專利名稱：汽車安全保護(hù)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種汽車碰撞時(shí)可以保護(hù)人車安全的裝置。
背景技術(shù)：
時(shí)至今日，汽車已成為人類生活中不可或缺的一部分，然而，在人們盡情地享受著汽車帶來(lái)的舒適和便捷的同時(shí)，卻又不得不一次又一次地品嘗因它而帶來(lái)的苦果-道路交通事故所造成的生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。全世界每年因城市道路交通事故造成的經(jīng)濟(jì)損失和死亡人數(shù)是很驚人的。我國(guó)是車禍?zhǔn)鹿暑l發(fā)國(guó)之一，據(jù)2001年統(tǒng)計(jì)，全年共發(fā)生交通事故755000起，死亡106000人，直接經(jīng)濟(jì)損失30多億人民幣。
在眾多的交通肇事中，有很大一部分是由于汽車碰撞(汽車與汽車、汽車與其它物體相撞)引發(fā)的事故，這種事故造成的后果往往都很嚴(yán)重。這是因?yàn)?，現(xiàn)有的汽車安全防護(hù)裝置是保險(xiǎn)杠，以保險(xiǎn)杠進(jìn)行防護(hù)的目的在于“以硬對(duì)硬”，即以保險(xiǎn)杠的堅(jiān)固性來(lái)對(duì)抗碰撞時(shí)的沖擊力來(lái)保護(hù)人車安全。但實(shí)踐證明，在沖擊力較大時(shí)，車體突然發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)會(huì)極大的損害人體健康，并且保險(xiǎn)杠的強(qiáng)度也難以承受汽車碰撞時(shí)產(chǎn)生的巨大瞬時(shí)沖擊力，因而常常發(fā)生車毀人亡的慘劇。多年來(lái)，人們都在尋求一種新的、更加可靠的保險(xiǎn)裝置，就是如何能象防彈衣一樣“以柔克剛”，讓它吸收掉絕大部分乃至全部的碰撞能量，以它的毀損換來(lái)人車的安全，但目前為止并沒有這種理想的裝置出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有汽車保護(hù)裝置“以硬對(duì)硬”的方式存在著在沖擊力較大時(shí)不能有效保護(hù)人車安全的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種能夠“以柔克剛”的吸收汽車碰撞時(shí)產(chǎn)生的巨大沖擊力從而保護(hù)人車安全的保護(hù)裝置。汽車安全保護(hù)裝置，它是由若干個(gè)圓環(huán)1連接而成。本發(fā)明所述安全保護(hù)裝置的諸多圓環(huán)能夠完全吸收汽車碰撞時(shí)所產(chǎn)生的巨大沖擊力，從而保護(hù)人車安全，該裝置性能可靠，確能達(dá)到保證人車安全的目的；同時(shí)由于所述裝置是由圓環(huán)連接而成，因此重量輕，安裝該裝置后對(duì)車輛載荷與重心不會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)，本發(fā)明所述裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制作，可規(guī)模化生產(chǎn)，成本低廉，其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益是非常巨大的，因此利于推廣應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明所述裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圓環(huán)受力方向示意圖，圖3是圓環(huán)1的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一參照?qǐng)D1、圖3，本實(shí)施方式提供的安全保護(hù)裝置是由若干個(gè)圓環(huán)1連接而成，相鄰兩個(gè)圓環(huán)1之間采用粘結(jié)方式連接，也可以采用其他方式進(jìn)行連接固定。