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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（論文） 第 37 頁(yè) 共 37 頁(yè) 1 緒論 1.1 課題來(lái)源與國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 隨著科技的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，汽車己經(jīng)成為人們學(xué)習(xí)、工作、生活中不可缺少的代步工具，對(duì)人們的生活、生產(chǎn)產(chǎn)生了深刻的影響。作為一種便捷的現(xiàn)代化交通工具，汽車在給人們帶來(lái)極大便利的同時(shí)，也因其造成的交通事故給人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。隨著全球汽車保有量的不斷增加，交通事故也隨之增加，交通事故己經(jīng)成為全球范圍內(nèi)的一大社會(huì)問(wèn)題。 這是一組讓人膛目結(jié)舌的數(shù)字。美國(guó)的汽車保有量為1.3億輛，每年道路交通死亡4萬(wàn)人左右；日本的汽車保有量近8000萬(wàn)輛，每年道路交通死亡1.1萬(wàn)人，去年降到8000人。中國(guó)的汽車保有量是3000萬(wàn)輛，每年道路交通死亡近11萬(wàn)人，單車事故率相當(dāng)于美國(guó)的近13倍，日本的近40倍。除去交通狀況等客觀因素，一個(gè)不可回避的原因就是中國(guó)汽車安全系數(shù)低，我國(guó)交通事故的嚴(yán)重程度由此可想而知。隨著我國(guó)道路交通狀況的不斷改善，我國(guó)汽車的保有量不斷增加，車速也逐漸提高，交通事故總量和所造成的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失近年來(lái)也呈上升趨勢(shì)。加強(qiáng)道路交通系統(tǒng)和汽車安全的研究，預(yù)防交通事故，是需要全社會(huì)共同關(guān)注和迫切改善的重要課題[1-2]。 汽車安全性問(wèn)題與汽車的各種性能等直接或間接有關(guān)，對(duì)其研究最初是與提高汽車的整車性能的研究交織在一起的。隨著二戰(zhàn)后汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，到60年代中期，西方發(fā)達(dá)國(guó)家中汽車的保有量和汽車的動(dòng)力性能有了明顯的提高，公路上的車流密度和車流速度己達(dá)到了一個(gè)空前高的水平，汽車事故發(fā)生率空前高漲，汽車安全性受到了公眾和政府部門的高度重視。從這一時(shí)期開始，各國(guó)相繼制定或修訂了安全法規(guī)，如美國(guó)的汽車安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS等[3]。在這些法規(guī)的制約下，以及為了提高汽車產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，各大汽車制造商和一些研究機(jī)構(gòu)開展了汽車安全性的專門研究。汽車安全性研究逐漸從汽車技術(shù)研究的其他領(lǐng)域分離出來(lái)形成了一個(gè)獨(dú)立的分支。 1.2 汽車安全性的種類 汽車安全性可劃分為主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性[4-5]。被動(dòng)安全性是指汽車發(fā)生不可避免的交通事故后，能夠?qū)噧?nèi)乘員或車外行人進(jìn)行保護(hù)，以免發(fā)生傷害或使傷害減低到最低程度的性能。目前，汽車被動(dòng)安全性研究?jī)?nèi)容包括車身結(jié)構(gòu)抗撞性研究、碰撞生物力學(xué)研究以及乘員約束系統(tǒng)及安全駕駛室內(nèi)飾組件的開發(fā)研究這三個(gè)方面。 汽車被動(dòng)安全性研究方法包括試驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)仿真研究?jī)煞N[6]。汽車被動(dòng)安全性的研究最早通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，內(nèi)容包括臺(tái)架沖擊試驗(yàn)、臺(tái)車碰撞模擬試驗(yàn)和實(shí)車碰撞試驗(yàn)。實(shí)車碰撞試驗(yàn)主要用來(lái)對(duì)己開發(fā)出的成品車型進(jìn)行按法規(guī)(如美國(guó)FMVSS汽車安全標(biāo)準(zhǔn))要求的試驗(yàn)，以鑒定其是否達(dá)到法規(guī)要求。涉及整車結(jié)構(gòu)的相關(guān)FMVSS安全標(biāo)準(zhǔn)都要求進(jìn)行時(shí)速為48km/h的實(shí)車與固定障壁的前碰實(shí)驗(yàn)。前面固定障礙物的沖擊代表最嚴(yán)重的汽車碰撞類型。適合于該碰撞試驗(yàn)的固定障礙物通常由至少3m寬、1.5m高、0.6m厚的鋼筋混凝土制成。在障礙物后面堆有大約90噸夯實(shí)的砂土或其等價(jià)物。障礙物平面垂直于汽車最后趨近路線，且表面鋪有19mm厚的層壓板。采用道軌來(lái)控制試驗(yàn)汽車的方向，整個(gè)車輛的加速度可借安置于車地板或大梁或靠近車門中柱的車身門檻處的加速度儀來(lái)測(cè)量。