CN109113001B - 一种防撞护栏 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防撞护栏，属于护栏技术领域。防撞护栏，包括立柱、横梁，横梁安装在立柱上，横梁包括上横梁及下横梁，所述防撞护栏还包括弹簧柱芯、扭转弹簧、限位簧丝、限位弹簧，弹簧柱芯安装在上横梁与下横梁之间，扭转弹簧套接在弹簧柱芯上，限位簧丝的一端连接扭转弹簧端头，限位弹簧端头连接在限位簧丝上，限位弹簧安装在横梁内侧且水平方向上垂直于横梁设置。本发明提供的护栏，兼顾护栏的刚度和弹性，具有很好的应用价值。

Description

一种防撞护栏
技术领域
本发明具体涉及一种防撞护栏，属于护栏技术领域。
背景技术
公路防撞护栏作为公路侧边的安全防护设施，能够在公路行车过程中，为机动车提供安全保障。公路护栏和其他警示、提示等安全设施不同之处在于，护栏是通过自身的弹塑性变形、摩擦、车体形变等来吸收冲击能量从而降低事故的严重程度，保护车内人员，道路建筑以及道路外其他事物的安全。
现有的护栏分为刚性护栏、半刚性护栏、柔性护栏三种，其中使用最广泛的是半刚性护栏。常见的半刚性护栏为波形护栏，按不同结构可分为二波形护栏、三波形护栏、管梁护栏、箱梁护栏等数种。该种护栏是通过立柱对梁式结构进行固定，护栏在汽车碰撞时发生变形以吸收能量，同时护栏具有的张力来抵抗车辆穿越护栏偏离车道，波形护栏具有一定的刚性和柔性，从我国的实际应用情况来看，波形护栏以其吸能性良好、外形美观、视线诱导性良好、环境适应性强、更换维修方便等众多优点，在实际的应用中最为广泛。它是一种以波纹状刚梁拼接，用立柱支撑的联合结构，利用土基、立柱、波形梁的形变来吸收碰撞能量，并迫使汽车改变方向。由于护栏和车辆的接触面为波形梁，所以，实际中的波形护栏的高度都和车辆的车头高度一致，这就造成了重心较高的车辆易发生翻转事故，车身较低的车辆易发生下钻事故。
在护栏设计中，对于防止车辆冲破护栏越出路面，需要护栏具有一定的力学强度和刚度，但从保护车辆和人员，减少伤害程度上来说，又需要护栏具有一定的柔度。显然这两点是互相冲突的，但要完善护栏的不足，就需要找出这两点的调和点，进而将两者结合起来。
发明内容
因此，针对现有技术的上述不足，本发明目的旨在提供一种的防撞护栏。
具体的，防撞护栏，包括立柱、横梁，横梁安装在立柱上，横梁包括上横梁及下横梁，所述防撞护栏还包括弹簧柱芯、扭转弹簧、限位簧丝、限位弹簧，弹簧柱芯安装在上横梁与下横梁之间，扭转弹簧套接在弹簧柱芯上，限位簧丝的一端连接扭转弹簧端头，限位弹簧端头连接在限位簧丝上，限位弹簧安装在横梁内侧且水平方向上垂直于横梁设置。
进一步的，所述横梁内部设有限位槽，所述限位簧丝设置在限位槽中部，所述限位弹簧成对设置在限位簧丝两侧且限位弹簧的两个端头分别连接限位簧丝及限位槽。
进一步的，所述上横梁及下横梁均为Q235碳钢制成，宽度120mm，高度50mm。
进一步的，所述立柱为Q235碳钢制成，直径110mm，高度1000mm，所述弹簧柱芯为Q235碳钢制成，直径100mm，高度750mm，所述限位槽为Q235碳钢制成，长度50mm，宽度40mm，高度100mm。
进一步的，所述扭转弹簧为65Mn钢制成，直径120mm，高度750mm，所述限位弹簧为65Mn钢制成，直径20mm，高度47.5mm，所述限位簧丝为65Mn钢制成，限位簧丝数量为两根，长度为40mm，两根限位簧丝的间距为10mm，两根限位簧丝不与扭转弹簧连接一侧的末端相接。
进一步的，所述横梁设有端头，端头两侧为波形梁导向板，波形梁导向板中间设有防撞垫。
本发明的有益效果在于：
本发明的防撞护栏，设计着重加强护栏的弹性，利用弹簧的弹性来吸收碰撞产生的能量，增加汽车和护栏之间的缓冲时间。通过调整护栏的有效高度，杜绝大多数的汽车在侧滑时发生车辆翻转。在汽车轨迹调节方面，一方面通过弹簧来替代滚筒式护栏的滚筒，达到旋转卸力的效果，并且弹簧替代滚筒能降低护栏的制造成本。另一方面利用弹簧的扭转构造，在汽车和护栏碰撞时，吸收能量后再反作用于车辆，来强行的改变汽车的行驶轨迹，逐步的使车辆恢复到正常行驶状态。
附图说明
图1是防撞护栏的整体结构示意图。
