价的实验和检测手段，能量的吸收和消耗与实车碰 撞时相司或接近，因此，实验室更趋向于采用台车或台架进行货车碰撞安全的试 验研究。而在整个碰撞安t 仝= 试验中吸能装置的设计则是台车模拟碰撞的最关键 技术。本研究与浙江省玉环县双友物流器械有限公司货车碰撞试验项目相结合， 跬计的吸能装置不仅要保证货车碰撞试验的要求，顺利采得货物约束系统的张 武汉理工大学硕士学位论文 紧力变化，同时要能防止货车的产生大的变形，提高货车在碰撞试验中的使用 率，降低整个碰撞试验的成本。 1 2 国内外汽车碰撞安全研究的现状及存在的问题 目前国内对轿车一类的碰撞安全性能研究比较深入，但对货车的碰撞安全 研究有待进一步的加深，尤其是对货车运输捆扎系统在碰撞过程中的研究更是 空白【6 l o 下面分别从国内外碰撞安全法规、国内外碰撞安全分析研究方面简单综 述下本课题的研究现状及其存在的问题。 1 2 1 国内外碰撞安全法规概述 目前，世界各汽车工业发达国家都制定了相应的安全标准和技术法规，但 归纳起来，所有汽车安全技术法规可分为两大体系，即美国、欧洲技术法规体 系。在这两大法规体系里都规定，为了试验车辆安全措施的有效性，对新开发 的汽车都必须进行试验样车的碰撞试验和乘员保护装置的冲击试验。并且，上 述两个机构都制定了相应的试验方法和评价标准【7 】。 在美国，联邦运输部国家交通安全n ( n h t s a ) 根据1 9 6 6 年9 月9 日制定的 国家交通及汽车安全法组织制定了美国联邦机动车安全法规( f m v s s 系列法 规) ，其目的是为了减少汽车交通事故和减轻汽车碰撞事故中的伤害程度。 f m v s s 系列法规虽说主要是针对轿车而制定的，但考虑到所有汽车乘员最低限 度的安全性，n h t s a 最终提出将轿车法规的适用范围扩大到轻型载货汽车、多 用途客车等车型i 引。 在欧洲，各国开始实施各自的车辆法规及车型认证制度要早于美国，欧洲 经济委员会于1 9 5 8 年开始制定统一的汽车法规，分为e e c 指令和e c e 法规。 日本和澳大利亚在参照美国和欧洲法规的基础上也制定和实施了相应的安 全法规和标准。 在我国，参照美国和欧洲法规的基础之上同样也制定和实施了相应的安全法 规和标准。关于正面碰撞成员保护的设计规则c m v d r2 9 4 ( c h i n am o t o r v e h i c l ed e s i g nr u l e 2 9 4 ) 就是我国政府有关部门于1 9 9 9 年颁布的第一项汽车被动 安全技术法规，到了2 0 0 3 年又在c m v d r 2 9 4 的基础上稍作修改推出了g b l l 5 5 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 乘用车正面碰撞的乘员保护，其要求在汽车新产品强制性检验项目中将实 车正面碰撞试验内容正式列入其中。g b l l 5 5 1 法规是我国目前最严格、最全面的 碰撞安全法规，能够代表我国强制性实施的汽车碰撞性法规。在g b l l 5 5 1 2 0 0 3 乘用车正面碰撞的乘员保护中，汽车正面碰撞的标准车速是5 0 k m h ，适用 于m 1 类车型，且只对5 0 成年男性假人头部、胸部、大腿部位伤害值做了规定， 如表1 1 所示【7 。 表1 1g b l l 5 5 1 2 0 0 3 的假人伤害指标 蠢一耋窖 5 0 成年男性 头部性能指标( h p c ) 1 0 0 0 胸部性能指标t h p c ( r a m ) 7 5 大腿性能指标f p c ( k n )1 0 2 0 0 6 年追尾碰撞试验标准和侧面碰撞试验标准也相继推出，同时还计划将汽 车正面偏置碰撞作为国家推荐标准。