畢業(yè)設(shè)計-小型被動防撞裝置的研究與開發(fā)

山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文PAGE40摘要進(jìn)入21世紀(jì)以后，車輛安全性越來越受到人們的重視，成為人們購車時考慮的最重要因素之一。EuroNCAP第二階段對汽車安全性提出了更加苛刻的要求，C-NCAP也將增加新的測試項目，這對汽車的安全性設(shè)計提出了更大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)在的汽車主要是在汽車的前縱梁安裝了吸能部件，這就使得滿足碰撞法規(guī)要求的車型，在追尾碰撞時，由于沒有緩沖裝置乘員仍然存在較大的傷亡危險。而且在汽車后部有較大的安裝空間，因此在汽車后部安裝緩沖吸能裝置是值得研究的問題。本文提出了通過在車輛的后縱梁中間兩側(cè)安裝兩套活塞復(fù)位式液壓緩沖吸能裝置，利用吸能裝置中的節(jié)能小孔在碰撞過程中來達(dá)到吸收能量的效果。論文的研究表明，該碰撞緩沖吸能裝置能夠有效的完成自由伸縮。在高速追尾碰撞下，該碰撞緩沖吸能裝置能有效吸收碰撞過程中的能量，減少對被碰撞汽車的沖擊，從而達(dá)到對車內(nèi)乘員更好的保護(hù)效果。關(guān)鍵詞：追尾碰撞安全性；活塞復(fù)位式；節(jié)能小孔；緩沖吸能裝置

AbstractSinceenteringthe21thcentury,peoplepaymoreandmoreattentiontothevehiclesafetyandtreatthesafetyperformanceasoneofthemajorfactorswhentheypurchaseacar.EuroNCAPhasbroughtforwardmorestrictstandardsduringitssecondstageandC-NCAPwilladdnewtestitems,sothevehiclesafetytechnologywillfacemorechallengeinfuture.Butalsointherearofthecarthereisalargeinstallationspace,installabufferenergyabsorptiondeviceintherearofthecarisworthyofstudy.Inthispaper,twosetsofpistonresethydraulicbufferandenergyabsorptiondevicearedesigned,whichareinstalledinthemiddleofbothsidesofthevehicle.Theholeisusedintheenergy-absorbingdeviceinthecollisionenergytoachievetheeffectofenergyabsorption.Thesisshowsthattheimpactbufferenergyabsorptiondevicecaneffectivelycompletethefreeexpansion.Underthehigh-speedrear-endcollision,thecollisionenergy-absorbingcushiondevicecaneffectivelyabsorbcollisionenergyandreducetheimpactbythecollisionofthevehicle,soastoachievebetterprotectionforvehicleoccupantseffect.Keywords:rear-endcrashsafety;pistonresettype;energyholes;bufferAbsorptionEquipment

目錄TOC\o"1-3"\h\u32128摘要 I14358Abstract II174981緒論 162491.1汽車碰撞中的乘員損傷機理及安全車身結(jié)構(gòu) 1273511.2國內(nèi)外汽車緩沖吸能裝置的現(xiàn)狀 472141.2.1國外汽車碰撞緩沖吸能結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀 443421.2.2國內(nèi)汽車碰撞緩沖吸能結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀 5205181.3本課題主要任務(wù)及其難點 7210381.3.1課題的主要任務(wù) 712141.3.2課題的難點 873592典型前碰撞緩沖吸能結(jié)構(gòu)的研究 10308772.1薄壁構(gòu)件吸能 1083382.2波紋管吸能 11165012.3填充材料吸能 13312892.4液壓緩沖吸能 1478262.4.1節(jié)流孔式液壓緩沖器 1489082.4.2被動式液壓緩沖器 15204162.5彈簧緩沖吸能 17132282.6分解緩沖撞擊力的緩沖裝置 18165102.7分解緩沖撞擊力的緩沖裝置 18177883方案的確定 19298413.1初始方案的設(shè)計 19112203.1.1利用氮氣壓縮產(chǎn)熱吸能裝置 19318653.1.2利用環(huán)形緩沖縫隙吸能 2070203.1.3小結(jié) 22285103.2改進(jìn)后的方案 23304264方案中各個零件的結(jié)構(gòu)計算 25218534.1已知的緩沖器工作條件 2577104.2各零件的直徑計算 2534364.2.1缸套直徑計算 25162594.2.2缸體直徑計算 26212894.2.3活塞缸直徑計算 27237194.3各零件的底面厚度計算 2832404.4理想節(jié)流孔的面積的推導(dǎo) 286754.6復(fù)位彈簧的計算 316754.7方案的三維圖 3732645總結(jié)與展望 3558005.1總結(jié) 35314625.2緩沖器設(shè)計中的關(guān)鍵問題 3662105.2.1節(jié)流孔設(shè)計及相關(guān)計算參數(shù)的確定 36128275.2.2蓄能器的設(shè)計 37241205.3未來展望 3716022參考文獻(xiàn) 3716022致謝 4216022附錄 43山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文1緒論隨著汽車擁有量的不斷增加和汽車行駛速度的日益提高，汽車交通事故幾乎不可避免。