我國(guó)的碰撞試驗(yàn)使用的是剛性的水泥墻，其上覆蓋的20cm的木板并不存在變形吸能的作用，只是為了保護(hù)儀器，反而是歐洲的重疊碰撞試驗(yàn)中測(cè)試車輛并不是直接撞向剛性墻壁，而是與一個(gè)蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能塊發(fā)生重疊碰撞，用這個(gè)吸能塊來(lái)模仿對(duì)面來(lái)車。 汽車主動(dòng)安全對(duì)策主要涉及汽車的制動(dòng)性、動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性、駕駛舒適性、信息性等方面。包括防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)、驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)(ASR)、橫擺控制系統(tǒng)、車距報(bào)警系統(tǒng)、駕駛輔助預(yù)警系統(tǒng)、安全導(dǎo)航系統(tǒng)后視鏡、高位制動(dòng)燈等汽車主動(dòng)安全裝置[7-8]。 1.3 汽車模擬碰撞的研究 （1）國(guó)外汽車碰撞模擬研究與發(fā)展?fàn)顩r 對(duì)汽車碰撞的研究，國(guó)外起步較早。較早開展汽車碰撞研究的是美國(guó)。早期汽車碰撞研究主要是進(jìn)行各種條件下的碰撞試驗(yàn)，包括實(shí)車試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)，如前所述。國(guó)外 汽 車碰撞模擬最早出現(xiàn)在60年代末期，由于當(dāng)時(shí)受計(jì)算機(jī)硬件水平的限制，一輛車僅包含幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元類型也局限于梁?jiǎn)卧?dāng)時(shí)的碰撞模擬主要是對(duì)實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)的預(yù)測(cè)。80年代由于Cray等巨型機(jī)的出現(xiàn)和顯式積分理論的成熟，人們開始研究對(duì)整車的耐撞有限元分析，汽車單元數(shù)量發(fā)展到幾千個(gè)，同時(shí)開發(fā)出了與汽車結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的薄壁單元。進(jìn)入90年代以來(lái)，由于汽車碰撞的商業(yè)化軟件不斷完善，單元數(shù)量也擴(kuò)大到幾萬(wàn)個(gè)甚至幾十萬(wàn)個(gè)，汽車碰撞模擬結(jié)果越來(lái)越接近于實(shí)際。由于計(jì)算機(jī)開始廣泛采用了并行技術(shù)，使得運(yùn)算時(shí)間大大減少，甚至現(xiàn)在普通的個(gè)人計(jì)算機(jī)也可以進(jìn)行碰撞仿真分析。目前在汽車發(fā)達(dá)國(guó)家汽車碰撞模擬研究已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)成熟的地步，開發(fā)出了許多成熟的用于碰撞模擬的成熟商業(yè)軟件包，已經(jīng)部分取代實(shí)驗(yàn)室的工作。 (2)國(guó)外開展汽車碰撞模擬研究的方向 國(guó)外開展的汽車碰撞計(jì)算機(jī)模擬研究主要包括事故再(ACCIDENTRECONSTRUCTION),碰撞受害者模擬(CRASH VICTIM SIMULATION)、汽車結(jié)構(gòu)抗撞性模擬(SIMULATION OF AUTOMOBILE'S CRASHWORTHI-NESS)三個(gè)方向[9-12]。事故再現(xiàn)研究的內(nèi)容是，在汽車事故發(fā)生后，由汽車的最終位置開始，運(yùn)用按經(jīng)驗(yàn)建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型往回推算，即反向經(jīng)由碰撞后階段一碰撞階段一碰撞前階段，使事故的情況在時(shí)間和空間上得以重現(xiàn)。汽車 碰 撞 受害者模擬的研究工作開始于60年代中期，使用的動(dòng)力學(xué)分析模型是多剛體系統(tǒng)模型和生物力學(xué)分析模型，分別用來(lái)模擬人體整體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和人體局部結(jié)構(gòu)傷害程度。汽車 結(jié) 構(gòu) 抗撞性模擬的動(dòng)力學(xué)分析模型是非線性大變形有限元模型。有限元模型的優(yōu)點(diǎn)在于能真實(shí)地描述結(jié)構(gòu)變 形，適用于建立汽車結(jié)構(gòu)模型及人體局部結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)分析模型。 (3)國(guó)內(nèi)汽車碰撞模擬研究狀況 我國(guó)對(duì)汽車被動(dòng)安全性進(jìn)行系統(tǒng)研究是從上個(gè)世紀(jì)80年代后期開始的，汽車碰撞研究工作也開始于這一時(shí)期，取得了可喜的成績(jī)。1989年，吉林工業(yè)大學(xué)和西安公路交通大學(xué)分別建立了“剛體+彈塑性彈簧”數(shù)學(xué)東北大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論模型和“剛體+彈簧阻尼”數(shù)學(xué)模型[13]。后者還做了模型碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證其理論模型。