所述圓環(huán)以塑性較好的金屬材料制成，相鄰圓環(huán)之間按長(zhǎng)度方向、寬度方向及高度方向進(jìn)行排列設(shè)置，在汽車發(fā)生碰撞時(shí)諸多塑性較好的圓環(huán)會(huì)發(fā)生變形，在大量的圓環(huán)變形過(guò)程中即可吸收碰撞時(shí)產(chǎn)生的沖擊力，從而保護(hù)人車的安全。實(shí)際使用過(guò)程中可以根據(jù)車體的需要選擇各種塑性較好的材料制成不同厚度、直徑和高度的圓環(huán)。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式所述圓環(huán)1采用60Si2Mn彈簧鋼制造而成，制成的圓環(huán)1壁厚t在0.5～5mm，內(nèi)徑D在0.5～5cm，圓環(huán)的高H在1～3mm之間，將所得圓環(huán)1通過(guò)翻砂緊密連接成為長(zhǎng)1.2m，寬0.24m，高0.008m的汽車安全保護(hù)裝置固定在貨車的前端和后端，該裝置可以有效保護(hù)貨車碰撞時(shí)車體及車內(nèi)人員的安全。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式所述圓環(huán)1采用60Si2MnA彈簧鋼制備而成，制成的圓環(huán)1壁厚t為0.7mm，內(nèi)徑D在4cm，圓環(huán)的高H在1.5mm，將所得圓環(huán)1通過(guò)膠接進(jìn)行緊密粘結(jié)成為長(zhǎng)1.2m，寬0.2m，高0.01m的汽車安全保護(hù)裝置固定在轎車的前端和后端，實(shí)驗(yàn)證明，該裝置可以有效保護(hù)轎車碰撞時(shí)車體及車內(nèi)人員的安全。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式所述圓環(huán)1采用55CrMnA彈簧鋼制備而成，制成的圓環(huán)1壁厚t為1.0mm，內(nèi)徑D在1cm，圓環(huán)的高H在1.0mm，將所得圓環(huán)1通過(guò)膠接進(jìn)行緊密粘結(jié)成為長(zhǎng)1.2m，寬0.2m，高0.01m的汽車安全保護(hù)裝置固定在轎車的前端和后端，實(shí)驗(yàn)證明，該裝置可以有效保護(hù)轎車碰撞時(shí)車體及車內(nèi)人員的安全。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式所述圓環(huán)1分別采用65Mn和60Si2CrVA彈簧鋼制成壁厚t為1.5mm，內(nèi)徑D為1cm，圓環(huán)的高H為1mm的圓環(huán)，將用所述兩種材料制成的圓環(huán)按1∶1的比例混合使用，采用不相同材料制成的圓環(huán)相鄰設(shè)置并用翻砂緊密連接成為長(zhǎng)1.5m，寬0.24m，高0.008m的汽車安全保護(hù)裝置，將所得裝置固定在貨車的前端和后端，該裝置可以有效保護(hù)貨車碰撞時(shí)車體及車內(nèi)人員的安全。
下面是本發(fā)明所述汽車安全保護(hù)裝置使用時(shí)的安全性計(jì)算。
一、初步計(jì)算一個(gè)半徑為R的圓環(huán)，在徑向集中載荷P的作用下，可以圍繞四個(gè)塑性鉸2壓垮，參照?qǐng)D2，此過(guò)程遵循如下規(guī)律Po＝4Mo/R(1)Mo＝бot2/4 (2)P＝Po/[1+2δ/D-(δ/D)2]1/2(3)其中，Po為圓環(huán)的初始?jí)嚎遢d荷；Mo為單位長(zhǎng)度的塑性彎矩，t為圓環(huán)的壁厚，бo為一維屈服應(yīng)力。
如能找到一種適當(dāng)?shù)膱A環(huán)并把它們組裝在一起，那么當(dāng)車輛發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞力將把這些圓環(huán)壓垮，使汽車失去前沖的能量而停下來(lái)，從而達(dá)到保護(hù)人車的目的。
