重型货车后部防护装置设计说明书.docx
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重型货车后部防护装置设计说明书
绪论
1.1论文研究背景
近十年来，中国高速公路里程数和机动车保有量持续增加。
根据公路局、公安部最新统计显示：
截至2011年底，中国公路通车里程达到85000公里，仅次于美国位于全球第二；；机动车保有量达到2.25亿辆，其中汽车达到1.06亿辆，仅次于日本，居于全球第二。
因此，如何保障道路交通安个已成为当前讨论的热点和难点问题。
根据我国年的交通事故统计数据表明，从2002年至2009年，事故总体上呈现递减趋势，但是在2010年却出现了大幅度的反弹；其它数据上如伤亡人数、经济损失则一向持续降低。
究其原因，主要是我国出台新的汽车安全法规、强化监管道路交通安全和提高整车安全性能等联合作用的结果。
但我国道路交通事故总数居高不下，汽车安全问题仍得不到有效保障。
我国高速公路具有其独特的特点，如：
全封闭、全立交等。
所以交通事故的形态构成与普通公路大不同。
据统计，在中国2010的高速公路交通事故率为39%，包括尾随相撞，碰撞固定物或静止车辆造成损伤均占25%。
按车型所占比例降序排列，追尾车辆车型依次为轿车、大型货乍、轻型货车、微型客车、其它类型车辆和中型客车;被追尾车辆车型依次为大型货车、轿车、其他车辆和轻型货车。
所以，尾随相撞仍是高速公路交通事故的主要事故形态，并且由于高速公路笔直、设计标准高、车速快，一旦发生交通则事故后果严重。
在涉及重型卡车的交通事故中，尤其是在汽车追尾卡车和多辆车连环相撞造成的最严重的车祸，极为容易的造成较大的伤害，事故发生率和死亡率的比例都是最大的，这种事故的致死比例是轿车与其他车型碰撞致死比例的四倍，约占到追尾交通事故的46%，。
针对此类情况，我国出台了相关法规，其中最早的是在1989年颁布了《汽车和挂车侧面及后下部防护装置要求》。
2006年，我国公安部颁布了《关于加强机动车安全防护装置和乍身反光标识等管理工作的紧急通知》，提出了不规范安装机动车安全防护装置的处罚办法，为货车后下部吸能装置的提出给予了有利的政策保障。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外最新研究进展
在国外对车辆安全的研究很早，大部分的研究是通过仿真测试和实车碰撞来进行，主要是为了提高货车和轿车之间的碰撞相容性，提高吸收缓冲保护的能力。
PriyaPrasad等对现有车辆耐撞性进行了较为系统的分析，并对其后部防护装置的设计提出了研究思路。
DE提出改善车刚度可以明显提高碰撞的轿车和卡车的兼容性。
Atahan等利用大量仿真测试得出结论并加以实测验证，后防护装置的规定离地间隙并不能阻止轿车钻撞货车和建议修订FMVSS223安全要求。
Roger等使用MADYMO软件对汽车和货车进行追尾碰撞仿真保护分析。
意大利巴勒莫利用软件来设计一个高效的能量吸收部防护装置。
Berg等通过测试车辆验证ECER58测试方法不能有效保护轿车内部乘员，并提出了一系列改进建议。
Cerniglia等人总结了现有的货车后下部防护装置吸能方式：
不同组件安全材料的塑性变形、装置摩擦损坏和液体或气体的流动之间的摩擦。
Inqrassia等通过模拟轿车和重型货车的碰撞过程，详细描述碰撞特点，并进行优化设计过程的分析。
Rechnitze等参考相关的法律和法规设计了保护货车后面的装置，并通过碰撞测试装备的有效性。
1.2.2国内最新研究进展
赵幼平等人提出一系列的后防护结构，经过静载荷和移动壁障追尾测试，比较分析出一个很好的设计方案。
李平飞提出将后部防护装置设计成活动式，指出静态加载试验结果不能反映装置的实际作用效果，只有移动壁障追尾碰撞试验可以在一定程度上代替实车碰撞。
朱西产等人选定的MDB轿车模型来分析不同离地间隙对车辆后端吸能效果和车体变形率的影响，结果表明后部防护装置离地高度小于450mm最佳。
