第六章 汽车碰撞速度计算

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弹性碰撞系数为
碰撞后的能量损失ΔE 为
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v2010 v20 v10 v12 v2 v1
k v12 v2 v1 v120 v20 v10
m1v10 m2v20 m1v1 m2v2
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整理:
v20
m1
km2 v2 1 k m1 m2
一、一维正面碰撞速度计算 将事故汽车碰撞前、后行驶速度方向相反的一维碰撞定义为正面碰撞, 如图 6-1 所示。现设事故汽车为车1 与车2, v10 、v20 分别为车1 与车2 在碰撞接 触瞬间的速度, v1 、v2 分别为两车碰撞分离瞬间的速度, m1 、m2 分别为两车 的质量。在碰撞过程中, 既存在弹性变形, 又存在塑性变形, 如果已知弹性变形 的弹性恢复系数, 则可求出碰撞前的速度(已知碰撞后速度的情况下)。
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2. 两个物体间的碰撞特点 从动力学的角度分析汽车碰撞事故, 可以发现其具有其他物体碰撞所不 具有的特性, 这是理解汽车相互碰撞原理的基础。在动力学上, 汽车碰 撞事故具有如下特点: (1) 碰撞时间短 汽车碰撞接触瞬间到分离瞬间的时间间隔即为碰撞作 用时间。在这一作用时间内包含了汽车相互挤压变形和汽车间弹性恢复 两个阶段。大量试验研究表明, 该段时间非常短暂, 一般在70ms~120ms 之间
何机械能量的损失(实际情况)。
当 k 0,1 时,说明钢球在碰撞过程中既有弹性变形又有塑性变形,其中损失
的能量被塑性变形所吸收了。常用材料的恢复系数见表2-10。
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【例2】:试求钢球与固定平面发生碰撞时的能量损失。 解: 碰撞前钢球所具有的能量
钢球碰撞后所具有的能量
v20 0 m2
v20 0 m2
m2
2m1 m2
m1v120 1 k 2 2
m2
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在汽车的一维碰撞事故发生时, 两车在碰撞瞬间以及在碰撞前后汽车运动的 过程中, 汽车速度的方向始终沿着同一直线, 即均沿碰撞前汽车行驶方向所在的 直线运动。通常把发生碰撞的两车速度矢量间的夹角在10°以内的碰撞称为一维 碰撞, 或是称为一维直线碰撞。正面碰撞和追尾碰撞属于一维碰撞。
k
m1v1
v10
km1
m2 v1 k m1
1 k m2v2 m2
碰撞过程中能量的损失为
E1
m1v120
m2v220 2
m1
km1
m2
v1
1
k
m2v2 2k 2
2 m2 m1 m1 m2 2
km2
v2
1
k
m1v1
2
E2
m1v12
m2v22 2
E E1 E2
得:
E
m1m2 1 k 2
2k 2 m1
v2 m2
Байду номын сангаас
v1
2
m1m2
1 k 2 v20 v10 2 2m1 m2
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此公式为两质量钢球碰撞后的能量损失,例题1中假设固定平面质量 很大,碰撞前速度为零,其证明如下:
m1m2 1 k 2 v20 v10 2
lim E lim
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二、碰撞的两个基本假设 根据这两个特点,研究碰撞问题时有两个基本假设: 1. 在碰撞过程中只考虑两汽车间的碰撞力
因为碰撞作用瞬间, 汽车承受的碰撞冲力巨大, 而此时在二维平面内施加 于汽车的驱动力、空气阻力、车身重力及地面摩擦力等常见力的数值远远 小于瞬时冲力, 在计算过程中可以忽略不计。基于上述论据, 在建立碰撞 模型时可以应用角动量守恒定律及动量守恒定律。因为汽车在碰撞前和碰 撞后的这段时间内, 不存在碰撞冲击力, 所以不能忽略起主要作用力的地 面作用力。
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交通事故中的汽车碰撞有其自身的特点, 其中部分公式来源于实验室 中的经验公式, 其公式的应用存在一定范围, 若公式应用的条件不当, 可能计算出错误的结果。另一方面, 也需要讨论一下碰撞的基本过程, 可以应用一些基本公式解决一些复杂的问题。