現(xiàn)選擇由65Mn型和60Si2CrVA型彈簧鋼制作一種直徑為2cm、壁厚和高各為1mm的圓環(huán)，兩種材料的屈服強(qiáng)度бs值分別是80kgf/mm2和170kgf/mm2，將其取作бo值，代入(2)式分別為65Mn型Mo＝80×1/4＝20(kgf)60Si2CrVA型Mo＝170×1/4＝42.5(kgf)再將所得數(shù)值代入(1)式，分別為65Mn型Po＝4×20/10＝8(kgf)60Si2CrVA型Po＝4×42.5/10＝17(kgf)以上為兩種不同材質(zhì)圓環(huán)的初始?jí)嚎遢d荷。若選取半徑R為1.0mm、圓環(huán)不同數(shù)值的壁厚t代入以上公式進(jìn)行計(jì)算，則可得出不同的Po值，現(xiàn)將其列表如下表1 兩種材質(zhì)與不同壁厚數(shù)值的Po值

將表1中某一種(或幾種)圓環(huán)水平緊密排列若干層，層與層間亦緊密相接，使其成為具有一定體積的陣列便得到本發(fā)明所述的汽車安全保護(hù)裝置。將此保護(hù)裝置固定于汽車大梁兩端，當(dāng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，位于保護(hù)裝置前后兩面的圓環(huán)將因最先受到?jīng)_擊而毀壞，接著，沖擊力被傳至第二排，第三排……直至汽車的沖力被耗盡而最終停下來(lái)。
此種保護(hù)裝置能否完全吸收車輛碰撞時(shí)的沖力？其吸收的大概過(guò)程是怎樣的？下面我們通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算予以說(shuō)明。
二、抗碰撞沖擊的描述由運(yùn)動(dòng)學(xué)知，描述勻變速運(yùn)動(dòng)的三個(gè)普遍公式之一有Vt2-Vo2＝2as (5)其中，V＝t是物體的末速度；Vo是物體的初速度；a是物體的加速度；s是以加速度a進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的物體走過(guò)的距離。
對(duì)于汽車碰撞而言，a＜0，Vt＝0，s為圓環(huán)保險(xiǎn)杠的水平縱向?qū)挾?。假若圓環(huán)保險(xiǎn)杠迫使汽車產(chǎn)生的a(a＜O，以-a表示)滿足下面算式-Vo2≥-2as(6)或Vo2≤2as (7)則此保險(xiǎn)杠即符合安全要求。
下面我們通過(guò)算式(3)，并舉例來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。
在算式(3)中P＝Po/[1+2δ/D-(δ/D)2]1/2，其中，δ為圓環(huán)直徑被壓縮的長(zhǎng)度；D為圓環(huán)的直徑。
在圓環(huán)即將被壓縮的瞬間，即δ＝0時(shí)，上式分母為1，則P＝Po，說(shuō)明圓環(huán)開始被壓縮變形時(shí)受力最大，此力即為“初始?jí)嚎遢d荷”。當(dāng)δ＝D，即圓環(huán)被完全壓垮，已成為一“線”時(shí)，上式分母等于 此時(shí)，P＝0.71Po，作用力P值最小。
從中可以看出，圓環(huán)受壓變形直至徹底毀壞，是一個(gè)連續(xù)不斷的受力過(guò)程，其所受的壓力P，是從Po到0.71Po不斷變化的。在這一過(guò)程中，圓環(huán)所受的全部外力，就是從Po到0.7lPo所有力的總和。采用適當(dāng)方法，確定一些有代表性的“節(jié)點(diǎn)”，求出各點(diǎn)上的力并將它們相加，這樣，我們即可求出一個(gè)環(huán)乃至保險(xiǎn)杠上全部環(huán)所受的外力，此外力亦即保險(xiǎn)杠對(duì)汽車的反作用力。