张志勇分别对圆形、双圆形、矩形和槽钢形四种截面形状的横梁的缓冲吸能效果进行比较，得出圆形横梁吸能效果最好。
叶新娜等人将后部防护装置常用的槽钢改进为圆钢，保证防止钻入并吸收更多的碰撞能量。
付锐等人提出利用圆柱形轴向力大的特点，将缓冲区设计成圆筒体结构，并将其放置在两层钢板之间，利用轴心受压来吸收碰撞能量。
杨辉等提出了“N”字型后部防护装置结构，并详细分析其吸能保护机理。
董学勤等指出防护装置的研究需考虑离地高度与离去角之间的关系。
白中浩等人提出矩形钢管具有较好的吸收碰撞能量，并对装置的静态加载试验的修改提出了建议。
马迅等人通过增加斜撑的方式对防护装置进行结构改进，具有良好的缓冲效果，验证了结构的可行性。
赵洋分析了矩形钢结构的钢管壁厚、长宽比与斜撑倾角对后防护装置吸能效果的影响。
1.3论文研究内容
本论文将查阅大量的相关资料，了解吸能装置的工作条件，运用机械设计方面的相关知识，初步推算出设计中的限制性尺一寸，并对其基本构件进行设计。
本文所设计的货车后下部吸能装置的先进之处在于：
螺栓组结合薄壁梁吸能结构可以吸收后部车辆意外撞击时的冲击能量，降低和避免在高速公路上山于车身结构特点和行驶速度的原因造成追尾车辆人员的伤亡；装有该装置的车辆在不需要执行任务时，可通过电子控制装置使其抬起到货车后部，不影响车辆的正常行驶。
2货车后下部吸能装置设计的理论基础
2.1汽车碰撞力学分析
2.1.1能量和动量守恒定理
（1）能量守恒定理
汽车碰撞是指汽车在极短的时间内与其他物体发生剧烈撞击的作用过程。
汽车碰撞部位在此过程中发生塌陷性塑性变形，时间持续大约为O.ls-0.2s。
在碰撞过程中产生的动能迅速转化成其他形式的能量，如应变能、热能、化学能和声能等。
从此可以看出，汽车碰撞也遵循着自然界的能量守恒定理。
（2）动量守恒定理
动量守恒定理是在动量定理和牛顿第三定律的基础上总结得出。
对于汽车碰撞而言，就是两车动量交换的过程，碰撞前后的动能相等。
动量是向量，方向取决于车辆速度的方向。
2.1.2汽车碰撞力学的特点
汽车碰撞过程由碰撞前、碰撞中、碰撞后三部分组成，三者连续依次进行。
碰撞前阶段是指汽车驾驶员发现了前方的危险采取了紧急措施这一时刻开始到两车发生接触这一时刻位置的过程；碰撞中阶段是指从两车发生了接触碰撞这一时刻开始到两车碰撞过程结束的时刻为止，这一阶段也是两车之间进行瞬间动量交换的过程；碰撞后阶段是指两车碰撞过程结束产生分离这一时刻开始到两车运动到完全静止的时刻为止。
碰撞阶段也被称为直接碰撞过程，包括弹性变形，塑性变形和塑性变形。
从汽车碰撞时车辆受力角度分析，得出以下特点：
（1）汽车直接碰撞阶段的作用时间非常短，一般都在0.1s-0.2s，且与碰撞接触部位的刚度成反比，即刚度越大，作用时间越短。
（2）由于碰撞时间短，会造成两车的减速度和撞击力过大，减速度的大小与两车自身质量成反比，即质量大的车辆碰撞时受到的减速度较小，车内人员受到的伤害也相对较低。
（3）两车碰撞时弹塑性变形同时存在，且相互之间通过挤压消耗碰撞动能。
一般用恢复系数e来衡量碰撞时车辆的弹塑性变形的实际情况，即车辆发生碰撞后恢复变形的能力，取值大小在0-1。
（4）汽车在碰撞过程中发生弹塑性变形主要集中在直接接触部位，距离接触部位超过一定范围后，减速度就不再发生变化，因此可将除了接触部位以外的汽车看成是刚体件。
当在现实生活中，轿车与货车追尾时，要尽量保证轿车变形主要集中在轿车的前碰撞区，特别是要保证轿车的头部碰撞区和后碰撞区不变形，见图2-1所示。
图2-1轿车碰撞区域
2.2汽车追尾碰撞理论
汽车的追尾碰撞是指碰撞前两车运动方向一致、后车速度明显高于前车，从而导致后车头部撞击前车尾部的现象。
A车和B车的总质量分别用m1和m2表示，A车和B车碰撞后的速度分别用v1和v2表示，A车和B车碰撞前的速度则分别用v10和v20表示。
图2-2汽车追尾碰撞示意图
在汽车追尾碰撞过程中，被追尾车辆由于对事故的认知较!
