一種汽車蜂窩吸能防撞梁設(shè)計(jì)研究

許亞軍

【摘? 要】由于汽車數(shù)量的急劇增加，交通事故頻發(fā)。在大多數(shù)事故中，汽車底盤變形，發(fā)動(dòng)機(jī)報(bào)廢，造成車上人員及財(cái)產(chǎn)的重大損失。目前，汽車底盤防撞梁結(jié)構(gòu)在安全性設(shè)計(jì)方面有一定欠缺，對(duì)行車安全造成了安全隱患。論文在對(duì)汽車防撞梁結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，提出一種汽車蜂窩吸能防撞梁設(shè)計(jì)方案，使車輛在中小型交通事故發(fā)生時(shí)，能有效地吸收碰撞能量，盡可能保證車上人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

【Abstract】Due to the rapid increase in the number of automobiles， traffic accidents occur frequently. In most of the accidents， the chassis of the automobile is deformed and the engine is scrapped， which causes heavy losses of people and property on the automobile. At present， there are some deficiencies in the safety design of the anti-collision beam structure of the automobile chassis， which has caused safety hazards to the driving safety. Based on the analysis of the structure of automobile anti-collision beam， this paper puts forward a design scheme of automobile honeycomb energy absorption anti-collision beam， which can effectively absorb the collision energy and ensure the safety of life and property of the people on the automobile when the small and medium-sized traffic accidents happen.

【關(guān)鍵詞】碰撞;安全;防撞梁;吸能裝置;蜂窩;緩沖

【Keywords】collision; safety; anti-collision beam; energy absorption device; honeycomb; buffer

【中圖分類號(hào)】U463.32+6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）10-0166-02

1 引言

隨著汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車保有量逐年增加，私家車數(shù)量急劇攀升，道路交通安全問(wèn)題日益嚴(yán)重，交通事故隨處可見，新手上路導(dǎo)致的交通事故、斑馬線禮讓行人導(dǎo)致的追尾事故頻發(fā)，汽車防撞梁安全設(shè)計(jì)已顯得非常重要。

2 汽車防撞梁設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

汽車防撞梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，弓形鋼結(jié)構(gòu)的居多，此結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)防撞梁的屈服強(qiáng)度，當(dāng)車輛受到?jīng)_擊時(shí)，能抵御較大的外力沖擊，減少車輛自身的損失。目前，在防撞梁材料設(shè)計(jì)方面則以輕量化的鋁合金材料為主，鋁合金材料質(zhì)輕且強(qiáng)度好，純鋁的抗拉強(qiáng)度約為80MN/m2，是低碳鋼的五分之一[1]。但經(jīng)過(guò)熱處理其強(qiáng)度會(huì)大幅增加。雖然目前出現(xiàn)了無(wú)人駕駛汽車，無(wú)人駕駛車輛的安全性設(shè)計(jì)已經(jīng)比較可靠，但應(yīng)用還不是很廣泛，目前傳統(tǒng)車還占很大的比重，車輛安全設(shè)計(jì)還是一個(gè)很重要的課題。

在國(guó)外，防撞梁的安全問(wèn)題越來(lái)越被重視，由于防撞梁在事故中對(duì)車輛起到很重要的保護(hù)作用，如果防撞梁設(shè)計(jì)得足夠安全，在事故中就會(huì)對(duì)車輛發(fā)揮很大的保護(hù)作用，保險(xiǎn)公司就會(huì)從中獲利，所以美國(guó)的保險(xiǎn)公司推出汽車防撞鋼梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)減少車輛在事故中的損傷，從而減少保險(xiǎn)公司的成本。

目前，國(guó)內(nèi)汽車防撞梁的設(shè)計(jì)也較少考慮碰撞中能量的吸收問(wèn)題，而在汽車發(fā)生碰撞時(shí)，瞬間的碰撞能量是很大的，需要通過(guò)防撞梁自身的緩沖設(shè)計(jì)加以吸收。吸收瞬間的碰撞能量，一方面可以減少車輛自身的損傷，如減少發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬間的碰撞中受到過(guò)大的沖擊而損壞，另一方面可以減輕車內(nèi)人員受到?jīng)_擊后的受傷程度。雖然目前防撞梁在縱梁上有潰縮設(shè)計(jì)，但橫梁上缺乏相關(guān)安全設(shè)計(jì)。