图2是限位槽及限位弹簧的设置示意图。
图3是横梁端头的示意图。
图4是护栏受力分析图。
图5是护栏简化受力图。
图6是单个限位弹簧组形变分析图。
图7是卡槽限位簧丝受力图。
图8是弹簧扭转变形示意图。
图9、图10是扭转弹簧微圆模型示意图。
图11是圆截面上剪应力分布图。
附图标记如下：
1、上横梁，2、弹簧柱芯，3、立柱，4、端头，5、扭转弹簧，6、限位簧丝，7、下横梁，8、限位弹簧，9、限位槽，10、波形梁导向板，11、防撞垫。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
护栏主体材料选择
护栏主体的横梁(包括上横梁1和下横梁7)、立柱3、弹性簧芯2均采用Q235碳钢。Q235碳钢是目前国内外使用最为普遍的护栏材料，其屈服强度235Mp，杨氏弹性模量为200MPa，抗拉强度可以达到470MPa，极限应变在22％左右。该材料具有高强度、高弹性模量等特点，它具有在接触碰撞时变形较小，能防止车辆冲出护栏，其制造工艺简单，成本较低，和其他刚性材料相比，它具有较大的缓冲度，能很好地吸收碰撞时产生的能量，极大的保护车内人员的安全，并具有一定的视线引导作用，无压迫感产生。相对于其他传统金属材料，它具有良好的适用性、实用性、美观性、维修性等特点。
限位弹簧8和扭转弹簧5的材料为65Mn钢。65Mn钢的强度、硬度、弹性和淬透性均比一般钢材要好的多，其具有过热敏感性和回火脆性倾向，水淬有形成裂纹倾向。其含碳量为0.63-0.70％，。常用作小尺寸各种扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条，也可制作弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧及冷拔钢丝冷卷螺旋弹簧。根据标准GB/T1239.6-92圆柱螺旋弹簧设计计算，查找出65Mn钢有如下性能：切变模量G＝79×103N/mm3，使用温度范围为-40℃-130℃，抗拉强度σb＝980Mpa,屈服强度σs＝784Mpa，许用剪应力490MPa，伸长率σ＝8％，断面收缩率
Figure GDA0001859391010000042
图1为本实施例防撞护栏的主体结构图，护栏主要由以下几个部分组成：横梁是整个主体结构的连接构件，它将各个弹簧连接成一个有机整体；弹簧柱芯2是整个护栏的刚度保证，是汽车和护栏的主要作用点；立柱3为护栏的强度保证，能有效的抵抗横向的冲击力，将车辆限制在路面以内；护栏的端头4是延续传统波形护栏的端头结构；扭转弹簧5是护栏设计的核心构造，能有效的吸收冲击能量，在限位弹簧8的作用下提供扭转力；限位簧丝6是护栏拥有扭转力的限位结构。防撞护栏主体参数如表1所示：
表1
Figure GDA0001859391010000041
Figure GDA0001859391010000051
护栏的横梁高度在传统护栏的高度上有所增加，其高度是根据我国大多数的中小型车辆的车头高度确定的，适合中国公路的护栏最适宜高度为87.6cm，该高度能有效的防止中大型车辆发生翻转事故，防止小型车发生下钻事故。
由于此次护栏的设计中，车辆和护栏的受力作用面在护栏的扭转弹簧上，而不是和传统护栏一样，受力面在上端的横梁。因此护栏的高度上调至95cm，这样的设计具有很大的可调节性，同时也能防止车辆重心过高，在侧滑过程中发生翻转，对人员造成事故；立柱间距在一般情况下为2m，在不同的路段情况下，可根据实际需求进行调整。
图2为护栏限位卡槽构造示意图，主要结构组成如下：护栏的横梁(上横梁1或下横梁7)和限位槽9是限位结构的外部支撑，其刚度能有效的保护限位弹簧；限位弹簧8能够吸收车辆碰撞的冲击力，并将这种冲击力转化为扭转弹簧5的扭转力；限位簧丝6分为上下两部分，他们通过限位弹簧8的弹力，将这种力共同作用于扭转弹簧，从而产生扭转力。护栏限位卡槽参数如表2所示：
表2
Figure GDA0001859391010000052
护栏的限位槽9参数是根据主体护栏的参数确定的，如图2所示，每个卡槽有两组限位弹簧8，每组两个，该装置可以很好的吸收碰撞过程中的能量，当限位弹簧8被压缩到一定程度后，会产生一个反作用力，使扭转弹簧5回转，产生扭转力，进而来调整车辆的运行轨迹。