次年，吉林工業(yè)大學(xué)李卓森教授和李洪國(guó)教授就計(jì)算機(jī)模擬中所需的汽車碰撞剛度和汽車正面碰撞方程式等方面進(jìn)行了探討。1996年清華大學(xué)的黃世霖、王春雨等人應(yīng)用DYNA3D研究了車架結(jié)構(gòu)的耐撞性能并在此研究基礎(chǔ)上對(duì)車架結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)措施。從2000年開始，我國(guó)一直實(shí)施汽車正面碰撞法規(guī)，即是100%正面全接觸碰撞試驗(yàn)。2003年，我國(guó)己經(jīng)制定GB 11551汽車正碰國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。而事實(shí)上，在道路交通事故中，由于側(cè)面碰撞造成的傷亡事故也占有相當(dāng)比例，約有20%。在清華大學(xué)汽車碰撞試驗(yàn)室和中國(guó)汽車技術(shù)研究中心碰撞試驗(yàn)室進(jìn)行了大量的碰撞試驗(yàn)，才最終確定了我國(guó)汽車側(cè)碰國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(送審稿)的內(nèi)容，并計(jì)劃于2006年7月1日起正式實(shí)施[14-16]。 1.4 本課題主要內(nèi)容 本課題在介紹國(guó)內(nèi)外汽車碰撞試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，提出一種汽車碰撞試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案，包括小車，導(dǎo)軌，牽引裝置，減速緩沖裝置等。重點(diǎn)進(jìn)行減速緩沖裝置的分析與設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出液壓式緩沖器，使得小車撞擊后減速曲線符合ECER16標(biāo)準(zhǔn)，并給出模擬碰撞曲線。 2. 碰撞試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求 2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求 本課題設(shè)計(jì)的模擬試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并不復(fù)雜，主要機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括導(dǎo)軌、滑車、拖車、釋放機(jī)構(gòu)、牽引拉緊裝置、拉緊力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、減速器及水泥壁障等，導(dǎo)軌設(shè)計(jì)要讓小車平穩(wěn)滑行，小車選擇穩(wěn)定性比較好的，拖車、釋放機(jī)構(gòu)、牽引拉緊裝置、拉力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是一個(gè)整體的系統(tǒng)，其主要作用是給小車一定的速度，并在一個(gè)穩(wěn)定的速度釋放小車，減速器是讓汽車的減速波形滿足ECER16法規(guī)的要求。 ECERl6和ECERl7波形的模擬是關(guān)于安全帶動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的法規(guī)，要求臺(tái)車試驗(yàn)?zāi)M出來(lái)的減速度波形在一定范圍內(nèi)，且停車距離在(400±20)mm之間。因此我們的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在減速緩沖裝置上面。而其他的零部件按照一定的要求可以設(shè)計(jì)出來(lái)[17]。 2.2 緩沖過(guò)程建模 進(jìn)一步了解緩沖器的實(shí)際工作過(guò)程(即其動(dòng)態(tài)特性)，必須對(duì)緩沖過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，緩沖器的緩沖過(guò)程如圖2.1所示，沖擊載荷為質(zhì)量M。的沖擊塊與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1的滾珠絲桿的組合(沖擊塊運(yùn)動(dòng)速度與絲桿的角速度呈一定的比例關(guān)系)。沖擊塊撞擊緩沖器活塞頭時(shí)的速度為V0擊載荷的質(zhì)量遠(yuǎn)大于活塞的質(zhì)量m(即Km≈0)，則撞擊時(shí)的能量損失?E可以忽略。由于沖擊塊與活塞頭均為鋼制件，在實(shí)際沖擊過(guò)程中難免會(huì)發(fā)生沖擊塊與活塞頭的多次撞擊現(xiàn)象，為便于分析，建模時(shí)忽略多次撞擊的過(guò)程，即假設(shè)沖擊塊與活塞第一次撞擊后以相同的速度運(yùn)行。 1． 液壓緩沖器 2. 沖擊塊 3. 絲桿 圖2.1 緩沖過(guò)程原理圖 3. 碰撞試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 3.1 碰撞試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì) 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要部件如下圖所示： 1. 墻體 2.導(dǎo)軌安裝板 3. 液壓緩沖器 4. 