东北地区通用运材车后下部防护装置的研究

瞿炳华 于建国

摘要 针对东北林区的特殊环境，在分析车辆追尾碰撞理论的基础上，探讨适用于东北地区运材车的后下部吸能防护装置要求。根据装置功能要求、耐低温材料要求、构件联接要求、安装要求、结构刚度要求和多级吸能要求提出采用摆杆曲柄连杆机构、扩胀管吸能、阻尼缸和橡胶金属螺旋复合弹簧相结合设计一款新型吸能防护装置。该装置能够有效避免钻撞并通过多级吸能减缓冲击。该设计经过有限元分析验证已达到了相关规定，为后下部防护装置的实际应用提供了试验数据理论根据。

关键词 东北地区；运材车；后下部防护装置；避免钻撞

中图分类号 S776.36+1 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2014）20-06869-03

近年来随着我国经济建设的发展，林材产品需求量增加，木材运输已经不再局限于林业伐区到林区贮木场之间，运材车也不再局限于传统的大型原木（原条）运输车。我国东北地区不仅担负着输出林木产品任务，而且担负着从俄罗斯托木斯克等地区战略进口林木的重任，其中公路运输是目前东北地区最常用的的运材方式。目前使用较多的是由汽车和半挂车组成的灵活性较高的通用型运材车。交通运输过程中运材车一旦发生追尾碰撞将发生重大的人员伤亡和经济损失。在交通事故中追尾事故的发生率高达46%，其中小型轿车和载重车辆追尾碰撞造成的人身安全威胁和经济损失比例最高，致死比例是轿车与其他车型碰撞致死的4倍[1] 。

考虑东北地区运材车的作业环境，该文从运材车后下部防护装置的性能要求出发，设计出适用于东北地区通用运材车的新型后下部吸能防护装置。该装置具有5大创新点，并满足GB11567.2—2001的标准，在追尾碰撞时可以通过多级吸能达到车辆的被动保护目的并基于有限元分析通过证验证[2]。

1 车辆追尾碰撞分析

车辆追尾碰撞分为正面碰撞追尾和偏追尾碰撞两类，如图1和图2所示。两种情况对后下部防护装置的防护要求略有不同，由于偏追尾碰撞沖击力的非均匀性造成后者对后下部防护装置的要求略高于前者。

图1 追尾钻撞现象

图2 偏追尾碰撞

小车追尾碰撞时，后下部防护装置既能够及时避免小车发生钻撞现象，又能最大限度地减轻碰撞对追尾车及载车人员的冲击损伤，并可有效避免碰撞反弹带来的二次冲击损伤。

从碰撞力学的角度来看，碰撞直接结果导致车辆运动状态改变和车辆变形。运动状态的改变是力对作用对象外效应的体现，变形式力的对作用对象内效应的表现。在追尾撞击前后小轿车、载重车辆构成一个力学系统，该系统没有外力的存在，遵守冲量守恒定理，即：

在追尾事故中，为了有效防止钻撞现象、碰撞后反弹，减少碰撞对追尾车及人员整体的损伤，载重汽车合理配置后下部吸能防护装置至关重要。然而我国相关法律还不完善，汽车生产商标准不一，导致车辆后下部吸能防护装置往往不能奏效。

2 东北地区运材车后下部吸能防护装置的工作要求

运材汽车一般由牵引车和半挂车或者挂车组成，目前国内还没有针对运材车后下部吸能防护装置的技术要求，尤其是对东北地区低寒地区作业的运材车。参照我国2001年制定的GB 11567.2-2001《汽车和挂车后下部防护要求》和美国标准（FMVSS 203和FMVSS 204），东北地区运材车后下部吸能防护装置须满足以下要求：

（1）装置功能要求。阻挡追尾车、避免钻撞，降低追尾碰撞对人身的伤害；吸能缓冲、提高车辆追尾碰撞的相容性，有效降低人身安全威胁和经济损失；高度自行调节，在一定范围内改变离去角提高车辆的通行性；适应低寒的工作环境[3-4]。

