CN1837637A

CN1837637A - 汽车安全保护装置

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Publication number: CN1837637A
Application number: CNA2006100098325A
Authority: CN
Inventors: 宋连贵
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2026-03-20
Also published as: WO2007107084A1; CN100445132C

Abstract

汽车安全保护装置，涉及一种汽车碰撞时可以保护人车安全的装置。现有汽车保护装置“以硬对硬”的方式存在着在冲击力较大时不能有效保护人车安全的问题。汽车安全保护装置，它是由若干个圆环(1)连接而成。本发明所述安全保护装置的诸多圆环能够完全吸收汽车碰撞时所产生的巨大冲击力，从而保护人车安全，该装置性能可靠，确能达到保证人车安全的目的；同时由于所述装置是由圆环连接而成，因此重量轻，安装该装置后对车辆载荷与重心不会产生影响。同时，本发明所述装置结构简单、易于制作，可规模化生产，成本低廉，其社会效益和经济效益是非常巨大的，因此利于推广应用。

Description

汽车安全保护装置

技术领域

本发明涉及一种汽车碰撞时可以保护人车安全的装置。

背景技术

时至今日，汽车已成为人类生活中不可或缺的一部分，然而，在人们尽情地享受着汽车带来的舒适和便捷的同时，却又不得不一次又一次地品尝因它而带来的苦果-道路交通事故所造成的生命和财产的巨大损失。全世界每年因城市道路交通事故造成的经济损失和死亡人数是很惊人的。我国是车祸事故频发国之一，据2001年统计，全年共发生交通事故755000起，死亡106000人，直接经济损失30多亿人民币。

在众多的交通肇事中，有很大一部分是由于汽车碰撞(汽车与汽车、汽车与其它物体相撞)引发的事故，这种事故造成的后果往往都很严重。这是因为，现有的汽车安全防护装置是保险杠，以保险杠进行防护的目的在于“以硬对硬”，即以保险杠的坚固性来对抗碰撞时的冲击力来保护人车安全。但实践证明，在冲击力较大时，车体突然发生强烈振动会极大的损害人体健康，并且保险杠的强度也难以承受汽车碰撞时产生的巨大瞬时冲击力，因而常常发生车毁人亡的惨剧。多年来，人们都在寻求一种新的、更加可靠的保险装置，就是如何能象防弹衣一样“以柔克刚”，让它吸收掉绝大部分乃至全部的碰撞能量，以它的毁损换来人车的安全，但目前为止并没有这种理想的装置出现。

发明内容

针对现有汽车保护装置“以硬对硬”的方式存在着在冲击力较大时不能有效保护人车安全的问题，本发明提供一种能够“以柔克刚”的吸收汽车碰撞时产生的巨大冲击力从而保护人车安全的保护装置。汽车安全保护装置，它是由若干个圆环1连接而成。本发明所述安全保护装置的诸多圆环能够完全吸收汽车碰撞时所产生的巨大冲击力，从而保护人车安全，该装置性能可靠，确能达到保证人车安全的目的；同时由于所述装置是由圆环连接而成，因此重量轻，安装该装置后对车辆载荷与重心不会产生影响。同时，本发明所述装置结构简单、易于制作，可规模化生产，成本低廉，其社会效益和经济效益是非常巨大的，因此利于推广应用。

附图说明

图1是本发明所述装置整体结构示意图，图2是圆环受力方向示意图，图3是圆环1的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1、图3，本实施方式提供的安全保护装置是由若干个圆环1连接而成，相邻两个圆环1之间采用粘结方式连接，也可以采用其他方式进行连接固定。所述圆环以塑性较好的金属材料制成，相邻圆环之间按长度方向、宽度方向及高度方向进行排列设置，在汽车发生碰撞时诸多塑性较好的圆环会发生变形，在大量的圆环变形过程中即可吸收碰撞时产生的冲击力，从而保护人车的安全。实际使用过程中可以根据车体的需要选择各种塑性较好的材料制成不同厚度、直径和高度的圆环。

具体实施方式二：本实施方式所述圆环1采用60Si2Mn弹簧钢制造而成，制成的圆环1壁厚t在0.5～5mm，内径D在0.5～5cm，圆环的高H在1～3mm之间，将所得圆环1通过翻砂紧密连接成为长1.2m，宽0.24m，高0.008m的汽车安全保护装置固定在货车的前端和后端，该装置可以有效保护货车碰撞时车体及车内人员的安全。

