一种车辆滚珠式防碰撞装置的结构设计*

王海波 ， 董慧芳 ， 杨佳宾 ， 王冰艳 ， 王明鑫 ， 时光升 ， 胡 健

（巢湖学院机械工程学院，安徽 巢湖 238024）

0 引言

随着科学技术的飞速发展，汽车产业已成为我国重要的民生产业。它不仅在增加就业和促进经济增长方面发挥了巨大作用，而且对居民的出行便利作出了巨大贡献。据统计[1]，中国机动车市场趋于饱和状态，其保有量已经超过4亿辆，其中汽车保有量已超过3亿辆。与此同时，我国交通事故发生率也随之增高，而且一旦发生交通事故，驾驶员与乘客基本上非死即伤。发生交通事故的三大因素为车辆因素、道路环境因素以及驾驶员因素。交通事故大致可以分为争强好胜型、过度自信型、疲劳驾驶型、强行超车型以及违规型。车辆的制动性能与物理防护功能会直接影响行车安全性。车辆制动性能的好坏不仅取决于其刹车卡钳与刹车盘之间的摩擦，还与制动系统有关系。众所周知，随着轮胎与地面摩擦距离增加，其摩擦力逐渐减小，制动性能减弱，且轮胎抱死阶段车辆几乎丧失转向能力。为了保证车辆在进行紧急制动时，防止车轮抱死，保持前轮转向能力，在汽车上应用ABS（防抱死制动系统）。但ABS利弊共存，其在保证车辆的稳定性时，增加了车辆制动距离，从而变相提升了追尾的可能性。车辆碰撞就会造成车辆本身的一些重要零部件损伤或损毁，更换或维修极不方便，且需要消耗大量资金，同时还会影响车辆性能[2]。针对这些问题，课题组设计了一种车辆滚珠式防碰撞装置，减少车辆碰撞时对车辆本身的损伤。该装置还可以辅助制动系统，减少其制动滑行距离，从而在一定程度上降低交通事故的发生率。

1 车辆滚珠式防碰撞装置总体结构简介

课题组设计的车辆滚珠式防碰撞装置，通过滚珠惯性产生的速度检测车辆是否正在高速行驶时急刹，并采取相应的措施。装置的整体结构示意图如图1所示，其主要分为检测控制系统、减速系统和固定装置三部分。检测控制系统包括滚珠、电磁铁和电磁触动开关。其中，电磁触动开关为铁磁性材料，滚珠为导电非铁磁性材料。滚珠通过自身惯性可沿着滚珠轨道前进，嵌入电磁铁弹片，形成闭合回路。启动电磁铁，通过磁力可以拉下电磁触动开关，进行联动卡销的释放。减速系统包括联动卡销、弹簧、制动臂、制动块和防倒锁。联动卡销与制动臂紧密配合，通过弹簧收缩产生的拉力，可以拉动联动卡销，使其沿着联动卡销轨道滑动，带动制动臂绕装置盘体中轴旋转。固定装置包括底座、弹簧固定杆、防倒锁锁孔、滚珠轨道和联动卡销轨道。装置通过底座固定在车辆的底盘，弹簧固定杆与弹簧相连接，使其一端处于固定状态。在联动卡销移动到防倒锁锁孔位置时，防倒锁弹出，卡入防倒锁锁孔，可以起到固定联动卡销的作用。滚珠轨道和联动卡销轨道分别可以限制滚珠和联动卡销的运动。若高速行驶时检测出急刹，制动臂将自动绕装置盘体中轴旋转，其末端的高粗糙度硬橡胶制动块下落，通过与路面摩擦来减速制动；前端的防撞块抬起置于前后保险杠外侧，用于保护车辆，从而避免在紧急情况下驾驶员因紧张而忘记触发装置的情况。