在敘述具體做法之前，為方便起見，我們先對(duì)公式(3)做一簡(jiǎn)單假設(shè)，令[1+2δ/D-(δ/D)2]1/2＝X，則1/1+2δD-(δD)2=1X,]]>即P=1XPo]]>因?yàn)?3)式表達(dá)了δ值與P間的關(guān)系，故我們選取不同的δ值并求出相應(yīng)的P值?？紤]圓環(huán)的直徑D較小，因此，我們所取的δ值亦應(yīng)較小。統(tǒng)計(jì)表明，δ值選在小數(shù)點(diǎn)后1位較為適合。若選至小數(shù)點(diǎn)后2位，不僅選點(diǎn)密度過(guò)大，而且其絕大部分的X值均與選取小數(shù)點(diǎn)后一位者相同，對(duì)于少數(shù)X值不同者，其1/X值僅差0.01，二者的P值相差一般不超過(guò)1kg，此數(shù)值對(duì)本技術(shù)方案無(wú)意義。
現(xiàn)將δ值以0.1為間矩、數(shù)值從0.1至20.0之間所對(duì)應(yīng)的1/X值列表如下表2 δ值各“節(jié)點(diǎn)”的1/X值

總計(jì)1/X＝156.98下面進(jìn)行可行性證明。
A.設(shè)有兩輛質(zhì)量各為12t的貨車，均以90km/h(25m/s)的速度相對(duì)行駛并發(fā)生碰撞，試看圓環(huán)保險(xiǎn)杠能否吸收沖擊力，確保人車安全。
取Po＝18kgf的圓環(huán)組成長(zhǎng)1.2m，寬0.24m，高0.008m的保護(hù)裝置。則此保護(hù)裝置共有圓環(huán)5760個(gè)。
依據(jù)公式，保險(xiǎn)杠所受的全部沖擊力，亦即保險(xiǎn)杠對(duì)汽車的阻滯力P＝18×156.98×5760＝16275.69(tf)兩車的合計(jì)質(zhì)量為24t，相對(duì)速度為50m/s。
由牛頓第二定律有F＝ma，a＝F/m
其中，F(xiàn)＝P·9.8(m/s2)＝16275.69×9.8＝159501.76(N)所以，＝159501.76/24＝6645.91m/s2代入公式(5)，此時(shí)Vt＝0，S＝0.24，Vo＝50m/s，則2as＝6645.91×0.48＝3190(m2/s2)2as=56.5(m/s)]]>2as>V0]]>可見，此保護(hù)裝置符合安全要求。
對(duì)于轎車，亦存在類似情況。
B.設(shè)有各以120km/h速度運(yùn)動(dòng)的兩輛轎車發(fā)生碰撞，兩輛車的質(zhì)量共為6t，試看該保護(hù)裝置的防護(hù)作用如何。
兩車相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度為240km/h，即66.67m/s。
取Po＝8kgf圓環(huán)，令保護(hù)裝置的長(zhǎng)、寬、高各為1.2m，0.2m，0.01m，則其中共有圓環(huán)6000個(gè)。
類似前例，P＝8×156.98×6000＝7535.04(tf)a＝7535.04×9.8/6＝12307.23(m/s2)2as＝12307.23×0.4＝4922.89(m2/s2)2as=70.16>66.67]]>此保護(hù)裝置完全可吸收沖擊力，起到保護(hù)人車的作用。
三、汽車大梁安全的數(shù)學(xué)證明在車輛碰撞時(shí)，能夠確保汽車大梁的安全，是對(duì)本發(fā)明所述保護(hù)裝置可靠性的重要要求之一。下面我們要對(duì)此問(wèn)題給出證明。
在進(jìn)行數(shù)學(xué)論證之前，我們先做一定性分析。
從表一的統(tǒng)計(jì)中我們可以看出如下問(wèn)題1.圓環(huán)被壓垮不是瞬間的事，而是力連續(xù)不斷作用的結(jié)果；2.作用力開始時(shí)最大，隨著圓環(huán)直徑的不斷被壓縮，作用力逐漸變??；3.實(shí)際上，圓環(huán)受力后要產(chǎn)生彈性形變，外層圓環(huán)向后面?zhèn)鬟f的力已大為減??；后面各層圓環(huán)接受前面的傳遞力后，亦將發(fā)生彈性形變，也就是說(shuō)，最終傳至汽車大梁處的力是極其有限的。
不考慮圓環(huán)的兩種形變對(duì)外力的吸收，假定最大力Po的作用被全部傳至大梁，讓我們看看對(duì)大梁的安全有無(wú)影響。
一般制作大梁的鋼材為低合金結(jié)構(gòu)鋼中16Mn號(hào)鋼材，其屈服強(qiáng)度бs為343N/mm2，等于35kgf/mm2。兩根槽鋼大梁的截面積是2049.6mm2。
