東北地區通用運材車后下部防護裝置的研究

瞿炳華 于建國

摘要 針對東北林區的特殊環境，在分析車輛追尾碰撞理論的基礎上，探討適用于東北地區運材車的后下部吸能防護裝置要求。根據裝置功能要求、耐低溫材料要求、構件聯接要求、安裝要求、結構剛度要求和多級吸能要求提出采用擺桿曲柄連桿機構、擴脹管吸能、阻尼缸和橡膠金屬螺旋復合彈簧相結合設計一款新型吸能防護裝置。該裝置能夠有效避免鉆撞并通過多級吸能減緩沖擊。該設計經過有限元分析驗證已達到了相關規定，為后下部防護裝置的實際應用提供了試驗數據理論根據。

關鍵詞 東北地區；運材車；后下部防護裝置；避免鉆撞

中圖分類號 S776.36+1 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2014）20-06869-03

近年來隨著我國經濟建設的發展，林材產品需求量增加，木材運輸已經不再局限于林業伐區到林區貯木場之間，運材車也不再局限于傳統的大型原木（原條）運輸車。我國東北地區不僅擔負著輸出林木產品任務，而且擔負著從俄羅斯托木斯克等地區戰略進口林木的重任，其中公路運輸是目前東北地區最常用的的運材方式。目前使用較多的是由汽車和半掛車組成的靈活性較高的通用型運材車。交通運輸過程中運材車一旦發生追尾碰撞將發生重大的人員傷亡和經濟損失。在交通事故中追尾事故的發生率高達46%，其中小型轎車和載重車輛追尾碰撞造成的人身安全威脅和經濟損失比例最高，致死比例是轎車與其他車型碰撞致死的4倍[1] 。

考慮東北地區運材車的作業環境，該文從運材車后下部防護裝置的性能要求出發，設計出適用于東北地區通用運材車的新型后下部吸能防護裝置。該裝置具有5大創新點，并滿足GB11567.2—2001的標準，在追尾碰撞時可以通過多級吸能達到車輛的被動保護目的并基于有限元分析通過證驗證[2]。

1 車輛追尾碰撞分析

車輛追尾碰撞分為正面碰撞追尾和偏追尾碰撞兩類，如圖1和圖2所示。兩種情況對后下部防護裝置的防護要求略有不同，由于偏追尾碰撞沖擊力的非均勻性造成后者對后下部防護裝置的要求略高于前者。

圖1 追尾鉆撞現象

圖2 偏追尾碰撞

小車追尾碰撞時，后下部防護裝置既能夠及時避免小車發生鉆撞現象，又能最大限度地減輕碰撞對追尾車及載車人員的沖擊損傷，并可有效避免碰撞反彈帶來的二次沖擊損傷。

從碰撞力學的角度來看，碰撞直接結果導致車輛運動狀態改變和車輛變形。運動狀態的改變是力對作用對象外效應的體現，變形式力的對作用對象內效應的表現。在追尾撞擊前后小轎車、載重車輛構成一個力學系統，該系統沒有外力的存在，遵守沖量守恒定理，即：

在追尾事故中，為了有效防止鉆撞現象、碰撞后反彈，減少碰撞對追尾車及人員整體的損傷，載重汽車合理配置后下部吸能防護裝置至關重要。然而我國相關法律還不完善，汽車生產商標準不一，導致車輛后下部吸能防護裝置往往不能奏效。

2 東北地區運材車后下部吸能防護裝置的工作要求

運材汽車一般由牽引車和半掛車或者掛車組成，目前國內還沒有針對運材車后下部吸能防護裝置的技術要求，尤其是對東北地區低寒地區作業的運材車。參照我國2001年制定的GB 11567.2-2001《汽車和掛車后下部防護要求》和美國標準（FMVSS 203和FMVSS 204），東北地區運材車后下部吸能防護裝置須滿足以下要求：

（1）裝置功能要求。阻擋追尾車、避免鉆撞，降低追尾碰撞對人身的傷害；吸能緩沖、提高車輛追尾碰撞的相容性，有效降低人身安全威脅和經濟損失；高度自行調節，在一定范圍內改變離去角提高車輛的通行性；適應低寒的工作環境[3-4]。