緩沖塊 5. 滑車 6. 牽引車 7. 導(dǎo)軌 8. 電動(dòng)機(jī) 圖3.1 試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu) 3.2 導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 導(dǎo)軌的功能是為滑車和拖車進(jìn)行導(dǎo)向。導(dǎo)軌的斷面形狀為工字形．用鋼軌型鋼加工而成。兩根導(dǎo)軌的長(zhǎng)度各為25m，彼此平行排列，距離為lm．在導(dǎo)軌的下面有調(diào)整墊鐵和水泥地基。這樣的話小車可以穩(wěn)定在導(dǎo)軌上滑行并且比較穩(wěn)定。如圖3.2所示 圖3.2 導(dǎo)軌示意圖 3.3 小車的選擇和設(shè)計(jì)及釋放機(jī)構(gòu) 滑車的長(zhǎng)度為1．5m，寬度為1．2m，其上表面鋪設(shè)鋼板。在鋼板上面裝有塑料吸能器的鋼筒與支承．根據(jù)需要還可裝座椅及其它試驗(yàn)需要的裝置或部件?；嚭蠖嗽O(shè)有與拖車插銷相連接的帶孔的零件和兩個(gè)電磁鐵偶件的吸盤?；嚨南旅嫜b有4組與導(dǎo)軌接觸并上下左右限位的滾輪，借此與導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦，為減少噪聲，在鋼滾輪外裝有尼龍?zhí)住? 本系統(tǒng)采用電磁鐵吸合、安全插銷保險(xiǎn)的簡(jiǎn)易機(jī)構(gòu)。2個(gè)電磁鐵的吸力約30kN，安全插銷是利用一臺(tái)小電機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺桿機(jī)構(gòu)帶著上下移動(dòng)的，從而實(shí)現(xiàn)插銷和拔銷動(dòng)作，由電控設(shè)計(jì)保證，在電磁鐵吸合和安全插銷插入滑車的帶孔零件之中后，卷?yè)P(yáng)機(jī)才能往后拉動(dòng)拖車，并且只有在安全插銷從滑車帶孔零件中拔出后，才能釋放滑車。如果停電，安全插銷便會(huì)鎖住滑車，避免產(chǎn)生不需要的碰撞，從而達(dá)到安全保險(xiǎn)的目的。 圖3.3 滑車與導(dǎo)軌配合圖 3.4 墻體的選擇 為了適應(yīng)廣泛的需要，壁障深入地下1.5m，寬2m，長(zhǎng)3m，總質(zhì)量約30t，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并同導(dǎo)軌的地基澆筑成一體， 壁障的碰撞平面裝有厚20mm 的鋼板，并在鋼板上裝置吸能器偶件之一的橄欖頭桿座，根據(jù)需要還可裝設(shè)載荷傳感器等部件。 圖3.4 碰撞墻體 3.5 傳動(dòng)裝置 拖車的結(jié)構(gòu)與滑車相同，只不過(guò)長(zhǎng)度僅為O．5m，上面裝有插安全銷的部件及其支承以及兩個(gè)電磁鐵吸盤，其后端裝有鋼絲繩牽引鉤環(huán)。利用卷?yè)P(yáng)機(jī)、鋼絲繩并通過(guò)拖車和釋放機(jī)構(gòu)將滑車?yán)氐皆O(shè)定位置，以保證在碰撞前達(dá)到規(guī)定的車速在設(shè)定位置的滑車將多根橡膠繩拉緊，當(dāng)釋放機(jī)構(gòu) 放時(shí)，橡膠繩的拉緊力便使滑車向前加速運(yùn)行，一直到水泥壁障前，吸能器使其停止為止。根據(jù)車裝載質(zhì)量的多少和要求車速的大小，橡膠繩的數(shù)量可以相應(yīng)地增減[17-19]。 4. 減速緩沖裝置的設(shè)計(jì)和計(jì)算 4.1 減速緩沖器的種類 在臺(tái)車模擬碰撞實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，緩沖減速裝置決定了碰撞減速度波形，因此是臺(tái)車實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備，國(guó)內(nèi)外各廠家和科研機(jī)構(gòu)關(guān)于緩沖減速裝置的研究很多，緩沖的形式也多種多樣。包括：高壓氣體型節(jié)流芯柱式，液壓伺服式，金屬或塑料褶皺吸能式和液壓節(jié)流式等。 4.2 吸能緩沖器 正碰臺(tái)車試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)思路將一根金屬棒材的兩端分別用3根銷固定(如圖4-1(a)所示)，若給其一定的預(yù)變形后在中間施加一質(zhì)量為m，速度為v的沖擊載荷(如圖4-1(b)所示)，金屬棒材將發(fā)生如圖4-1(C)所示的變形。在變形的過(guò)程中金屬棒材將吸收能量，其大小為沖擊載荷(即質(zhì)量塊)所做的功。在質(zhì)量塊上測(cè)得其在沖擊過(guò)程中的減速度或力，并通過(guò)兩次積分運(yùn)算得到質(zhì)量塊和金屬棒材的相對(duì)位移。結(jié)果表明，在沖擊過(guò)程中質(zhì)量塊所受到的減速度或力與質(zhì)量塊和金屬棒材的相對(duì)位移或作用時(shí)問(wèn)具有圖6所示的梯形關(guān)系，即金屬棒材受到的力或減速度逐漸增大到一定值后保持穩(wěn)定，直到?jīng)_擊塊的速度減為零或金屬棒材從銷中脫離。 (a)棒材固定 (b)棒材預(yù)變形 （c）棒材受沖擊后變形 圖4.1單根金屬棒材受沖擊載荷作用時(shí)的變形過(guò)程 根據(jù)作用力與反作用關(guān)系，圖4.2所示的即為單根金屬棒材在圖4.1所示狀態(tài)下的力學(xué)特性。另外，根據(jù)F=ma，在沖擊塊質(zhì)量不變的情況下金屬棒材所能承受的減速度不變(與質(zhì)量塊的沖擊速度無(wú)關(guān))。