载货汽车后下部防护装置的研究

吴克绍 徐昭

摘 要：文章介绍了载货汽车车后下部防护装置的相关法规，分析了该装置的现状，进行了碰撞理论研究和相关力学分析，在此基础上，着重介绍了作者自主设计的载货汽车后下部防护装置的结构、工作原理、特点以及主要尺寸的设定方法。

关键词：载货汽车;后下部防护装置;轿车追尾

中图分类号：U463  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）05-96-03

Abstract： This paper introduces the relevant laws and regulations of the rear lower protective device of freight cars， analyzes the current situation of the device， studies the collision theory and relevant mechanical analysis， and on this basis， emphatically introduces the structure， working principle and main size setting method of the rear protective device of freight cars designed by the author himself .

Keywords： Truck; Rear guard; Rear end collision of car

1 引言

1.1 研究背景

由于轿车追尾钻入货车后下部而引发的交通事故及人员伤亡时有发生。在搜索引擎中输入“轿车钻入货车后下部”等相关字符，诸如“轿车‘钻裆拱进‘大货”、“轿车钻进货车后下部擠成面饼，司机尸体无法取出”等相关报道及图片惨不忍睹，令人痛心疾首，而就目前的汽车结构来看，完全无法防止此类事故的发生。

为此，研究防止轿车追尾钻入货车后下部装置，对减少轿车追尾货车交通事故，保障人民群众生命财产安全具有极为重要的现实意义。

1.2 货车后下部防护装置相关法规

针对轿车追尾货车造成的严重伤害，各国相继出台了相应的法规。美国交通安全管理局先后出台了FMVSS 223《车辆追尾碰撞防护装置》和FMVSS 224《车辆追尾碰撞保护》安全法规。随后欧盟各国出台了追尾货车后碰撞防护装置法规ECE R58。

我国最早颁布相关法规是1994年的GB11567.2-1994《汽车和挂车侧面及后下部防护装置要求》，2001年，又修订出台了GB11567.2-2001《汽车和挂车后下部防护要求》。我国的GB11567.2-2001的规定要求与ECE R58基本相同，所不同的是在ECE R58基础上增加了移动壁障追尾实验程序等。

国标GB11567.2-2001的详细要求主要包括形状要求、尺寸要求、安装位置要求和阻挡力的要求。其中阻挡力的要求的内容为：在静态载荷试验和动态载荷试验之后，安全装置的后下部以及车辆后端的纵向水平距离≤400mm。除了以上几点以外，对于安全装置的动态试验，规定：后防护装置可以变形或是开裂，但是绝对不允许装置脱落。移动壁障减速度小于40g时，反弹速度不能大于2m/s。

2 货车后下部防护装置现状

2.1 货车后下部防护装置概况

现有的货车后下部防护装置主要是设有一挡板，在实际碰撞过程中，大多无法起到应有的作用。其原因是碰撞的相容性均较低。目前，市场和已装车的挡板大多过于简陋，还有一部分挡板防护性能较强，但是货车在坡道上行驶时会减少其离去角，影响车辆的通过性能。

2.2 货车后下部防护装置研究方法

2.2.1 实车碰撞试验

货车后下部防护装置研究最早使用的是实车碰撞试验法，至今仍有许多相关研究采用该方法。根据国家规定，研制的汽车安全装置必须经过实车碰撞予以检验其安全性能是否符合国家标准要求。虽然实车碰撞试验优点很多，但是也存在试验周期长、成本高等缺点。

2.2.2 有限元分析法

计算机仿真可模拟完成一些实验，利用研究结果来对实际的参数进行优化。大部分仿真软件都是基于实车碰撞试验建立的模型库，因此，保证了试验的可靠性，减少了作业工作量，降低了实验成本，具有便捷、高效等优点，但与真实碰撞相比较，仍存在一定的误差。

3 碰撞理论研究

3.1 碰撞的相容性

碰撞的相容性是指挡板的防碰撞能力，即其减轻碰撞对车辆和人员的伤害能力。相容性越好，对车辆和人员的伤害就越低。

3.2 碰撞相容性三要素

汽车碰撞的相容性，与以下三点因素有关。

（1）质量。两车相碰时，质量小的一方相对来说更加危险。一方的质量越大，另一方人员与车辆受到的伤害的可能性就越大。在三要素中，质量对相容性的影响是最大的。

（2）结构刚度。结构刚度与货车后下部与轿车头部两者之间相容性有关。一碰撞发生时，若汽车的速度一定，则其变形量与车辆的结构刚度成反比，即结构刚度越大，变形量越小。

（3）车身的几何外形。车身的几何外形是指货车后下部、轿车前端的高度、离地间隙等。

3.3 货车后下部安全装置防钻效果分析

研究发现，货车后下部安全装置离地高度越高，轿车前端的变形就越大。当相对速度为55km/h发生追尾、且货车后下部的挡板离地高度为460 mm时，轿车前端的变形最大，说明此时货车与轿车碰撞的相容性最差;当货车后下部的挡板离地高度为380 mm时，轿车前端的变形最小，说明此时货车与轿车碰撞的相容性最好。

4 货车后下部安全装置力学分析

4.1 能量和动量守恒定理

4.1.1 能量守恒定理

轿车追尾货车后下部时两车相碰撞的部位均会发生塑性变形。在碰撞过程中，轿车的动能会在短时间内转换为声波、热能、声能及应变能等，为此，能量守恒定律可以应用于轿车追尾货车后下部碰撞的研究中。