追尾碰撞试验和侧面碰撞试验的场地要求 和车辆准备与正面碰撞基本相同。追尾碰撞的试验方法是，在试验中，试验车 要求以5 0 k m h 的速度撞击固定在壁障上的模拟卡车尾部的支架；侧面碰撞中是 将试验车辆放到台车上，台车以2 9 k m h 的速度将试验车辆的侧面撞向直径为1 0 英寸的柱子，撞击点有严格的要求。 然而，在货车碰撞安全性方面我国却还没有统一的标准，一些汽车生产 产家不得不以轿车的法规标准来检验货车碰撞安全性，在“无法可依”的情 况下举行试验，试验的针对性及试验结果是否具有参考价值，还有待于进一 步探讨，如南京依维柯就按照乘用车正面碰撞的乘员保护标准进行过欧 霸轻卡的正面碰撞试验。随着产品管理、技术进步和提高国际竞争力的需要， 关于运输货车安全性的相关标准需要很快制定出台。 总之，汽车安全领域中最核心的问题就是汽车的碰撞安全性，这已得到世界 各国的广泛重视，也将会有越来越完善的法律法规出现，为人们的生活保驾护 航。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 国内外碰撞安全分析研究现状 在国外，美国是最早开展汽车碰撞安全研究的国家。1 9 7 0 年运输部就公布 了开发实验安全车( e s v ) 的计划，该计划的实施标志着汽车安全技术研究新时 代的到来。计划要求开发1 8 0 0 k g 级试验样车在以8 0 k m f a 的速度进行正面碰 撞时仍具有高度安全性能，其目的是弄清汽车碰撞时增加乘员生存的可能性； 掌握如何依靠改进设计来减少伤亡和经济损失的般规律；促进世界汽车工 业界安全研究；将安全试验车试验研究所得到的技术资料用于制订新的安全 标准。 在2 0 世纪6 0 年代，人们开展了计算机模拟碰撞技术。2 0 世纪6 0 年代和 7 0 年代，显式有限元程序在美国开发出来，各种算法已开始成熟，如显式积 分、壳单元和接触算法等。自2 0 世纪8 0 年代中期第一次用有限元法进行汽 车整车碰撞模拟仿真分析后，有限元法在汽车结构耐撞性分析方面的应用迅 速增长1 9 1 0 1 1 】。有限元方法具有处理大位移、大转动、大应变、接触碰撞等 强非线性问题的能力，其代表软件有l s d y n a 和p a m c r a s h 。 2 l 世纪之后，在汽车碰撞计算机模拟方面国外的研究已具备了相当扎实 的基础，逐步走向了汽车碰撞试验研究和计算机模拟技术紧密结合的成熟阶 段，随着计算机技术的快速发展，汽车碰撞仿真分析的有限元模型规模已达 到了百万个单元，其仿真分析结果将更趋于精确【1 2 1 3 1 4 1 。 在国内，2 0 世纪8 0 年代后期开始了汽车被动安全性进行系统研究，汽车 碰撞研究工作也开始于这一时期【”l 。清华大学是国内最早开展汽车碰撞安全 性研究的大学，随后，有吉林工业大学、西安交大、湖南大学及中国汽车技 术研究中心( 天津) 等研究机构，均先后开展了汽车碰撞安全性研究，特别 是清华大学汽车碰撞实验室、中国汽车质量检测中心( 天津、襄樊、长春、 上海) 、交通部试验场、上海东方久乐、深华达试验场等高规格碰撞实验室的 相继建成，掀起了国内汽车碰撞安全性研究的一浪又一浪高潮l7 1 。 目前，国内也建立了相应的汽车碰撞的数学模型，并做了模型碰撞试验 来验证理论模型，同时结合计算机模拟，应用刚体动力学原理建立了二维人 体模型，并对碰撞事故中安全带、假人、汽车转向盘等构造了有限元模型并 进行了碰撞模拟计算，得出了有价值的结论1 1 6 1 7 1 。同时清华大学利用 5 武汉理工大学硕士学位论文 l s d y n a 3 d 作了b j z l 2 车架的碰撞模拟计算，为车架的进一步优化改进提 供了很好的参考依据。 