基于單根金屬棒材在這一工作模式下的力學(xué)特性，正碰臺(tái)車試驗(yàn)裝置以金屬棒材作為復(fù)現(xiàn)波形用的吸能材料。 圖4.2 單根金屬棒材的力學(xué)特性 圖4.3為整套金屬棒材吸能式正面碰撞臺(tái)車試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。該系統(tǒng)可分為兩部分：一部分是用于固定車身的臺(tái)車裝置，另一部分是用于模擬車身減速即車體變形的波形復(fù)現(xiàn)裝置。其工作過(guò)程與實(shí)車正面碰撞過(guò)程類似，可分為如下3個(gè)階段： （1）引系統(tǒng)牽引臺(tái)車車架(車體焊接在其上)獲得預(yù)定的速度； （2）在探桿離吸能裝置2～3 m處牽引系統(tǒng)與臺(tái)車裝置分離，臺(tái)車車架以預(yù)定的速度作勻速的自由運(yùn)動(dòng)(地面摩擦忽略不計(jì))； （3）探桿與第一排金屬棒材接觸，在金屬棒材的阻尼作用下臺(tái)車裝置開始作減速運(yùn)動(dòng)，直至速度減為0，試驗(yàn)結(jié)束[20]。 (a) 臺(tái)車車架 正視圖 俯視圖 （b）波形復(fù)現(xiàn)裝置 圖4.3 正碰臺(tái)車試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖 4.3 多孔式液壓緩沖器 清華大學(xué)碰撞實(shí)驗(yàn)室根據(jù)自身的特點(diǎn)和我國(guó)的國(guó)情，研制出液壓節(jié)流式緩沖器。液壓節(jié)流式緩沖器通常情況下是高速運(yùn)行設(shè)備一種有效的安全保護(hù)裝置，廣泛應(yīng)用于起重機(jī)、電梯和車輛機(jī)械中，但在傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，只是用估算的方法，對(duì)緩沖波形和模擬計(jì)算精度的要求都比較低。在臺(tái)車模擬碰撞試驗(yàn)中，要求能精確地控制緩沖器的波形，因此需要高精度的模擬計(jì)算進(jìn)行輔導(dǎo)設(shè)計(jì)和調(diào)試。 圖4.4為多孔式液壓緩沖器的原理圖，在碰撞前，蓄能器中預(yù)先充滿一定的氮?dú)?，?dāng)臺(tái)車撞擊活塞時(shí)，液壓油由節(jié)流孔從高壓腔壓縮到外腔，外腔通過(guò)回油孔與低壓腔相通，節(jié)流孔產(chǎn)生的阻尼力對(duì)臺(tái)車產(chǎn)生制動(dòng)。臺(tái)車的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為液壓油的熱能，同時(shí)還有一部分能量?jī)?chǔ)存在蓄能器中，節(jié)流孔沿活塞的行程不等間距分布，每個(gè)節(jié)流孔的大小可以通過(guò)更換不同尺寸的節(jié)流螺釘來(lái)控制。這樣可以按不同的碰撞要求控制緩沖器碰撞波形[21]。 圖4.4 多孔液壓緩沖器的工作原理圖 本模型主要考慮了湍流狀態(tài)下小孔節(jié)流流量特性、偏心環(huán)縫的流量特性、油的壓縮性、活塞的運(yùn)動(dòng)特性和緩沖塊的力學(xué)特性等，以動(dòng)力特性為主?？紤]到兩次臺(tái)車模擬碰撞時(shí)間間隔太長(zhǎng)，溫度對(duì)模型影響不大，因此忽略溫度影響。 （1）小孔節(jié)流流量方程為 q1=CQAC2P-P2ρ 式(4.1) 式中：其為密度，Cq為流量系數(shù)，Ac為節(jié)流面積。 （2）偏心環(huán)縫流量方程（圖4-4） q2=2.5πd12μlc(p-p2)δ3 式(4.2) 其中為動(dòng)力粘度,為l活塞頭行程方向?qū)挾?，為活塞頭偏心量，C為修正系數(shù) 圖4.5 偏心環(huán)縫 （3）油的壓縮性方程 k=-dpdv dvdt=-vkdpdt 式（4.3） 式中K為體積彈性模量，V為高壓油體積。 （4）液壓油的流量連續(xù)性方程 v2=Q1+Q2+Q3+dvdt 式（4.4） 式中：Q3為其他縫隙泄漏補(bǔ)充流量 （5）活塞的力平衡方程 m2dv2dt=F+p2A2-PA1-f2g2 式(4.5）（6）臺(tái)車的力平衡方程 m2dv1dt=-(F+f2G2) 式（4.6） （7)其他補(bǔ)充方程 氣體絕熱壓縮 p2=p0v0v0-x2A0K 式（4.7） 節(jié)流面積曲線 Ac=Ac(X2) 式（4.8） 緩沖塊的力學(xué)特性曲線 F=F(X1-X2) 式(4.9) 綜合上面方程可以得到微分方程組如下： dpdt=kL-X2A1V1-Q1-Q2-Q3dv1dt=-1m1Fx1-x2+f2G1dv2dt=1m2Fx1-x2+p2A2-PA1-f2G2dx1dt=v1dx2dt=v2 式(4.10) 輸入特性參數(shù)Cq，p，μ，K，k,f1，f2和其他一些試驗(yàn)參數(shù)m1，m2，Vo，P0，以及節(jié)流面積曲線AC(X2)，緩沖塊壓力曲線F(xl—X2)，最后確定臺(tái)車的初速度V0，就可以用數(shù)值積分法求解上面的方程。這里用變步長(zhǎng)的四階龍格---庫(kù)塔法求解方程組，可以得到高壓腔的壓力曲線、臺(tái)車和活塞的減速度、速度和位移曲線，其中臺(tái)車的減速度曲線是和試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比的重點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，并對(duì)模型的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和修正。 