图3为护栏端头4的立体结构，该端头采用新型可导向防撞垫。其端头两侧波形梁导向板10，中间加装的防撞垫11可起到缓冲，吸收能量的作用。在受到车辆正面碰撞时，通过变形缓冲来降低车内人员的碰撞伤害程度，新型可导向防撞垫11在受到车辆侧面碰撞时，保证防护能力的基础上，可导正事故车辆，导向功能良好。
以下通过实例计算分析本实施例提供的防撞护栏的受力情况：
护栏冲击碰撞计算
对护栏力学性能的主要分析方法是根据护栏的几何特征，由于护栏的主体材料均为Q235碳钢，材料服从虎克定律且弯曲变形很小，可将护栏简化成一个简支梁，把复杂的护栏结构简单化。
护栏强度校核
(1)合外力计算
在车辆和护栏碰撞前，汽车的合外力F受重力N，牵引力Fn，滚动摩擦力f以及支持力FN共同作用，在汽车和护栏碰撞的前一瞬，假设汽车达到静力平衡状态，滚动摩擦力一般取滑动摩擦力的
Figure GDA0001859391010000061
根据静力平衡：
F＝mg sinα+Fn-f
f1＝μmg
P＝Fn·V
F 车辆所受到的合外力，N；
m 汽车自身的重量，㎏，取1500；
ɡ 重力加速度，m/s2，取9.8；
α 车辆速度方向和水平方向的夹角，取4.01°；
P 车辆行驶的瞬时功率，KW,取108；
Fn 车辆的瞬时牵引力，N；
f1 汽车和路面的滑动摩擦力；
μ 路面的摩擦因素，取0.6；
f 车辆滚动摩擦力，一般取滑动摩擦力的
Figure GDA0001859391010000071
取
Figure GDA0001859391010000072
V 汽车的瞬时速度，m/s，取19.44m/s；
得：
Figure GDA0001859391010000073
(2)最大变形荷载计算：
如图4所示，在汽车和护栏碰撞接触时，将汽车和护栏碰撞的力分解成x和y方向，在y方向上的力是导致护栏形变的主要冲击力，x方向的力则是主导车辆前进的力。将合力F分解成x方向和y方向上的力，分别计算车辆前进的力和护栏的变形力。
Fx＝F cosα
Fy＝F sinα
由以上方程解出Fx＝5833.81N,Fy＝2720.35N。
(3)护栏的变形量：
在汽车和护栏碰撞过程中，主导护栏变形的是护栏的主体结构，包括横梁、立柱以及碰撞弹簧芯，这三种主体结构的材料均为Q235碳钢，可将护栏理想化成一个受力P而变形的简支梁，设汽车和护栏的碰撞面为矩形截面，取矩形截面高h为44.5cm，宽b为34.92cm。
通过计算简支梁模型可以计算出护栏的最大变形度，和A、B两点的变形角。取两立柱之间的护栏作为简支梁，L＝200cm，碰撞点取A、B之间的1/5处，即b＝40cm，a＝160cm，横梁的弹性模量E＝200Mpa。
因护栏接触碰撞的受力主体为弹簧柱芯，所以其圆形截面惯性矩
Figure GDA0001859391010000074
计算可得I＝490.63/cm4。
由图4简支梁的约束条件可得出：
挠曲线方程：
Figure GDA0001859391010000081
Figure GDA0001859391010000082
上式中：P 作用在护栏的作用力，N；
a 作用力P距离A段的距离，1.6m；
b 作用力P距离B段的距离，0.4m；
L 简支梁AB两端的距离,2m；
E 简支梁弹性模量，200MPa；
I 简支梁截面惯性矩，/cm4；
θ A、B两端，梁变形角度；
设a>b
在
Figure GDA0001859391010000083
处，
Figure GDA0001859391010000084
在
Figure GDA0001859391010000085
处，
Figure GDA0001859391010000086
合力P作用在x方向上的变形量：
解得:在x＝113.14cm处，ymax＝6.09×10-5cm。
在x＝10cm处，y100＝5.63cm，θA＝0.076°,θB＝0.063°。
合力P作用在y方向上的变形量：
解得:在x＝113.14cm处，ymax＝2.84×10-5cm。
在x＝10cm处，y100＝2.63cm，θA＝0.035°,θB＝0.030°。