晚，来不及采取相应的回避措施，所以几乎是完全处于被动状态。
对于发动机前置的两车发生追尾碰撞时，主要是前车尾部发生大面积变形，其恢复系数远远小于正面碰撞。
根据多次试验结果证明：
当有效碰撞速度ve大于20km/h，其恢复洗漱接近于零，如图2-3所示：
图2-3恢复系数与有效碰撞速度的关系
在碰撞中，两辆车会粘在一起，以同样的速度vc移动。
此时可以把两者看成是一个整体，运用动量守恒定理来进行计算。
由于追尾车辆的驾驶员多半会在发现危险后采取紧急制动措施，而被追尾车辆几乎是被动碰撞，所以轮胎和地面的摩擦会消耗碰撞后的大部分动能。
2.3轿车追尾碰撞货车的实例分析
高速公路具有全封闭、全立交、中间设有隔离带的特征，所以在其交通事故中造成伤亡人数最多的是追尾碰撞，尤其是冰雪路面或天气能见度不好的情况下，更容易造成该类事故的发生。
如果是轿车追尾货车，情况就会更加严重。
因为货车后悬较大且没有足够强度的防护措施，追尾轿车内的安全气囊也不会被触动弹开，从而导致货车底板直接插入轿车驾驶室，这对轿车内成员将是致命伤害。
某高速路段发生一起追尾事故。
一辆轿车追尾碰撞同方向行驶的货车，轿车几乎整个车身卡入货车下部，轿车前部、上部以及驾驶室均发生严重变形，现场事故照片如图2-4：
图2-4现场事故照片
3货车后下部吸能装置的设计分析
3.1货车后下部吸能装置的理想碰撞模式
轿车与货车之间发生追尾钻撞事故时，会导致轿车的大部分车体（包括前挡风玻璃、车顶前部等）直接撞到货车尾部，车内乘员几乎没有生还的可能。
针对这类问题，部分货车安有简单的后防护装置，有效地防上了普通道路上两者的追尾碰撞，可是对于高速公路上行驶的轿车来说就是形同虚设。
因此，为了保护高速公路上此类事故对轿车乘员的伤害，可知在保证给轿车乘员留有生存空间的前提下，仅仅在轿车前部加吸能保护装置和在货车后部加简单的防护装置已经解决不了根本问题，应再次从货车的后防护结构上入手，在其后部加一个与轿车离地间隙相近的吸能装置来吸收两者的碰撞动能。
该结构应尽可能多地发生剪切变形，合理吸收撞击动能，材料相对轿车车体较为软化，使其作用在轿车车体上的力和加速度值均在许用范围内。
合格的货车后部吸能装置应能有效提高轿车货车之间的碰撞相容性，如图3-1和3-2所示o
图3-1未安装后下部吸能装置的追尾示意图
图3-2安装后下部吸能装置的追尾示意图
3.2货车后下部吸能装置的功能性要求
根据GB11X67.2-2001标准的相关规定，采用移动臂障撞击货车后下部吸能装置，主要考察其动态性能：
（1）阻挡功能，防止追尾车辆钻入货车下部，造成成员伤害；
（2）缓冲吸能功能，缓和冲击，改善碰撞相容性，最大程度地保护驾乘人员安全和降低对轿车本身的伤害；
（3）升降功能，安装吸能装置后，除了将在一定程度上增加货车的质量外，还将加大车辆的整体长度。
因此，应安装有电子控制装置来控制吸能装置的升降，以保证车辆长度不会受太大的影响。
碰撞结果应满足如下要求：
（1）碰撞过程中，较低的能量吸收装置可变形，裂纹，但不允许从装置整体从卡车连接处脱落；；
（2）碰撞过程中，较低的能量吸收装置应能吸收碰撞能量，缓和冲击的变形，车辆速度的影响迅速下降，直至停止；
（3）碰撞结束后，撞击轿车要在完全停止时与货车后部车身保持尽可能少的接触，避免两者之间发生直接接触碰撞；