1 2 3 存在的问题 ( 1 ) 目前所有的法规主要从乘员的结构生存空间方面考核车身的碰撞安全性 能，既是保护成员的安全角度出发，而从保护车辆的角度，进行碰撞试验研 究的探讨较少。 ( 2 ) 由于种种原因，目前关于汽车碰撞试验和模拟仿真研究主要是针对轿车 一类而言，以小轿车为碰撞对象，以保护人的生命安全为目的，国内在商用 车特别是平头卡车碰撞模拟分析方面很少，在货车碰撞中货物运输捆扎的研 究更是空白。 ( 3 ) 无论从国家的相关法律法规和政策，还是市场的需求角度出发，运输货 车在技术上的发展速度都与中国整个汽车市场的发展极不吻合。目前，货车 运输货物捆扎更是没有一个国家标准。 3 本文研究的内容 本文通过货车碰撞试验被动安全系统的研究，设计一种缓冲吸能装置用于 货车碰撞试验中，以防止货车在碰撞试验中发生大的变形，被损坏，同时满足 货车的碰撞试验要求，产生需求的减速度、速度、吸收能量等的波形，以期接 近实车的碰撞效果，从而测试货车货物的捆扎在碰撞时的受力情况，本文主要 考虑货车碰撞事故中较多见的正面碰撞情况下的设计要求。使用m a t l a b 、 l s d y n a 3 d 等计算机软件对吸能装置系统进行仿真分析，并将仿真结果与实际 安全法规系统相比较分析。旨在探讨一种缓冲吸能装置应用于货车碰撞试验， 使得试验中的货车能够重复利用，降低货车碰撞试验的成本。 研究内容： ( 1 ) 整个碰撞试验中，试验台车的缓冲吸能系统是核心部件装置，它的好坏将 直接影响整个碰撞试验的结果可信度，这也将是本文研究的重点。根据货车碰 撞试验台技术性能的要求，并结合目前市场上常用缓冲吸能方案的优缺点，选 定合理的设计方案，并建立吸能装置系统的模型。 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 使用计算机软件对货车碰撞试验被动安全吸能装置系统进行仿真，并对仿 真结果结合现行法规进行分析，得出较为合理的参数。 ( 3 ) 根据货车碰撞被动安全装置的基本结构、工作原理，建立货车底盘车架的 简易模型，并对其强度、刚度进行合理的分析仿真，求得车架的设计合理参数。 ( 4 ) 将仿真和设计结果应用于货车碰撞试验安全系统的开发研究中。 拟解决的关键问题： ( 1 ) 设计合适的被动安全缓冲吸能装置，并建立模型。 ( 2 ) 计算机软件对吸能装置系统进行仿真，并将仿真结果与实际法规系统相比 较分析。 ( 3 ) 建立合理的试验台车车架平台，为实际碰撞试验做好基础。 1 4 本章小结 本章主要介绍了课题开展的背景情况以及设计研究的意义所在，建立货车 碰撞试验台为捆扎器的标准制定提供试验数据，且经济成本较低，能够重复试 验，同时概述了目前法规及安全碰撞的研究现状，并提出了存在的一些问题， 国内小轿车安全系统研究比较成熟，货车安全性研究有待加深，且目前还没有 捆扎运输货物的标准，这些均为本课题货车碰撞试验的研究指明了方向，最后 介绍了本文的主要将从事的研究内容和技术路线。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章缓冲吸能装置的研究及方案选定 缓冲吸能装置是研制整个货车碰撞试验的核心部件，它的好坏直接决定了 台车在碰撞试验过程中各种重要参数结果的可信度，也决定了台车试验的可重 复性。本章将结合目前常用的缓能方案对比提出自己的缓能装置方案，并展开 研究。 2 1 缓冲吸能概述 当汽车在行驶过程中发生意外碰撞事故时，保险杠、前围板、底盘前纵梁 以及车身前部可变形区域、安全带、安全气囊等均起到抵御冲击、碰撞等强载 荷，吸收和消散碰撞能量，保护乘员以使其避免伤亡以及车辆货物不被损坏的 作用，其实这些均可以称为缓冲吸能装置。 