基于漸變剛性彈簧和剛性位移在汽車安全中的應用研究

王欣宇　黃澤

摘要：安全問題是現代汽車駕駛工作中不容忽視的核心問題之一，影響汽車安全的關鍵構件之一是帶有彈簧的緩沖裝置?；诖?，本文以漸變剛性彈簧變化的規律以及仿生學剛性位移作為切入點，給予簡述，再以此為基礎，針對彈簧作用進行分析、提出假設，設計更具價值的緩沖裝置，通過實驗證明其可行性，為后續工作提供參考。

關鍵詞：剛性彈簧；剛性位移；緩沖裝置；碳纖維復合材料

前言：漸變剛性彈簧（stiff buffer spring） 是汽車懸架中應用最廣泛的一種彈性元件，它是由若干片等寬但不等長（厚度可以相等，也可以不相等）的合金彈簧片組合而成的一根近似等強度的彈性梁。在汽車的緩沖系統中，漸變剛性彈簧作用突出，能夠有效保證汽車行駛安全，我國汽車數量龐大，每年多發交通事故，針對漸變剛性彈簧和剛性位移在汽車安全中的應用進行分析十分必要。

1.漸變剛性彈簧變化的規律以及仿生學剛性位移

1.1漸變剛性彈簧變化的規律

漸變剛性彈簧的變化主要是指其外形變化，也即通常所說的物理形變，當彈簧受到外荷載影響時，會出現一定程度的形變，外荷載越大，形變量越大，影響形變量的因素還包括材料因素和彈簧的剛度系數，在不考慮材料差別的情況下，剛度系數越大，彈簧性能越理想。為提升汽車的平順性，早在19世紀就有設計者提出了漸變剛性彈簧的應用，結合現代汽車追求舒適性的需求，可以發現不同剛度的柱形彈簧可以較好的實現主簧與副簧的接觸，主彈簧受力能力與副彈簧存在差異，當其達到臨界值時，副彈簧的剛度系數尚有延伸空間，二者聯合作用保證了緩沖裝置的性能，降低了汽車碰撞帶來的負面影響。

1.2仿生學剛性位移

仿生學在現代工作生產和日常活動中十分常見，如常見的汽車安全氣囊、充氣墊等，與仿生學均存在一定關聯，所謂剛性位移是指物體的形狀不發生變化產生的位移。一般來說，當汽車出現碰撞時，緩沖裝置會起到一定的保護作用，這種保護作用的基礎是漸變剛性彈簧的性能，彈簧在發生形變后會快速復位，這意味著物理意義上的形變相當于沒有發生，但如果碰撞強度大，漸變剛性彈簧有可能偏離原有位置，應用仿生學等原理對這種位移進行分析，可以為后續的設計優化提供參考，減少非必要的算上。

2.彈簧作用和假設

2.1彈簧的作用

彈簧的作用在現代汽車中十分突出，出現于緩沖結構中時，主要作用是降低剛性接觸的不利影響。對其功用進行分析，可以就彈簧的旋繞比、疲勞強度、直徑等方面入手，同時應滿足較大剛度和較小質量兩個基本要求，在漸變剛性彈簧的研究中，主要對象是主彈簧和副彈簧。當主彈簧和副彈簧接觸、實現完全貼合時，漸變剛性彈簧是可以共同發揮作用的，整體工作性能實現了實際提升，但由于碰撞或者其他外荷載可能并不是均勻的，彈簧的力學性能變化會呈現出非線性特征，如果將所有副彈簧的作用變化看做一個整體，彈簧的工作特性又帶有了線性特點，對這種變化加以計算是了解彈簧作用的核心手段。目前常用共同曲率法和集中載荷法進行計算和評估，這是進一步優化緩沖裝置的基礎。

2.2研究假設

以上述內容為支持，將研究重點確定為：鋼板彈簧左右對稱，當用中心螺栓系緊，認為中間固支，取一半為懸臂梁支撐方式；簧片在接觸點處具有相同的位置坐標；鋼板彈簧上部分主簧片沿整個長度無間隙接觸，在受力相同段內具有共同曲率；簧片作為連續梁滿足邊界條件與連續性條件；鋼板彈簧下部分副簧片的端部承受集中荷載[1]。