（4）碰撞结束后，除了吸能装置发生破坏变形外，货车本身无任何损伤；撞击轿车车身变形较小，控制在车身前部吸能区域内。
4货车后下部吸能装置的设计与实现
4.1设计原理及其吸能方式
本论文所设计的货车后下部吸能装置主要是针对高速公路上轿车追尾货车发生碰撞事故的情况。
考虑到货车和轿车车身结构上的差异，现设计安装在货车后下部的安全缓撞吸能装置。
设计原理是在原来简单的货车后防护装置（多采用槽钢或圆管结构）的基础上进行较大的改进，由缓撞吸能组件来专门吸收碰撞动能，缓撞吸能组件由薄壁梁和螺栓组构成以形成多个碰撞剪切面。
当发生碰撞过程时，两根薄壁梁之间会产生相对的运动从而使螺栓组件发生分离。
由于在薄壁梁是各螺栓件是分散布置，所以对于释放缓冲能量以及降低车体的势能有很好的效果，并可避免对追尾车辆的二次碰撞。
4.2货车后下部吸能装置中基本构件的特性分析
货车后部的能量吸收装置机构的工作作为一个缓慢的碰撞吸能部件，和缓慢的碰撞吸能部件四方结构。
因此，本文主要对薄壁梁的主要特征进行分析。
根据薄壁梁的碰撞变形规律可知，货车后下部吸能装置吸收能量的多少和变形结构是否稳定都取决于所选用薄壁梁的材料、截面形状和壁厚等，而梁的吸能效果与其抗弯折能力是两个相互矛盾的性能。
根据相关研究表明：
方形截面的薄壁梁结构比圆形截面的薄壁梁在碰撞中具有更有利于保护驾乘人员较少损伤的吸能特性。
4.2.1轴向力学特性
吸能装置的薄壁梁结构在碰撞过程中主要承受着轴向载荷，最好的变形结果是在剪切螺栓后自身发生分阶段屈曲变形。
根据己有的解析经验公式，有助于解决实际问题。
如果矩形薄壁梁采用弹塑性材料，其临界失稳强度为：
（1）
一般汽车用薄壁梁为弹塑性材料，半波长取值1>λ>0.707b。
根据半波长与宽高比之间的关系，只有当d/b>0.67时矩形薄壁梁才会出现理想变形模式。
矩形截面薄壁梁承受的最大强度可通过推算得出：
（2）
这里n取0.43，可得：
（3）
这里β取值见图4-1，kp取值见图4-2所示。
图4-1β值与t/b的关系图
图4-2kp与d/b的关系图
4.2.2截面形状的选择
薄壁梁的形状大致可分为五种类型：
圆形，矩形，方形，六角形和八个形状。
在同等质量的每单位长度的情况下，正面碰撞能量吸收的顺序为八边形，以六角，圆形，方形和矩形。
在单位长度质量相等的情况下，正面碰撞吸收能量的顺序依次为、六边形、圆形、正方形和长方形。
在进行后防护装置截面尺寸设计时，可以从制造工艺、吸能效果和设计空间等方面来考虑。
方形截面的薄壁梁结构比圆形截面的薄壁梁在碰撞中具有更有利于保护驾乘人员较少损伤的吸能特性，而且正方形各边长度相同，可以形成规则的压溃变形。
其抗弯性能用公式可表述为：
（4）
4.2.3诱导槽形状和位置的选择
薄壁梁上设置诱导槽的目的是定向引导薄壁梁变形和降低轴向承受载荷，取得理想的碰撞加速度。
诱导槽一般分为凹槽、菱形凹槽、球形凹槽、塑性压痕、减薄、圆形凹槽、圆孔和椭圆形孔等。
见图4-3所示。
图4-3诱导槽类型
本文选用的是椭圆形孔式诱导槽，其位置与截面结构有关，也就是与结构的半波长λ有关。
（5）
4.3装置整体结构的设计
现就国内一起高速公路上小轿车追尾碰撞货车的实例来进行简单设计：
事故轿车质量为1870kg，外形尺寸（长X宽X高）为4820X1807X1450mm，货车质量为14390kg，外形尺寸（长X宽X高）为8490X2470X2830mm。