在实验室为了检测车辆安全性能，需要进行车辆安全碰撞试验，但是实车 碰撞试验费用较昂贵，又难以重复使用，所以一般不采用实车碰撞，取而代之 的是台车碰撞试验或者台架碰撞试验。由于台车碰撞试验只是一种模拟实车的 试验，要想获得与实车碰撞相一致的减速度波形或者满足现有的法规试验要求 的话，就必须设计缓冲吸能装置安装于台车上以吸收台车碰撞时的运动能量， 用于替代真实车辆碰撞中车辆本身的变形吸能，这种装置与汽车的吸能作用机 理相同，模拟实车中的吸能变形模式。 2 2 缓冲吸能装置结构设计的基本思想与约束条件 在整个台车碰撞试验设备中缓冲吸能装置是核心部件，缓冲吸能装置的好 坏直接决定了台车在碰撞试验过程中各种重要参数结果的可信度，也决定了台 车试验的可重复性。为此，台车的减速过程在国际上各个汽车安全法规中都有 明确的规定。图2 1 为e c e l 6 标准及我国标准关于汽车安全台车试验的减速度 波形要求，即减速度波形只要在折线带内即可。 8 武汉理工大学硕士学位论文 3 0 ? 2 0 堪 茧l o 0 6h 一 c口、 | 芦| i 时闻( m s ) 图2 - 1e c e l 6 标准要求的台车减速度波形范围 图中，a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 、h 、i 各点应满足表2 - 1 的要求 表2 1 安全带动态试验台车减速度范围 ab cd efghi 时间( m s ) 1 01 52 54 55 56 01 86 08 0 加速度( g ) 1 52 02 62 62 003 23 20 由此可知，缓冲吸能装置设计的基本思想和约束条件就是： 1 在台车碰撞试验中，缓冲吸能装置要模拟实车变形吸能状况，保证减速度波 形与实车碰撞的减速度波形趋于一致或者满足我国法规的范围； 2 试验中尽量减少台车的变形损坏，以增加其试验的重复性，降低整个碰撞试 验的经济成本。 2 3 缓冲吸能装置研究现状分类 在台车碰撞试验中，所需种类的不同也就决定了缓冲吸能装置的不同。台 车碰撞试验装置有冲撞型、发射型【18 1 。但常用的缓冲吸能装置总体上可以概括 有机械缓冲吸能装置、塑料缓冲吸能装置、液( 气) 压缓冲吸能装置等。下面 将分别介绍其各自的优缺点。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 机械缓冲吸能装置 机械缓冲吸能装置是采用钢条或钢管受冲产生塑性变形的吸能方式。譬如 杨华【1 9 】在其硕士论文中阐述的方案，在碰撞墩表面安装有固定架，固定架为钢 板焊接结构，其上面有多排插销定位孔。如图2 - 2 所示，试验中利用不同厚度 钢板或钢管进行组合可以产生不同程度的u 变形吸能，从而使台车产生不同的 减速度波形，以用于模拟不同的车重和车速。该方法在国际上也有广泛应运， 如德国的科隆t u v 、国际著名安全性研究机构a u t o l i v 等。 图2 - 2 机械缓冲吸能装置 有相似原理的还有胡经副2 0 l 在其硕士论文中阐述的薄壁方钢机械缓冲吸能 装置，采用薄壁方钢安装于车辆试验架前面进行碰撞试验，通过试验测得安装 该装置后，吸能效果明显，车体整车变形减少，使货车的整车碰撞安全性能得 到很大提升。 机械缓冲吸能装置结构简单、使用可靠，只需要选用合适厚度的受冲击钢 板组合就可以得到比较理想的减速度波形图，所以在一般的汽车碰撞试验中可 以选用各种形状的钢板组合作为缓冲吸能装置。 