這對駕駛員、乘員、行人及其它交通參與者的健康和生命安全都造成了很大的威脅和傷害。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，自20世紀(jì)50年代以來，全世界喪生于車禍的人數(shù)已經(jīng)超過了2000萬人，目前全世界每年死于車禍的人數(shù)達(dá)到100萬人之多，傷殘人數(shù)達(dá)數(shù)千萬。在我國，每年因車禍致死的人數(shù)己連續(xù)3年超過10萬人(相當(dāng)于甲均每5min就有1人死于車禍)，致傷者每年有數(shù)百萬人之多，每年直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)30多億元。交通事故不僅造成大量人員傷亡和巨額的經(jīng)濟(jì)損失，而且導(dǎo)致了諸多社會問題。一次，汽車的安全性越來越受到人們的關(guān)注。圖1.1發(fā)生交通事故的慘劇1.1汽車碰撞中的乘員損傷機理及安全車身結(jié)構(gòu)汽車碰撞過程中，如何對司機和乘員進(jìn)行有效的保護(hù)，盡量減少其所受傷害，是汽車被動安全研究的主要內(nèi)容。汽車發(fā)生碰撞事故時，通常將車輛與外部事物之間的碰撞稱為“一次碰撞”，而人體與車內(nèi)部件的碰撞稱為“二次碰撞”。汽車碰撞造成的人體損傷類型主要有機械損傷、生物損傷和心理傷害。機械損傷指人體在外界直接碰撞載荷作用下產(chǎn)生的內(nèi)傷和外傷，如骨折和皮肉撕裂等，即外載荷的強度超過了人體骨骼或肌肉組織的承受極限所致；生物損傷指在碰撞導(dǎo)致的加速度作用下人體某些部位如大腦產(chǎn)生的生物功能損傷；心理損傷指碰撞過程對人的心理造成的驚慌和恐懼感等。司乘人員在碰撞過程中受到損傷的主要原因可歸納為以下四點：1）一次碰撞過程過分劇烈，以致傳遞到乘員身上的力及加速度超過了人體的耐受極限，使人體器官受到損傷；2）碰撞過程中乘坐室外部剛硬物體（如發(fā)動機、變速箱、前輪）侵入乘坐室內(nèi)部，直接將乘員擠壓傷亡；3）由于一次碰撞的過分劇烈而引起的回彈很厲害，致使乘員在車內(nèi)遭受前后兩個方向的多次“二次碰撞”而受傷；4）在碰撞過程中，乘坐室變形太大，以致乘員缺乏生存空間而傷亡。從以上汽車碰撞事故中的人體損傷機理可知，雖然“二次碰撞”是造圖1.2汽車乘員安全區(qū)和緩沖吸能區(qū)示意圖A區(qū)—乘員安全區(qū)B區(qū)—緩沖吸能區(qū)成人體損傷的直接原因，但“一次碰撞”在很大程度上決定了“二次碰撞”的劇烈程度，因此“一次碰撞”對人體損傷狀況有很大的影響，合理設(shè)計汽車結(jié)構(gòu)的緩沖與吸能特性，控制好“一次碰撞”，對減少人體損傷有著重要的意義。在車輛的安全設(shè)計過程中，通?？梢詫④囕v分為汽車乘員安全區(qū)和緩沖吸能區(qū)。僅從乘員不被汽車碰撞變形后產(chǎn)生的擠壓導(dǎo)致傷亡的角度看，乘員安全區(qū)在碰撞中的變形要越小越好，這就要求緩沖吸能區(qū)（B區(qū)）有較大的總體剛度，但B區(qū)的剛度過大會影響汽車的緩沖吸能性能，致使碰撞過程中產(chǎn)生的加速度過大，超過人體的耐受極限而導(dǎo)致人體損傷。所以從緩沖吸能的角度講，B區(qū)的剛性應(yīng)該足夠小，變形應(yīng)足夠大，以盡量減少碰撞作用力。為了解決這一矛盾，通常將汽車的碰撞緩沖區(qū)設(shè)計成“外柔內(nèi)剛”式的結(jié)構(gòu)，即緩沖吸能區(qū)與乘員安全區(qū)的交界處設(shè)計成具有較大剛性的結(jié)構(gòu)，而緩沖吸能區(qū)的外圍設(shè)計成具有較小剛性和較好的緩沖吸能性能的結(jié)構(gòu)[1-2]。對于前后碰撞而言，金屬薄壁管是目前應(yīng)用最廣泛的吸能結(jié)構(gòu)之一，在碰撞過程中通過金屬構(gòu)件發(fā)生有效的塑性變形，消耗大量的碰撞能量，達(dá)到緩沖吸能的目的。通過改變薄壁構(gòu)件的截面形狀、尺寸、壁厚及材料特性等參數(shù)，使其具有不同的緩沖吸能特性，從而滿足不同的緩沖吸能特性要求[3]。對于側(cè)面碰撞而言，由于緩沖和吸能的空間十分有限，需要更加注重整個側(cè)面防撞吸能結(jié)構(gòu)的設(shè)計，合理分配碰撞力傳遞路徑，安裝車門防撞桿及蜂窩鋁等結(jié)構(gòu)來達(dá)到緩沖吸能的效果[4]。此外，合理的汽車安全車身結(jié)構(gòu)還需滿足以下要求：不影響汽車行駛的平順性和操縱性；能夠承受在汽車整個使用壽命期間可能遇到的所有靜力和動力載荷；滿足汽車輕量化要求；不得影響汽車的空氣動力學(xué)特性；必須在汽車的整個使用期間在包括熱、冷和腐蝕等各種環(huán)境中滿足汽車碰撞安全性要求；在其使用終了時，其材料必須能夠在新的汽車或其它產(chǎn)品的制造中再循環(huán)和再利用；滿足其它部件的裝配要求；滿足汽車撞擊行人、摩托車手、騎自行車者時對道路交通弱勢群體的保護(hù)要求等。1.2國內(nèi)外汽車緩沖吸能裝置的現(xiàn)狀1.2.1國外汽車碰撞緩沖吸能結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀自上世紀(jì)六十年代，對耐撞強度的研究為汽車結(jié)構(gòu)性能提出了更高的要求，研究人員開始意識到必須設(shè)計一種在沖擊下能以預(yù)定方式變形的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)撞擊變形必須能夠控制而變形能必須與沖擊動能相平衡，在保持乘坐室完整性的同時，結(jié)構(gòu)的變形應(yīng)使乘員的減速度最小[5]。