（2）装置材料低温要求。金属材料在-30 ℃以下时金属材料的冲击吸收能量明显下降并引起冷脆现象，金属材料的物理机械性能发生改变。常温下金属材料原子彼此结合疏松，具有一定的弹性，受力时通过变形可以吸收较多的冲击能量。在低温下金属原子结合紧密彼此弹性降低，受力时其吸收的冲击能量降低，金属材料呈现脆性，极易脆断[5]。东北地区冬季温度一般保持在-30 ℃左右，漠河地区高达-50 ℃，建议后下部吸能防护装置采用低合金铁素体钢，通过加入锰、镍等微量元素或者改变金属加工工艺改善材料的低温脆性，确保低寒地区车辆吸能防护装置的有效性并延长其使用寿命。

（3）装置构件联接要求。目前比较流通的运材汽车后下部防护装装置为采用焊接工艺的冲击梁结构，由于后下部防护装置构件材料和焊接材料、焊接工艺、后下部防护装置结构类型、适用环境要求等[6]不足造成气孔、未焊透、焊接裂缝、夹渣等缺陷，焊接交接处应力集中，使得焊接交接处收到冲击载荷时内部应力首先达到屈服极限而破裂，造成装置掉落而失效，或锡焊接构件在-45 ℃以下时易产生裂纹或碎成粉末状[7]，从接头的位置断裂。建议选用铰接、减少焊接点、改变装置结构减少焊接缺陷。

（4）装置安装要求。兼顾运材车在林区复杂路况的通行性和高速公路行驶的防护性，空载状态下车辆后下部防护装置下边缘离地高度在防护状态可调时离地高度小于450 mm[8-11]，后下部防护状态不可调时离地高度小于560 mm[12]；装置安装后不可随意移动，改变位置时外力最大值低于400 N；后下部防护装置的任一端最外缘与后轴车轮最外端的横向水平距离不大于100 mm，不得超出后轴宽度[13]。

（5）装置结构刚度要求。装置构件具有足够的刚度，避免追尾车发生钻撞现象，碰撞时后部吸能防护装置可以变形、开裂，但是不允许整体从货车连接处脱落[12]；但刚度过大会造成追尾车的碰撞反弹，给追尾车人员带来二次冲击伤害（图2）。所以应根据结构材料、尺寸、工作环境选择具有合适刚度的吸能防护装置。

（6）装置吸能要求。通过杆件弯曲变形、阻尼材料形变、吸能盒、扩胀管缓冲等形式改变传统冲击梁式后下部防护装置，实现多级双向吸能提高装置在碰撞后的缓冲能力，最大限度延迟冲击力的作用时间，降低冲击载荷达到减少碰撞对追尾车及人员的冲击伤害。

3 运材汽车后下部防护装置的改进

3.1 新型装置的基本组成

常见的运材车后下部防护装置由车架、支撑臂、横梁组成，结构为焊接，低温条件下极易脆断。它的吸能防护效果极差，在小轿车高速追尾运材车的瞬间基本失效，钻撞现象为此产生。在传统载重车后下部防护装置的基础上，结合曲柄连杆结构提出新型运材车后下部吸能防护装置的构想（图3）。

图3 新型吸能防护装置示意图

新型吸能防护装置以曲柄连杆机构为基础，其中连杆由二级吸能扩胀管组成。该装置利用扩胀管、阻尼弹簧（橡胶金属螺旋复合弹簧）、缓冲缸组成的四级吸能系统达到在避免钻撞的同时最大程度降低碰撞时的巨大冲力对追尾车人员及车辆的危害。

3.2 新型运材车后下部防护装置的创新点

3.2.1 吸能防护原理创新。冲击载荷经过防撞横梁直接传递到支撑臂（连杆）上，两者的运动受到阻尼弹簧、缓冲缸的约束和扩胀管的2级缓解。这反映在碰撞过程中就是吸能防护装置对冲击载荷的4级吸能缓冲作用，直接降低冲击力对人员的损伤。橡胶金属螺旋复合弹簧作为阻尼弹簧，具有阻尼减震效果好、与金属碰撞不产生火花的优点。扩胀管因具有稳定吸能的作用已被应用于碰撞波形发生器上。2011年吉林大学的张昕等首次将扩胀管应用于车辆后下部吸能防护装置上，经过验证其具有良好的吸能防护效果。缓冲缸里面的填充的阻尼材料采用玻璃纤维材料，具有弹性系数高、减震效果出色、价格便宜的特点。

