CN111231875A - 一种基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置 - Google Patents

一种基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于交通安全防护技术领域，公开了一种基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置，包括橡胶防撞耗能装置、防撞主梁和弹簧耗能装置；橡胶防撞耗能装置上开设若干橡胶蜂窝孔，防撞主梁一端连接橡胶防撞耗能装置，另一端连接弹簧耗能装置；弹簧耗能装置包括活塞筒、活塞筒法兰和活塞连杆；活塞筒内设置活塞和第一压缩弹簧，活塞连杆一端穿过活塞连杆通孔连接活塞，活塞和活塞筒法兰压紧第一压缩弹簧；活塞筒外依次套设第二压缩弹簧和橡胶弹簧。橡胶防撞耗能装置、橡胶弹簧和压缩弹簧形成一个耦合变形系统，达到缓冲减震耗能的功能，减小碰撞对人车的损伤，避免单纯利用弹簧元件可能导致的二次损伤，且结构简单，便于维修，成本低。

Description

一种基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置
技术领域
本发明属于交通安全防护技术领域，涉及一种基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置。
背景技术
随着经济社会的快速发展，我国机动车保有量越来越多。据公安部交管局公布的最新数据，截至2019年6月，我国机动车保有量达3.4亿辆，其中汽车2.5亿辆，私家车达1.98亿辆。随着汽车保有量的不断增加，交通事故也越来越多。特别是高速公路上车辆行驶速度非常快(最高达到120km/h)，车辆的动能和动量大，冲击力强，一旦发生追尾或碰撞等交通事故，后果非常严重，甚至会出现车毁人亡的恶性事故，为了减小碰撞产生的撞击力对车辆和车上司乘人员的伤害，车辆前后一般都安装有防撞梁装置。但是，目前使用的防撞梁，大部分只考虑了防撞的效果，采用的是具有很高强度的金属防撞梁，这种防撞梁只单纯考虑了保护车体结构完整性，没有充分考虑碰撞冲击力和动能对车体和司乘人员的损伤。近些年，设计人员提出了防撞梁吸能的设计理念，该防撞梁的两端连接有屈服强度很低的低速吸能盒，然后通过螺栓的形式连接在车体纵梁上，这种吸能盒可以在车辆发生低速碰撞时通过溃缩有效吸收低速撞击时的能量，但溃缩式的吸能装置一般是破坏性的，碰撞一次就损坏了，不可重复使用。另外，有工程技术人员设计出利用弹簧元件的防撞装置，但单一的基于弹簧元件的防撞装置吸能效果有限，而且弹簧在碰撞变形时很可能由反向弹性力造成车辆潜在的二次损伤，如车辆在高速情况下发生碰撞，反向弹力使车辆向反方向运动或发生偏转，后面车辆避让不急导致的交通事故。
由此可见，上述防撞装置在实际的使用过程中存在明显的不足：当车辆一旦发生高速碰撞时，车辆自身的动能很大，现有的防撞梁装置不能吸能耗能，或者吸能耗能的效果非常有限，巨大的撞击力导致车辆碰撞变形甚至造成整个车体损毁，威胁车上司乘人员的安全，不能起到很好地保护车辆及司乘人员安全的目的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中现有的防撞梁装置吸能耗能效果差的缺点，提供一种基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置，包括橡胶防撞耗能装置、防撞主梁和弹簧耗能装置；橡胶防撞耗能装置上开设若干橡胶蜂窝孔，防撞主梁一端连接橡胶防撞耗能装置，另一端连接弹簧耗能装置；弹簧耗能装置包括活塞筒、活塞筒法兰和活塞连杆；活塞筒一端连接活塞筒法兰，另一端开设活塞连杆通孔，活塞筒内设置活塞和第一压缩弹簧，活塞连杆一端穿过活塞连杆通孔连接活塞，活塞和活塞筒法兰压紧第一压缩弹簧；活塞筒外依次套设第二压缩弹簧和橡胶弹簧，活塞连杆远离活塞筒的一端上套设凹型垫片挡板，凹型垫片挡板与活塞筒法兰压紧第二压缩弹簧和橡胶弹簧；活塞连杆远离活塞筒的一端端部设置用于连接防撞主梁的活塞连杆螺栓连接头；活塞筒法兰远离活塞筒的一侧设置底板。