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教学要求: 掌握汽车与汽车正面碰撞、汽车与汽车追尾碰撞、汽车与汽车直角侧面 碰撞等案例的分析方法。 掌握摩托车与汽车车身侧面碰撞、汽车与二轮摩托车或自行车侧面碰撞、 摩托车与汽车追尾碰撞等案例的分析方法。 理解汽车与行人碰撞事故案例分析。 了解汽车单车碰撞事故案例分析。
印迹时,可以通过能量法进一步求轿车行驶时的速度。
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2.碰撞过程中的弹性恢复系数 钢球碰撞前后的速度比,称为碰撞弹性恢复系数。
可见 k 0,1 k v1 v10
当 k 0 时,说明钢球没有弹起来,碰撞前所具有的动能都被塑性变形所吸收
掉了。
当 k 1 时,说明钢球发生的变形完全是弹性变形,没有塑性变形,且没有任
4. 汽车碰撞固定物事故
在汽车碰撞事故中, 将汽车与某一固定物(如护栏、树木、挡土墙等) 发 生碰撞的事故类型定义为汽车碰撞固定物事故。
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三、汽车碰撞事故的分类 5. 汽车与两轮车碰撞事故 汽车与摩托车、自行车等两轮车发生碰撞的事故, 称为汽车与两轮车碰撞 事故。 6. 汽车与行人碰撞事故 碰撞事故双方一方为汽车, 另一方为行人的事故类型, 称为汽车与行人碰 撞事故。
解:求解轿车、吉普车碰撞后的速度
v1 2gS 0.5 29.80.7 18 0.5 15.7m / s
v2 2gS 0.5 29.80.7 12 0.5 12.8m / s
v10
v1
m2 m1
v2
v20
15.7
2200 1600
12.8
60
3.6
38.6m
/
s
上述计算只是两车碰撞前的速度,并非轿车行驶速度,轿车碰撞前过程中有制动
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碰撞过程又分两个阶段,从两车刚接触开始,便在接触面上产生碰撞 压力和压缩变形。这个压力由小到大使碰撞汽车的速度逐渐接近,直至两 车出现相同的速度,压缩变形达到最大。紧接着由于弹性渐恢复,两车压 紧的程度逐渐放松,两车速度出现相反的差别,直至两车分离。
在这个过程中,可分为前后两个阶段。 1)变形阶段——从两车刚接触开始到压缩变形达到最大,两车速度相 等时称为变形发展阶段(简称变形阶段)。 2)恢复阶段——从变形最大,两车速度相等开始,到两车刚刚分离称 为变形恢复(简称恢复阶段)。
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三、汽车碰撞事故的分类 2. 汽车二维碰撞事故 汽车二维碰撞事故的定义是汽车发生碰撞事故, 且在碰撞的三个阶段中均 作平面运动。根据碰撞瞬间事故汽车受力特点, 汽车二维碰撞事故又可分 为二维对心碰撞事故与二维非对心碰撞事故两类。 在汽车二维碰撞事故中, 当碰撞冲击力向量通过汽车的质心时, 称该类碰 撞为二维向心碰撞。在该类碰撞事故碰撞后的阶段, 事故汽车仅作平移运 动而不发生横摆转动。当一辆车的碰撞冲击力未通过另一辆车的质心, 即 对于另一辆车的质心产生力矩时, 不仅作平移运动, 而且作横摆转动。转 动程度取决于碰撞冲击力相对汽车质心力矩的大小。
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2. 两个物体间的碰撞特点 (2) 汽车所受的碰撞冲力大 大量事故案例表明, 碰撞发生前后, 汽车相撞 经历的时间极短, 速度变化巨大, 产生的加速度特别大, 因此, 碰撞时汽车 承受的冲击力也特别大,可以产生相当于全车重力的十几倍、几十倍, 甚至 更大的冲击力。 (3) 汽车的碰撞近似于塑性碰撞 基于汽车自身的结构特性, 即便是汽车的 同一接触部位, 在不同事故碰撞过程中, 也会产生不同程度的塑性变形, 因 此, 碰撞性质近似于塑性碰撞。 ( 4) 汽车碰撞伴随有不同程度的能量损失 汽车碰撞作用会导致碰撞点处 发生塑性变形, 同时还伴随有发热、发光、振动和发声等物理现象, 同样必 定伴随能量的消耗和损失。
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J ——为汽车相对于质心的转动惯量;
P ——为碰撞力的冲量;
1 ——为汽车碰撞后的角速度;
10——为汽车碰撞前的角速度; R ——为冲量到汽车质心的距离。
