CN109229038A - 车辆碰撞缓冲装置 - Google Patents

Abstract

一种能够对撞车时的冲击力进行有效限制和分割，并使其发生能量衰变的特殊机械装置，它的外形很象一个筒式阻尼缸，内部装有10‑15组能对金属片进行冲切的组合体，每一组都是由类似冷冲模中的阴阳模块和环形金属片三个单元体组成。撞车时，在外力作用下筒内的金属片会被一个接着一个的剪切，每剪切一个金属片就完成了一个能量消耗过程，在整个撞车过程中，撞击能量被分割后一步一步的耗尽。在金属片被切断后的瞬间，作用在车体上的力会突然消失出现冲力归零瞬间的能量衰变效应，这种能量衰变效应的特征是使金属片的抗剪能力成倍的下降，充分利用这一特性，可以提高能量消耗功效。

Description

车辆碰撞缓冲装置

(一)技术领域：属于汽车安全技术领域，

(二)技术背景：

目前世界各国制造的汽车，其安全保障技术还是比较落后的，主要表现在其保险杠和溃缩吸能管的缓冲功效很差，在速度较高的撞车事故中基本上起不到多大的保护作用。汽车安全气囊和儿童安全座椅的使用，以及A、B、S防抱死刹车技木的应用使汽车安全得到了已善，但是并没有从根本上根除安全隐患，每年因撞车故事造成的伤亡，在全世界多达近百万人之多，所以人们常把撞车亊故与伤亡连到起，对撞车事故的恐惧心态已经形成。

采用冲切金属片的手段制做缓冲器的技术方案，最早是本技术发明人在1988年提出来的， (实用新型，剪式保险器，专利号：88219794，5)，十年后上海的殷玉树在1998年，根据这一工作原理申请了实用新型：汽车碰撞能量吸收器ZL97235923.0(CN 2299770 Y)，因为他对能量衰变效应並不了解，和对机械加工知识和经验的欠缺，使样机无法制作而搁浅。2006年本人在88年申请的实用新型的基础上制作了新的样机，并申请了发明专利“汽车碰撞缓冲器” (20061010934，8。)，在授权后的几年里先后進行了50余次的各种試验和改進，终于完成了比较理想的样机。由于结构变动较大，于2008年又申请了实用新型：剪式汽车缓冲器， 200829998906.8。

(三)发明内容：

本发明的任务是公布一种利用冲切金属片的工作原理制作的汽车碰撞缓冲装置的技术方案，公开我对冲击能量衰变效应的研究成果，公开一种冲击能量衰变值的简易计算方法。

本发明的典型结是按照能够连缓冲切12个金属片的缓冲器装置，它的内部装有能分别独立完成对金属片進行切割的功能件的组合体12组，每一组都有一个金属片和两个切割刀片，其中刀片都是环形的，具有类似冷冲压技术中的冲切模里的阴阳模的冲切功能，在发生撞车亊故中用于对金属片的切割，起消耗能量和控制冲力大小的作用。在这12组.里的金属片有3 种不同厚度(即：3mm、2.5mm、2mm)，本着先厚后薄的原则，按照图示的方向从左向右排列，则排成：3、3、3、2.5、2.5、2.5、2、2、2、2.、2、2的顺序，这样的材料厚度和排列顺序是通过汽车碰撞試验找到的，按能量衰变效应中的能量衰变系数计算的方法确定的，分组刀片的冲切间隙是靠外套筒的内壁和芯杆的柱面与阴阳刀片的装配间隙做保障的，其阴阳刀片的冲切间按照3种不同的厚度值分别计算，以保使用安全。阴阳刀片的厚度是不一样的，按照阳刀片的厚度比阴刀片小的原则，其差值按照所冲金属片的厚度增加1mm考虑，这增的1mm 是考虑到金属片冲切中产生的毛刺和外力归零保障的必要条件，是金属片切断的瞬间的能量衰变效应得到充分发挥的必要条件。

本项发明需要一种特殊的新型保险杠装置配合使用，这种保险杠不需要有消耗和吸收能量的功能，只要能起到传递冲击力的作用即可，所以要有很好的刚性和强度，在撞车事故中不会产生永久变形，並具有能跟随缓冲器的冲力杆的压缩位移而滑动的功能，这种新型保险杠的刚性计算载核是按照新型缓冲器的最大冲击载荷计算的，即按与汽车大梁的设计载荷的两倍计算，本发明的缓冲装置就装在这样的保险杠的两端，具体位置与目前汽车上使用的溃缩吸能管的位置相同，在发生撞车亊故时，刚性保险杠将冲力传到保险杠两端，使缓冲器里的金属片依次切割，直到无力切割为止。在冲切金属片的过程中，金属片是一个接着一个的被切割的，这种切割顺序是非常有序的，每一个金属片的冲切都是在上一次冲切过程全都完成后才能开始下一金属片的冲切工作，在前一个金属片被切断的瞬间会出现冲力瞬间消失的冲力归零现象，在冲力归零现象出现的瞬间会出现能量衰变效应，使金属片的抗冲能力急剧下降。这就是人们常说的速度越大抗力越低的道理，但是这种冲击能量衰变效应数值的研究还很不够，所以公开我在这一领域中的研究成果很有必要。