（2）裝置材料低溫要求。金屬材料在-30 ℃以下時金屬材料的沖擊吸收能量明顯下降并引起冷脆現象，金屬材料的物理機械性能發生改變。常溫下金屬材料原子彼此結合疏松，具有一定的彈性，受力時通過變形可以吸收較多的沖擊能量。在低溫下金屬原子結合緊密彼此彈性降低，受力時其吸收的沖擊能量降低，金屬材料呈現脆性，極易脆斷[5]。東北地區冬季溫度一般保持在-30 ℃左右，漠河地區高達-50 ℃，建議后下部吸能防護裝置采用低合金鐵素體鋼，通過加入錳、鎳等微量元素或者改變金屬加工工藝改善材料的低溫脆性，確保低寒地區車輛吸能防護裝置的有效性并延長其使用壽命。

（3）裝置構件聯接要求。目前比較流通的運材汽車后下部防護裝裝置為采用焊接工藝的沖擊梁結構，由于后下部防護裝置構件材料和焊接材料、焊接工藝、后下部防護裝置結構類型、適用環境要求等[6]不足造成氣孔、未焊透、焊接裂縫、夾渣等缺陷，焊接交接處應力集中，使得焊接交接處收到沖擊載荷時內部應力首先達到屈服極限而破裂，造成裝置掉落而失效，或錫焊接構件在-45 ℃以下時易產生裂紋或碎成粉末狀[7]，從接頭的位置斷裂。建議選用鉸接、減少焊接點、改變裝置結構減少焊接缺陷。

（4）裝置安裝要求。兼顧運材車在林區復雜路況的通行性和高速公路行駛的防護性，空載狀態下車輛后下部防護裝置下邊緣離地高度在防護狀態可調時離地高度小于450 mm[8-11]，后下部防護狀態不可調時離地高度小于560 mm[12]；裝置安裝后不可隨意移動，改變位置時外力最大值低于400 N；后下部防護裝置的任一端最外緣與后軸車輪最外端的橫向水平距離不大于100 mm，不得超出后軸寬度[13]。

（5）裝置結構剛度要求。裝置構件具有足夠的剛度，避免追尾車發生鉆撞現象，碰撞時后部吸能防護裝置可以變形、開裂，但是不允許整體從貨車連接處脫落[12]；但剛度過大會造成追尾車的碰撞反彈，給追尾車人員帶來二次沖擊傷害（圖2）。所以應根據結構材料、尺寸、工作環境選擇具有合適剛度的吸能防護裝置。

（6）裝置吸能要求。通過桿件彎曲變形、阻尼材料形變、吸能盒、擴脹管緩沖等形式改變傳統沖擊梁式后下部防護裝置，實現多級雙向吸能提高裝置在碰撞后的緩沖能力，最大限度延遲沖擊力的作用時間，降低沖擊載荷達到減少碰撞對追尾車及人員的沖擊傷害。

3 運材汽車后下部防護裝置的改進

3.1 新型裝置的基本組成

常見的運材車后下部防護裝置由車架、支撐臂、橫梁組成，結構為焊接，低溫條件下極易脆斷。它的吸能防護效果極差，在小轎車高速追尾運材車的瞬間基本失效，鉆撞現象為此產生。在傳統載重車后下部防護裝置的基礎上，結合曲柄連桿結構提出新型運材車后下部吸能防護裝置的構想（圖3）。

圖3 新型吸能防護裝置示意圖

新型吸能防護裝置以曲柄連桿機構為基礎，其中連桿由二級吸能擴脹管組成。該裝置利用擴脹管、阻尼彈簧（橡膠金屬螺旋復合彈簧）、緩沖缸組成的四級吸能系統達到在避免鉆撞的同時最大程度降低碰撞時的巨大沖力對追尾車人員及車輛的危害。

3.2 新型運材車后下部防護裝置的創新點

3.2.1 吸能防護原理創新。沖擊載荷經過防撞橫梁直接傳遞到支撐臂（連桿）上，兩者的運動受到阻尼彈簧、緩沖缸的約束和擴脹管的2級緩解。這反映在碰撞過程中就是吸能防護裝置對沖擊載荷的4級吸能緩沖作用，直接降低沖擊力對人員的損傷。橡膠金屬螺旋復合彈簧作為阻尼彈簧，具有阻尼減震效果好、與金屬碰撞不產生火花的優點。擴脹管因具有穩定吸能的作用已被應用于碰撞波形發生器上。2011年吉林大學的張昕等首次將擴脹管應用于車輛后下部吸能防護裝置上，經過驗證其具有良好的吸能防護效果。緩沖缸里面的填充的阻尼材料采用玻璃纖維材料，具有彈性系數高、減震效果出色、價格便宜的特點。