但是在本货车碰撞试验中不宜应用，本试验主要是用缓冲吸能装置安装台 车上进行碰撞试验，从而获得模拟实车碰撞的效果，以检验后面货物对捆扎器 的作用力，降低整个试验的经济成本是设计缓冲吸能装置的另一个重要因素。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 而上述的机械缓冲吸能方法要获得合理的碰撞减速度波形就需要钢板或钢管组 合变形吸能，在不计其数的台车试验中需要不计其数的这样钢板或钢管组合变 形吸能，才能达到试验效果，这也就造成无数的变形钢板，综合考虑不经济。 2 3 2 塑料管吸能器 塑料管吸能器的原理是利用安装在碰撞试验台车上的特制的橄榄头冲击聚 氨酯塑料管以产生需要的减速度波形。它的主要材料也就是聚氨酯。图2 - 3 是 e c e r l 6 推荐的塑料管及橄榄头的形状。 图2 3e c e r l 6 推荐的塑料管及橄榄头的形状 塑料管吸能突出的优点就是成本低，一支塑料管能重复使用多次，但是不 能复现实车碰撞的减速度波形，主要是因其受温度的影响很大，在使用前需要 在1 5 。上下的环境保持2 4 小时标态处理，使用环境也要在2 0 。上下。但考虑 各种因素，该吸能装置还是得到了一定的应用，在实验室条件较高的地方比如 欧洲、日本一些实验室，中国汽车研究中心( c a t a r c ) 、东风汽车工程研究院 缝 守。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 3 液( 气) 压缓冲吸能装置 液压缓冲吸能装置主要是利用液压缸中油液通过节流孔产生的阻尼来实现 吸收碰撞能量的，其大部分转化为油液的热能，少量转化为油液的液压能。这 种缓冲器结构紧凑，吸收能量大，缓冲效率和衰减系数都比传统吸能方式要高， 且无反弹。 实际应用中，在液压缸活塞的缓冲中，现在一般还是采用缝隙节流缓冲的 方法为主。按照其缓冲柱塞形状的不同可以简单的分为圆柱形、圆锥形、台阶 形、短笛形或抛物线形，另外还有平板节流形缓冲。缓冲过程也可分大致为三 个阶段，局部压力损失阶段，锐缘节流阶段和缝隙节流阶段【2 1 1 。一般认为，抛 物线形和短笛形缓冲性能最好，台阶形次之，然后是圆锥形，最差的是圆柱形。 而平板节流形缓冲常用于缓冲速度不高，系统压力不大，行程和时间较短的情 况下。当在高速、高压、重载情况下，可以把平板节流缓冲和柱塞节流类相结 合使用，效果会较佳。 而与本课题研究相近的台车碰撞试验中，液压缸缓冲吸能装置安装于台车 前部，在高速运行中撞击壁障，从而产生需要的减速度波形。这方面研究比较 突出的就是清华大学、西安交通大学、中国第一汽车集团公司等研制的节制杆 式台车碰撞缓冲吸能装置如图2 - 4 所示。 图2 - 4 节制杆式的台车碰撞缓冲吸能装置 节制杆式的台车碰撞缓冲吸能装置有外筒、活塞杆、节制杆三部分组成【。 当滑车m c 以速度v 撞向液压缸缓冲器时，活塞杆向右移动产生高压腔1 ，瞬即 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 高压油又从活塞和节制杆间的漏孔中喷出流向低压腔2 ，在此过程中，逐渐变化 截面形状的节制杆是整个缓冲吸能装黄的核心，通过改变节制杆的截面形状就 可以改变液体喷出的阻力，从而改变台车所受到的阻力，改变油液能量转化的 多少，以达到预定的碰撞减速度及吸收能量的要求。虽然节制杆式的台车碰撞 缓冲吸能装置能够很好的模拟实车碰撞减速度波形，但是对于不同的减速度波 形需要计算并加工不同的截面形状的节制杆，研制较为困难。 在国外，有相似原理的液压缸缓能同样得到较早广泛应用，尤其是在日本、 美国等地。它的基本结构是一个液压阻尼油缸，通过油缸壁上的数个阻尼孔来 实现碰撞时候的能量吸收与转换。