本发明进一步的改进在于：
所述橡胶防撞耗能装置表面设置凸出花纹。
所述橡胶防撞耗能装置两端采用圆弧形设计。
所述防撞主梁内部设置M型的肋板。
所述防撞主梁采用铝合金材质制作。
所述防撞主梁和橡胶防撞耗能装置通过连接螺栓可拆卸连接。
所述橡胶防撞耗能装置和防撞主梁的接触面上涂覆环氧树脂胶。
所述第一压缩弹簧与活塞之间、第一压缩弹簧与活塞筒法兰之间、活塞和活塞筒内壁之间、第二压缩弹簧与凹型垫片挡板之间以及第二压缩弹簧与活塞筒法兰之间均设置凹型阻尼橡胶垫片。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
通过防撞主梁将橡胶防撞耗能装置和弹簧耗能装置联合起来，充分利用橡胶和压缩弹簧的材料和结构特性，在橡胶防撞耗能装置上开设若干橡胶蜂窝孔，利用蜂窝多孔橡胶和受压缩发生弹性变形耗能的这一特性，把蜂窝多孔橡胶、橡胶弹簧和压缩弹簧装配在一起，形成一个耦合变形系统，实现车辆碰撞过程中动能与势能的转换及能量的消耗，达到缓冲减震耗能的功能，减小碰撞对人车的损害；橡胶材料受碰撞具有缓冲耗能的效果，避免单纯利用弹簧元件在碰撞过程中动能完全转换为弹性势能，弹簧元件反向弹力可能导致车辆的二次损伤；同时，本发明整个结构是装配式的，所有元件均可更换，操作简单方便快捷，这大大提高了该防撞装置的使用寿命，可重复使用且经济实用，可以有效的减小车辆在碰撞过程中的震动和破坏，提高车辆及司乘人员的安全，具有非常高的应用价值。
进一步的，橡胶防撞耗能装置表面设置凸出花纹，一方面增加了橡胶防撞装置与碰撞接触面的摩擦力，另一方面能使橡胶防撞装置产生较大的切向变形，增加了动能消耗。
进一步的，橡胶防撞耗能装置两端采用圆弧形设计，当防撞装置端部受到撞击时，增大了接触面积，可以有效减小撞击力的作用。
进一步的，防撞主梁内部设置M型的肋板，提高了防撞主梁的强度和抗冲击力。另外，在极端情况下，防撞主梁发生的碰撞变形，M型的肋板可以产生溃缩式的变形，可以消耗掉部分由于车辆碰撞产生的能量，起到保护车辆和司乘人员的作用。
进一步的，橡胶防撞耗能装置和防撞主梁的接触面上涂覆环氧树脂胶，可以让橡胶防撞耗能装置和防撞主梁完全紧密无缝接触，更好的把撞击力传输到后面的弹簧耗能装置。
进一步的，第一压缩弹簧与活塞之间、第一压缩弹簧与活塞筒法兰之间、活塞和活塞筒内壁之间、第二压缩弹簧与凹型垫片挡板之间以及第二压缩弹簧与活塞筒法兰之间均设置凹型阻尼橡胶垫片，提高装配的稳定性，同时，凹型阻尼橡胶垫片也有一定的形变缓冲能力，进而提升整个装置的耗能防撞性能。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的前置蜂窝多孔橡胶防撞耗能装置结构示意图；
图3为本发明的铝合金防撞主梁结构示意图；
图4为本发明的弹簧耗能伸缩系统的剖面结构示意图；
图5为本发明的连接螺栓结构示意图；
图6为本发明的弹簧耗能装置底板结构示意图。
其中：1-橡胶防撞耗能装置；11-橡胶蜂窝孔；12-橡胶防撞耗能装置安装孔；13-凸出花纹；2-防撞主梁；21-肋板；22-防撞主梁安装孔；23-弹簧耗能装置安装孔；3-弹簧耗能装置；31-活塞筒；32-活塞筒法兰；33-法兰安装孔；34-活塞；35-活塞连杆；36-活塞连杆螺栓连接头；37-凹型阻尼橡胶垫片；38-第一压缩弹簧；39-第二压缩弹簧；310-橡胶弹簧；311-凹型垫片挡板；4-连接螺栓；5-底板；51-底板安装孔。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1至5，本发明基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置，主要由橡胶防撞耗能装置1、防撞主梁2和弹簧耗能装置3三部分组成。