由于后下部吸能装置可升起放置在货车后部，为了满足货车限高等要求，故装置的总长度不能大于货车总高（即2.8m）；由于装置上对称布置有一些剪切螺栓（螺栓直径d0为1Omm），根据《钢结构设计规范》，螺栓或铆钉最大容许间距应满足24t（t为薄壁梁厚度，t=lOmm），即240mm，最小容许间距为3d0=30mm，这里取200mm；最小边距为1.5d0=15mm，最大螺栓边距为：
s≤min（4d0,8t）=40mm，这里取30mm；且还要考虑薄壁梁的屈曲变形吸能方式，故将缓撞吸能组件长度定为2.3m，考虑到装置中还有保险杠连接组件，所以将装置总长度定为最大值2.8m。
另外，根据安全基准的规定和后下部吸能装置的实际情况，宽度应定为车宽的60%以上且不能超过车宽，即1.5m-2.4m。
此处定为2m。
由于后下部吸能装置安装在货车的后部且可升降，所以在考虑装置离地高度上不用考虑货车通过性的问题，即应选择对轿车起最大保护作用的离地高度。
图4-4所示为MDB以40km/h与货车后部发生碰撞时的车身变形量曲线。
如图可知，离地高度能低到300mm以下的话，则轿车前端结构全部参加能量吸收，可以起到最佳的保护效果。
所以，设定该装置在放下状态时离地高度为300mm。
图4-4MDB以40km/h与货车后部发生碰撞时的车身变形量曲线
图4-5和图4-6分别为本文所设计的货车后下部吸能装置的工作档位图及其结构示意图。
它主要由保险杠连接组件、电子控制部分、机械控制部分和缓冲吸能组件等组成。
图4-5货车后下部吸能装置的上作档位图
图4-6货车后下部吸能装置的结构示意图
4.4保险杠连接组件的设计
保险杠连接组件是整个吸能装置的主要受力和支撑部件之一，其最基本的作用是用来将吸能装置连接到货车后下部。
主要作用是当吸能装置处于工作档时，为缓撞吸能组件提供一定程度的固定壁障功能;当吸能装置处于行驶档时，用来承受整个吸能装置的重量。
为了保证吸能装置在行驶时可通过电子控制部分和机械控制部分将其抬起，所以在侧板下部安装有轴承，由于其主要承受径向载荷，所以这里选为深沟球轴承。
竖板和货车后部、侧板和支持板之间通过螺栓组件来连接，螺栓直径定为30mm，其它螺栓选用16mm。
除了侧板下部为轴承支撑和相应螺栓连接外，其它各零件采用焊接方式。
保险杠连接组件主要零件尺寸见表4-1所示。
表4-1保险杠连接组件主要零件尺寸
4.5机械控制部分的设计
机械控制部分和绞盘机（电子控制部分）共同工作用来完成吸能装置的升降功能。
这里的机械控制部分主要指的是绞盘带和锁链。
绞盘机安装在绞盘机支架上，绞盘带一端包裹在绞盘卷筒顶部，另一端包裹在缓撞吸能组件的中间横板短轴上，可自由转动。
绞盘卷筒和短轴之间的绞盘带应略紧，以保证升起效率。
由于吸能装置自身重量和悬臂梁式的设计，为了防止其在运行时对保险杠连接组件的作用力，故在吸能装置的两侧锁链板、锁链定位板和后部防护板之间安有锁链，如图4-7所示。
图4-7吸能装置机械控制部分示意图
结论
综上所述，本文首先对货车后防装置的理想碰撞模式进行了阐述，提出了货车后下部吸能装置应具有的功能性要求；其次提出了不同于以往后防护装置的创新性原理和吸能方式，对结构进行整体和局部设计，并对所用的基本构件进行特性分析；最后利用正交表确定较优的设计组合。
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