在碰撞过程中,一定存在塑性变形、摩擦生热等情况,实际上机械能是
不守恒的,所以用能量守恒时应特别注意。
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四、碰撞过程中的守恒定律和弹性恢复系数 1.碰撞过程中的守恒定律
根据上面的假设,忽略外力作用,碰撞过程中只分析碰撞力,其碰撞 力为内力,因此,两车碰撞过程中保持动量守恒、冲量矩守恒。
m1v1 m2v2 m1v10 m2v20
J J0 PR
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【例1】:某轿车由西向东行驶与由东向西行驶的吉普车相撞,已知轿车质量为
1600kg,吉普车质量为2200kg,碰撞后轿车由西向东滑行18m,吉普车由西向东
滑行12m,且碰撞前的速度为60km/h,根据现场勘查可知, 汽车正碰没有旋转,
碰撞后汽车基本在同一直线上,道路附着系数为0. 7。求轿车碰撞前的速度。
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二、碰撞的基本假设 2. 在碰撞过程中汽车的位移小到可忽略不计 由于车身相较于碰撞接触点的横摆角位移非常小, 可以看作在汽车碰撞作 用瞬间, 汽车在大地坐标系中的位置保持不变。同样, 由于汽车碰撞作用 瞬间极其迅速, 时间与速度的乘积所得的位移就很小, 因此可以认为, 在 二维事故碰撞现场, 发生事故瞬间汽车的碰撞位置, 不仅为碰撞接触瞬间 汽车的位置, 也是碰撞分离瞬间汽车的位置。
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教学提示: 本章介绍汽车碰撞的基本理论、汽车一维碰撞速度计算、汽车二维碰撞 速度计算, 以及汽车碰撞事故的典型案例分析。注重理论和实践相结合, 讲解各个案例时应预习相关理论知识。 本章的教学难点是汽车一维碰撞速度计算、汽车二维碰撞速度计算、汽 车与二轮摩托车或自行车侧面碰撞案例、汽车与行人碰撞事故案例。 本章的教学重点是汽车与汽车正面的一维和二维碰撞。
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三、汽车碰撞事故的分类 汽车碰撞动力学模型是基于汽车碰撞事故的动力学特点及在此基础上进行的 模型假设的前提下构建并使用的。而汽车碰撞事故除具备汽车碰撞的动力学 特点所介绍的共同特点之外, 不同的碰撞类型还具备自身的特点。因此, 有 必要根据汽车碰撞事故的动力学特点对其进行分类。 汽车碰撞事故的分类方法有很多, 本章主要以事故动力学特点来进行分类, 可分为以下几类。 1. 汽车一维碰撞事故 汽车一维碰撞事故是指汽车发生碰撞的瞬间及在碰撞前后运动过程中, 其质 心始终沿碰撞前汽车行驶方向所在直线运动。汽车一维碰撞事故根据事故汽 车行驶方向又细分为正面碰撞与追尾碰撞两类形态。
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二、碰撞的基本假设 3. 汽车碰撞后的运动视为刚体运动 在碰撞过程中, 车体的塑性变形仅限于碰撞接触部位, 车身的其他结构没 有受到碰撞损失。因此, 可将汽车碰撞后的运动视为刚体运动。 注意: 因为汽车碰撞伴随有不同程度的能量损失, 所以使用动能定理和能 量守恒定律在理论分析过程中会产生误差。
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三、汽车碰撞事故的分类
3. 汽车三维碰撞事故
汽车三维碰撞事故是指事故汽车在碰撞前、碰撞瞬间及碰撞后的运动过程 中, 其质心高度和车体方位角发生改变的复杂事故类型。该类碰撞事故的 主要特点是碰撞后汽车的运动,
不仅有平移运动与横摆运动, 还伴随有绕汽车纵轴的侧翻旋转与绕汽车横 轴的纵倾旋转运动。
一、汽车碰撞过程与碰撞动力学特点 1.汽车碰撞的三个过程
在交通事故中,汽车碰撞分为三个过程: (1)碰撞前过程 从驾驶员察觉危险开始到两车刚接触,称为碰撞 前过程。 (2)碰撞过程 从两车刚接触到两车刚分离,称为直接碰撞过程。 (3)碰撞后过程 从两车刚分离到完全停止,称为碰撞后过程。
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由于应用弹性恢复系数计算的复杂性, 则通常采用实 验法推导经验公式, 以满足工程上的需要。
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