多米諾骨牌反效應(yīng)在新車碰撞測試中的應(yīng)用探討

崔芹芹

滄州巨擎汽車配件有限公司 河北省滄州市 062461

1 課題設(shè)計(jì)的背景簡單介紹

本設(shè)計(jì)采用一種全新的抗沖擊（防護(hù)）測試設(shè)計(jì)理念，將傳統(tǒng)的被動沖擊測試的結(jié)構(gòu)，改變?yōu)椋瑳_擊動量自主消耗式能量測試的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

其設(shè)計(jì)原理，參考了“多米諾骨牌效應(yīng)”的理論。

設(shè)計(jì)圖中顯示了“防護(hù)骨牌板”零件、以及“多米諾骨牌式汽車碰撞測試緩沖筒”的結(jié)構(gòu)布置。

該設(shè)計(jì)可以使汽車碰撞測試筒，脫離原有試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為80噸的國際標(biāo)準(zhǔn)碰撞固定障礙物試驗(yàn)臺。障礙物是非固定的，按照“多米諾骨牌效應(yīng)”的理論設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，獲得全新的，輕質(zhì)量的、安全的、可自行恢復(fù)的碰撞緩沖筒。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)和課題的來源

2.1 對于汽車碰撞試驗(yàn)的一般認(rèn)知

汽車碰撞試驗(yàn)是讓汽車以50～64km/h的國際標(biāo)準(zhǔn)碰撞速度駛向質(zhì)量為80噸的國際標(biāo)準(zhǔn)碰撞試驗(yàn)臺。由于障礙物是固定的，所以碰撞使汽車的動量一下子變成零，其沖擊力相當(dāng)于≧100km/h左右的速度駛向非固定物體。試驗(yàn)車撞在實(shí)驗(yàn)臺上，載著模擬乘客的嶄新轎車眨眼間被撞的短了一大截。技術(shù)人員當(dāng)即查看車輛受損情況，兩側(cè)安全氣囊是否爆開？安全帶是否發(fā)揮有效作用？前排擋風(fēng)玻璃是否破碎？成員是否安全無損？四個車門是否能正常開啟？……還要取出各種傳感器，做進(jìn)一步的處理，通過計(jì)算機(jī)得到碰撞實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。以此多項(xiàng)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行碰撞安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行1星到5星安全等級的評判。評判的標(biāo)準(zhǔn)遵循《C-NCAP》（中國汽車評價(jià)規(guī)程-2006）和《C-NCAP》（中國汽車評價(jià)規(guī)程管理規(guī)則-2012）執(zhí)行。

2.2 對于汽車碰撞試驗(yàn)提出的問題

“標(biāo)準(zhǔn)碰撞試驗(yàn)采用質(zhì)量為80噸的國際標(biāo)準(zhǔn)固定障礙物。

我們的認(rèn)知是：（1）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定必須將汽車撞壞才能進(jìn)行安全等級評判？

“其沖擊力相當(dāng)于≧100km/h左右的速度駛向非固定物體”。

（2）由于“標(biāo)準(zhǔn)碰撞試驗(yàn)臺。障礙物是固定的”，將汽車撞壞才能進(jìn)行安全等級評判是不得已而為之？

（3）我們的設(shè)想：有沒有一種汽車碰撞試驗(yàn)的方法，在汽車碰撞不完全損壞的條件下進(jìn)行汽車安全等級的評判？如果答案是肯定的，本設(shè)計(jì)“多米諾骨牌式汽車碰撞測試緩沖筒”就可以實(shí)現(xiàn)。

3 “多米諾骨牌式汽車碰撞測試緩沖筒”設(shè)計(jì)簡單介紹：

3.1 簡單闡述多米諾骨牌式碰撞測試緩沖筒的工作原理

多米諾效應(yīng)的物理解析：

多米諾這種效應(yīng)的物理原理：當(dāng)骨牌豎著時(shí)，重心較高，倒下時(shí)重心下降，倒下過程之中，將其重力勢能轉(zhuǎn)化成動能，倒在第二張牌中，動能就轉(zhuǎn)移到第二張牌上，第二張牌將第一張牌轉(zhuǎn)移來的動能和自已倒下過程中由本身具有的重力勢能轉(zhuǎn)化來的動能之和，再傳到第三張牌上……所以每張牌倒下的時(shí)候，具有的動能都比前一塊牌大，因此速度一個比一個快，也就是說，依次推倒的能量一個比一個大。

多米諾骨牌效應(yīng)： 英國的一位物理學(xué)家曾經(jīng)制用了一組骨牌，共13張，第一張最小。長9.53mm，寬4.76mm，厚1.19mm，還不如小手指甲大.以后每張?bào)w擴(kuò)大1.5倍，這個數(shù)據(jù)是按照一張骨牌倒下時(shí)能推倒一張1.5倍體積的古牌而選定的。最大的第13張長61mm，寬30.5mm，厚7.6mm，牌面大小接近于撲克牌，厚度相當(dāng)于撲克牌的20倍.把這套骨牌按可以推到即可接觸的適當(dāng)間距排列好，輕輕推倒第一張，必然會波及到第13張，第13張骨牌倒下時(shí)釋放的能量比第一張牌倒下時(shí)整整要擴(kuò)大20多億倍.因?yàn)槎嗝字Z骨牌效應(yīng)的能量是按指數(shù)形式增長的.若推倒第一張骨牌要用0.024微焦耳，倒下的第13張骨牌釋放的能量達(dá)到51焦耳。可見多米諾骨牌效應(yīng)產(chǎn)生的能量的確令人瞠目。多米諾骨牌效應(yīng)常指一系列的連鎖反應(yīng)，即“牽一發(fā)而動全身”。