3.2.2 通行性創新。裝置結構推翻傳統沖擊梁的設計，采用可翻轉結構加大離去角，避免后防護裝置被卡住。由圖3可知，當原始狀態下的曲柄連桿結構的翻轉角（a），在后下部防護裝置非工作狀態下時a=45°，曲柄連桿機構在阻尼彈簧的壓力、緩沖缸的推力作用下保持平衡狀態，此時防護裝置的防撞橫梁距離地面的垂直高度為400 mm，即安裝高度為400 mm；工作狀態下0

3.2.3 裝置連接創新。傳統沖擊梁的焊接連接不適合在低寒的東北地區作業的運材車，該裝置連接采用鉸鏈接，避免了低溫帶來的焊接缺陷問題。

3.2.4 裝置構件材料創新。由于材料造價和車輛運輸重量限制常用于車輛后下部防護裝置的材料大多為45鋼、Q235。該裝置金屬材料選用低碳錳鋼，Mn含量為0.6%～2%，C含量為0.05%～0.28%，利用脫氮除磷技術去除金屬材料中的氮、磷等有害雜質，并適量加入鈦、鋁等金屬元素細化晶粒，處理后的金屬材料最低耐用溫度為-60 ℃；對低碳錳鋼進行冷作硬化處理，通過預加材料塑性變形使材料彈性極限提高，增加材料在彈性階段的承載能力；采用退火工藝消除冷作硬化后的脆性缺陷。

3.2.5 裝置構件截面創新。一般后下部防護裝置采用方形梁，其截面為矩形或者正方形。兼并優化汽車重量和造價，該裝置的防撞橫梁采用工字鋼、支撐臂采用空心軸。桿件在受到外力時共有4種基本形式的變形：軸向拉伸（軸向壓縮）、剪切、彎曲、扭轉。后下部吸能防護裝置在追尾碰撞時主要承擔沖擊載荷的是支撐臂和防撞橫梁，其受力后的變形是4種基本變形的組合，但裝置的橫梁主要受剪力和彎矩、支撐臂受到的主要是軸向壓縮。構件截面的創新表現為4項微觀方面，即構件伸長率、抗壓截面系數、抗扭截面系數、抗彎截面系數提高。

伸長率是衡量桿件變性能力的重要指標之一，變形能力大小與裝置吸能緩沖的效果成正比。同一尺寸的材料做成的構件在同一外力作用下的伸長率與桿件的橫截面積成反比。新型吸能防護裝置的支撐臂采用的空心軸，假設空心軸的寬度等于傳統方形梁的寬，則空心軸的橫截面積遠遠小于后者，空心軸的伸長率大于后者。在追尾碰撞時桿件吸能變形越多，對沖擊載荷的緩沖效果越大。

為了保證桿件的足夠的剛度、強度、穩定性，桿件的最大應力應小于許用應力值，即要求桿件抗壓截面系數、抗扭截面系數、抗彎截面系數越大越好。碰撞時首當其沖的是防撞橫梁，它的剛度、強度等要求較高，該裝置采用工型鋼，同比一橫截面積的矩形鋼、圓形鋼、T型鋼等它的抗壓截面系數、抗扭截面系數、抗彎截面系數最大，剛度和強度較好。

3.3 CATIA建模 根據GB11567.1-2001要求利用CATIA建模，取支撐臂壁厚2 mm，防撞橫梁壁厚2 mm、車架橫梁壁厚6 mm、曲柄壁厚為8 mm。然后基于ANSYS對移動壁障碰撞動態試驗進行有限元分析；分析結果如圖4、5所示。在32 km/h速度下該裝置在碰撞變形中擴脹管（支撐臂）最大吸能量為12.40 kJ，防撞橫梁最大吸能量為14.97 kJ，因此，裝置具有良好的吸能防護效果。

4 結論

根據東北地區運材半掛車的作業要求，參照我國2001年制定的GB 11567.2-2001《汽車和掛車后下部防護要求》和美國標準（FMVSS 203和FMVSS 204），對比傳統車輛后下部防護裝置提出了東北地區通用運材車的新型后下部吸能防護裝置。該裝置在吸能防護原理、結構聯結、材料選用、交通通行性等方面實現了創新。對由橡膠金屬螺旋復合彈簧、曲柄連桿機構、阻尼缸、擴脹管組成的新型吸能防護裝置進行有限元分析后發現該裝置具有良好的吸能防護效果，滿足相關規定。