冲力计算公式：冲力(F)＝车辆的质量(M)×滑行速度(V)÷冲击时间(t)

从公式中可以看出，撞车时汽车的质量和撞击时间可以认定是已知数，只有速度V是不确定的未知数。汽车碰撞时的冲击力是很大的，这是因为速度引起的动能造成的。

动能的计算公式：w＝1/2×m×v²从这个公式里可以看出，速度以平方的方式在影响着冲击能量的变化，因此我们可以将冲力的计算公式F＝m×v÷t里的速度v改为平方根的方式表示(因为√v²＝v)这就出现了冲击力的计算公式F＝m×√v²÷t的形式，从这样的公式中就可以清楚的看出影响冲击力变化的因素就是√v，我把它称为能量衰变系数，之所以称为能量衰变系数，是因为我们把冲击力计算中的速度V变成√v²本身就是一种能量转换的方式，用ξ表示，则能量衰变系数ξ＝√v，，从我们知道的常识中，金属片的抗冲剪力的最大值接近静态下的抗剪力，这就是说金属片的抗冲剪力不会超过静态下的抗剪切能力，因此ξ的最小值就是1，这就是说：v＝0时，ξ＝1，ξ不可能小于1，从ξ＝√v，中发现当v＜1 时ξ＜1，这是不可能的，因此需要对速度v進行修正，修正系数取就用1作为基本保障，此时将ξ＝√v改为：这就是冲击能量衰变系数的来历。

通过汽车碰撞獲得的数据与利用ANSYS/LS-DYNA软件建立了缓冲器的有限元模型，对结构进行了碰撞性能的仿真和模拟计算，得出的结论進行比较，证明了利用冲击能量衰变系数来计算缓冲器的能量衰变效应是十分科学的.这种冲击能量衰变系数的计算的数值是相当精确的，它对这一发明的应用打下了可靠的理论基础。

附图说明

图1、缓冲器的结构示意图：表示一个装有12组刀片4*和5*的缓冲装置，这个缓冲装置里装有12个金属片6*，供切割使用。

图2、缓冲器的工作原理图：这是专为质量为2000kg的轿车设计的，为满足车速为64km/h 撞车亊故安全而配制的缓冲器装置，12个刀片全部被切断时，各刀片和金属片的相互位置，及与冲力杆1*的压缩同步外露的导向芯杆8*的位置，为了缩短缓冲器的长度尺寸，这外露的部分尺寸L可以進入汽车大梁的结构空间里。图面标明的3个3mm、、3个、2.5mm、6个2mm12 表明这个金属片的排列顺序。

图3、缓冲器与新型保险杠组合位置图：表示缓冲器5*安装在这种滑移式的刚性保险杠 2*的两端，与现行汽车溃缩管的位置相同。图上标明的L表示这种滑移式的刚性保险杠2*在撞车亊故中可以跟随缓冲器的冲力杆1*的压缩而产生水平滑移，滑移量用L表示。

(五)具体实施方法：

图1和图2所示，为本发明应用的一典型案例代表，这一装置装有11个尺寸相同的内刀片，这种內刀片外形成环形件，环形件的内孔为Φ20用于与芯轴套接，采取滑动配合，内刀片的外圆用来切割金属片，内刀片的厚度按6mm制作。内刀片尺寸确定下来后，就以此确定外刀片的尺寸了，外刀片的外圆尺寸都是一样的，与外套筒采取滑配合的装配关係，而外刀片的厚度和内孔尺寸因冲切金属片的厚度有三种，所以也有三种不同的规格，厚度按照内刀片和金属片的厚度之合再加上1mm来定，出现9mm、9.5mm、11mm三种厚度，外刀片的壁厚取7mm外筒的壁厚3mm则外筒直径66，整个装置的组合长度280mm，这样的缓冲装置，凈重约5.8kg，如若把主要受力件改用钛合金，外筒改用高强度铝合金B95重量可以降到4kg 以下。这样的缓冲装置在发生撞车亊故事时，第一个金属片被切割时保险杠位移4mm到最后的第12个金属片全被切割，.保险杠总共位移41mm(这就是在图2和图3里标注的L的尺寸)。