3.2 判定汽車碰撞試驗(yàn)破壞的碰撞類型

碰撞基本分為三種類型：彈性碰撞、非彈性碰撞、完全非彈性碰撞；典型的碰撞為第一種，這是因?yàn)橐话愕暮唵蔚奈锢砼鲎铂F(xiàn)象很難去判定是非彈性碰撞、完全非彈性碰撞，更重要的是彈性碰撞完全可以歸結(jié)到彈性碰撞：Δp=0；ΔEk=0 {即系統(tǒng)的動量和動能均守恒}ΔEk為彈性碰撞所損失的最大動能。碰撞過程（時(shí)間極短，發(fā)生碰撞的物體構(gòu)成的系統(tǒng)）視為動量守恒。（例如在原子核變系統(tǒng)理論中，其在衰變過程中、衰變前后兩個粒子的動量守恒，結(jié)論就是原子核衰變時(shí)，動量守恒）

動量守恒是“汽車高速試驗(yàn)破壞性碰撞類型”的防護(hù)碰撞力的基本計(jì)算依據(jù)。

3.3 本設(shè)計(jì)采用了“多米諾骨牌效應(yīng)效”的原理進(jìn)行的汽車碰撞測試緩沖筒設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于采用了“多米諾式”環(huán)形、滾動摩擦、非固定障礙物碰撞緩沖板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 本設(shè)計(jì)所采取的技術(shù)措施

（參考見《多米諾骨牌式碰撞試驗(yàn)檢測緩沖筒結(jié)構(gòu)示意圖》）

這是一種全新型的應(yīng)用多米諾骨牌效應(yīng)原理，設(shè)計(jì)的汽車碰撞試驗(yàn)緩沖筒結(jié)構(gòu)，其主要包括：（參考圖2《多米諾式外緩沖骨牌板》和（圖3《多米諾骨牌式碰撞試驗(yàn)檢測緩沖筒結(jié)構(gòu)示意圖》）。

4.1 用于提供沖擊防護(hù)的“防護(hù)骨牌板”

其中設(shè)計(jì)有支承軸（1）、軸承（2）、軸套（3）；支承軸套在軸套外，防護(hù)板（4），防護(hù)板焊接在軸套外，防護(hù)板可以圍繞著支承軸自由轉(zhuǎn)動、支承軸（6），焊接在另外兩個軸承支座上（圖中沒有標(biāo)示）、軸承（5）N個（設(shè)計(jì)為8個）、安裝在支承軸（6）上、回力-張（推）力彈簧（7）設(shè)置為多組，可以保持防護(hù)骨牌板的靜止的位置，同時(shí)指出，拉式回力-張力彈簧可以設(shè)置較大的負(fù)荷和適當(dāng)?shù)臄?shù)量，作為防護(hù)骨牌板的抗沖擊力的補(bǔ)充；緩沖彈簧組N組（8）、同時(shí)指出，緩沖彈簧組可以設(shè)置較大的負(fù)荷和適當(dāng)?shù)臄?shù)量，作為防護(hù)骨牌緩沖板推動力的調(diào)節(jié)。

4.2 提供多米諾骨牌式碰撞試驗(yàn)測試緩沖筒設(shè)計(jì)模型

具體為將N個防護(hù)骨牌板（骨牌板的數(shù)量按照測試緩沖筒的直徑尺寸設(shè)置；結(jié)構(gòu)示意圖中設(shè)計(jì)為18組外緩沖骨牌板）的支撐軸和軸承，安裝在緩沖筒骨架的內(nèi)環(huán)周上。安裝的方式為順時(shí)針方向，將防護(hù)骨牌板前端的N個（設(shè)計(jì)為8個）個軸承和緩沖彈簧組，放置在朝向緩沖筒的外徑方向，并且要求前一個骨牌板疊壓在下一個骨牌板的板面上，疊壓的初始狀態(tài)是，緩沖彈簧組高于滾動軸承，要求在緩沖彈簧組被壓縮到其工作高度時(shí)，滾動軸承才能接觸到前序的骨牌板；依次順時(shí)針排列。