橡胶防撞耗能装置1上均布开设若干橡胶蜂窝孔11，橡胶防撞耗能装置1正面开设有圆形内凹的橡胶防撞耗能装置安装孔12，为了提高耗能效率和增加接触面的摩擦力，橡胶防撞耗能装置1表面预设有凸出花纹13。
防撞主梁2采用铝合金材质制作，防撞主梁2内腔设有“M”型起加强作用的肋板21，防撞主梁2表面预设有与橡胶防撞耗能装置安装孔12相匹配的防撞主梁安装孔22以及与弹簧耗能装置3的活塞连杆螺栓连接头36相匹配的弹簧耗能装置安装孔23。
弹簧耗能装置3包括活塞筒31、活塞筒法兰32、活塞34、活塞连杆35、活塞连杆螺栓连接头36、凹型阻尼橡胶垫片37、第一压缩弹簧38、第二压缩弹簧39、橡胶弹簧310和凹型垫片挡板311。
活塞筒31与活塞筒法兰32焊接，活塞筒法兰32上设有法兰安装孔33，活塞34与活塞连杆35为一体成型或焊接连接，活塞连杆35的端部设有活塞连杆螺栓连接头36，活塞筒31端部及第一压缩弹簧38、第二压缩弹簧39和高阻尼橡胶弹簧310连接处都设有匹配的凹型阻尼橡胶垫片37，活塞筒31内部设置有与筒径尺寸匹配的第一压缩弹簧38，活塞筒31外部套设有匹配的第二压缩弹簧39，第二压缩弹簧39外部套设有匹配的高阻尼的橡胶弹簧310，橡胶弹簧310一端连接活塞筒法兰32，另一端连接凹型垫片挡板311，凹型垫片挡板311套设在活塞连杆35上。
蘑菇头型的连接螺栓4用于连接橡胶防撞耗能装置1与防撞主梁2；弹簧耗能装置3的底部设置有底板5，底板5上开设有与法兰安装孔33孔径一致的底板安装孔51。
本发明基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置的装配过程如下：
1、在活塞筒31的顶部放置与活塞筒31内径和活塞34凸型匹配的凹型阻尼橡胶垫片37，在活塞筒31内部安装活塞连杆35，本实施例中活塞34及活塞连杆35为一体结构。
2、在活塞筒法兰32上安装与活塞筒31外径匹配的凹型阻尼橡胶垫片37，在此凹型阻尼橡胶垫片37上安装活塞筒31外置的第二压缩弹簧39。
3、在第二压缩弹簧39外部安装高阻尼的橡胶弹簧310，在活塞筒31外置的第二压缩弹簧39的顶部安装与橡胶弹簧310的内径匹配的凹型阻尼橡胶垫片37，在橡胶弹簧310顶部安装凹型垫片挡板311，凹型垫片挡板311套设在活塞连杆35上。
4、活塞连杆螺栓连接头36插入防撞主梁2上的弹簧耗能装置安装孔23，并用螺母紧固。
5、在橡胶防撞耗能装置1正背面涂上高性能环氧树脂胶，然后安装到防撞主梁2正面，并把连接螺栓4嵌入到橡胶防撞耗能装置安装孔12和防撞主梁2上的防撞主梁安装孔22进行紧固。需要注意的是，橡胶防撞耗能装置1正背面与活塞连杆螺栓头36对应的位置需要预设有与活塞连杆螺栓头36匹配的凹槽。
6、在活塞筒31内部与活塞34接触面放置凹型阻尼橡胶垫片37，然后安装内置的第一压缩弹簧38，第一压缩弹簧38底部放置凹型阻尼橡胶垫片37。
7、在活塞筒法兰32外安装底板5，用螺栓连接法兰安装孔33和底板安装孔51，最后用螺栓把整个结构紧固到车辆的纵梁或防撞护栏结构的竖向地桩上。
需要说明的是，在安装时，所有的弹簧都要预先有一定的变形量，一是为了紧固系统，二是为了减小系统工作过程的振动噪声。此外，本发明完全是一个装配式的结构，在使用过程中如果某一个元件失效或损坏，都是可以通过更换元件使得系统恢复正常工作，这样的设计不仅装配简单易行，而且可以延长整个系统的使用寿命，既经济又实用。
实施过程：