國外汽車吸能結(jié)構(gòu)的研究主要采用試驗與仿真相結(jié)合的方式。試驗主要用來測試整車或部件的碰撞性能是否達(dá)到設(shè)計要求，而基于有限元的數(shù)值仿真則用來模擬和改進(jìn)結(jié)構(gòu)的碰撞吸能特性。由于汽車碰撞試驗是破壞性試驗，其試驗成本高，試驗周期長，只有實力雄厚的汽車大公司或其資助的實驗室才能開展整車碰撞試驗研究。國外的GM、Ford、VolksWagon等大型汽車制造商，以及像國家碰撞分析中心（NCAC）這樣大型的科研機構(gòu)每年都進(jìn)行幾百次的碰撞試驗對各種車型進(jìn)行認(rèn)證和考核。一些高等院校和科研機構(gòu)則主要致力于典型結(jié)構(gòu)和材料方面的研究。吸能材料和吸能結(jié)構(gòu)是目前這一研究領(lǐng)域的熱點，尤其是超輕材料、復(fù)合材料、泡沫材料和蜂窩狀材料的結(jié)構(gòu)。如在國際上享有盛名的MIT的應(yīng)用力學(xué)教授T.Wierzbicki所領(lǐng)導(dǎo)的碰撞與耐撞性實驗室(ICL,ImpactandCrashworthinessLaboratory)在蜂窩材料充填的薄壁梁在承受壓、扭、彎復(fù)合作用下的吸能特性研究等[6]。對于典型薄壁構(gòu)件碰撞吸能特性的研究，國外的一些汽車公司和科研機構(gòu)開展了一系列的試驗和理論研究[7-9]，主要集中在金屬材料能量消耗特性的研究、各種截面形狀的薄壁構(gòu)件吸能特性研究、薄壁結(jié)構(gòu)件的連接特性研究等[10-12]。Alexander提出了薄壁構(gòu)件折迭特性的屈服點分析模型[13]，經(jīng)Wierzbicki，Joners，Abramowicz等人的發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，并可以用來預(yù)測壓潰參數(shù)[14-15]。除了薄壁吸能結(jié)構(gòu)，研究人員還對其他典型吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。Kitagawa等人利用波紋來控制邊梁的變形模式，設(shè)計了三種波紋形式，優(yōu)化設(shè)計了其能量吸收的最優(yōu)排布方式[16]。Lorenzi等人對蜂窩鋁管在車輛前碰撞領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究，將其作為吸收沖擊能的裝置放置于散熱器前部，前后分別與保險杠和前軸相連[17]。A.G.Hanssen對薄壁構(gòu)件填充泡沫鋁材料后的防撞性能進(jìn)行了深入的研究[18]，指出了結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法并建立了用于結(jié)構(gòu)仿真的有限元模型。1.2.2國內(nèi)汽車碰撞緩沖吸能結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀國內(nèi)開展汽車碰撞緩沖吸能結(jié)構(gòu)的研究起步較晚，所做的基礎(chǔ)研究工作仍十分有限，但是，由于有了國外的經(jīng)驗可供借鑒，同時在一批早期海歸人才的努力下，發(fā)展得也相當(dāng)迅速。1989年，清華大學(xué)汽車系建立了1.3汽車碰撞實驗國內(nèi)第一個簡易的實車碰撞試驗臺，并進(jìn)行了一些探索性的車輛碰撞試驗研究。隨后，中國汽車技術(shù)研究中心（天津）、東風(fēng)汽車工程研究院（襄樊）、交通部公路交通試驗場（北京）以及湖南大學(xué)、上海汽車檢測中心、重慶汽車研究所等單位也先后建立了汽車碰撞試驗室，開展吸能結(jié)構(gòu)方面的研圖究工作。特別是2000年CMVDR294國家強制性汽車碰撞法規(guī)的實施，以及2006年C-NCAP中國新車評價規(guī)程的開展，國內(nèi)汽車生產(chǎn)商越來越重視汽車碰撞安全性的研究工作，有效地促進(jìn)了汽車碰撞緩沖吸能結(jié)構(gòu)的研究。值得指出的是，由湖南大學(xué)研制的機械儲能式汽車碰撞實驗牽引裝置，實現(xiàn)了低功率和短跑道條件下的近似勻加速牽引，其性能達(dá)到國際同類水平，成本卻只有國外產(chǎn)品的10%，已經(jīng)應(yīng)用于上汽通用五菱等企業(yè)的新車安全性設(shè)計中[19]。與國外相比，我國的碰撞仿真研究工作只是在最近幾年發(fā)展起來。1996年開始清華大學(xué)汽車研究所對北京BJ2020S的車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元計算，這是國內(nèi)首次應(yīng)用有限元進(jìn)行汽車零部件結(jié)構(gòu)碰撞的計算機仿真。1998年，賈宏波等人對紅旗轎車進(jìn)行碰撞仿真研究，通過對基本結(jié)構(gòu)的研究明確了計算方法和參數(shù)，通過對車身主要吸能結(jié)構(gòu)組件的仿真計算研究，找出了合理的技術(shù)參數(shù)，為整車碰撞計算提供依據(jù)[20]。北京理工大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、湖南大學(xué)等也相繼完成了轎車車身或轎車整車的碰撞仿真研究工作。近年來，一些從事汽車安全性設(shè)計的高等院校及研究所廣泛開展了汽車前碰撞吸能結(jié)構(gòu)的研究工作：開展了應(yīng)用于汽車保險杠、車門以及縱梁等主要安全構(gòu)件中的吸能結(jié)構(gòu)耐撞性研究[21]，多孔結(jié)構(gòu)材料在汽車碰撞安全中的應(yīng)用[22]，波紋管在汽車碰撞中的應(yīng)用研究[23-24]，提出了基于預(yù)變形的控制理論，在方形薄壁梁上開誘導(dǎo)槽以優(yōu)化加速度變化曲線的方法[25]。