多米诺骨牌反效应在新车碰撞测试中的应用探讨
2018-06-01崔芹芹
崔芹芹
沧州巨擎汽车配件有限公司 河北省沧州市 062461
1 课题设计的背景简单介绍
本设计采用一种全新的抗冲击（防护）测试设计理念，将传统的被动冲击测试的结构，改变为，冲击动量自主消耗式能量测试的结构设计。
其设计原理，参考了“多米诺骨牌效应”的理论。
设计图中显示了“防护骨牌板”零件、以及“多米诺骨牌式汽车碰撞测试缓冲筒”的结构布置。
该设计可以使汽车碰撞测试筒，脱离原有试验标准质量为80吨的国际标准碰撞固定障碍物试验台。障碍物是非固定的，按照“多米诺骨牌效应”的理论设计的结构，获得全新的，轻质量的、安全的、可自行恢复的碰撞缓冲筒。
2 设计要点和课题的来源
2.1 对于汽车碰撞试验的一般认知
汽车碰撞试验是让汽车以50～64km/h的国际标准碰撞速度驶向质量为80吨的国际标准碰撞试验台。由于障碍物是固定的，所以碰撞使汽车的动量一下子变成零，其冲击力相当于≧100km/h左右的速度驶向非固定物体。试验车撞在实验台上，载着模拟乘客的崭新轿车眨眼间被撞的短了一大截。技术人员当即查看车辆受损情况，两侧安全气囊是否爆开？安全带是否发挥有效作用？前排挡风玻璃是否破碎？成员是否安全无损？四个车门是否能正常开启？……还要取出各种传感器，做进一步的处理，通过计算机得到碰撞实验的各项数据。以此多项检测数据进行碰撞安全标准进行1星到5星安全等级的评判。评判的标准遵循《C-NCAP》（中国汽车评价规程-2006）和《C-NCAP》（中国汽车评价规程管理规则-2012）执行。
2.2 对于汽车碰撞试验提出的问题
“标准碰撞试验采用质量为80吨的国际标准固定障碍物。
我们的认知是：（1）标准规定必须将汽车撞坏才能进行安全等级评判？
“其冲击力相当于≧100km/h左右的速度驶向非固定物体”。
（2）由于“标准碰撞试验台。障碍物是固定的”，将汽车撞坏才能进行安全等级评判是不得已而为之？
（3）我们的设想：有没有一种汽车碰撞试验的方法，在汽车碰撞不完全损坏的条件下进行汽车安全等级的评判？如果答案是肯定的，本设计“多米诺骨牌式汽车碰撞测试缓冲筒”就可以实现。
3 “多米诺骨牌式汽车碰撞测试缓冲筒”设计简单介绍：
3.1 简单阐述多米诺骨牌式碰撞测试缓冲筒的工作原理
多米诺效应的物理解析：
多米诺这种效应的物理原理：当骨牌竖着时，重心较高，倒下时重心下降，倒下过程之中，将其重力势能转化成动能，倒在第二张牌中，动能就转移到第二张牌上，第二张牌将第一张牌转移来的动能和自已倒下过程中由本身具有的重力势能转化来的动能之和，再传到第三张牌上……所以每张牌倒下的时候，具有的动能都比前一块牌大，因此速度一个比一个快，也就是说，依次推倒的能量一个比一个大。
多米诺骨牌效应： 英国的一位物理学家曾经制用了一组骨牌，共13张，第一张最小。长9.53mm，宽4.76mm，厚1.19mm，还不如小手指甲大.以后每张体扩大1.5倍，这个数据是按照一张骨牌倒下时能推倒一张1.5倍体积的古牌而选定的。最大的第13张长61mm，宽30.5mm，厚7.6mm，牌面大小接近于扑克牌，厚度相当于扑克牌的20倍.把这套骨牌按可以推到即可接触的适当间距排列好，轻轻推倒第一张，必然会波及到第13张，第13张骨牌倒下时释放的能量比第一张牌倒下时整整要扩大20多亿倍.因为多米诺骨牌效应的能量是按指数形式增长的.若推倒第一张骨牌要用0.024微焦耳，倒下的第13张骨牌释放的能量达到51焦耳。可见多米诺骨牌效应产生的能量的确令人瞠目。多米诺骨牌效应常指一系列的连锁反应，即“牵一发而动全身”。
3.2 判定汽车碰撞试验破坏的碰撞类型
碰撞基本分为三种类型：弹性碰撞、非弹性碰撞、完全非弹性碰撞；典型的碰撞为第一种，这是因为一般的简单的物理碰撞现象很难去判定是非弹性碰撞、完全非弹性碰撞，更重要的是弹性碰撞完全可以归结到弹性碰撞：Δp=0；ΔEk=0 {即系统的动量和动能均守恒}ΔEk为弹性碰撞所损失的最大动能。碰撞过程（时间极短，发生碰撞的物体构成的系统）视为动量守恒。（例如在原子核变系统理论中，其在衰变过程中、衰变前后两个粒子的动量守恒，结论就是原子核衰变时，动量守恒）
动量守恒是“汽车高速试验破坏性碰撞类型”的防护碰撞力的基本计算依据。
3.3 本设计采用了“多米诺骨牌效应效”的原理进行的汽车碰撞测试缓冲筒设计
本设计的要点在于采用了“多米诺式”环形、滚动摩擦、非固定障碍物碰撞缓冲板的结构设计。
4 本设计所采取的技术措施
（参考见《多米诺骨牌式碰撞试验检测缓冲筒结构示意图》）