在使用中，当车辆发生碰撞时，首先橡胶防撞耗能装置1受到车辆的撞击力和总的动能Ek作用，
Figure BDA0002388241300000081
其中，m为车辆质量，v为车辆速度，橡胶防撞耗能装置1在碰撞力作用下会发生变形。这种变形包括橡胶防撞耗能装置1表面的凸出花纹13的变形和橡胶蜂窝孔11的变形，整个橡胶防撞耗能装置1自身橡胶材料的变形，这些变形自然会消耗掉一部分动能，同时也把一部分动能转化为橡胶防撞耗能装置1的变形势能EP。橡胶防撞耗能装置1表面的凸出花纹13增大了接触面的摩擦力，如果在碰撞接触的过程中车辆与橡胶防撞耗能装置1表面有相对滑动，在碰撞接触面会产生动滑动摩擦力，这种动滑动摩擦力做功也会消耗掉一部分动能。因此，在碰撞发生初瞬时，橡胶防撞耗能装置1会消耗掉一部分车辆传递的动能。同时，橡胶防撞耗能装置1是一种高阻尼的柔性材料结构，可以很好起到缓冲碰撞的效果。
其次，车辆的撞击力和总的动能通过橡胶防撞耗能装置1传递到铝合金材质的防撞主梁2，防撞主梁2自身会发生一定量的材料和结构变形消耗掉一部分动能，然后把大部分动能传递到与其连接的弹簧耗能装置3。防撞主梁2主要起到抗击和传递撞击力和动能的作用。如果防撞主梁2强度不够，在撞击力作用下发生严重变形或损坏，这样并不能起到保护人车安全的目的。
最后，撞击力和总的动能通过防撞主梁2传递到活塞连杆35和凹型垫片挡板311。活塞连杆35和活塞34可以为一体结构，也可以为焊接连接，撞击力和动能会通过凹型阻尼橡胶垫片37传递到活塞筒31内置的第一压缩弹簧38，此时第一压缩弹簧38发生形变把动能转化为弹性势能，凹型阻尼橡胶垫片37在此变形过程中也会发生形变，由于第一压缩弹簧38和凹型阻尼橡胶垫片37均有阻尼，它们会消耗一定量的动能。凹型垫片挡板311把撞击力和动能传递到活塞筒31外置的第二压缩弹簧39和橡胶弹簧310，同样地，第二压缩弹簧39和橡胶弹簧310会发生压缩变形，动能转化为弹性势能，高阻尼的橡胶弹簧310和第二压缩弹簧39在这一过程中也会消耗一定量的动能。根据机械系统的能量守恒定律，整个防撞系统总的机械能即碰撞发生初始瞬时车辆总的动能Ek＝E′k+E′P+E耗，E′k为碰撞发生过程中某一瞬时车辆的动能，E′P为耗能防撞装置中所有弹性元件的变形总势能，E耗耗能防撞装置中所有元件产生变形消耗的总能量。由这一式子可知，E′P和E耗的和值越大，E′k则越小。E′k越小，则撞击力对车辆和车上乘用人损伤程度就越小，人车安全的概率就越大。在发生碰撞的过程中，所有的弹簧和凹型阻尼橡胶垫片37都产生压缩变形，由此产生的弹性力与撞击力的方向相反，这会减弱撞击力的破坏效果。综上所述，本发明的耗能防撞装置采用蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统实现动能转换为系统弹性势能和能量消耗的目的，减小由于车辆碰撞给人车造成的损伤。
在本实施例中，橡胶防撞耗能装置1既可以有效缓冲碰撞产生的冲击力，还可以消耗掉一部分能量，减小碰撞产生的破坏影响，确保车辆和乘用人的安全。特别的，橡胶防撞装置1纵向设有均布贯通式的橡胶蜂窝孔11，增大了橡胶防撞装置1的变形范围，起到很好的耗能和缓冲效果；橡胶防撞装置1正表面设有凸出花纹13，一方面增加了橡胶防撞装置1与碰撞接触面的摩擦力，另一方面能使橡胶防撞装置1产生较大的切向变形，增加了动能消耗。橡胶防撞装置1两端采用圆弧形设计，当防撞装置端部受到撞击时，增大了接触面积，可以有效减小撞击力的作用。
在本实施例中，橡胶防撞耗能装置1和防撞主梁2的接触面涂有高性能环氧树脂胶，这样可以让橡胶防撞耗能装置1和防撞主梁2完全紧密无缝接触，更好的把撞击力传输到后面的弹簧耗能装置3。
在本实施例中，防撞主梁2内腔设有“M”型的肋板21，提高了防撞主梁2的强度和抗冲击力。另外，在极端情况下，防撞主梁2发生的碰撞变形，“M”型的肋板21可以产生溃缩式的变形，可以消耗掉部分由于车辆碰撞产生的能量，起到保护车辆和乘用人的作用。
