重型货车后部防护装置设计说明书

绪论

1.1论文研究背景

近十年来，中国高速公路里程数和机动车保有量持续增加。根据公路局、公安部最新统计显示：截至2011年底，中国公路通车里程达到85000公里，仅次于美国位于全球第二；；机动车保有量达到2.25亿辆，其中汽车达到1.06亿辆，仅次于日本，居于全球第二。因此，如何保障道路交通安个已成为当前讨论的热点和难点问题。根据我国年的交通事故统计数据表明，从2002年至2009年，事故总体上呈现递减趋势，但是在2010年却出现了大幅度的反弹；其它数据上如伤亡人数、经济损失则一向持续降低。究其原因，主要是我国出台新的汽车安全法规、强化监管道路交通安全和提高整车安全性能等联合作用的结果。但我国道路交通事故总数居高不下，汽车安全问题仍得不到有效保障。

我国高速公路具有其独特的特点，如：全封闭、全立交等。所以交通事故的形态构成与普通公路大不同。据统计，在中国2010的高速公路交通事故率为39%，包括尾随相撞，碰撞固定物或静止车辆造成损伤均占25%。按车型所占比例降序排列，追尾车辆车型依次为轿车、大型货乍、轻型货车、微型客车、其它类型车辆和中型客车;被追尾车辆车型依次为大型货车、轿车、其他车辆和轻型货车。所以，尾随相撞仍是高速公路交通事故的主要事故形态，并且由于高速公路笔直、设计标准高、车速快，一旦发生交通则事故后果严重。在涉及重型卡车的交通事故中，尤其是在汽车追尾卡车和多辆车连环相撞造成的最严重的车祸，极为容易的造成较大的伤害，事故发生率和死亡率的比例都是最大的，这种事故的致死比例是轿车与其他车型碰撞致死比例的四倍，约占到追尾交通事故的46%，。针对此类情况，我国出台了相关法规，其中最早的是在1989年颁布了《汽车和挂车侧面及后下部防护装置要求》。2006年，我国公安部颁布了《关于加强机动车安全防护装置和乍身反光标识等管理工作的紧急通知》，提出了不规范安装机动车安全防护装置的处罚办法，为货车后下部吸能装置的提出给予了有利的政策保障。1.2国内外研究现状

1.2.1国外最新研究进展

在国外对车辆安全的研究很早，大部分的研究是通过仿真测试和实车碰撞来进行，主要是为了提高货车和轿车之间的碰撞相容性，提高吸收缓冲保护的能力。Priya Prasad 等对现有车辆耐撞性进行了较为系统的分析，并对其后部防护装置的设计提出了研究思路。DE提出改善车刚度可以明显提高碰撞的轿车和卡车的兼容性。Atahan等利用大量

仿真测试得出结论并加以实测验证，后防护装置的规定离地间隙并不能阻止轿车钻撞货车和建议修订FMVSS223安全要求。Roger等使用MADYMO软件对汽车和货车进行追尾碰撞仿真保护分析。意大利巴勒莫利用软件来设计一个高效的能量吸收部防护装置。Berg 等通过测试车辆验证ECER58测试方法不能有效保护轿车内部乘员，并提出了一系列改进建议。Cerniglia等人总结了现有的货车后下部防护装置吸能方式：不同组件安全材料的塑性变形、装置摩擦损坏和液体或气体的流动之间的摩擦。 Inqrassia等通过模拟轿车和重型货车的碰撞过程，详细描述碰撞特点，并进行优化设计过程的分析。Rechnitze等参考相关的法律和法规设计了保护货车后面的装置，并通过碰撞测试装备的有效性。