具体实施方式三：本实施方式所述圆环1采用60Si2MnA弹簧钢制备而成，制成的圆环1壁厚t为0.7mm，内径D在4cm，圆环的高H在1.5mm，将所得圆环1通过胶接进行紧密粘结成为长1.2m，宽0.2m，高0.01m的汽车安全保护装置固定在轿车的前端和后端，实验证明，该装置可以有效保护轿车碰撞时车体及车内人员的安全。

具体实施方式四：本实施方式所述圆环1采用55CrMnA弹簧钢制备而成，制成的圆环1壁厚t为1.0mm，内径D在1cm，圆环的高H在1.0mm，将所得圆环1通过胶接进行紧密粘结成为长1.2m，宽0.2m，高0.01m的汽车安全保护装置固定在轿车的前端和后端，实验证明，该装置可以有效保护轿车碰撞时车体及车内人员的安全。

具体实施方式五：本实施方式所述圆环1分别采用65Mn和60Si2CrVA弹簧钢制成壁厚t为1.5mm，内径D为1cm，圆环的高H为1mm的圆环，将用所述两种材料制成的圆环按1∶1的比例混合使用，采用不相同材料制成的圆环相邻设置并用翻砂紧密连接成为长1.5m，宽0.24m，高0.008m的汽车安全保护装置，将所得装置固定在货车的前端和后端，该装置可以有效保护货车碰撞时车体及车内人员的安全。

下面是本发明所述汽车安全保护装置使用时的安全性计算。

一、初步计算：一个半径为R的圆环，在径向集中载荷P的作用下，可以围绕四个塑性铰2压垮，参照图2，此过程遵循如下规律：

P_o＝4M_o/R (1)

M_o＝б_ot²/4 (2)

P＝P_o/[1+2δ/D-(δ/D)²]^1/2 (3)

其中，P_o为圆环的初始压垮载荷；M_o为单位长度的塑性弯矩，t为圆环的壁厚，б_o为一维屈服应力。

如能找到一种适当的圆环并把它们组装在一起，那么当车辆发生碰撞时，碰撞力将把这些圆环压垮，使汽车失去前冲的能量而停下来，从而达到保护人车的目的。

现选择由65Mn型和60Si2CrVA型弹簧钢制作一种直径为2cm、壁厚和高各为1mm的圆环，两种材料的屈服强度б_s值分别是80kgf/mm²和170kgf/mm²，将其取作бo值，代入(2)式分别为：

65Mn型：M_o＝80×1/4＝20(kgf)

60Si2CrVA型：M_o＝170×1/4＝42.5(kgf)

再将所得数值代入(1)式，分别为：

65Mn型：P_o＝4×20/10＝8(kgf)

60Si2CrVA型：P_o＝4×42.5/10＝17(kgf)

以上为两种不同材质圆环的初始压垮载荷。若选取半径R为1.0mm、圆环不同数值的壁厚t代入以上公式进行计算，则可得出不同的P_o值，现将其列表如下：

表1 两种材质与不同壁厚数值的P_o值

壁厚(t)	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0	单位：mm
壁厚(t)	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0	单位：mm	65Mn(б_s＝80)	8	18	32	50	72	单位：kgf
60Si2CrVA(б_s＝170)	17	38.25	68	106.25	153	单位：kgf	65Mn(б_s＝80)	8	18	32	50	72	单位：kgf

将表1中某一种(或几种)圆环水平紧密排列若干层，层与层间亦紧密相接，使其成为具有一定体积的阵列便得到本发明所述的汽车安全保护装置。将此保护装置固定于汽车大梁两端，当汽车发生碰撞时，位于保护装置前后两面的圆环将因最先受到冲击而毁坏，接着，冲击力被传至第二排，第三排……直至汽车的冲力被耗尽而最终停下来。

此种保护装置能否完全吸收车辆碰撞时的冲力？其吸收的大概过程是怎样的？下面我们通过数学计算予以说明。

二、抗碰撞冲击的描述

由运动学知，描述匀变速运动的三个普遍公式之一有

Vt²-V_o ²＝2as (5)

其中，V＝t是物体的末速度；V_o是物体的初速度；a是物体的加速度；s是以加速度a进行运动的物体走过的距离。

对于汽车碰撞而言，a＜0，Vt＝0，s为圆环保险杠的水平纵向宽度。假若圆环保险杠迫使汽车产生的a(a＜O，以-a表示)满足下面算式

-V_o ²≥-2as (6)或

V_o ²≤2as (7)