这是一种全新型的应用多米诺骨牌效应原理，设计的汽车碰撞试验缓冲筒结构，其主要包括：（参考图2《多米诺式外缓冲骨牌板》和（图3《多米诺骨牌式碰撞试验检测缓冲筒结构示意图》）。
4.1 用于提供冲击防护的“防护骨牌板”
其中设计有支承轴（1）、轴承（2）、轴套（3）；支承轴套在轴套外，防护板（4），防护板焊接在轴套外，防护板可以围绕着支承轴自由转动、支承轴（6），焊接在另外两个轴承支座上（图中没有标示）、轴承（5）N个（设计为8个）、安装在支承轴（6）上、回力-张（推）力弹簧（7）设置为多组，可以保持防护骨牌板的静止的位置，同时指出，拉式回力-张力弹簧可以设置较大的负荷和适当的数量，作为防护骨牌板的抗冲击力的补充；缓冲弹簧组N组（8）、同时指出，缓冲弹簧组可以设置较大的负荷和适当的数量，作为防护骨牌缓冲板推动力的调节。
4.2 提供多米诺骨牌式碰撞试验测试缓冲筒设计模型
具体为将N个防护骨牌板（骨牌板的数量按照测试缓冲筒的直径尺寸设置；结构示意图中设计为18组外缓冲骨牌板）的支撑轴和轴承，安装在缓冲筒骨架的内环周上。安装的方式为顺时针方向，将防护骨牌板前端的N个（设计为8个）个轴承和缓冲弹簧组，放置在朝向缓冲筒的外径方向，并且要求前一个骨牌板叠压在下一个骨牌板的板面上，叠压的初始状态是，缓冲弹簧组高于滚动轴承，要求在缓冲弹簧组被压缩到其工作高度时，滚动轴承才能接触到前序的骨牌板；依次顺时针排列。
图1 多米诺骨牌效应效果图
图2 多米诺式外缓冲骨牌板
图3 多米诺骨牌式碰撞试验检测缓冲筒结构示意图
骨牌板外表面可以设置聚氯乙烯等抗磨和减少噪声的材料。
4.3 传动的原理
每一个骨牌板都可以围绕着各自的支承轴，在结构允许的自由度范围内基本上做到近似“无摩擦”功消耗的自由旋转。（在图示中没有表达的还有：转动中心设有2个向心轴承支承，可以将径向摩擦功消耗减少到最低；进一步为减少防护骨牌板的重力和重心对于转动轴心的弯矩产生的轴向压力带来的摩擦功消耗，可能会在支承轴的上、下端再各设置1个推力轴承；也可能将2个向心轴承，改为2个向心推力型轴承支承，来达到实现径向和轴向同时减少摩擦的传动）。
4.4 设计的张力弹簧的刚度要求大大的大于回力弹簧的刚度
这是因为在“多米诺式缓冲”在碰撞物质的质量较大时，如果设计不能完全满足碰撞要求，要求张力弹簧的推力多倍的大于拉力弹簧的拉力，起到提高缓冲能力的辅助作用。
4.5 另外值得注意的细节
缓冲弹簧组的着力点，设计的位置。从“多米诺骨牌式汽车碰撞测试缓冲筒”的结构布置图中可以看出，前一个缓冲骨牌板的缓冲弹簧组压在下一个缓冲骨牌板的靠近其转动轴心的距离设计的比较短。这样的设计是考虑到力的“杠杆传递”力矩-力臂的比例关系，要求满足汽车碰撞时冲击动量缓冲的要求。
5 关于“多米诺骨牌式汽车碰撞测试缓冲筒”在汽车碰撞测试中应用的可行性探讨
5.1 本设计的出处
本设计的理论依据是，根据崔芹芹发明创造名称：《多米诺式爆破防护仓》专利申请号和专利号：2017107077.8
该专利项目为以多米诺骨牌原理设计的具有“内缓冲防护多米诺骨牌板”的汽车离合器总成爆破强度测试的环形防爆仓。
5.2 本设计思路来源于将“内缓冲防护多米诺骨牌板”的设计改变为“外缓冲防护多米诺骨牌板”，以推荐“汽车碰撞试验测试”的冲击试验台采用。
5.3 关于应用于“汽车碰撞试验测试”的冲击试验台的想法是
首先“多米诺骨牌式汽车碰撞测试缓冲筒”，的结构属于“非固定障碍物”。汽车碰撞的标准是采用一次性破坏试验，那么能不能提出“非完全破坏性”的，小于时速50km/h的分类、分级的碰撞测试的安全标准？例如时速10～25km/h的碰撞测试。
换言之，能不能在不完全破坏性的碰撞测试结果中，推算出“50～64km/h”的碰撞评判结果？如果答案是肯定的，那么本设计“多米诺骨牌式汽车碰撞测试缓冲筒”就可以实现。
试想：多米诺骨牌式碰撞测试缓冲结构的特点是在汽车碰撞试验中可以在外多米诺缓冲防护骨牌板受到外来力的瞬间碰撞时，立即向圆心内收缩。如果在圆周内可以方便的设计有“测力传感器”，在汽车碰撞测试的过程中就可以实时地监控到汽车碰撞在每一个不同梯度的速度下的“冲击力和冲击动量”，以此就可以从数据上评判汽车在进行不同速度下的碰撞结果。
如果本设计方案是可行的，可以设想在汽车不完全碰撞损坏的条件下检测出汽车碰撞的安全性。所以我们认为该设计具有创新和很高的实际应用价值，一旦被采用将会对于汽车碰撞检测带来可观的经济效益。这主要是由于该设计在不完全损坏汽车的条件下检测到了汽车的安全系数。