4.1.2 动量守恒定理

动量守恒定理源于牛顿的第三定律。轿车追尾货车后下部碰撞中，轿车和货车会发生动量交换，碰撞前后的总动能相等。即动量守恒定理可应用于轿车追尾货车后下部碰撞的研究中。

4.2 汽车碰撞力学的特点

轿车追尾货车后下部碰撞过程可以分为碰撞开始、碰撞中、碰撞结束三个过程。两车的动量交换是发生在“碰撞中”这个过程;其过程中均要发生塑性变形、弹性变形。

通过对轿车追尾货车后下部碰撞的受力分析，可以得到以下结论：

（1）轿车追尾货车后下部碰撞过程动量交换时间十分短暂，一般为在0.1s-0.2s左右，并且与碰撞两车的刚度成反比，即刚度越大，碰撞过程越短。

（2）轿车追尾货车后下部碰撞过程中，减速度的大小与碰撞两车各自的质量成反比，即质量越大的汽车发生碰撞时减速度越小，乘客和车辆受到的伤害也就越小。

（3）两车碰撞的弹性变形和塑性变形通过挤压变形来抵消碰撞时的动能。通常用系数E代表车辆碰撞产生变形的情况。也就是碰撞部位恢复形变的能力，其范围一般为0-1之间。

5 货车后下部安全装置的设计

5.1 货车后下部安全装置结构设计

5.1.1 结构

为提高轿车追尾货车的相容性，克服现有货车在后下部加装拦板对离去角的影响，本文设计了一款安全可靠的防止轿车追尾钻入货车后下部装置。该装置不仅能够有效地防止轿车钻入货车后下部，而且在追尾时具有缓冲作用，同时在结构上较好地解决了因加装该装置而引起的货车离去角减小的问题。具体结构如图1所示。

在货车后下部车架2上固定一挡块3，挡块3上设有止推柱4。为了使摆臂10能与止推柱4可靠接触，止推柱4的自由端设计成斜面。止推柱4上分别装有连接弹簧（软弹簧）9和缓冲弹簧（硬弹簧）5，为了防止运动干涉，两者旋向相反。连接弹簧9的一端与挡块3固连，另一端与摆臂10固连;缓冲弹簧5的一端与挡块3固连，另一端处于自由状态。缓冲弹簧即吸能元件。摆臂10的一端铰接在车架2上，另一端固定一挡板8，挡板8即用来挡拦追尾的轿车。在摆臂10的两侧设有加强板7，在摆臂下端设有滚轮6。

5.1.2 工作原理

正常行驶时，摆臂10在连接弹簧9的牵制和缓冲弹簧5的推抵作用下处于稳定状态;当货车由下坡转入平地时，滚轮6触地托起摆臂10，增大离去角;当轿车追尾时，挡板8有效拦阻轿车防止其钻入货车后下部。碰撞时摆臂10先压缩缓冲弹簧5使轿车缓冲，当摆臂10接触到止推柱4时，由于摆臂10的弹性使轿车再次缓冲，并最终使轿车停车。

5.1.3 特点

本装置可以避免货车后面的轿车因追尾钻入货车后下部可能引发的交通事故，同时较好地解决了货车离去角问题，不影响货车的正常行驶。本实用新型结构简单、工作可靠、成本低廉，便于现有车辆的加装。

5.2 防钻撞装置主要尺寸设定

防护装置的尺寸主要包含安装尺寸、挡板截面尺寸、摆臂和吸能元件的形状尺寸。安装尺寸主要是车架的纵横间距以及距地间隙，这需要考虑货车车架的尺寸才能确定。挡板截面尺寸也就是对截面长宽高的设定。而防护装置的其他细节尺寸在国标GB11567.2-2001 中都有相关要求，仅需参照该标准设定即可。

5.2.1 挡板截面尺寸的确定

（1）挡板离地高度的设定。在GB1589-2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》中对载货车辆的最大横向宽度给出了明确的限制，要求最大值不能超过 2500mm。货车后防护装置的离地高度是防钻撞的关键参数，该值越小越有效，但是过小会影响车辆的离去角。为此，因设计采用摆臂加滚轮的方式解决了这一问题。轿车前保险杠离地高度一般位于350mm至500mm的范围之内。为此，我们将防护挡板的离地高度设为300mm，將防护挡板的高度尺寸设为150mm，则挡板上沿距地高度就为450mm，该值正好处于轿车前保险杆所处的300mm -500mm的范围。

（2）挡板尺寸的设定。将防护挡板长度设为2400mm，截面宽度为 80mm，高度为 150mm，厚度为 3mm。

5.2.2 弹簧的选择与受力分析

本装置根据设计结构需要选用压缩弹簧，用来缓冲轿车追尾时的冲击力。

冲击力F=kx（k为弹性系数，x为弹簧受力时压缩的长度）。根据碰撞特点，我们选择GB1222型弹簧，其材料为55CrMn。外弹簧直径选定为60mm，线径为8mm，内弹簧直径选定为400mm，线径为5mm，其力学性能见表1。

5.2.3 摆臂尺寸的确定

本文采用拓扑优化和自由尺寸优化相结合的形式对摆臂进行结构设计，其结构如图2所示。据此设计的摆臂的具体的尺寸为：1的直径为35mm，2的截面为120mm×100mm×60mm，3的截面为30mm×40mm，材料为低碳合金钢，材料的屈服强度为 235Mpa。

6 结语

本文针对目前货车后下部防护装置阻挡能力低、缓冲吸能弱和碰撞相容性较差等特点，根据能量守恒等定理，设计出一款新型具有吸能功能和防止减少离去角功能的后防护装置。并基于相关软件对本防护装置进行了结构设计。仿真实验证明，该防护装置对改善碰撞相容性和降低碰撞对乘员和车辆的伤害具有明显的作用。