在本实施例中，弹簧耗能装置3、第一压缩弹簧38、第二压缩弹簧39、橡胶弹簧310及凹型阻尼橡胶垫片37等元件在整个耗能防撞装置受到外部冲击力后发生耦合变形，消耗车辆传输的动能，大大减小碰撞对车辆结构和乘用人的撞击损伤。
在本实施例中，橡胶防撞耗能装置1和弹簧耗能装置3中的弹簧元件和橡胶元件整体通过发生耦合变形效应消耗外部撞击动能，是一种被动式的通过耗能装置消耗外部的主动动能，达到减小和减弱外部撞击力对车辆本身和车上乘用人的安全威胁，最终达到保护车辆和乘用人安全的目的。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置，其特征在于，包括橡胶防撞耗能装置(1)、防撞主梁(2)和弹簧耗能装置(3)；
橡胶防撞耗能装置(1)上开设若干橡胶蜂窝孔(11)，防撞主梁(2)一端连接橡胶防撞耗能装置(1)，另一端连接弹簧耗能装置(3)；
弹簧耗能装置(3)包括活塞筒(31)、活塞筒法兰(32)和活塞连杆(35)；活塞筒(31)一端连接活塞筒法兰(32)，另一端开设活塞连杆通孔，活塞筒(31)内设置活塞(34)和第一压缩弹簧(38)，活塞连杆(35)一端穿过活塞连杆通孔连接活塞(34)，活塞(34)和活塞筒法兰(32)压紧第一压缩弹簧(38)；活塞筒(31)外依次套设第二压缩弹簧(39)和橡胶弹簧(310)，活塞连杆(35)远离活塞筒(31)的一端上套设凹型垫片挡板(311)，凹型垫片挡板(311)与活塞筒法兰(32)压紧第二压缩弹簧(39)和橡胶弹簧(310)；活塞连杆(35)远离活塞筒(31)的一端端部设置用于连接防撞主梁(2)的活塞连杆螺栓连接头(36)；活塞筒法兰(32)远离活塞筒(31)的一侧设置底板(5)。
2.根据权利要求1所述的基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置，其特征在于，所述橡胶防撞耗能装置(1)表面设置凸出花纹(13)。
3.根据权利要求1所述的基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置，其特征在于，所述橡胶防撞耗能装置(1)两端采用圆弧形设计。
4.根据权利要求1所述的基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置，其特征在于，所述防撞主梁(2)内部设置M型的肋板(21)。
5.根据权利要求1所述的基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置，其特征在于，所述防撞主梁(2)采用铝合金材质制作。
6.根据权利要求1所述的基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置，其特征在于，所述防撞主梁(2)和橡胶防撞耗能装置(1)通过连接螺栓(4)可拆卸连接。
7.根据权利要求1所述的基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置，其特征在于，所述橡胶防撞耗能装置(1)和防撞主梁(2)的接触面上涂覆环氧树脂胶。
8.根据权利要求1所述的基于蜂窝多孔橡胶和弹簧耦合系统的耗能防撞装置，其特征在于，所述第一压缩弹簧(38)与活塞(34)之间、第一压缩弹簧(38)与活塞筒法兰(32)之间、活塞(34)和活塞筒(31)内壁之间、第二压缩弹簧(39)与凹型垫片挡板(311)之间以及第二压缩弹簧(39)与活塞筒法兰(32)之间均设置凹型阻尼橡胶垫片(37)。
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