圖1 多米諾骨牌效應(yīng)效果圖

圖2 多米諾式外緩沖骨牌板

圖3 多米諾骨牌式碰撞試驗(yàn)檢測緩沖筒結(jié)構(gòu)示意圖

骨牌板外表面可以設(shè)置聚氯乙烯等抗磨和減少噪聲的材料。

4.3 傳動的原理

每一個骨牌板都可以圍繞著各自的支承軸，在結(jié)構(gòu)允許的自由度范圍內(nèi)基本上做到近似“無摩擦”功消耗的自由旋轉(zhuǎn)。（在圖示中沒有表達(dá)的還有：轉(zhuǎn)動中心設(shè)有2個向心軸承支承，可以將徑向摩擦功消耗減少到最低；進(jìn)一步為減少防護(hù)骨牌板的重力和重心對于轉(zhuǎn)動軸心的彎矩產(chǎn)生的軸向壓力帶來的摩擦功消耗，可能會在支承軸的上、下端再各設(shè)置1個推力軸承；也可能將2個向心軸承，改為2個向心推力型軸承支承，來達(dá)到實(shí)現(xiàn)徑向和軸向同時(shí)減少摩擦的傳動）。

4.4 設(shè)計(jì)的張力彈簧的剛度要求大大的大于回力彈簧的剛度

這是因?yàn)樵凇岸嗝字Z式緩沖”在碰撞物質(zhì)的質(zhì)量較大時(shí)，如果設(shè)計(jì)不能完全滿足碰撞要求，要求張力彈簧的推力多倍的大于拉力彈簧的拉力，起到提高緩沖能力的輔助作用。

4.5 另外值得注意的細(xì)節(jié)

緩沖彈簧組的著力點(diǎn)，設(shè)計(jì)的位置。從“多米諾骨牌式汽車碰撞測試緩沖筒”的結(jié)構(gòu)布置圖中可以看出，前一個緩沖骨牌板的緩沖彈簧組壓在下一個緩沖骨牌板的靠近其轉(zhuǎn)動軸心的距離設(shè)計(jì)的比較短。這樣的設(shè)計(jì)是考慮到力的“杠桿傳遞”力矩-力臂的比例關(guān)系，要求滿足汽車碰撞時(shí)沖擊動量緩沖的要求。

5 關(guān)于“多米諾骨牌式汽車碰撞測試緩沖筒”在汽車碰撞測試中應(yīng)用的可行性探討

5.1 本設(shè)計(jì)的出處

本設(shè)計(jì)的理論依據(jù)是，根據(jù)崔芹芹發(fā)明創(chuàng)造名稱：《多米諾式爆破防護(hù)倉》專利申請?zhí)柡蛯＠枺?017107077.8

該專利項(xiàng)目為以多米諾骨牌原理設(shè)計(jì)的具有“內(nèi)緩沖防護(hù)多米諾骨牌板”的汽車離合器總成爆破強(qiáng)度測試的環(huán)形防爆倉。

5.2 本設(shè)計(jì)思路來源于將“內(nèi)緩沖防護(hù)多米諾骨牌板”的設(shè)計(jì)改變?yōu)椤巴饩彌_防護(hù)多米諾骨牌板”，以推薦“汽車碰撞試驗(yàn)測試”的沖擊試驗(yàn)臺采用。

5.3 關(guān)于應(yīng)用于“汽車碰撞試驗(yàn)測試”的沖擊試驗(yàn)臺的想法是

首先“多米諾骨牌式汽車碰撞測試緩沖筒”，的結(jié)構(gòu)屬于“非固定障礙物”。汽車碰撞的標(biāo)準(zhǔn)是采用一次性破壞試驗(yàn)，那么能不能提出“非完全破壞性”的，小于時(shí)速50km/h的分類、分級的碰撞測試的安全標(biāo)準(zhǔn)？例如時(shí)速10～25km/h的碰撞測試。

換言之，能不能在不完全破壞性的碰撞測試結(jié)果中，推算出“50～64km/h”的碰撞評判結(jié)果？如果答案是肯定的，那么本設(shè)計(jì)“多米諾骨牌式汽車碰撞測試緩沖筒”就可以實(shí)現(xiàn)。

試想：多米諾骨牌式碰撞測試緩沖結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在汽車碰撞試驗(yàn)中可以在外多米諾緩沖防護(hù)骨牌板受到外來力的瞬間碰撞時(shí)，立即向圓心內(nèi)收縮。如果在圓周內(nèi)可以方便的設(shè)計(jì)有“測力傳感器”，在汽車碰撞測試的過程中就可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控到汽車碰撞在每一個不同梯度的速度下的“沖擊力和沖擊動量”，以此就可以從數(shù)據(jù)上評判汽車在進(jìn)行不同速度下的碰撞結(jié)果。

如果本設(shè)計(jì)方案是可行的，可以設(shè)想在汽車不完全碰撞損壞的條件下檢測出汽車碰撞的安全性。所以我們認(rèn)為該設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新和很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，一旦被采用將會對于汽車碰撞檢測帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。這主要是由于該設(shè)計(jì)在不完全損壞汽車的條件下檢測到了汽車的安全系數(shù)。

5.4 由于本發(fā)明人不屬于汽車碰撞專業(yè)的人士，所以大膽的提出上述設(shè)計(jì)思想，可能不一定正確或者由于法規(guī)的規(guī)定使得設(shè)計(jì)不能對于汽車碰撞檢測設(shè)備形成實(shí)用型的產(chǎn)品。敬請行業(yè)內(nèi)專家給予審查和指教。謝謝！