3.緩沖裝置和實驗

3.1緩沖裝置分析

著眼于漸變剛性彈簧剛性位移特點以及汽車行駛的安全性，要求緩沖裝置進一步發揮作用。設計主、副彈簧和凹槽組成的裝置，并優化法蘭環性能，使其能夠在主、副彈簧之間發揮連接作用。思路上看，將主彈簧放在最外側，其剛性條件可以弱于副彈簧，通過法蘭環將主、副彈簧更好的連接在一起，當主彈簧出現剛性位移時，副彈簧可以發揮作用，凹槽的主要作用是當汽車碰撞的外荷載過大、主、副彈簧都出現了嚴重形變時，在彈簧后端實現整體固定，彌合出現的剛性位移問題。目前汽車常用緩沖期分為兩種，一種采用非破壞的彈性元件吸能， 這種結構在同比緩沖能力下，結構相對大，可反復應用，成本低；另一種采用破壞彈性元件的吸能形式，其在同比緩沖能力下結構小，但是為一次性緩沖，成本高。以滿足多次使用、較低成本為基本追求，也可以設法增加另一個緩沖裝置，提升彈簧性能，使瞬時沖擊的時間達到延遲，從而降低沖擊能。

3.2實驗

結合當前汽車行駛的需要，要求使用物理性能更加優越的材料制作緩沖裝置中的彈簧，提升安全性的同時，也能降低事故后的維修費用。2016年9月30日晚上的8點20分，山東某地出現交通事故，兩輛機動車在正常行駛的情況下相撞，事故發生后，4S店出具評估報告，兩輛汽車的維修費分別達到11256和9702元。緩沖裝置性能不佳是造成事故的原因之一。在此前學者的研究中，鋼鐵材料漸漸淡出視野，碳纖維復合材料的價值得到了更多肯定。相比之下，及碳纖維復合材料的強度是鋼鐵的4倍以上，而且能承受2000攝氏度以上的高度，熱膨脹系數、熱容量和比重也更小，耐腐蝕性則由于大部分金屬材料[2]。

利用碳纖維復合材料和鋼鐵材料進行實驗，將樹脂傳遞模塑技術和紡織技術結合，制備出復合材料圓柱螺旋彈簧，之后通過實驗與鋼鐵材料制備的彈簧進行對比。在施加相同外力的情況下，碳纖維復合材料的性能更加理想。實驗共進行20次，分別為輕級別碰撞、中級別碰撞和重級別碰撞，以主駕駛處模擬人員受力情況、緩沖裝置的破壞情況為觀察指標。

所獲數據方面，輕級別碰撞下，碳纖維組模擬人員受力為4.1千牛，緩沖裝置未破壞；中級別碰撞下，碳纖維組模擬人員受力為7.3千牛，緩沖裝置未破壞；重級別碰撞下，碳纖維組模擬人員受力為12.8千牛，緩沖裝置輕微破壞2.7%。鋼鐵材料組，輕級別碰撞下，模擬人員受力為4.8千牛，緩沖裝置未破壞；中級別碰撞下，模擬人員受力為8.6千牛，緩沖裝置未破壞；重級別碰撞下，碳纖維組模擬人員受力為14.2千牛，緩沖裝置輕微破壞4.2%。此外，研究人員又對碳纖維復合材料本身的性能進行了分析，結構上看，體積分數和外徑直接影響成品彈簧的性能，體積越大、外徑越大，彈簧的性能會越出色，泊松比和彈性模量也會影響成品彈簧的性能，但影響系數相對較小。后續工作中，相關部門應系統著手分析和研究，增加碳纖維復合材料的用量，設計合適的體積分數、外徑等，提升其應用價值和汽車行駛的安全性。

總結：通過分析漸變剛性彈簧和剛性位移在汽車安全中的應用，獲取了相關理論。我國機動車保有量超過4億，交通事故多發，剛性彈簧的作用在汽車安全中十分重要，相關研究從漸變剛性彈簧變化的規律以及仿生學剛性位移入手，明確了彈簧的作用，并提出基于安全性的假設，經過分析和實驗，了解了設計的可行性以及碳纖維復合材料的突出價值，可以作為后續相關工作的參考。

參考文獻：

[1]尹婷婷，鄧子辰，胡偉鵬.空間剛性桿-彈簧組合結構軌道、姿態耦合動力學分析[J].力學學報，2018，50（01）：87-98.

[2]趙聰，于洪潔.一種剛性桿-彈簧擺模型的混沌動力學行為研究[J].復雜系統與復雜性科學，2016，13（03）：97-102.