则此保险杠即符合安全要求。

下面我们通过算式(3)，并举例来说明这一点。

在算式(3)中P＝P_o/[1+2δ/D-(δ/D)²]^1/2，其中，δ为圆环直径被压缩的长度；D为圆环的直径。

在圆环即将被压缩的瞬间，即δ＝0时，上式分母为1，则P＝P_o，说明圆环开始被压缩变形时受力最大，此力即为“初始压垮载荷”。当δ＝D，即圆环被完全压垮，已成为一“线”时，上式分母等于此时，P＝0.71P_o，作用力P值最小。

从中可以看出，圆环受压变形直至彻底毁坏，是一个连续不断的受力过程，其所受的压力P，是从P_o到0.71P_o不断变化的。在这一过程中，圆环所受的全部外力，就是从P_o到0.7lP_o所有力的总和。采用适当方法，确定一些有代表性的“节点”，求出各点上的力并将它们相加，这样，我们即可求出一个环乃至保险杠上全部环所受的外力，此外力亦即保险杠对汽车的反作用力。

在叙述具体做法之前，为方便起见，我们先对公式(3)做一简单假设，令[1+2δ/D-(δ/D)²]^1/2＝X，则

1 / \sqrt{1 + 2 \frac{δ}{D} - {(\frac{δ}{D})}^{2}} = \frac{1}{X},

即

P = \frac{1}{X} P_{o}

因为(3)式表达了δ值与P间的关系，故我们选取不同的δ值并求出相应的P值。考虑圆环的直径D较小，因此，我们所取的δ值亦应较小。统计表明，δ值选在小数点后1位较为适合。若选至小数点后2位，不仅选点密度过大，而且其绝大部分的X值均与选取小数点后一位者相同，对于少数X值不同者，其1/X值仅差0.01，二者的P值相差一般不超过1kg，此数值对本技术方案无意义。

现将δ值以0.1为间矩、数值从0.1至20.0之间所对应的1/X值列表如下：

表2 δ值各“节点”的1/X值

δ(mm)	1/x	δ(mm)	1/x	δ(mm)	1/x	δ(mm)	1/x	δ(mm)	1/x
δ(mm)	1/x	δ(mm)	1/x	δ(mm)	1/x	δ(mm)	1/x	δ(mm)	1/x	0.1-0.3	1	1.8-1.9	0.92	3.6-4.0	0.85	6.7-6.9	0.80	12.7-13.5	0.73
0.4-0.5	0.98	2.0-2.2	0.91	4.1-4.2	0.84	7.0-7.7	0.79	13.6-15.3	0.72	0.1-0.3	1	1.8-1.9	0.92	3.6-4.0	0.85	6.7-6.9	0.80	12.7-13.5	0.73
0.4-0.5	0.98	2.0-2.2	0.91	4.1-4.2	0.84	7.0-7.7	0.79	13.6-15.3	0.72	0.6-0.7	0.97	2.3-2.4	0.90	4.3-4.5	0.85	7.8-8.6	0.78	15.4-20.0	0.71
0.8-0.9	0.96	2.5-2.6	0.89	4.6-4.8	0.84	8.7-9.1	0.77			0.6-0.7	0.97	2.3-2.4	0.90	4.3-4.5	0.85	7.8-8.6	0.78	15.4-20.0	0.71
0.8-0.9	0.96	2.5-2.6	0.89	4.6-4.8	0.84	8.7-9.1	0.77			1.0-1.1	0.95	2.7-3.1	0.88	4.9-5.5	0.83	9.2-10.1	0.76
1.2-1.3	0.94	3.2-3.3	0.87	5.6-5.9	0.82	10.2-11.1	0.75			1.0-1.1	0.95	2.7-3.1	0.88	4.9-5.5	0.83	9.2-10.1	0.76
1.2-1.3	0.94	3.2-3.3	0.87	5.6-5.9	0.82	10.2-11.1	0.75			1.4-1.7	0.93	3.4-3.5	0.86	6.0-6.6	0.81	11.2-12.6	0.74