3.2.2 通行性创新。装置结构推翻传统冲击梁的设计，采用可翻转结构加大离去角，避免后防护装置被卡住。由图3可知，当原始状态下的曲柄连杆结构的翻转角（a），在后下部防护装置非工作状态下时a=45°，曲柄连杆机构在阻尼弹簧的压力、缓冲缸的推力作用下保持平衡状态，此时防护装置的防撞横梁距离地面的垂直高度为400 mm，即安装高度为400 mm；工作状态下0

3.2.3 装置连接创新。传统冲击梁的焊接连接不适合在低寒的东北地区作业的运材车，该装置连接采用铰链接，避免了低温带来的焊接缺陷问题。

3.2.4 装置构件材料创新。由于材料造价和车辆运输重量限制常用于车辆后下部防护装置的材料大多为45钢、Q235。该装置金属材料选用低碳锰钢，Mn含量为0.6%～2%，C含量为0.05%～0.28%，利用脱氮除磷技术去除金属材料中的氮、磷等有害杂质，并适量加入钛、铝等金属元素细化晶粒，处理后的金属材料最低耐用温度为-60 ℃；对低碳锰钢进行冷作硬化处理，通过预加材料塑性变形使材料弹性极限提高，增加材料在弹性阶段的承载能力；采用退火工艺消除冷作硬化后的脆性缺陷。

3.2.5 装置构件截面创新。一般后下部防护装置采用方形梁，其截面为矩形或者正方形。兼并优化汽车重量和造价，该装置的防撞横梁采用工字钢、支撑臂采用空心轴。杆件在受到外力时共有4种基本形式的变形：轴向拉伸（轴向压缩）、剪切、弯曲、扭转。后下部吸能防护装置在追尾碰撞时主要承担冲击载荷的是支撑臂和防撞横梁，其受力后的变形是4种基本变形的组合，但装置的横梁主要受剪力和弯矩、支撑臂受到的主要是轴向压缩。构件截面的创新表现为4项微观方面，即构件伸长率、抗压截面系数、抗扭截面系数、抗弯截面系数提高。

伸长率是衡量杆件变性能力的重要指标之一，变形能力大小与装置吸能缓冲的效果成正比。同一尺寸的材料做成的构件在同一外力作用下的伸长率与杆件的横截面积成反比。新型吸能防护装置的支撑臂采用的空心轴，假设空心轴的宽度等于传统方形梁的宽，则空心轴的横截面积远远小于后者，空心轴的伸长率大于后者。在追尾碰撞时杆件吸能变形越多，对冲击载荷的缓冲效果越大。

为了保证杆件的足够的刚度、强度、稳定性，杆件的最大应力应小于许用应力值，即要求杆件抗压截面系数、抗扭截面系数、抗弯截面系数越大越好。碰撞时首当其冲的是防撞横梁，它的刚度、强度等要求较高，该装置采用工型钢，同比一横截面积的矩形钢、圆形钢、T型钢等它的抗压截面系数、抗扭截面系数、抗弯截面系数最大，刚度和强度较好。

3.3 CATIA建模 根据GB11567.1-2001要求利用CATIA建模，取支撑臂壁厚2 mm，防撞横梁壁厚2 mm、车架横梁壁厚6 mm、曲柄壁厚为8 mm。然后基于ANSYS对移动壁障碰撞动态试验进行有限元分析；分析结果如图4、5所示。在32 km/h速度下该装置在碰撞变形中扩胀管（支撑臂）最大吸能量为12.40 kJ，防撞横梁最大吸能量为14.97 kJ，因此，装置具有良好的吸能防护效果。

4 结论

根据东北地区运材半挂车的作业要求，参照我国2001年制定的GB 11567.2-2001《汽车和挂车后下部防护要求》和美国标准（FMVSS 203和FMVSS 204），对比传统车辆后下部防护装置提出了东北地区通用运材车的新型后下部吸能防护装置。该装置在吸能防护原理、结构联结、材料选用、交通通行性等方面实现了创新。对由橡胶金属螺旋復合弹簧、曲柄连杆机构、阻尼缸、扩胀管组成的新型吸能防护装置进行有限元分析后发现该装置具有良好的吸能防护效果，满足相关规定。