3 蜂窩防撞吸能設(shè)計(jì)

3.1 蜂窩結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

蜜蜂可謂能工巧匠，蜂窩的構(gòu)造更加精巧，在保證受力的同時(shí)節(jié)省材料。蜂窩由無(wú)數(shù)個(gè)大小相同的正六邊形墻體組成，每個(gè)六邊形單體互鄰連接，六邊形的底既不是平的，也不是圓的，是尖的，這個(gè)底是由3個(gè)完全相同的菱形組成。有人測(cè)量過(guò)菱形的角度，兩個(gè)鈍角都是109°而兩個(gè)銳角都是70°[2]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的蜂窩都是這一結(jié)構(gòu)，蜂窩這一獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可以使其應(yīng)用在汽車防撞梁上成為可能。

蜂窩這一結(jié)構(gòu)材料和工字鋼結(jié)構(gòu)相似，如精密排列的工字鋼，故而結(jié)構(gòu)變得異常堅(jiān)固，其抗彎、抗壓強(qiáng)度極高，而且其內(nèi)部為空心，質(zhì)量較輕，空間變形余量較大，具有極佳的緩沖性能和收縮性。從材料力學(xué)角度分析，蜂窩結(jié)構(gòu)六邊面與受力方向平行，由于立面比平面可承受較大的沖擊力，在沖擊時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的抵彎性能，故而在緩沖包裝材料中被大量應(yīng)用。而蜂窩結(jié)構(gòu)在汽車上應(yīng)用較少，汽車散熱水箱雖然不是蜂窩結(jié)構(gòu)，但在事故中，受力面與受力方向也是平行的，中小交通事故表明散熱水箱的結(jié)構(gòu)也可以起到一定的緩沖作用，減少事故中發(fā)動(dòng)機(jī)的損傷，而蜂窩結(jié)構(gòu)的緩沖性能優(yōu)于散熱水箱，將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用于汽車防撞梁設(shè)計(jì)，提高汽車在中小型事故中的安全性。

3.2 蜂窩防撞梁結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)

此汽車防撞梁的設(shè)計(jì)是一種蜂窩吸能緩沖裝置，車輛正前方為“U”字型框架，框架兩端連接有安裝片，安裝片將蜂窩緩沖梁連接到車架上?！癠”字型框架外圍布滿若干蜂窩單體，蜂窩單體通過(guò)卡箍固定在防撞梁“U”字型基本框架上，以方便安裝和拆卸。蜂窩單體由薄鋼板折彎焊接而正六邊形，再通過(guò)點(diǎn)焊將每個(gè)蜂窩單元連接成帶狀，帶狀蜂窩單體固定到“U”字型基本框架上，當(dāng)車輛發(fā)生碰撞事故時(shí)，蜂窩單體的緩沖結(jié)構(gòu)性能便發(fā)揮作用，蜂窩的立面結(jié)構(gòu)將來(lái)自正面的撞擊力加以吸收，蜂窩結(jié)構(gòu)隨之變形，能量進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，在中小型事故中這種蜂窩結(jié)構(gòu)發(fā)揮了更好的緩沖保護(hù)作用。在帶狀蜂窩單體外側(cè)粘接有軟袋體，“U”字型基本框架內(nèi)側(cè)兩端均固定有儲(chǔ)液缸，由出液管和進(jìn)液管將儲(chǔ)液缸和軟袋體進(jìn)行聯(lián)通，出液管和進(jìn)液管上均安裝有單向閥，儲(chǔ)液缸遠(yuǎn)離軟袋體一端連接有端蓋，端蓋內(nèi)側(cè)固定有復(fù)位彈簧，且復(fù)位彈簧另一端連接有活塞，當(dāng)防撞梁受到來(lái)自外部的沖擊時(shí)，軟袋體內(nèi)的阻燃性液體通過(guò)單向閥流向儲(chǔ)液缸，將碰撞的一部分能力進(jìn)行吸收，減緩了對(duì)車輛的沖擊，“U”字型基本框架與安裝片之間連接吸能盒，起到進(jìn)一步吸收能力的作用。