同時，隨著國家安全法規(guī)的實施，國內(nèi)有許多家單位相繼成立了碰撞實驗室：長春國家汽車技術(shù)檢測中心、天津國家汽車技術(shù)檢測中心、上海市機動車檢測中心、湖南大學(xué)汽車碰撞實驗室等。它們的建立，極大的促進(jìn)了實車試驗和整車模擬研究的結(jié)合?？偟膩碚f，我國在汽車碰撞研究領(lǐng)域的發(fā)展尚處于起步階段，碰撞試驗研究和計算機仿真研究基礎(chǔ)薄弱，并且受到人力和資金的制約，在今后很長的一段時間仍需不斷深入研究，提升自主創(chuàng)新能力，縮短與發(fā)達(dá)國家的差距。1.3本課題主要任務(wù)及其難點1.3.1課題的主要任務(wù)緩沖器的工作行程包括吸收緩沖和復(fù)位這兩個過程。本課題的研究是緊扣這兩個環(huán)節(jié)來進(jìn)行的，重點圍繞以最小尺寸滿足高速緩沖特性來展開研究，主要進(jìn)行系統(tǒng)的功能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)建模與仿真等工作。（1）緩沖器功能過程分解按緩沖器的功能實現(xiàn)將其分解為緩沖和復(fù)位兩個過程。（2）緩沖器方案設(shè)計與分析根據(jù)吸收制停能量的方式不同，可以設(shè)計出多種不同形式的緩沖器，通過分析，選出最優(yōu)方案。由于緩沖器被用于吸收高速帶來的沖擊，油溫較高，因此要實現(xiàn)小尺寸，油液無法直接由油缸來儲備，必須使用外加設(shè)備（蓄能裝置）儲油。考慮到汽車的運行速度快、沖擊較大、易產(chǎn)生脈動，并根據(jù)各種蓄能器自身的特點，為使蓄能器本身尺寸盡可能小，最后確定選用活塞式蓄能器作為緩沖器的蓄能設(shè)備。（3）緩沖系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與計算通過系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)分析，依據(jù)強度、穩(wěn)定性原則，對緩沖器的柱塞桿與缸體、蓄能器的活塞與缸體的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計與驗算，確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)尺寸、蓄能器的體積等相關(guān)參數(shù)。（4）研究緩沖器節(jié)流孔的布局從液壓緩沖器的結(jié)構(gòu)形式上可以看出，緩沖器的特性取決于節(jié)流孔的設(shè)計，節(jié)流孔的設(shè)計合理與否，直接影響到緩沖器的性能。通過節(jié)流孔計算可以很好地了解面積與位置的變化關(guān)系，從而確定緩沖性能與節(jié)流面積之間的對應(yīng)。但在實現(xiàn)上只能以不同的位置離散處理來替換理論上連續(xù)變化的規(guī)律，這不僅要從緩沖變化規(guī)律考慮，還要從缸體的結(jié)構(gòu)、柱塞受力考慮，因此孔的布局設(shè)計很重要，是保證整個緩沖器性能的關(guān)鍵。1.3.2課題的難點本課題的研究難點在于用小尺寸緩沖器來實現(xiàn)高速汽車的追尾碰撞緩沖，緩沖器在高速條件下，需要將動能吸收轉(zhuǎn)化和儲存起來。主要存在以下一些問題：（1）緩沖器結(jié)構(gòu)的確定現(xiàn)在汽車上的緩沖器大部分都是裝在汽車前縱梁上，在汽車尾部的緩沖器很少。與國外相比，我國的碰撞仿真研究工作只是在最近幾年發(fā)展起來。當(dāng)前我國的汽車碰撞模擬仿真的研究工作主要分為兩個方面：一個方面是應(yīng)用有限元的方法研究在碰撞過程中的汽車車身、車架的變形情況，速度和加速度的值，以及各部分的應(yīng)力分布情況；另一個方面應(yīng)用多剛體動力學(xué)研究汽車在碰撞過程中，人體各部分的動態(tài)響應(yīng)和人體備部分的傷害值。因此，關(guān)于緩沖器的資料可供參考的很少，需要自主設(shè)計緩沖器總體結(jié)構(gòu)。（2）緩沖器節(jié)流孔的設(shè)計與排部問題。高速運動的汽車作用在緩沖器上，要實現(xiàn)緩沖功能，只有通過節(jié)流孔的泄油來消耗動能，因此，節(jié)流孔布局設(shè)計的好與壞直接關(guān)系到緩沖器的性能，在設(shè)計過程中通過液壓計算可以求得理論上節(jié)流孔面積參數(shù)曲線。但是，理論上節(jié)流孔面積應(yīng)該是連續(xù)的方程（是位置的函數(shù)），而實際中只能采用有限個小孔排布的方式來近似地實現(xiàn)其面積。如何在缸體上對節(jié)流孔進(jìn)行合理的設(shè)計布局，發(fā)揮泄油的最佳特性是一個難點，目前尚沒有一種成型的計算方法來確定節(jié)流位置?；钊叫钅芷鞯脑O(shè)計由于活塞式蓄能器與氣囊式蓄能器相比，能夠在相同要求下達(dá)到明顯尺寸減小的目的，所以最后選用了活塞式蓄能器。然而，蓄能器的活塞在緩沖器油壓的作用下將不可避免對緩沖器的性能造成影響：第一，由于節(jié)流面積的離散處理，活塞將會產(chǎn)生振蕩；第二，活塞的慣性造成蓄能器的反應(yīng)不夠靈敏。如果選用成品蓄能器，一方面尺寸的減小并不明顯，另一方面，對上述兩個問題并不能很好的解決。因此，需要對活塞式蓄能器進(jìn)行設(shè)計。除了要保證活塞的振蕩是小幅度的、收斂的，還要保證活塞強度的前提下，盡可能減小活塞的質(zhì)量。