1.2.2国内最新研究进展

赵幼平等人提出一系列的后防护结构，经过静载荷和移动壁障追尾测试，比较分析出一个很好的设计方案。李平飞提出将后部防护装置设计成活动式，指出静态加载试验结果不能反映装置的实际作用效果，只有移动壁障追尾碰撞试验可以在一定程度上代替实车碰撞。朱西产等人选定的MDB轿车模型来分析不同离地间隙对车辆后端吸能效果和车体变形率的影响，结果表明后部防护装置离地高度小于450mm最佳。张志勇分别对圆形、双圆形、矩形和槽钢形四种截面形状的横梁的缓冲吸能效果进行比较，得出圆形横梁吸能效果最好。叶新娜等人将后部防护装置常用的槽钢改进为圆钢，保证防止钻入并吸收更多的碰撞能量。付锐等人提出利用圆柱形轴向力大的特点，将缓冲区设计成圆筒体结构，并将其放置在两层钢板之间，利用轴心受压来吸收碰撞能量。杨辉等提出了“N”字型后部防护装置结构，并详细分析其吸能保护机理。董学勤等指出防护装置的研究需考虑离地高度与离去角之间的关系。白中浩等人提出矩形钢管具有较好的吸收碰撞能量，并对装置的静态加载试验的修改提出了建议。马迅等人通过增加斜撑的方式对防护装置进行结构改进，具有良好的缓冲效果，验证了结构的可行性。赵洋分析了矩形钢结构的钢管壁厚、长宽比与斜撑倾角对后防护装置吸能效果的影响。

1.3论文研究内容

本论文将查阅大量的相关资料，了解吸能装置的工作条件，运用机械设计方面的相关知识，初步推算出设计中的限制性尺一寸，并对其基本构件进行设计。

本文所设计的货车后下部吸能装置的先进之处在于：螺栓组结合薄壁梁吸能结构可以吸收后部车辆意外撞击时的冲击能量，降低和避免在高速公路上山于车身结构特点和行驶速度的原因造成追尾车辆人员的伤亡；装有该装置的车辆在不需要执行任务时，可通过电子控制装置使其抬起到货车后部，不影响车辆的正常行驶。

2货车后下部吸能装置设计的理论基础

2.1汽车碰撞力学分析

2.1.1能量和动量守恒定理

（1）能量守恒定理

汽车碰撞是指汽车在极短的时间内与其他物体发生剧烈撞击的作用过程。汽车碰撞

部位在此过程中发生塌陷性塑性变形，时间持续大约为O.ls-0.2s。在碰撞过程中产生的动能迅速转化成其他形式的能量，如应变能、热能、化学能和声能等。从此可以看出，汽车碰撞也遵循着自然界的能量守恒定理。

（2）动量守恒定理

动量守恒定理是在动量定理和牛顿第三定律的基础上总结得出。对于汽车碰撞而言，就是两车动量交换的过程，碰撞前后的动能相等。动量是向量，方向取决于车辆速度的方向。

2.1.2汽车碰撞力学的特点

汽车碰撞过程由碰撞前、碰撞中、碰撞后三部分组成，三者连续依次进行。碰撞前阶段是指汽车驾驶员发现了前方的危险采取了紧急措施这一时刻开始到两车发生接触这一时刻位置的过程；碰撞中阶段是指从两车发生了接触碰撞这一时刻开始到两车碰撞过程结束的时刻为止，这一阶段也是两车之间进行瞬间动量交换的过程；碰撞后阶段是指两车碰撞过程结束产生分离这一时刻开始到两车运动到完全静止的时刻为止。碰撞阶段也被称为直接碰撞过程，包括弹性变形，塑性变形和塑性变形。

从汽车碰撞时车辆受力角度分析，得出以下特点：

（1）汽车直接碰撞阶段的作用时间非常短，一般都在0.1s - 0.2s，且与碰撞接触部位的刚度成反比，即刚度越大，作用时间越短。

（2）由于碰撞时间短，会造成两车的减速度和撞击力过大，减速度的大小与两车自身质量成反比，即质量大的车辆碰撞时受到的减速度较小，车内人员受到的伤害也相对较低。

（3）两车碰撞时弹塑性变形同时存在，且相互之间通过挤压消耗碰撞动能。一般用恢复系数e来衡量碰撞时车辆的弹塑性变形的实际情况，即车辆发生碰撞后恢复变形的能力，取值大小在0-1。

（4）汽车在碰撞过程中发生弹塑性变形主要集中在直接接触部位，距离接触部位超过一定范围后，减速度就不再发生变化，因此可将除了接触部位以外的汽车看成是刚体件。当在现实生活中，轿车与货车追尾时，要尽量保证轿车变形主要集中在轿车的前碰撞区，特别是要保证轿车的头部碰撞区和后碰撞区不变形，见图2-1所示。

图2-1轿车碰撞区域

2.2汽车追尾碰撞理论

汽车的追尾碰撞是指碰撞前两车运动方向一致、后车速度明显高于前车，从而导致