这种结构简单，费用较低，但是需要根据具 体的碰撞情况采用不同阻尼孔的油缸，具体针对性太强，阻尼孔的调节比较困 难。 2 4 缓冲吸能方案设计 在对目前国内外常用的缓冲吸能装置了解后知道，机械缓冲吸能装置在合 适的调整下可以较为准确的模拟实车碰撞，产生需求的减速度波形，但是因本 课题碰撞试验是用来检验货车货物捆扎器的受力分析的，用于制定捆扎器的捆 扎标准的，这样需要较多的碰撞产生较多的变形钢板，经济成本较高，不宜采 用；塑料缓冲吸能装置虽然可以降低经济成本，重复进行碰撞试验，但是其收 温度影响较大，不易模拟出实车碰撞的效果，所以也不易采用；液压缓冲吸能 装置在经过合适的调整后也能较精准的模拟实车碰撞效果，但目前的液压缸缓 冲吸能装置阻尼孔不易调节，针对不同的碰撞情况需要采用不同的阻尼孔液压 缸，有的种类研制也较为困难，考虑到实际加工情况，在碰撞试验中也只能是 较为准确的趋近于实车而不是相同，且目前试验研究领域还未在货车碰撞试验 中应用过，即高速、重载情况下，因此此方案也值得商榷。 为了更好的服务本试验研究课题，在现有的设计指导思想和约束条件下， 综合分析了目前国内外常用的缓冲吸能装置的基础上，结合各种方法的优缺点 提出了两种比较方案。 方案一：采用碟形弹簧组缓冲吸能，将在第三章进行具体论述。 碟形弹簧又称碟簧( 如图2 - 5 所示) ，是用金属板料或锻压坯料而成的 截锥形截面的垫圈式弹簧。其特点是：1 2 2 j 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 l 刚度大，缓冲吸振能力强，能以小变形承受大载荷，适合于轴向空 间要求小的场合。 2 具有变刚度特性，可以通过适当选择碟形弹簧的压平时变形量h 。和 厚度t 之比，得到不同的特性曲线。其特性曲线可以呈直线形、渐增形、 渐减形或是他们的组合，这种弹簧具有根广范围的非线性特性。 3 用同样的碟形弹簧采用不同的组合方式，能使弹簧特性在很大范围 内变化。可采用对合、叠合的组合方式，也可采用复合不同厚度，不同片 数等的组台方式。 当叠台时，相对于同一变形，弹簧数越多则载荷越大。 应用：在很大范围内，碟形弹簧正取代圆柱螺旋弹簧。常用于重型机 械( 如压力机) 和大炮，飞机等武器中，作为强力缓冲和减振弹簧，也有 用作汽车和拖拉机离合器及安全阀的压紧弹簧，以及用作机动器械的储能 元件。 缺点：载荷偏差难以保证。 考虑到碟簧能够承受较大的轴向冲击载荷，由碟簧组合而成的碟形弹 簧组可以最大程度的保护货车在碰撞试验过程中不发生变形损坏吸收碰 撞能量，同时也可能通过设计满足试验的要求，且在试验结束后碟形弹簧 组还能自动恢复如切，可以进行重复性的多次碰撞试验，节约了试验的成 本，故而准备采j ；i j 碟簧组合缓冲吸能。 打集二：采用液压缸缓冲吸能装置，将在第四章进行具体论述。 虽然液j 缓冲吸能装置存在调试i 作量较大，需要依赖调试经验，模拟精 度不够，阻尼孔不易调节，针对不同的碰撞情况需要采用不同的耻【尼孔液压缸， 孓曦 武汉理工大学硕士学位论文 有的种类研制也较困难，实际加工也较困难等诸多缺点，但是也不能忽视液压 缸缓能的不少优点，结合本研究课题应该合理利用各种液压缸缓能的优点，避 免其各自的缺点，研制新的货车碰撞试验液压缓能装置。 在原有节流孔液压缓能吸能装置的基础上增加一个液压缸套，与原来的液 压缸内套间隙配合，两个缸套共同组成液压缸缓冲吸能的内缸，而且两个缸套 上的节流孔加工一致，可以通过旋转内外缸套的位置起到调节节流孔面积的作 用，从而起到调节缓冲阻尼的作用，以适应多种碰撞环境下的试验情况；同时， 节流孔的排布要按照从前至后由大n d , 、由疏到密的螺旋状布置，这样利于产 生需要的减速度波形，又有利于液压缸内缸套在碰撞缓冲过程中受到液压力的 均衡；另外，在液压缸活塞上增加一定数目的小节流孔，液压缸底加工成台阶 状，以此起到平板节流与笛形阻尼节流共同作用的效果。 