2典型前碰撞緩沖吸能結(jié)構(gòu)的研究本章主要研究了目前國內(nèi)外常用的汽車前碰撞緩沖吸能結(jié)構(gòu)，對比分析了各種吸能結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，通過實例列舉了其在車輛安全領(lǐng)域的應(yīng)用，為本文汽車后碰撞緩沖吸能裝置的設(shè)計提供了參考。2.1薄壁構(gòu)件吸能汽車發(fā)生正面碰撞事故時，主要由車身前部“壓潰區(qū)”的塑性變形來吸收碰撞能量。在承載式車身中，能量主要由上下布置的車身前部結(jié)構(gòu)件（包括下部的邊梁和上部的擋泥板加強梁）承受；而在非承載式車身中，大部分的能量主要由縱梁承受。因此，合理設(shè)計車身前部（特別是縱梁前段）結(jié)構(gòu)對提高整車的前碰撞安全性有著重要的意義[26-27]。汽車前縱梁的結(jié)構(gòu)和失效狀態(tài)與薄壁直梁件極其相似，可選用能代表前縱梁的薄壁直梁件來研究材料特性和結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系，其結(jié)構(gòu)可用于縱梁的安全性設(shè)計。從吸能性方面考慮，軸向載荷作用下薄壁結(jié)構(gòu)的變形模式分為：漸進(jìn)疊縮變形、Euler變形和混合變形模式，主要區(qū)別是形成塑性鉸的變形機制不同。漸進(jìn)疊縮變形也稱為“折疊式”變形或“風(fēng)琴式”變形。塑性鉸從結(jié)構(gòu)一端有序的逐一形成，是吸能結(jié)構(gòu)的最佳變形模式，對于吸能元件，有時可以通過“預(yù)變形”技術(shù)誘發(fā)該類穩(wěn)態(tài)變形的發(fā)生。Euler變形的初始變形受橫向彎曲機制控制，第一個塑性鉸一般發(fā)生在構(gòu)件的中部，隨后產(chǎn)生很大的橫向位移，是一種吸能效率很低的變形模式，設(shè)計時要盡量避免該種變形模式的發(fā)生?；旌献冃文Ｊ降闹饕攸c是變形初始階段發(fā)生漸進(jìn)疊縮變形，形成一個或多個塑性鉸，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)镋uler變形，是一種發(fā)生概率較高的變形模式。對典型方形薄壁構(gòu)件的研究表明，在軸向壓力的情況下，剖面寬長比(d/b)<0.67的長方形截面薄壁鋼梁的半波長（中強度或高強度鋼方形吸能梁波長λ=0.8b，b為矩形梁剖面長邊的長度）將超過梁的寬度，會導(dǎo)致薄壁梁出現(xiàn)彎折失效而非皺褶塌陷，即產(chǎn)生Euler變形。相反，寬長比(d/b)>0.67的長方形截面薄壁鋼梁則有規(guī)則皺褶塌陷的趨勢，即產(chǎn)生漸進(jìn)疊縮變形。所以在選擇吸能梁剖面尺寸時，應(yīng)選擇寬長比(d/b)>0.67的矩形梁。由彈性穩(wěn)定性理論可知，當(dāng)梁的長度增加時，梁的軸向壓縮承載能力將下降，如梁將在其軸向全承載極限之前發(fā)生橫向彎曲（Euler失穩(wěn)）。當(dāng)長度與剖面寬度之比小于15時，長度對梁的最大承載能力影響不大。汽車上的梁一般均滿足長度與剖面寬度之比小于15。影響薄壁構(gòu)件變形模式的因素很復(fù)雜，除了截面形狀和尺寸參數(shù)外，材料特性、碰撞速度、沖擊質(zhì)量等也是重要的影響因素。2.2波紋管吸能波紋管是將薄壁殼沿著側(cè)面在軸向制成有波紋的折皺而成，根據(jù)截面形狀不同可分為圓柱形波紋管和方形截面波紋管，圖2.5為圓柱形波紋管的結(jié)構(gòu)示意圖。波紋管的相關(guān)參數(shù)有：波紋管公稱直徑D，壁厚t，夾角α，波距h，高度H，波紋過渡內(nèi)圓角半徑r及所用的材料。如果波紋管是由半徑相等的正負(fù)兩個半圓弧以及切于此二圓弧的直線組成，這種波紋管稱為半圓弧波紋管，也稱為U型波紋管。圖2.1圓柱形波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)圖2.2福特公司安全車車架波紋管的吸能特性受其壁厚t、α角、波紋高度h等參數(shù)影響較大。與薄壁直梁件相似，波紋管壁厚的增加同樣可以有效增加吸能效果，同時維持加速度與力的時間歷程相對平穩(wěn)，有效降低碰撞過程中的加速度峰值，減少乘員受到的傷害。其次，波紋管在變形的過程中，材料的軸向壓縮吸能較彎曲吸能要多得多，而波紋管α角的大小是影響其軸向吸能能力的重要因素。當(dāng)α角減小時，其剛度相對增大，軸向壓縮吸能能力也相應(yīng)增加，但是同時會導(dǎo)致加速度的振蕩加??；反之，則導(dǎo)致吸能能力下降。所以在實際設(shè)計過程中，需要結(jié)合試驗和仿真確定合適的α角。再次，波紋管的波高h(yuǎn)對其吸能能力和加速度曲線也會產(chǎn)生較大的影響?？傮w來說，薄壁波紋管結(jié)構(gòu)具有吸能能力強，加速度曲線變化均勻等優(yōu)點；但是，其制造工藝比較復(fù)雜，制造成本較高，同時波紋管的橫向剛度較弱，難以支撐較大的載荷，因此在車身結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用范圍較窄，難以推廣應(yīng)用。（圖2.2為福特公司安全試驗車的波紋管形車架[28]）2.3填充材料吸能如果在空心的吸能元件內(nèi)填充密度低、質(zhì)量小、吸能性能好的材料，就能在盡可能少地增加元件質(zhì)量的情況下極大地提高元件所能承受的平均壓潰載荷，并提高吸能元件的吸能效果。多孔材料具有密度低、質(zhì)量小的特點，而且在沖擊載荷作用下，可以在很大的變形范圍內(nèi)承受不變的載荷，而不會像普通材料那樣在塑性變形的同時，承載能力明顯下降。因此，多孔結(jié)構(gòu)材料多作為填充物填充到空心的吸能元件中去，以求顯著提高吸能元件的吸能效果。目前較為常用的多孔結(jié)構(gòu)材料為蜂窩式結(jié)構(gòu)。蜂窩式結(jié)構(gòu)由多個六邊形基本單元組成，與同結(jié)構(gòu)的聚合體材料相比，蜂窩式結(jié)構(gòu)的金屬材料具有更高的碰撞強度，更適合應(yīng)用到汽車碰撞安全設(shè)計中。但是，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，其力學(xué)性能與它的方向性密切相關(guān)。圖2.7表示的是蜂窩式結(jié)構(gòu)的方向性：圖中T軸稱為強軸，L軸和Ｗ軸稱為弱軸，整個結(jié)構(gòu)在強軸方向的承載能力要明顯大于弱軸方向。根據(jù)強軸數(shù)的不同分為一維、二維和三維蜂窩結(jié)構(gòu)。