图1 车辆滚珠式防碰撞装置整体结构示意图

2 车辆滚珠式防碰撞装置工作原理

该车辆滚珠式防碰撞装置主要由检测控制系统、减速系统和固定装置三部分组成[3]。装置设有两种状态：高速行驶急刹状态及在静止或正常行驶时状态[4]。在检测控制过程中，滚珠置于滚珠轨道底部，电磁触动开关处于伸出状态，通过其底面与装置壳体的配合和其下端的固定支撑杆与通孔孔壁的配合[5]，抵住联动卡销，使制动臂处于悬空状态，如图2（a）所示。若车辆在高速行驶状态下急刹，滚珠因自身惯性，仍以急刹前的速度向前运动，当滚珠相对动能足够大时，即相对于车辆，滚珠的相对速度足够快，滚珠便可以沿着倾斜滚珠轨道向上方运动，以至于触碰或嵌入两片电磁铁弹片。滚珠触碰或嵌入两片电磁铁弹片后，形成闭合回路，电磁铁被启动。通过电磁铁产生的磁力，将电磁触动开关拉下，进行联动卡销的释放。在滚珠轨道上端设有通孔，在电磁触动开关向下滑动时，其下端的支撑固定杆撞击滚珠，将其从两片电磁铁弹片之间脱离，再通过其自身重力进行滚珠的复位，从而为下一次的检测控制做好准备。联动卡销与制动臂紧密配合，弹簧一端与弹簧固定杆相连接，所以弹簧有固定不动的一端，给弹簧收缩提供基准和应力。在弹簧的收缩产生的拉力作用下，联动卡销沿着联动卡销轨道滑动。滑动过程中，因为联动卡销轨道与联动卡销端面处于相切状态，防倒锁弹出运动被阻挡，使其处于压缩状态。当联动卡销滑动到防倒锁锁孔位置时，防倒锁所受的阻碍消失，通过与联动卡销之间的弹簧复原伸长产生的推力，防倒锁弹出，卡入防倒锁锁孔，再通过与联动卡销的配合，将联动卡销紧固。此时，制动臂已经完成转动，如图2（b）所示，制动臂末端的制动块与地面处于充分接触状态。通过四个装置的同时运行，大大增加了摩擦所产生的阻力，辅助制动系统进行制动，减少车辆的制动距离。防撞块置于前后保险杠外侧，起到防护作用，减少被后车追尾和刮蹭造成的冲击和损失。

图2 制动臂状态

3 车辆滚珠式防碰撞装置部分设计

3.1 检测控制系统的设计

检测控制系统由滚珠、电磁铁和电磁触动开关组成。经过多次仿真实验，需要触动方式为自启动，在车辆高速行驶过程中，能让触动开关自启动的最简单、稳定的方法就是应用触动开关内部触动体自身的惯性。其应用方法如下：触动体先与装置保持静止，通过车辆的高速行驶，车辆、装置及触动体拥有相同的速度，即触动体获得初动能。当车辆紧急制动时，装置因与车辆连接，成为一个整体，因此装置的速度也急剧下降，但触动体处于自由状态。因为自身惯性及自身拥有的初动能，触动体将继续向前运动，直至动能为零。但考虑到触动体在应用自身惯性运动时不能因与外界轨道等物体接触，造成轨道堵塞或动能损耗过大，导致触动体速度过早降为零。因此，将触动体设计为滚珠。为防止在电磁铁通电工作时对滚珠产生磁吸力，进而导致滚珠不能完成复位；又要保证滚珠可以充当触动体，即滚珠需要拥有导电能力，所以滚珠采用了导电非铁磁性材料[6]。为装载电磁铁，在装置主轴上开出了方形平底槽，槽底与滚珠轨道连接处设有通孔。因此选用两块电磁铁[7]，且初始为零磁性，将两块电磁铁放置在通孔两侧，紧靠槽壁。电磁铁需要与槽配合，因此形状设计为除顶部端面外，其余面均为平面，顶部端面为曲面，且切面圆弧的圆心与装置主轴切面圆心为同一圆心。在电磁铁的磁力作用下，电磁触动开关需要能被磁力吸引，但又要防止其下端的支撑固定杆在撞击滚珠时触碰到电磁铁弹片，再次形成闭合回路，导致电磁触动开关不能复位。因此，电磁触动开关采用铁磁性金属，形状近似为以直角腰为底的直角梯形，上边长度等同于电磁触动开关处主轴壳体厚度，下边长度刚好达到能触碰到联动卡销轴线的条件，直角腰为与主轴同轴的曲面，底面需向外延伸以防止其脱落；其下端的支撑固定杆采用非导体硬质材料，形状为圆柱体，长度刚好实现在电磁触动开关底面接触电磁铁时能到达滚珠球心位置。

