基于漸變剛性彈簧和剛性位移在汽車安全中的應(yīng)用研究

王欣宇　黃澤

摘要：安全問(wèn)題是現(xiàn)代汽車駕駛工作中不容忽視的核心問(wèn)題之一，影響汽車安全的關(guān)鍵構(gòu)件之一是帶有彈簧的緩沖裝置?；诖耍疚囊詽u變剛性彈簧變化的規(guī)律以及仿生學(xué)剛性位移作為切入點(diǎn)，給予簡(jiǎn)述，再以此為基礎(chǔ)，針對(duì)彈簧作用進(jìn)行分析、提出假設(shè)，設(shè)計(jì)更具價(jià)值的緩沖裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明其可行性，為后續(xù)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：剛性彈簧；剛性位移；緩沖裝置；碳纖維復(fù)合材料

前言：漸變剛性彈簧（stiff buffer spring） 是汽車懸架中應(yīng)用最廣泛的一種彈性元件，它是由若干片等寬但不等長(zhǎng)（厚度可以相等，也可以不相等）的合金彈簧片組合而成的一根近似等強(qiáng)度的彈性梁。在汽車的緩沖系統(tǒng)中，漸變剛性彈簧作用突出，能夠有效保證汽車行駛安全，我國(guó)汽車數(shù)量龐大，每年多發(fā)交通事故，針對(duì)漸變剛性彈簧和剛性位移在汽車安全中的應(yīng)用進(jìn)行分析十分必要。

1.漸變剛性彈簧變化的規(guī)律以及仿生學(xué)剛性位移

1.1漸變剛性彈簧變化的規(guī)律

漸變剛性彈簧的變化主要是指其外形變化，也即通常所說(shuō)的物理形變，當(dāng)彈簧受到外荷載影響時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定程度的形變，外荷載越大，形變量越大，影響形變量的因素還包括材料因素和彈簧的剛度系數(shù)，在不考慮材料差別的情況下，剛度系數(shù)越大，彈簧性能越理想。為提升汽車的平順性，早在19世紀(jì)就有設(shè)計(jì)者提出了漸變剛性彈簧的應(yīng)用，結(jié)合現(xiàn)代汽車追求舒適性的需求，可以發(fā)現(xiàn)不同剛度的柱形彈簧可以較好的實(shí)現(xiàn)主簧與副簧的接觸，主彈簧受力能力與副彈簧存在差異，當(dāng)其達(dá)到臨界值時(shí)，副彈簧的剛度系數(shù)尚有延伸空間，二者聯(lián)合作用保證了緩沖裝置的性能，降低了汽車碰撞帶來(lái)的負(fù)面影響。

1.2仿生學(xué)剛性位移

仿生學(xué)在現(xiàn)代工作生產(chǎn)和日常活動(dòng)中十分常見(jiàn)，如常見(jiàn)的汽車安全氣囊、充氣墊等，與仿生學(xué)均存在一定關(guān)聯(lián)，所謂剛性位移是指物體的形狀不發(fā)生變化產(chǎn)生的位移。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)汽車出現(xiàn)碰撞時(shí)，緩沖裝置會(huì)起到一定的保護(hù)作用，這種保護(hù)作用的基礎(chǔ)是漸變剛性彈簧的性能，彈簧在發(fā)生形變后會(huì)快速?gòu)?fù)位，這意味著物理意義上的形變相當(dāng)于沒(méi)有發(fā)生，但如果碰撞強(qiáng)度大，漸變剛性彈簧有可能偏離原有位置，應(yīng)用仿生學(xué)等原理對(duì)這種位移進(jìn)行分析，可以為后續(xù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考，減少非必要的算上。

2.彈簧作用和假設(shè)

2.1彈簧的作用

彈簧的作用在現(xiàn)代汽車中十分突出，出現(xiàn)于緩沖結(jié)構(gòu)中時(shí)，主要作用是降低剛性接觸的不利影響。對(duì)其功用進(jìn)行分析，可以就彈簧的旋繞比、疲勞強(qiáng)度、直徑等方面入手，同時(shí)應(yīng)滿足較大剛度和較小質(zhì)量?jī)蓚€(gè)基本要求，在漸變剛性彈簧的研究中，主要對(duì)象是主彈簧和副彈簧。當(dāng)主彈簧和副彈簧接觸、實(shí)現(xiàn)完全貼合時(shí)，漸變剛性彈簧是可以共同發(fā)揮作用的，整體工作性能實(shí)現(xiàn)了實(shí)際提升，但由于碰撞或者其他外荷載可能并不是均勻的，彈簧的力學(xué)性能變化會(huì)呈現(xiàn)出非線性特征，如果將所有副彈簧的作用變化看做一個(gè)整體，彈簧的工作特性又帶有了線性特點(diǎn)，對(duì)這種變化加以計(jì)算是了解彈簧作用的核心手段。目前常用共同曲率法和集中載荷法進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估，這是進(jìn)一步優(yōu)化緩沖裝置的基礎(chǔ)。

2.2研究假設(shè)

以上述內(nèi)容為支持，將研究重點(diǎn)確定為：鋼板彈簧左右對(duì)稱，當(dāng)用中心螺栓系緊，認(rèn)為中間固支，取一半為懸臂梁支撐方式；簧片在接觸點(diǎn)處具有相同的位置坐標(biāo)；鋼板彈簧上部分主簧片沿整個(gè)長(zhǎng)度無(wú)間隙接觸，在受力相同段內(nèi)具有共同曲率；簧片作為連續(xù)梁滿足邊界條件與連續(xù)性條件；鋼板彈簧下部分副簧片的端部承受集中荷載[1]。

3.緩沖裝置和實(shí)驗(yàn)