一維蜂窩結(jié)構(gòu)由于其對方向的依賴性過強，在實際的應(yīng)用中價值不高；二維蜂窩結(jié)構(gòu)即一般所說的蜂窩結(jié)構(gòu)，由于其仍具有方向性（有一個弱軸），實際應(yīng)用中，需通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，盡量避免其在弱軸方向上受載；三維蜂窩結(jié)構(gòu)也就是常說的泡沫結(jié)構(gòu)，其在三個軸向上具有相同的承載能力，顯示出較強的力學(xué)性能，但泡沫結(jié)構(gòu)的密度要比蜂窩式結(jié)構(gòu)高，會影響結(jié)構(gòu)的吸能效率[29]。蜂窩式吸能結(jié)構(gòu)制作比較復(fù)雜，一般采用鋁合金材料經(jīng)過沖壓、焊接等工藝而成，制造成本較高。目前，蜂窩式吸能結(jié)構(gòu)主要用于車門側(cè)面碰撞填充材料（圖2.8a）、保險杠吸能填充材料（圖2.8b），以及部分轎車前縱梁填充材料。2.4液壓緩沖吸能2.4.1節(jié)流孔式液壓緩沖器與傳統(tǒng)的通過材料塑性變形達(dá)到能量吸收效果的吸能結(jié)構(gòu)不同，液壓緩沖吸能結(jié)構(gòu)是利用油液的粘性阻尼作用，將大部分的沖擊能量通過節(jié)流孔吸收轉(zhuǎn)化為油液的熱能并散發(fā)掉，其結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，橫杠內(nèi)側(cè)加強件通過橡膠墊與液壓緩沖器的活塞桿相連接，活塞桿做成空心，內(nèi)裝一圖2.3液壓緩沖吸能結(jié)構(gòu)示意圖1—橫杠2—橫杠加強梁3—氮氣4—活塞桿5—浮動活塞6—液壓油7—節(jié)流孔8—缸體浮動活塞將其隔成左、右兩腔，左腔充滿氮氣，右腔充滿機械油，活塞桿外圓柱面與緩沖缸內(nèi)圓柱面滑動配合，緩沖缸內(nèi)機械油與活塞桿右腔相通。緩沖缸固定在車架或車身加強件上，當(dāng)汽車與障礙物碰撞時，保險杠橫杠受到的碰撞沖擊力由其橫杠內(nèi)側(cè)加強件傳到活塞桿上，活塞桿端部向右移動，推動機械油按圖示箭頭方向流過節(jié)流孔，壓向活塞右腔，推動活塞向左移動，并使氮氣受到壓縮。這樣，利用機械油通過節(jié)流孔時的粘性阻力吸收撞擊能量，吸收能量的效率高達(dá)80%，工作特性比較穩(wěn)定。撞擊后靠氮氣產(chǎn)生復(fù)原動力，使保險杠復(fù)位。圖2.4奧迪A6液壓緩沖保險杠液壓緩沖不僅能夠吸收巨大的沖擊能量，而且可以通過調(diào)節(jié)節(jié)流孔來設(shè)計不同的碰撞緩沖規(guī)律，工作穩(wěn)定可靠，特別適合于沖擊能較大的場合。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修不便，密封要求高，需要經(jīng)常保養(yǎng)，否則會產(chǎn)生滲漏，對環(huán)境溫度變化也比較敏感，生產(chǎn)成本及保養(yǎng)費用較高，目前僅應(yīng)用于奧迪、寶馬等高檔車型。2.4.2被動式液壓緩沖器被動式液壓緩沖器的結(jié)構(gòu)如圖2.5所示?；钊麠U與高速運動的負(fù)載剛性聯(lián)結(jié)，活塞與活塞腔之間有一定的環(huán)形緩沖縫隙δ，工作過程中活塞腔的油液排出到外油箱內(nèi)。當(dāng)活塞進(jìn)入緩沖腔時，緩沖腔內(nèi)的油液流出面積突然縮小為緩沖通道和緩沖縫隙。由于流體的壓縮性有限，緩沖腔內(nèi)壓力迅速升高，給活塞一個向下的作用力，使其減速運動至停止。環(huán)形緩沖縫圖2.5被動式緩沖器的基本結(jié)構(gòu)隙加工好后較難改變，通過調(diào)節(jié)緩沖通道的大小，可以使被動式緩沖器適應(yīng)不同負(fù)載質(zhì)量和初始速度的要求。緩沖器的緩沖過程可分為3個階段:第1階段，活塞處于緩沖腔的最下端，緩沖器的緩沖過程可分為3個階段:第1階段，緩沖器內(nèi)的油液經(jīng)緩沖通道和并聯(lián)通孔流出(圖1)；第2階段，隨著負(fù)載的運動，活塞距離緩沖腔較近，活塞邊緣與緩沖腔邊緣之間的銳緣口形成銳緣節(jié)流，緩沖通道形成突縮損失，這些阻力對活塞形成液體壓力，迫使活塞減速運動(圖2.6(a))，該階段稱為銳緣節(jié)流階段；第3階段，活塞進(jìn)入緩沖腔，油液經(jīng)活塞與缸筒之間的環(huán)形緩沖縫隙和緩沖通道流出而形成縫隙節(jié)流，緩沖通道形成突縮損失，這些阻力使活塞減速運動，直至停止(圖2.6(b))，該階段稱為縫隙節(jié)流階段[30]。a）銳緣節(jié)流狀態(tài) b）縫隙節(jié)流狀態(tài)圖2.6被動式緩沖器工作原理被動式緩沖器可以利用被動式液壓緩沖器縫隙節(jié)流產(chǎn)生的阻尼力對負(fù)載施加制動力。(1)可以通過調(diào)節(jié)環(huán)形緩沖縫隙和并聯(lián)通道面積來調(diào)節(jié)緩沖加速度波形峰值和脈寬，緩沖縫隙和并聯(lián)通道面積越小，緩沖加速度波形峰值越大，脈寬越窄。(2)緩沖初始速度和負(fù)載質(zhì)量對緩沖波形的影響也很大，緩沖初始速度和負(fù)載質(zhì)量越大，緩沖加速度波形峰值越大。緩沖器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、初始緩沖速度和負(fù)載質(zhì)量均對緩沖加速度波形影響較大，通過調(diào)整緩沖器的環(huán)形緩沖縫隙和并聯(lián)通道面積可以獲得滿意的緩沖加速度波形。2.5彈簧緩沖吸能這種汽車碰撞緩沖裝置包括對稱設(shè)在汽車全長方向的總量，縱梁上連接的保險杠，在縱梁與保險杠的連接出設(shè)有緩沖器，緩沖器包括話筒，話筒內(nèi)設(shè)有緩沖彈簧和僅靠彈簧的支柱，僅靠彈簧的另一端設(shè)有擋板，支柱與話筒相配合的端口設(shè)有保險銷，保險銷一端設(shè)有將其固定的開口銷和墊圈，支柱另一端連接在保險杠上。