合力P作用在护栏上的总变形量：
在x＝113.14cm处，ymax＝6.72×10-5cm。
在x＝10cm处，y100＝6.21cm。
在汽车和护栏碰撞过程中，护栏产生的最大变形量为6.21cm。
根据GB50017-2016钢结构设计规范可知Q235碳钢在常温下的许永应力[σ]＝115Mpa，护栏的拉压时的强度条件为：
Figure GDA0001859391010000091
_式中：Nmax最大轴向力，N；
A 受力面积(cm4)；
[σ] 材料许永应力，根据GB50017-2016钢结构设计规范可知Q235碳钢在常温下的许永应力[σ]＝115Mpa；
由上式计算得
Figure GDA0001859391010000092
σmax＜[σ]
在这个碰撞条件下，护栏的最大应力小于许用应力，满足护栏的刚度防护需求，选用Q235碳钢材料合乎设计要求。
护栏表面粗糙度计算
在汽车和护栏碰撞过程中，弹簧发生扭转卸力，回转减速，其主要的原因是车辆和弹簧之间存在较大的摩擦力。其摩擦力的大小决定了弹簧是否能最大限度的卸掉汽车的冲击力，因此计算出护栏主体弹簧表面的摩擦系数是该设计的重要部分。
(1)弹簧弹性形变计算：
弹簧的弹性系数C与弹簧的直径D，弹簧的线径d，弹簧的有效圈数n以及弹簧的材料有关。当其他条件相同时，C值越小的弹簧，刚度越大，即弹簧越硬，反之刚度越小。其关系式如下：
Figure GDA0001859391010000093
式中：C 弹簧弹性系数
G 弹簧切变模量，N/mm3，取79×103N/mm3；
d 弹簧丝直径，mm，碰撞弹簧取5，限位弹簧取3；
D 弹簧中径，弹簧外径减去线径，mm，碰撞弹簧取110，限位弹簧取14；
n 弹簧有效圈数，碰撞弹簧取75，限位弹簧取7；
根据公式可得碰撞弹簧C1＝0.062，限位弹簧C2＝41.6。已知单个弹簧的最大形变量为26mm。
根据卡槽单个弹簧组的变形量，建立力学分析单元：
如图6所示，A位置为限位簧丝初始位置，经过扭转后，限位簧丝位于B位置，其中θ为限位簧丝扭转角，y1为外侧弹簧的压缩形变量，y2为内侧弹簧的压缩变形量。取a，b为量内外两弹簧的中轴线，则oa为10mm，ob为30mm。根据三角形三角函数关系：
Figure GDA0001859391010000101
根据上式得θ＝40.9°，y2＝8.67mm。
(2)护栏与车辆之间的摩擦力计算
在汽车与护栏冲撞带动弹簧扭转时，限位簧丝的受力情况如下
由图7可知，8个限位弹簧的伸缩力均由碰撞时的摩擦力提供。由于上下8个限位弹簧是相同的，所以其四组的受力情况相同。计算F1，F2便可得到碰撞时所受到的摩擦力。
f＝4(F1+F2)
F1＝Cy1
F2＝Cy2
上式中：F为各限位弹簧对限位簧丝的约束力，f为汽车和护栏弹簧之间的摩擦力。
联立上可得f＝5.77KN。在车与护栏碰撞时产生的摩擦力可以看做静摩擦力:
f＝μN
可计算出μ为2.1。所以在设计时须增大碰撞弹簧表面粗糙度。
主体碰撞弹簧性能计算
(1)弹簧剪应力计算
剪应力τ是单位面积上所承受的力，且受力的方向与受力面的法线方向正交，在此次计算中，主导弹簧扭转的力主要是平行于护栏的x方向的力，以任意簧丝的横截面作为研究对象，根据弹簧受力的平衡方程，横截面上剪力Q＝P其扭矩
Figure GDA0001859391010000111
作用于弹簧上的力P提供的剪应力
Figure GDA0001859391010000112
认为τ1均匀分布在横截面上，若将簧丝的受力视为直杆的纯扭转，由T引起的最大剪应力为：
Figure GDA0001859391010000113
在上述的公式中：
τ2 由剪力引起的最大剪应力，N；
D 碰撞弹簧的外径，m，取0.12；
d 碰撞弹簧的内径，m；取0.11；
计算得作用在弹簧上的剪应力为：14.27MPa。
(2)弹簧扭转性能计算
如图8所示，弹簧在汽车x方向上力的作用，弹簧发生扭转变形，可以发现各圆周线绕弹簧轴线相对旋转了一个角度，但大小、形状，相邻圆周线之间的距离变化不大。将弹簧结构看作一个圆柱，进行分析。根据变形推理作出假设：圆轴扭转变形前的横截面在变形后仍保持为平面，形状、大小基本不变，半径仍保持为直线，在横向力的作用下，两相邻截面间的距离不变。