总计1/X＝156.98

下面进行可行性证明。

A.设有两辆质量各为12t的货车，均以90km/h(25m/s)的速度相对行驶并发生碰撞，试看圆环保险杠能否吸收冲击力，确保人车安全。

取P_o＝18kgf的圆环组成长1.2m，宽0.24m，高0.008m的保护装置。则此保护装置共有圆环5760个。

依据公式，保险杠所受的全部冲击力，亦即保险杠对汽车的阻滞力：P＝18×156.98×5760＝16275.69(tf)两车的合计质量为24t，相对速度为50m/s。

由牛顿第二定律有F＝ma，a＝F/m

其中，F＝P·9.8(m/s²)＝16275.69×9.8＝159501.76(N)

所以，＝159501.76/24＝6645.91m/s²

代入公式(5)，此时Vt＝0，S＝0.24，V_o＝50m/s，则

2as＝6645.91×0.48＝3190(m²/s²)

\sqrt{2 as} = 56.5 (m / s)

\sqrt{2 as} > V_{0}

可见，此保护装置符合安全要求。

对于轿车，亦存在类似情况。

B.设有各以120km/h速度运动的两辆轿车发生碰撞，两辆车的质量共为6t，试看该保护装置的防护作用如何。

两车相对运动的速度为240km/h，即66.67m/s。

取P_o＝8kgf圆环，令保护装置的长、宽、高各为1.2m，0.2m，0.01m，则其中共有圆环6000个。

类似前例，P＝8×156.98×6000＝7535.04(tf)

a＝7535.04×9.8/6＝12307.23(m/s²)

2as＝12307.23×0.4＝4922.89(m²/s²)

\sqrt{2 as} = 70.16 > 66.67

此保护装置完全可吸收冲击力，起到保护人车的作用。

三、汽车大梁安全的数学证明

在车辆碰撞时，能够确保汽车大梁的安全，是对本发明所述保护装置可靠性的重要要求之一。下面我们要对此问题给出证明。

在进行数学论证之前，我们先做一定性分析。

从表一的统计中我们可以看出如下问题：

1.圆环被压垮不是瞬间的事，而是力连续不断作用的结果；

2.作用力开始时最大，随着圆环直径的不断被压缩，作用力逐渐变小；

3.实际上，圆环受力后要产生弹性形变，外层圆环向后面传递的力已大为减小；后面各层圆环接受前面的传递力后，亦将发生弹性形变，也就是说，最终传至汽车大梁处的力是极其有限的。

不考虑圆环的两种形变对外力的吸收，假定最大力P_o的作用被全部传至大梁，让我们看看对大梁的安全有无影响。

一般制作大梁的钢材为低合金结构钢中16Mn号钢材，其屈服强度б_s为343N/mm²，等于35kgf/mm²。两根槽钢大梁的截面积是2049.6mm²。

前例中，货车保护装置的尺寸为：1.2m×0.24m×0.008m，则保护装置的最前排和最后排各有圆环480个，这些圆环所受最大作用力为P＝18×480×2＝17280(kgf)

设其全部加于梁的前端，则梁截面所受压强T＝17280/2049.6＝8.44(kgf/mm²)

可以看出所得数值T远小于35kgf/mm²。同样，我们可证明轿车大梁的安全。

必须强调，此处引用的б_s值，是指垂直作用于大梁的力使大梁产生的屈服强度，而非前面所说的水平作用力。众所周知，“立木顶千斤”。水平作用于梁前端的力造成梁的б_s值，比我们所引用的б_s要大得多。

Claims

1.一种汽车安全保护装置，其特征在于它是由若干个圆环(1)连接而成。

2.根据权利要求1所述的汽车安全保护装置，其特征在于所述圆环(1)按长度方向、宽度方向及高度方向排列设置。

3.根据权利要求1或2所述的汽车安全保护装置，其特征在于所述圆环(1)由弹簧钢制备而成。

4.根据权利要求3所述的汽车安全保护装置，其特征在于所述弹簧钢为65Mn型或60Si₂CrVA型弹簧钢。

5.根据权利要求4所述的汽车安全保护装置，其特征在于所述圆环(1)的壁厚(t)为0.5～5mm，内径(D)为0.5～5cm，圆环的高(H)为1～3mm。

6.根据权利要求4所述的汽车安全保护装置，其特征在于所述圆环(1)的壁厚(t)为1mm，内径(D)为1cm，圆环的高(H)为1mm。

7.根据权利要求1或2所述的汽车安全保护装置，其特征在于相邻两个圆环(1)之间采用粘结或通过翻砂进行连接。