2 5 试验车辆参数选择与计算 鉴于目前国内货车运输状况及浙江双友物流器械股份有限公司计划所选 车型载重质量，中、轻型货车具有较大的代表性，因此本课题拟采用货车质量 m = 7 吨( 含货物) 的运输车作为模拟碰撞试验台车的标准。 根据胡经创刎、王晓峰【2 3 1 、董金富i 驯等人的试验研究看出，在货车实车碰 撞中，一般碰撞开始后，o 一7 m s 内是货车的保险杠首先与刚性墙接触发生碰撞的， 从7 m s 开始，货车的前围板开始接触刚性墙，前围板与底板前部开始变形，到 1 0 m s 的时候保险杠的内侧组件就开始变形吸能，大约1 5 m s 的时候，保险杠总 成和车架前纵梁之间的连接件开始变形，2 0 m s 左右货车驾驶室的门框和前围板 之间的三角连接件开始明显发生变形，并且能量向后逐步传播，后面的部分也 开始发生变形吸能，从3 2 m s 开始货车车架前纵梁开始与刚性墙接触，此刻货车 变形吸能将大幅度的增大，货车的驾驶室前部已经严重变形，门框也开始参与 变形，但此时还没有撞上刚性墙，大约4 0 m s 的时候车架前纵梁褶皱变形已经比 较严重，门框也撞上了刚性墙，直到5 8 m s 左右货车驾驶室以及车架前纵梁已经 基本达到了最大变形吸能，大约吸收了整个碰撞过程中能量的5 0 一7 0 ，此后， 碰撞中的剩余能量继续向后传递，此时货车上货物在惯性力的作用下也开始参 与变形，车架后端主体也将发生变形，但是这两部分的变形吸能直到碰撞结束 都不是很大。整个碰撞过程大约将持续l o o k s 的时间。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 由此可知，平头货车碰撞变形吸能过程中5 8 m s 以前吸收的能量占了整个 货车碰撞过程能量的大部分，在试验中，这部分能量被货车前部驾驶室和车架 前纵梁部分吸收了，大约有6 5 k j 能量，而总能量为1 0 5 k j ，即5 8 m s 内货车碰 撞通过变形吸能占总能量的6 1 9 左右，参考以往经验数据一般平头货车头部通 过变形吸能大约占总能量的5 0 7 0 ，而这部分的能量即是本课题研究要设计的 缓冲吸收装置所要吸收的能量。 本试验拟采用质量为m = 7 吨( 含货物) 的运输车作为模拟碰撞试验台车的 标准，初始碰撞速度为v = 6 0 k i n h ( = 1 6 7m s ) 进行碰撞模拟试验，根据动量定 理公式可知： fx t = mx v ( 2 - 1 ) 即推出在整个碰撞过程中的平均力f 的大小为： f ；坐7 x 1 0 3 k gx 1 6 7 m s ：1 1 6 6 9 剧 ，昌一一= - i i l l l 了 ，y z0 b 此力f 即为所需设计的缓冲吸能装置在碰撞过程中需要产生的平均缓冲 阻尼力。 初始货车的能量即为货车的动能： e 。业( 2 2 )厶l k z z ， 一7 x 1 0 3 堙x ( 1 6 7 m s ) 2 2 = 9 7 2 6k j 由此推出，平头货车前部驾驶室和车架前纵梁部分通过变形吸能大约 5 0 9 6 7 0 为4 8 6 3k j 6 8 0 8k j ，而这部分的能量也正是本课题试验研究设计的 缓冲吸能装置需要吸收的，根据此能量大小设计我们的缓冲吸能装置。 2 6 本章小结 本章首先介绍了缓冲吸能的概念，以及设计缓冲吸能装置的基本指导思想 和约束条件，接近实车波形图或与法规相近，