3.2 减速系统的设计

减速系统由联动卡销、弹簧、制动臂、制动块、防撞块和防倒锁构成。联动卡销需要承受极大的弯曲应力，因此采用抗弯能力较强的材料。为防止弹簧挂钩错位，使弹簧拉力与触动开关阻力不共线，出现联动卡销翻转现象，因此联动卡销两端均设有抓耳，如图3所示，卡入联动卡销轨道两侧的凹槽内。为防止联动卡销在随弹簧拉力滑动时因有棱角而卡在联动卡销轨道内，所以将联动卡销设计为圆柱状，两端开有阶梯孔，运用卯榫结构，将防倒锁锁头放入阶梯孔中，中间放小弹簧，组成防倒锁。防倒锁锁头形状为圆柱斜切体，并带有正方体底座。联动卡销起始位置处设有小型防倒锁锁孔，此锁孔用于联动卡销复位，为了使联动卡销顺利滑出此锁孔，同时又不能从防倒锁锁孔滑出，丧失制动时的防倒功能，将防倒锁锁头设计成圆柱斜切体。在联动卡销滑动过程中，防倒锁锁头始终保持缺口方向与滑动方向一致，为了防止其发生转动，添加正方体底座。联动卡销设有两处沟槽，用于弹簧的限位，弹簧用于提供拉动联动卡销的拉力，需要足够的弹力，因此选用高弹性的金属材料。制动臂与联动卡销配合，需要承受极大的扭转力，为了防止相对滑动，二者之间使用平键连接，其形状近似为“W”。制动块置于制动臂末端，制动块要在高速行驶车辆紧急制动时与地面摩擦，用以制动；防撞块置于车辆前后保险杠外侧，起到缓冲和保护作用。因此制动块由高粗糙度硬质橡胶材料制成，防撞块需选用橡胶材质[8]。制动块与防撞块均通过制动臂卡槽装配，再由紧固螺丝紧固[9]，磨损严重后可进行拆卸、更换。

图3 联动卡销

3.3 固定装置的设计

固定装置由底座、弹簧固定杆、防倒锁锁孔、滚珠轨道和联动卡销轨道构成。底座用于装置与车辆底盘的连接，在装置工作时，无论装置处于哪种工作状态，都会承受极大的拉力或推力，为使装置不被破坏，连接方式均使用螺栓连接[10]，底座选用高硬度且质量较轻的合金。其形状为倒“U”形，两侧边与装置连接，呈包围状，上边与车辆连接。弹簧固定杆两端呈阶梯状，与装置配合时，两端插入对应的孔槽内，使用冷装法装配；其全过程都承受着弯曲应力，需要使用抗弯能力强的材料[6]。防倒锁锁孔的作用在于，与防倒锁相互作用，固定联动卡销，防止其在制动过程中倒退。滚珠因摩擦产热会出现小幅度的体积增大情况。为避免在滚珠体积增大后，运动过程中，滚珠与滚珠轨道间空隙过小，空气流通困难，造成滚珠前进受阻，因此滚珠轨道设计为表面光滑的四棱柱轨道。联动卡销侧面设有沟槽，沟槽内同样设有沟槽，使用双重槽的设计，再与联动卡销的抓耳配合，能更好地限制联动卡销，防止其脱轨。

4 结语

课题组设计的车辆滚珠式防碰撞装置主要用于保护车辆及车内人员的安全，减少正常行车时车辆被后车追尾造成的冲击和损失。该装置结构合理、性能优良，可以通过滚珠惯性产生的速度检测车速，若检测出车辆处于急刹状态，其末端的高粗糙度硬橡胶制动块可以通过与路面摩擦来实现减速制动。车辆防碰撞系统对于行车安全有重要的现实意义，值得深入研究，因此课题组设计的这项装置具有非常广阔的发展和应用前景。