通過彈簧緩沖減少碰撞是的沖擊力，當(dāng)碰撞輕微時，沖擊力小，保險銷不受影響，緩沖彈簧不動作，對汽車和人員不會造成損害；當(dāng)沖擊力較大時，保險銷被剪斷，緩沖彈簧發(fā)揮作用，吸收撞擊能量，減少撞擊力，起到保護(hù)汽車和人員的安全作用，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、緩沖效果好，具有廣泛的實用性。但是彈簧所能承受的力比較小，在汽車高速碰撞時可能引起彈簧失效不能起到保護(hù)汽車和人員的作用。2.6分解緩沖撞擊力的緩沖裝置先利用主緩沖裝置的彈性減緩沖撞擊力，并吸收其一部分能量；再利用其柱塞通過液力傳動副緩沖裝置中的柱塞壓縮其彈性體，把撞擊力分散在各副緩沖裝置的彈性體上并改變了撞擊力的方向；知道殼體變形、被破壞，消耗撞擊力的能量，減輕了對被保護(hù)機體的沖擊。該裝置的主體中設(shè)有主緩沖裝置和若干個副緩沖裝置，主、副緩沖裝置中均設(shè)有階梯形的柱塞，柱塞的大端裝于缸筒中，柱塞的另一端裝于固定的缸筒中大端彈簧座里，彈簧位于柱塞和彈簧座之間；緩沖裝置的彈簧座固定在殼體內(nèi)。2.7爆破式緩沖裝置防沖撞安全裝置是由多級爆破片、沖擊棒、固定裝置三部分組成。此裝置用于汽車時，安裝與汽車地盤大梁前端，也可以安裝于汽車大梁后端及側(cè)面。此裝置安裝與汽車前端時，當(dāng)汽車受到外來物體正面沖撞或汽車沖向障礙物時，裝置中沖擊棒受外力作用，逐個沖擊并擊碎各級爆破片。各級爆破片的破碎力是預(yù)先設(shè)定，從小到大。各級爆破片破碎時吸收外來沖擊力，使汽車安全防撞，達(dá)到保護(hù)汽車和乘員安全的目的。

3方案的確定3.1初始方案的設(shè)計3.1.1利用氮氣壓縮產(chǎn)熱吸能裝置參照2.4中的兩種緩沖器的原理及機構(gòu)的設(shè)計對緩沖器的結(jié)構(gòu)作出了初步設(shè)計，其結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。橫杠內(nèi)側(cè)加強件通過橡膠墊與液壓緩沖器的活塞桿相連接，活塞桿做成空心，內(nèi)裝一浮動活塞將其隔成左、右兩腔，左腔充滿氮氣，右腔充滿液壓油，活塞桿外圓柱面與緩沖缸內(nèi)圓柱面滑動配合，緩沖缸內(nèi)機械油與活塞桿右腔相通。緩沖缸固定在車架或車身加強件上，當(dāng)汽車與障礙物碰撞時，保險杠橫杠受到的碰撞沖擊力由其橫杠內(nèi)側(cè)加強件傳到活塞桿上，活塞桿端部向右移動，推動機械油按圖示箭頭方向流過節(jié)流孔，壓向活塞右腔，推動活塞向左移動，并使氮氣受到圖3.1緩沖器的基本結(jié)構(gòu)1、活塞桿蓋 2、氮氣 3、活塞 4、緩沖通道 5、柱塞缸 6、緩沖通道 7、活塞 8外掛油箱 9、并聯(lián)通孔壓縮。這樣，利用氣體被壓縮產(chǎn)生熱量吸收撞擊能量。撞擊后靠氮氣產(chǎn)生復(fù)原動力，使保險杠復(fù)位。(a)正常狀態(tài) (b)工作狀態(tài)圖3.2緩沖器的工作原理3.1.2利用環(huán)形緩沖縫隙吸能被動式液壓緩沖器的結(jié)構(gòu)如圖3.3所示?；钊麠U做成空心，內(nèi)裝一浮動活塞將其隔成左、右兩腔，左腔充滿氮氣，右腔充滿機械油，活塞桿外圓柱面與緩沖缸內(nèi)圓柱面滑動配合，緩沖缸內(nèi)機械油與活塞桿右腔相通。其原理與第一種方法一樣利用氮氣吸能，另一方面利用環(huán)形緩沖縫隙吸能。其原理如下：活塞桿與高速運動的負(fù)載剛性聯(lián)結(jié)，活塞與活塞腔之間有一定的環(huán)形緩沖縫隙δ，工作過程中活塞腔的油液緩沖通道和緩沖縫隙。由于流體的壓縮性有限，緩沖腔內(nèi)壓力迅速升高，給活塞一個向下的作用力，使其減速運動至停止。環(huán)形緩沖縫隙加工好后較難改變，通過調(diào)節(jié)緩沖通道的大小，可以使被動式緩沖器適應(yīng)不同負(fù)載質(zhì)量和初始速度的要求。1、氮氣2、活塞3、活塞桿4、緩沖通孔5、緩沖通孔6、活塞7、緩沖腔8、缸套9、外掛油箱10、并聯(lián)通孔圖3.3緩沖器的基本結(jié)構(gòu)緩沖器的緩沖過程可分為3個階段:第1階段，緩沖器內(nèi)的油液經(jīng)緩沖通道和并聯(lián)通孔流出(圖3.3)；第2階段，隨著汽車追尾碰撞，活塞距離緩沖腔較近，活塞邊緣與緩沖腔邊緣之間的銳緣口形成銳緣節(jié)流，緩沖通道形成突縮損失，這些阻力對活塞形成液體壓力，迫使活塞減速運動(圖3.4(a))，該階段稱為銳緣節(jié)流階段;第3階段，活塞進(jìn)入緩沖腔，油液經(jīng)活塞與缸筒之間的環(huán)形緩沖縫隙和緩沖通道流出而形成縫隙節(jié)流，緩沖通道形成突縮損失，這些阻力使活塞減速運動，直至停止(圖3.4(b))，該階段稱為縫隙節(jié)流階段。(a)銳緣節(jié)流狀態(tài) (b)縫隙節(jié)流狀態(tài)圖3.4緩沖器工作原理3.1.3小結(jié)上述兩種方案經(jīng)過分析存在缺陷，因此不能實現(xiàn)預(yù)計的效果。第一種方法中利用氮氣被壓縮吸收能量的方法所能吸收的能量有限，如果汽車高速行駛時產(chǎn)生追尾時不能充分吸收能量。而且如果沖擊力太大會超過液壓缸所能承受的極限，從而導(dǎo)致液壓缸突然承受太大的力而爆缸。第二種方法雖然設(shè)置了緩沖區(qū)域使汽車發(fā)生追尾碰撞時不會使液壓缸受到太大的沖擊力，但是這種方法不能太大的延長汽車碰撞時間。因此，被碰撞的汽車會產(chǎn)生較大的加速度造成二次碰撞使司乘人員受到損傷。綜上所述，以上的兩種方法不能實現(xiàn)預(yù)計效果。因此上述兩種方法需要經(jīng)過一些改進(jìn)來實現(xiàn)預(yù)計目的。3.2改進(jìn)后的方案最終方案選用節(jié)流孔吸能的方法，節(jié)流的小孔數(shù)目隨緩沖位移加大而減少，從而達(dá)到勻速緩沖的目的。同時，利用空心活塞桿內(nèi)空氣的壓縮以及液壓缸外的彈簧輔助吸能。在解決了總體結(jié)構(gòu)這個難題后，改進(jìn)的難點1、空氣2、活塞3、活塞桿4、節(jié)流孔5、缸套6、彈簧7、緩沖通孔8、活塞9、外掛油箱圖3.5緩沖器結(jié)構(gòu)圖是節(jié)流孔的計算以及液壓缸外缸同活塞桿內(nèi)腔怎么連通這兩個問題。