4.4 圓槽減速緩沖器的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.4.1 液壓緩沖器的設(shè)計(jì)原理 為了汽車各種零部件的試驗(yàn)研究，緩沖器應(yīng)能模擬汽車在不同速度下實(shí)車碰撞的波形。多孔式液壓緩沖器由于結(jié)構(gòu)的原因，很難把某次實(shí)車的碰撞波形模擬的非常精確。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)講，模擬某次實(shí)車碰撞波形其實(shí)是沒有意義的，緩沖器能模擬出碰撞過(guò)程中的加速度峰值和脈寬等重要參數(shù)就足夠了。但由于實(shí)車碰撞的速度特性和液壓緩沖器的速度特性存在本質(zhì)不同，這就需要一套調(diào)節(jié)緩沖器的方法，以適應(yīng)在不同速度下的碰撞試驗(yàn)的需要[21-24]。 在此設(shè)計(jì)的液壓緩沖器模擬汽車碰撞波形要滿足ECER16的要求,要求臺(tái)車試驗(yàn)?zāi)M出來(lái)的減速度波形在一定范圍內(nèi)且停車距離在(400±20)mm之間。圖4.5為本系統(tǒng)模擬出的滿足ECER16要求的減速度波形，圖中兩條虛線為法規(guī)要求的減速度波形的上下限，該減速度波形的停車距離為399 mm。ECER17是關(guān)于座椅強(qiáng)度的法規(guī)，要求臺(tái)車試驗(yàn)?zāi)M出的大于20 g的減速度波形持續(xù)時(shí)間不小于30ms。圖4.6是要用本系統(tǒng)模擬出的滿足ECER17的減速度波形，該減速度波形最大減速度為23.31g，大于20g的減速度波形持續(xù)時(shí)間為34.5 ms。 圖4.6 滿足法規(guī)ECER16要求的減速度波形 圖4.7 滿足法規(guī)ECER17要求的減速度波形 圖4。8為液壓緩沖器的局部正視圖，從圖中可以看出在液壓缸底部有一個(gè)圓槽，因此稱之為圓槽式液壓緩沖器。改緩沖器主要依靠活塞在圓槽的位置變化改變駐退液的流量來(lái)改變小車碰撞的加速度變化。，在整個(gè)撞擊的過(guò)程中，內(nèi)壓缸內(nèi)的壓力始終保持一定，如此便產(chǎn)生一固定大小之緩沖力，也就是所謂的線性減速。 經(jīng)由此線性減速過(guò)程，油壓緩沖器能將運(yùn)動(dòng)工作件平穩(wěn)且安靜地以最小的力量將運(yùn)動(dòng)件停止下來(lái)。 圖4.8 緩沖器局部正視圖 1. 工作腔 2. 非工作腔 圖4.9 緩沖器結(jié)構(gòu)圖 由于活塞擠壓1腔（工作腔）內(nèi)液體，使其壓力升高，被壓縮液體通過(guò)活塞和變深度溝槽組成的流液孔高速射入2腔（非工作腔），這股高速射流最后射到駐退筒的底部，成為雜亂無(wú)章的渦流，隨著后坐運(yùn)動(dòng)駐退桿不斷從駐退筒中抽出，2腔出現(xiàn)真空，流液在變深度溝槽中受阻尼力對(duì)臺(tái)車進(jìn)行制動(dòng)。汽車碰撞中的巨大動(dòng)能轉(zhuǎn)化為駐退液的熱能，還有一部分能量貯存在2腔中。不難看出，緩沖裝置內(nèi)流體流動(dòng)是十分復(fù)雜的，它屬于可壓縮粘性液體帶有熱傳導(dǎo)的三維非定向?qū)恿鲃?dòng)，過(guò)渡到大雷諾數(shù)紊流流動(dòng)的問(wèn)題。 為了工程上處理方便，對(duì)緩沖裝置中液體的流動(dòng)作如下假設(shè)： 1） 駐退液是不可壓縮的 2） 流動(dòng)是一維定常數(shù) 3） 駐退液在緩沖裝置通道中的流動(dòng)是以地球?yàn)閼T性參考系的 液流通道中某點(diǎn)的流速ω和壓力P，即為該點(diǎn)所在截面上的平均流速和液體壓力，并認(rèn)為該截面上的值處處相等，對(duì)于恒定紊流（即流速和壓力的時(shí)間均值不隨時(shí)間變化的紊流），還應(yīng)理解為對(duì)時(shí)間的平均流速和壓力，這樣，所討論的模型不需要再區(qū)分層流和恒定紊流了。 下面建立描述在緩沖裝置作用下運(yùn)動(dòng)的基本方程組: 1）建立駐退方程和緩沖阻力方程 mhd2xdt2=-FR 式（4.11） FR=Fφh+Ff 式（4.12） 2）駐退機(jī)內(nèi)液體的質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程） 為了確定駐退活塞后坐速度與液體流經(jīng)流液孔德液流速度的關(guān)系，應(yīng)用不可壓縮定常流動(dòng)的質(zhì)量守恒方程： =常數(shù) 式中：——流液通道中任一截面的液流速度 A——液流通道的截面面積 在圖4.9中的簡(jiǎn)單溝槽式駐退機(jī)上取1-1和2-2截面，并規(guī)定： ——工作腔內(nèi)1-1截面上液體壓力和流速 ——非工作腔內(nèi)2-2截面上液體壓力和流速 ——流液孔面積，其中，b——溝槽寬度；——溝槽的變深度： ——方形面積；d——駐退筒內(nèi)徑；D——駐退筒外徑。 駐退桿以V的速度后坐，若觀察者位于駐退桿上，則可看出液體以V的速度流向流液孔，并的流速射向2腔，得： VA0=axω2 式（4.13） ω2'=A2aXv 式（4.14） 上式解出是相對(duì)駐退桿的相對(duì)速度，活塞的相對(duì)速度為-V，故通過(guò)流液孔的絕對(duì)速度為： ω2'=A0axv-v 式（4.15） 3）駐退機(jī)液流的機(jī)箱能守恒方程（伯努利方程） 為了確定駐退機(jī)1-1和2-2截面上流體壓力和流速的關(guān)系，引用定常流動(dòng)的能量方程，有： z1g+p1ρ+ω122=z2g+p2ρ+ω222+Hr 式（4.16） 式中：，，——1-1截面上液體具有的比位能，比壓能和比動(dòng)能 ，， ——2-2截面上液體具體的比位能，比壓能和比動(dòng)能 ——液體流到的比能損失 ρ —— 液體的密度 式4.16說(shuō)明如下能量守恒之事實(shí)：在定常流動(dòng)同一瞬時(shí)，處于1-1截面上的單位質(zhì)量液體和處于2-2截面上的單位質(zhì)量流體所具體的全部機(jī)械之差，等于從1-1截面流到2-2截面流到2-2截面單位質(zhì)量液體克服各種損失所損失的能量。 