在图9中，ψ表示左右两端横截面相对转过的角度，称为扭转角，以弧度度量。用相邻的两个截面mm和nn，从轴中取出长为dx的微段，将其放大成图10。在于上述微段上取出单元体abcd。根据平面假设，横截面nn相对于mm绕轴线旋转了一个dψ角。半径Oa也转了一个dψ角到Oa'。于是单元体abcd的ab边相对于cd边发生了微小的相对错动，错动的距离是：
aa'＝R·dψ
上式中aa’ a点经过扭转到达a’点的距离；
R 截面圆半径，m；
dψ a点扭转角；
由此求得原直角的∠adc的角度数该变量为
Figure GDA0001859391010000121
这即为圆截面边缘上a点的剪应变。
根据变形后横截面仍是平面、半径仍为直线的假设，用相同的方法，可求得距圆心为ρ处的剪应变为
Figure GDA0001859391010000122
根据胡克定律，横截面上距圆心为ρ的任意点出的剪应力为
Figure GDA0001859391010000123
式中：G 材料的剪切弹性模量，G的量纲与τ相同，GPa；
ρ 圆截面上任意剪应力点到圆心的距离，m；
上式证明：横截面上任意点处的剪应力τρ与该点到圆心的距离ρ成正比，所以在以ρ为半径的圆周上各点的τρ都相等。又因为γρ发生在垂直于半径的平面内，所以τρ与半径垂直。其整个横截面的剪应力分布图如图11所示。
在图11所示的圆截面中取环形微分面积dA，则
dA＝2πρdρ
dA上的内力对圆心的O的微力偶矩为ρτρdA,则整个横截面上内力系所组成的内力偶矩(即扭矩)为
Mn＝∫AρτρdA
将(4.19)带入式(4.21)式，于是
Figure GDA0001859391010000131
上式中的积分∫ρ2dA仅与横截面的几何量有关，称为横截面的极惯性矩，并用Iρ表示，即Iρ＝∫Aρ2dA,其单位为m4或mm4。若直径为d，则
Figure GDA0001859391010000132
Figure GDA0001859391010000133
上式中：Iρ横截面的极惯性矩，m4或mm4；
D/d分别为空心圆截面的外径和内径，m；
由上式可得极惯性矩Iρ＝12.6×10-6m4。
所以上式可化为
Figure GDA0001859391010000134
联立(5.23)和(5.25)可得
Figure GDA0001859391010000135
则：
Figure GDA0001859391010000136
Figure GDA0001859391010000137
则弹簧扭转变形的扭转角
Figure GDA0001859391010000138
dψ为相距dx的两个截面之间的相对扭转角，沿轴线x积分，即可求得相距为L的两个截面之间的相对扭转角为
Figure GDA0001859391010000141
若两截面之间的Mn不变，且轴为等直杆，则有
Figure GDA0001859391010000142
根据以上公式可计算得极惯性矩Iρ＝5.98×106mm4，扭矩Mn＝1.42kN·m，扭转角ψ＝12.48rad。
在单位长度上,用最大扭转角表示弹簧形变程度
Figure GDA0001859391010000143
由上式得
Figure GDA0001859391010000144
即单个弹簧最大扭转角度为16.7°。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种防撞护栏，包括立柱、横梁，横梁安装在立柱上，横梁包括上横梁及下横梁，其特征在于，所述防撞护栏还包括弹簧柱芯、扭转弹簧、限位簧丝、限位弹簧，弹簧柱芯安装在上横梁与下横梁之间，扭转弹簧套接在弹簧柱芯上，限位簧丝的一端连接扭转弹簧端头，限位弹簧端头连接在限位簧丝上，限位弹簧安装在横梁内侧且水平方向上垂直于横梁设置；所述横梁内部设有限位槽，所述限位簧丝设置在限位槽中部，所述限位弹簧成对设置在限位簧丝两侧且限位弹簧的两个端头分别连接限位簧丝及限位槽。
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