3.1緩沖裝置分析

著眼于漸變剛性彈簧剛性位移特點(diǎn)以及汽車行駛的安全性，要求緩沖裝置進(jìn)一步發(fā)揮作用。設(shè)計(jì)主、副彈簧和凹槽組成的裝置，并優(yōu)化法蘭環(huán)性能，使其能夠在主、副彈簧之間發(fā)揮連接作用。思路上看，將主彈簧放在最外側(cè)，其剛性條件可以弱于副彈簧，通過(guò)法蘭環(huán)將主、副彈簧更好的連接在一起，當(dāng)主彈簧出現(xiàn)剛性位移時(shí)，副彈簧可以發(fā)揮作用，凹槽的主要作用是當(dāng)汽車碰撞的外荷載過(guò)大、主、副彈簧都出現(xiàn)了嚴(yán)重形變時(shí)，在彈簧后端實(shí)現(xiàn)整體固定，彌合出現(xiàn)的剛性位移問(wèn)題。目前汽車常用緩沖期分為兩種，一種采用非破壞的彈性元件吸能， 這種結(jié)構(gòu)在同比緩沖能力下，結(jié)構(gòu)相對(duì)大，可反復(fù)應(yīng)用，成本低；另一種采用破壞彈性元件的吸能形式，其在同比緩沖能力下結(jié)構(gòu)小，但是為一次性緩沖，成本高。以滿足多次使用、較低成本為基本追求，也可以設(shè)法增加另一個(gè)緩沖裝置，提升彈簧性能，使瞬時(shí)沖擊的時(shí)間達(dá)到延遲，從而降低沖擊能。

3.2實(shí)驗(yàn)

結(jié)合當(dāng)前汽車行駛的需要，要求使用物理性能更加優(yōu)越的材料制作緩沖裝置中的彈簧，提升安全性的同時(shí)，也能降低事故后的維修費(fèi)用。2016年9月30日晚上的8點(diǎn)20分，山東某地出現(xiàn)交通事故，兩輛機(jī)動(dòng)車在正常行駛的情況下相撞，事故發(fā)生后，4S店出具評(píng)估報(bào)告，兩輛汽車的維修費(fèi)分別達(dá)到11256和9702元。緩沖裝置性能不佳是造成事故的原因之一。在此前學(xué)者的研究中，鋼鐵材料漸漸淡出視野，碳纖維復(fù)合材料的價(jià)值得到了更多肯定。相比之下，及碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度是鋼鐵的4倍以上，而且能承受2000攝氏度以上的高度，熱膨脹系數(shù)、熱容量和比重也更小，耐腐蝕性則由于大部分金屬材料[2]。

利用碳纖維復(fù)合材料和鋼鐵材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將樹脂傳遞模塑技術(shù)和紡織技術(shù)結(jié)合，制備出復(fù)合材料圓柱螺旋彈簧，之后通過(guò)實(shí)驗(yàn)與鋼鐵材料制備的彈簧進(jìn)行對(duì)比。在施加相同外力的情況下，碳纖維復(fù)合材料的性能更加理想。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行20次，分別為輕級(jí)別碰撞、中級(jí)別碰撞和重級(jí)別碰撞，以主駕駛處模擬人員受力情況、緩沖裝置的破壞情況為觀察指標(biāo)。

所獲數(shù)據(jù)方面，輕級(jí)別碰撞下，碳纖維組模擬人員受力為4.1千牛，緩沖裝置未破壞；中級(jí)別碰撞下，碳纖維組模擬人員受力為7.3千牛，緩沖裝置未破壞；重級(jí)別碰撞下，碳纖維組模擬人員受力為12.8千牛，緩沖裝置輕微破壞2.7%。鋼鐵材料組，輕級(jí)別碰撞下，模擬人員受力為4.8千牛，緩沖裝置未破壞；中級(jí)別碰撞下，模擬人員受力為8.6千牛，緩沖裝置未破壞；重級(jí)別碰撞下，碳纖維組模擬人員受力為14.2千牛，緩沖裝置輕微破壞4.2%。此外，研究人員又對(duì)碳纖維復(fù)合材料本身的性能進(jìn)行了分析，結(jié)構(gòu)上看，體積分?jǐn)?shù)和外徑直接影響成品彈簧的性能，體積越大、外徑越大，彈簧的性能會(huì)越出色，泊松比和彈性模量也會(huì)影響成品彈簧的性能，但影響系數(shù)相對(duì)較小。后續(xù)工作中，相關(guān)部門應(yīng)系統(tǒng)著手分析和研究，增加碳纖維復(fù)合材料的用量，設(shè)計(jì)合適的體積分?jǐn)?shù)、外徑等，提升其應(yīng)用價(jià)值和汽車行駛的安全性。

總結(jié)：通過(guò)分析漸變剛性彈簧和剛性位移在汽車安全中的應(yīng)用，獲取了相關(guān)理論。我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量超過(guò)4億，交通事故多發(fā)，剛性彈簧的作用在汽車安全中十分重要，相關(guān)研究從漸變剛性彈簧變化的規(guī)律以及仿生學(xué)剛性位移入手，明確了彈簧的作用，并提出基于安全性的假設(shè)，經(jīng)過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)，了解了設(shè)計(jì)的可行性以及碳纖維復(fù)合材料的突出價(jià)值，可以作為后續(xù)相關(guān)工作的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]尹婷婷，鄧子辰，胡偉鵬.空間剛性桿-彈簧組合結(jié)構(gòu)軌道、姿態(tài)耦合動(dòng)力學(xué)分析[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2018，50（01）：87-98.

[2]趙聰，于洪潔.一種剛性桿-彈簧擺模型的混沌動(dòng)力學(xué)行為研究[J].復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性科學(xué)，2016，13（03）：97-102.