前例中，貨車保護(hù)裝置的尺寸為1.2m×0.24m×0.008m，則保護(hù)裝置的最前排和最后排各有圓環(huán)480個(gè)，這些圓環(huán)所受最大作用力為P＝18×480×2＝17280(kgf)設(shè)其全部加于梁的前端，則梁截面所受壓強(qiáng)T＝17280/2049.6＝8.44(kgf/mm2)可以看出所得數(shù)值T遠(yuǎn)小于35kgf/mm2。同樣，我們可證明轎車大梁的安全。
必須強(qiáng)調(diào)，此處引用的бs值，是指垂直作用于大梁的力使大梁產(chǎn)生的屈服強(qiáng)度，而非前面所說(shuō)的水平作用力。眾所周知，“立木頂千斤”。水平作用于梁前端的力造成梁的бs值，比我們所引用的бs要大得多。
權(quán)利要求
1.一種汽車安全保護(hù)裝置，其特征在于它是由若干個(gè)圓環(huán)(1)連接而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的汽車安全保護(hù)裝置，其特征在于所述圓環(huán)(1)按長(zhǎng)度方向、寬度方向及高度方向排列設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的汽車安全保護(hù)裝置，其特征在于所述圓環(huán)(1)由彈簧鋼制備而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的汽車安全保護(hù)裝置，其特征在于所述彈簧鋼為65Mn型或60Si2CrVA型彈簧鋼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的汽車安全保護(hù)裝置，其特征在于所述圓環(huán)(1)的壁厚(t)為0.5～5mm，內(nèi)徑(D)為0.5～5cm，圓環(huán)的高(H)為1～3mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的汽車安全保護(hù)裝置，其特征在于所述圓環(huán)(1)的壁厚(t)為1mm，內(nèi)徑(D)為1cm，圓環(huán)的高(H)為1mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的汽車安全保護(hù)裝置，其特征在于相鄰兩個(gè)圓環(huán)(1)之間采用粘結(jié)或通過(guò)翻砂進(jìn)行連接。
全文摘要
汽車安全保護(hù)裝置，涉及一種汽車碰撞時(shí)可以保護(hù)人車安全的裝置?，F(xiàn)有汽車保護(hù)裝置“以硬對(duì)硬”的方式存在著在沖擊力較大時(shí)不能有效保護(hù)人車安全的問(wèn)題。汽車安全保護(hù)裝置，它是由若干個(gè)圓環(huán)(1)連接而成。本發(fā)明所述安全保護(hù)裝置的諸多圓環(huán)能夠完全吸收汽車碰撞時(shí)所產(chǎn)生的巨大沖擊力，從而保護(hù)人車安全，該裝置性能可靠，確能達(dá)到保證人車安全的目的；同時(shí)由于所述裝置是由圓環(huán)連接而成，因此重量輕，安裝該裝置后對(duì)車輛載荷與重心不會(huì)產(chǎn)生影響。同時(shí)，本發(fā)明所述裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制作，可規(guī)?；a(chǎn)，成本低廉，其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益是非常巨大的，因此利于推廣應(yīng)用。
文檔編號(hào)F16F1/04GK1837637SQ20061000983
公開日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2006年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月20日
發(fā)明者宋連貴 申請(qǐng)人:宋連貴