比能損失一般包括兩部分，一部分成為沿程損失-----液體沿截面尺寸和角度不變的液流流動(dòng)時(shí)的能量損失，它反映了液體分子之間以及液體與壁面之間的摩擦損失，另一部分稱為局部損失----當(dāng)液流通道截面尺寸與高度變化時(shí)，液體的能量損失，它反映了當(dāng)液體流通道幾何尺寸變化時(shí)，由于液體的慣性，不能完全沿壁面流動(dòng)，產(chǎn)生脫離現(xiàn)象，造成局部流動(dòng)紊亂并有渦流產(chǎn)生而損失的一部分能量，兩種損失的內(nèi)因都來(lái)自于液體的粘性，通常工程設(shè)計(jì)中，認(rèn)為液體流到某截面的比能損失與該截面液體的比能動(dòng)能成正比，即： Hr=εω22 式（4.17） 式中ε—液體的損失系數(shù) 顯然ε與液體的粘性，通道幾何尺寸，壁面粗糙度，流動(dòng)狀態(tài)等有關(guān)。 利用伯努利方程建立圖1所示1-1和2-2截面的液體能量關(guān)系。在1-1截面上，壓力為,流速（桿后坐），比能；2-2截面上，壓力（2腔出現(xiàn)真空），流速為，比位能。因駐退機(jī)徑向尺寸變化不大，1-1和2-2截面上液流中心高度相差無(wú)幾，可認(rèn)為 將上述參量代人公式可得： p1ρ=ω222+Hr=(1+ε)ω222 式（4.18） 應(yīng)該指出，利用上式計(jì)算工作腔壓力p1,往往與實(shí)測(cè)壓力值相差較大，這是由于損失系數(shù)不易取準(zhǔn)，另一方面，三條基本假設(shè)與實(shí)際情況有較大差別。因此反后坐裝置設(shè)計(jì)中用修正系數(shù)K代替，上式可寫成： p1ρ=kω222 式（4.19） K稱為駐退機(jī)的液壓阻力系數(shù)。K不僅包括了駐退機(jī)內(nèi)液體流到的沿程損失，而且還包括對(duì)上述公式不完善部分（如液體的收縮，截面，流速，壓力的不均勻性等）的修正。因此，K實(shí)質(zhì)上是一個(gè)理論與實(shí)際之間的符合系數(shù)。在反后臺(tái)坐裝置設(shè)計(jì)中，對(duì)液體阻力系數(shù)K選取合理與，是關(guān)系設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。 4） 液壓阻力方程 在后坐過(guò)程中，工作腔壓力始終作用在駐退活塞的工作腔一側(cè)，這個(gè)液壓力作用在駐退活塞上的合力，就是阻止后坐的液壓阻力，取駐退桿（包括活塞）為自由體。 不難求出 F?h=P1A0 式（4.20） 聯(lián)立方程組，可得到緩沖后坐運(yùn)動(dòng)方程： mh=d2xdt2=-FR 式（4.21） FR=F?h+Ff ω2=A0axv-v p1ρ=kω222 式（4.22） F?h=P1A0 4.4.2 緩沖器的結(jié)果設(shè)計(jì) a）液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算： 　　液壓缸的主要尺寸包括： 液壓缸內(nèi)徑D、活塞桿直徑d、液壓缸缸體長(zhǎng)度l。 1)活塞頭寬度 根據(jù)壓桿的穩(wěn)定性計(jì)算活塞的零件，活塞桿的兩端簡(jiǎn)化為鉸支座： PCr=π2gI(μl) 式（4.23） 所以d=0.034 用確定的d計(jì)算活塞的柔度： λ=μli=47 式（4.24） 對(duì)所有材料35CrMnSi來(lái)說(shuō)： λ2=π2Eσp=35 式（4.25） 因?yàn)? 所以可以用歐拉公式： σcr=σx=1300pa 2)活塞桿直徑 PCr=π2gI(μl)2=σcrA 式（4.26） 整理得： d2=π2Eπ64d4μl2σcrπ4 式（4.27） 3)活塞直徑 活塞工作面積： A0=F?maxpmax=14112035*103=0.004032m2 且 A0=π4(D2-d2) 整理后得直徑D=0.08m。 即活塞直徑為0.08m。 則A0=0.00387m2。 4)缸體外徑 缸體外徑選擇45剛，作表面乳白鍍鉻處理 根據(jù)材料力學(xué)公式，可得： σr=-p1a2b2-a2(b2r2-1) σr=-p1a2b2-a2(b2r2-1) 式（4.28） σr2=2pa2b2-a2≤[σ] 式（4.29） 即b2-a2≥2pb2[σ] 所以 考慮到變溝槽深度取厚度0.01m，因此缸體外徑為0.1m。 5)緩沖器的工作長(zhǎng)度 緩沖器的工作長(zhǎng)度。 b）液壓缸的校核 　 1.缸體壁厚δ的校核 中低壓系統(tǒng)，無(wú)需校核，原則小于高壓大直徑時(shí)，必須校核δ 校核方法： ① 薄壁缸體（無(wú)縫鋼管） 當(dāng)δ/ D≤0.08時(shí)： δ≥pmaxD/2[б] ② 厚壁缸體（鑄造缸體） 當(dāng)δ/ D=0.08--0.3時(shí)：δ≥pmaxD/2.3 [б]-3pmax 當(dāng)δ/ D≥0.3時(shí)：　δ≥D/2（√[б]+ 0.4 pmax/[б] -1.3pmax-1 2.