此汽車蜂窩吸能防撞梁設(shè)計(jì)考慮能量的層級(jí)衰減，在防撞梁外側(cè)設(shè)置軟袋體進(jìn)行第一層級(jí)的緩沖，可以吸收較小的碰撞能量，當(dāng)碰撞能量較大時(shí)，蜂窩狀結(jié)構(gòu)帶發(fā)揮第二層級(jí)的緩沖作用，蜂窩的變形再次吸收大部分碰撞能量，使碰撞能量再次得到衰減，另外，吸能盒的設(shè)置可以再次吸收更多的碰撞能量，達(dá)到第三層級(jí)的緩沖作用，所以此蜂窩防撞梁設(shè)計(jì)有三道緩沖防線，將車輛受到的外部碰撞做到了層級(jí)衰減，可以更大程度減少車輛及車上人員的碰撞損傷，起到被動(dòng)防御的目的。

3.3 蜂窩吸能裝置關(guān)鍵連接點(diǎn)設(shè)計(jì)

此防撞梁連接點(diǎn)設(shè)計(jì)包括“U”字型框架1，其兩端連接有安裝片10，框架1與安裝片10之間連接有吸能盒[3]9，框架1外側(cè)設(shè)置蜂窩單體6，蜂窩單體6通過(guò)若干卡箍7固定于框架1上，蜂窩單體6由多個(gè)薄鋼片2相互焊接組成，且薄鋼片2呈蜂窩狀，通過(guò)框架1兩端端部的安裝片10將整個(gè)防撞梁安裝在車體縱梁上，吸能盒9在車輛低速碰撞時(shí)減小對(duì)車身縱梁的損害;在汽車發(fā)生重大碰撞事故時(shí)，蜂窩單體6能吸收大部分碰撞能量。蜂窩單體6外圍粘接有軟袋體8，“U”字型框架1內(nèi)側(cè)兩端均固定有儲(chǔ)液缸5，儲(chǔ)液缸5靠近軟袋體8一端分別連接有出液管3和進(jìn)液管4，進(jìn)出液管上均安裝有單向閥15，儲(chǔ)液缸5遠(yuǎn)離軟袋體8一端螺接有端蓋12，端蓋12內(nèi)側(cè)固定有復(fù)位彈簧11，且復(fù)位彈簧11另一端連接有活塞13，復(fù)位彈簧11內(nèi)部套接有限位柱14，且限位柱14一端固定在端蓋12上，另一端貫穿活塞13并固定在儲(chǔ)液缸5內(nèi)壁，出液管3上的單向閥15開向軟袋體8，進(jìn)液管4上的單向閥15開向儲(chǔ)液缸5，軟袋體8內(nèi)充滿阻燃性液體，當(dāng)有輕微碰撞時(shí)，軟袋體8受到外力而被擠壓，其內(nèi)部阻燃性液體由進(jìn)液管4進(jìn)入儲(chǔ)液缸5內(nèi)，從而推動(dòng)活塞13擠壓復(fù)位彈簧11，而后復(fù)位彈簧11在彈力作用下復(fù)位，帶動(dòng)活塞13將阻燃性液體由出液管3排回軟袋體8內(nèi)，由于出液管3直徑小于進(jìn)液管4直徑，使得阻燃性液體在排出時(shí)受阻尼力，以達(dá)緩沖之目的。

3.4 蜂窩吸能及裝置設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)分析

本設(shè)計(jì)方案利用了蜂窩的吸能這一獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，給予防撞梁吸能的特性。由于蜂窩的結(jié)構(gòu)復(fù)雜難加工，所以采用單體連接，將蜂窩結(jié)構(gòu)通過(guò)卡箍固定到防撞梁上，方便了加工過(guò)程。另外，采用了吸能盒和軟袋的設(shè)計(jì)，將碰撞能量進(jìn)一步吸收，起到保護(hù)車輛和乘員的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在汽車防撞梁設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了汽車防撞梁安全設(shè)計(jì)實(shí)踐，分析了蜂窩特性及強(qiáng)度，確定了裝置的設(shè)計(jì)方案，希望本裝置的設(shè)計(jì)實(shí)踐能對(duì)汽車防撞梁的設(shè)計(jì)人員提供可借鑒的方案。

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