为了便于了解，下面对整个的工作進行详解：当这辆汽车在64km/h速度发生撞车亊故，这辆车的冲力就可以根据车速17.8m/秒和质量.2000kg算出60544kg，分由汽车底盘的两个大粱来承担，一个大梁承担30272kg。使用本发明的缓冲装置后，假设刀片的切割尺寸为Φ46，第一次切割的金属片厚3mm按照抗剪强度23kg/mm2计算，抗剪力是9971kg，此时的冲剪速度是17.8m/秒，其能量衰变系数就是4.34，剪切这个金属片的力就是9971kg的 4.34分之一的2297kg，这就是作用在汽车大梁上的力只有2297kg，经过第一次的拦阻，撞车时的力还有27975kg等待消耗，接着第二次冲切又开始了，这次冲切因为第一次的拦阻，冲击速度降到16.45m/秒，这期间的减速度值就是.17.8和16.45的差1.35m/s，加速度从.30.3g减至28g的差2.3g，使ξ降到4.18，第二次冲剪消耗的力是9971kg的4.18.分之一的2385kg，这就是第二次冲切时作用到汽车大梁上的力。就是这样的一次接着一次的冲剪，直到第12次冲剪时的力增加到4207kg剩下的力只有633kg了，剪切金属片的工作结束了。在整个的12 次冲剪过程中，最大的冲力发生在最后一次冲剪的4207kg，减速度最大值是2.93g。如果汽车大梁的额定抗力大于5000kg，车体就不会受损，。对人体造成伤害的是减速度形成的惯性力，人身承受减速度的最大值是40g，本案中最大减速度是在第12次切割中产生的3g，所以乘员不会受到伤害，这种情况下汽车安全气囊和儿童安安座椅就失去了使用价值。

从这一实施方案中可以发现在第一次冲切时的ξ＝4.34用3mm的金属片冲力只有2297kg 离大梁的5000kg的承受能力相差很多，用5mm的金属片能相近，，但是考虑到本装置中的刀片尺寸比较小强度不够，要切5mm的金属片必然会使刀片的尺寸增加，使整个缓冲装置的尺寸增大而影响使用。最大厚度3mm是依经验并经过撞车实验獲取的。

Claims (9)

1.一种能对车辆碰撞能量進行分割并能充分利用冲击能量衰变效应的缓冲装置，其特征是这一装置采用冲切金属片的方法，对撞车时产生的冲击力進行限制，并通过分步拦截的手段对车辆碰撞时产生的巨大能量进行分割，使其会造成车体破坏的力无法形成，使会造成人体伤害的减速度和惯性力不能产生。

2.根据权利要求1所述的缓冲装置，其特征是利用金属片的抗剪切能力是有限的，这一物理特性来限制冲击力大小，使会造成车体结构破坏的力无法形成，用这样的手段保护汽车结构的安全。

3.根据权利要求1所述的缓冲装置，其特征是采用一次接着一次的连续冲切的方法，对撞击能量進行分割逐步消耗，使撞击能量和减速度逐步变小，造成人体伤害的减速度和惯性力无法形成，整个的撞车亊故中人体不会受到伤害。

4.根据权利要求3所述的连续冲切金属片的方法，其特征是在每个金属片被切开的瞬间，会出.现冲击力瞬间消失的冲力归零现象，在冲力归零的瞬间会发生冲击能量衰变效应，这个冲击能量衰变效应引起的能量衰变值是非常可观的，这个能量衰变效应对能量消耗值的影响是以冲击能量衰变系数的方式表现出来的，即冲击能量衰变系数只要知道撞车时的车速，就能算出冲击能量衰变系数，金属片的抗剪切力除以这个系数，就是本发明的缓冲装置每次缓冲中产生的冲击力。

5.根据权利要求1所述的缓冲装置，其特征是本典型示例中的金属片是选用普通冷轧钢板Q235制作，其厚度值有三个，分列为.2mm、2.5mm、3mm，金属片的厚度依冲切的先后顺序组成3mm、3mm、3mm、2.5mm、2.5mm、2.5mm、2mm、2mm、2mm、2mm、2mm、2mm。的排列顺序，刀片呈圆环形，切割刃口直径为Φ46。

6.根据权利要求1所述的缓冲装置，其特征是装置中使用的切割刀片分内刀片和外刀片两种，其中内刀片的厚度和尺寸都一样，而外刀片的尺寸除了外圆尺寸都一样外其它就有区别了，其中包括厚度和内孔尺寸都与切割的金属片的厚度有关係，外刀片的厚度按照金属片的厚度尺寸加1mm确定，外刀片的内孔直经尺寸按所冲金属片的厚度来确定冲切间隙。

7.根据权利要求1所述的缓冲装置，其特征是这种缓冲装置需要与其配套使用的新型保险杠的配合，这种新型保险杠在撞车亊故中不允许被撞坏，而且还要有能水平滑移的功能。

8.根据权利要求1所述的缓冲装置，其特征是撞车时每冲切一个金属片，缓冲器冲力杆的压缩量为金属片的厚度加1mm之合，本典型案例里的12个金属片其厚度的总合是28.5mm，加上12次冲切的缓冲间隙12mm就是40.5mm，这就是本典型案例中缓冲装置的冲力杆的压缩尺寸的最大值。

9.根据权利要求1所述的缓冲装置，其特征是在冲力杆压缩的同时，固定在冲力杆后面的导向芯杆也同时向后移动而外露，露出的长度与冲力杆的压缩量相同，为了节省空间，要求汽车大梁上的相应位置开孔，使其露出部分能進入，充分利用汽车大梁的内部空间。