液壓缸缸蓋固定螺栓直徑d1的校核∵ 液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過(guò)程中同時(shí)承受拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力∴ 可按下式校核　　d1≥√5.2KF/πz[б] 3.活塞桿穩(wěn)定性驗(yàn)算當(dāng)液壓缸承受軸向壓縮載荷時(shí)：若l/d≤10時(shí)，無(wú)須驗(yàn)算 l/d≥10時(shí)，應(yīng)該驗(yàn)算，可按材料力學(xué) 緩沖器的密封裝置選用金屬密封作為緩沖器活塞的密封元件，金屬材料選用紫銅T3，活塞桿與前后蓋的密封采用皮革和橡膠填料的密封結(jié)構(gòu)。 緩沖器變深度溝槽的面積和深度計(jì)算采用VB語(yǔ)言編程進(jìn)行計(jì)算。 4.4.3 液壓緩沖器裝配圖 根據(jù)上面計(jì)算出來(lái)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用CAD制圖軟件繪制圖4.10圓槽液壓緩沖器裝配圖。 1底板 2 密封圈 3液壓缸體 4蓋板 5螺柱 6活塞桿 圖4.10 圓槽液壓緩沖器裝配圖 4.4.4 駐退液 目前駐退液主要是斯切奧爾液和斯切奧爾-M液。斯切奧爾液和斯切奧爾-M液中的絡(luò)酸鉀是良好的阻化劑，他可以減低駐退液對(duì)鋼鐵的腐蝕。氫氧化鈉可使液體略帶堿性以保持其性能的穩(wěn)定，減緩變酸的過(guò)程。以甘油為基礎(chǔ)的駐退液的優(yōu)點(diǎn)是比熱和密度大，對(duì)密封元件不親潤(rùn)溶脹，低溫粘性小。它的缺點(diǎn)是成本高，沸點(diǎn)低，換油期短，高壓下易被氧化變酸。以絡(luò)酸鉀為阻化劑，在光和熱的作用下易發(fā)生氧化還原作用，使駐退液變酸，對(duì)銅質(zhì)零件腐蝕嚴(yán)重，西方國(guó)家多采用以石油為基礎(chǔ)油的駐退液，比較明顯的優(yōu)點(diǎn)是來(lái)源豐富，價(jià)格便宜，但比重較小，粘性隨溫度變化較大。 4.4.5 緩沖裝置的運(yùn)動(dòng) 采用VB語(yǔ)言編程，計(jì)算不同時(shí)刻的速度和加速度，程序界面如下圖： 圖4-11 VB計(jì)算程序界面 以length 代表節(jié)制桿工作長(zhǎng)度，a代表活塞作用面積，d1代表駐退筒內(nèi)徑，d2代表駐退桿外徑，DT2代表駐退筒外徑。輸入程序見附錄A。 加速度調(diào)用程序見附錄B。 經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬得到小車在48KM/h的速度碰撞時(shí)的加速度波形如圖4.12所示: 圖4.12 加速度曲線界面 經(jīng)過(guò)對(duì)比ECER16法規(guī)，該模擬滿足要求。  結(jié) 論 本課題主要通過(guò)模擬計(jì)算這個(gè)途徑，對(duì)小車正面碰撞墻體進(jìn)行了模擬仿真，結(jié)合仿真結(jié)果分析，提出以下幾點(diǎn)結(jié)論： 1. 汽車碰撞的過(guò)程是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，碰撞時(shí)的加速度和小車質(zhì)量，速度，緩沖器有關(guān)。 2. 根據(jù)流體力學(xué)中的流量連續(xù)性方程和動(dòng)力方程對(duì)圓槽式液壓緩沖器建模和仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，找到?jīng)_擊速度、沖擊物質(zhì)量、節(jié)流面積等參數(shù)對(duì)緩沖特性的影響規(guī)律。 3. 利用本系統(tǒng)模擬出的小車減速度波形符合ECER16法規(guī)要求。由于臺(tái)車試驗(yàn)需要模擬的碰撞環(huán)境多種多樣，該仿真過(guò)程對(duì)用液壓緩沖器模擬不同的碰撞減速度波形具有十分現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義 4．從汽車安全方面考慮，汽車應(yīng)該要有一段緩沖區(qū)，并且要很好的保護(hù)駕駛?cè)藛T的安全，在此基礎(chǔ)上最好再加上安全氣囊。  致 謝 本論文是在導(dǎo)師肖猛講師的悉心指導(dǎo)下完成的。從論文的選題，研究方案的確定，直到論文的撰寫無(wú)不凝聚著導(dǎo)師辛勤的汗水和心血。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng)，淵博的學(xué)識(shí)以及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都給我留下極為深刻的印象。無(wú)論是做學(xué)問(wèn)還是做人，導(dǎo)師都是我一生學(xué)習(xí)的典范。尤其是當(dāng)我在完成論文的過(guò)程中遇到困難時(shí)，導(dǎo)師所給予的指導(dǎo)將永遠(yuǎn)激勵(lì)我，并且將使我終生受益。 在此，謹(jǐn)向我的導(dǎo)師肖猛講師表示崇高的敬意和誠(chéng)摯的感謝!。 在學(xué)習(xí)期間，我有幸結(jié)識(shí)了許多老師和同學(xué)。在與他們相處的日子里，不僅開放式的學(xué)術(shù)交流和探討使我受益匪淺，而且他們的熱情幫助也讓我感到了友誼的溫暖。  參 考 文 獻(xiàn) [1] 上海市教育委員會(huì).現(xiàn)代汽車安全技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2006. 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