活塞桿的結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。其工作原理是當(dāng)汽車撞擊活塞時，活塞8迫使缸套5內(nèi)油液經(jīng)過節(jié)流孔4流入外掛油箱，再由外掛油箱經(jīng)過缸套5和油缸頂蓋的間隙流入活塞桿3和缸套5間隙，最后再經(jīng)由緩沖通孔7流入活塞桿3內(nèi)腔。由于節(jié)流孔的阻尼作用，運動體的動能將轉(zhuǎn)化為緩沖器的節(jié)流發(fā)熱。合理地設(shè)計節(jié)流孔的位置和大小，可使油缸體內(nèi)緩沖壓力在緩沖過程中保持不變，從而實現(xiàn)勻減速緩沖。復(fù)位彈簧6的作用是起緩沖減速作用和使活塞完成緩沖作用后回位。4方案中各個零件的結(jié)構(gòu)計算4.1已知的緩沖器工作條件沖擊車輛的重量：M=1.5T沖擊速度：V0=30Km/s=8.33m/s緩沖器作用時間：t=0.03~0.06s通過以上數(shù)據(jù)可求出的一些數(shù)據(jù)：車輛的動能：E=QUOTEMV2/2=5.2×104J緩沖加速度：amax=V/tmin=277.67m/s2緩沖形成：S=QUOTEVtmin/2=0.12495m≈0.125m緩沖作用力：F’=Ma=416505N由于是兩個緩沖器所以作用力減半：F=F’/2≈2.1×105N4.2各零件的直徑計算4.2.1缸套直徑計算參照參考文獻(xiàn)[35]缸體的材料選用40Cr鋼，其中σb=980。因為缸體的載荷為沖擊載荷股安全系數(shù)取n=12。確定缸套內(nèi)徑缸體強度應(yīng)滿足F/AQUOTE[σ]=σb/n，其中A=QUOTEπd2/4，則=3274mm2所以DminQUOTE≥57.2mm2參照《液壓系統(tǒng)設(shè)計簡明手冊》表2-4缸套直徑取D1=100mm。（2）確定最小壁厚按薄壁圓筒計算公式為（4.1）因液壓缸內(nèi)最高壓力Ph=F/A=26.7MPaQUOTE＞16MPa，所以Py應(yīng)取1.25Ph。則由式4.1可求得最小壁厚： =8.5mm取δ1=10mm，則D1/δQUOTE≥10，所以可以按薄壁小孔計算，上面的計算正確。綜上，缸套內(nèi)徑為D1=100mm，外徑D2=120mm。4.2.2缸體直徑計算參照參考文獻(xiàn)[35]缸體的材料選用40Cr鋼，其中σb=980。因為缸體的載荷為沖擊載荷股安全系數(shù)取n=12。確定缸體內(nèi)徑由于缸套外徑為120mm，故取缸體內(nèi)徑為D3=130mmQUOTEQUOTE≥Dmin。確定最小壁厚因液壓缸內(nèi)最高壓力Ph=F/A=15.8MPaQUOTE＜16MPa，所以Py=1.5Ph=23.7MPa。按薄壁小孔計算最小壁厚，由式4.1得取δ=10mm。則D3/δ10，所以可以按薄壁小孔計算，上面的計算正確。綜上，缸體的內(nèi)徑D3=130mm，外徑D4=150mm。QUOTE4.2.3活塞缸直徑計算參照參考文獻(xiàn)[35]活塞缸的材料選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45，其中σb=600MPa，σs=335MPa。將活塞桿當(dāng)做實心桿計算直徑查閱參考文獻(xiàn)[36]可知，壓桿在各個縱向平面內(nèi)的相當(dāng)長度μl相同，應(yīng)使截面對任意形心軸i相等或接近相等。這樣，壓桿在任意縱向平面內(nèi)的柔度λ都相等或接近相等，于是在任意縱向平面內(nèi)有相等或接近相等的穩(wěn)定性。因此活塞桿與空心活塞桿的慣性半徑相等就可滿足強度條件。實心桿慣性半徑QUOTE空心桿慣性半徑QUOTEQUOTE取D5=70mm，D6=70mm。則i2=23=i1=d’/4d’=92mm，因此空心桿的內(nèi)徑為D5=60mm，D6=70mm時相當(dāng)于直徑為92mmQUOTEQUOTE≥25的實心桿，故符合要求。4.3各零件的底面厚度計算缸蓋都選用平底缸蓋，與缸體連接選用焊接。強度要求可按下面兩式進(jìn)行近似計算。（4.2）QUOTEQUOTE（4.3）缸套下底面為無孔底面，由式4.2可求得其下底面厚度t1QUOTEQUOTE≥17.87mm，圓整后取t1=18mm。缸體下底面為有孔底面，孔的直徑為D2=120mm，由式4.3可求得缸體底面厚度t2QUOTEQUOTE≥43.8mm，圓整后取t2=45mm。缸體頂蓋也是有孔的，孔的直徑為D6=70mm，由式4.3可求得缸體頂蓋厚度t3QUOTEQUOTE≥13.8mm，圓整后取t3=15mm?；钊麠U頂蓋是無孔頂蓋，由式4.2可求得其頂蓋的厚度t4QUOTEQUOTE≥17.9mm，圓整后取t4=18mm。4.4理想節(jié)流孔的面積的推導(dǎo)理論上，要實現(xiàn)緩沖器的勻減速制停，節(jié)流孔的面積變化應(yīng)是位移的連續(xù)函數(shù)關(guān)系，節(jié)流面積隨著位移的增加而減小，而在工程應(yīng)用中只能采用有限個小孔排布的方式來近似地實現(xiàn)其面積，為了盡可能減小實際節(jié)流面積與理論值之間的誤差，節(jié)流孔的直徑和孔間距離要盡可能地小，以減小節(jié)流面積突變帶來的沖擊振動。在推導(dǎo)節(jié)流孔曲線函數(shù)之前，首先需要確定最佳節(jié)流孔曲線的目標(biāo)函數(shù)。圖4所表示的是緩沖器的緩沖力—行程函數(shù)。顯然，該曲線與橫坐標(biāo)所包圍的面積就是緩沖能量。曲線越接近于矩形時，在相同緩沖能量下所受到的緩沖力就越小。節(jié)流孔設(shè)計成在該表4.1緩沖力—行程曲線工作狀態(tài)時，緩沖能量與緩沖器的重量比值最大，緩沖效果最好，為使推導(dǎo)過程簡化且可行，將矩形的緩沖力—行程線定為最佳節(jié)流孔曲線的目標(biāo)函數(shù)。假定汽車在撞擊前的相對速度為μ0，總緩沖行程為S0，根據(jù)能量關(guān)系，可得出緩沖速度μ與緩沖距離S的關(guān)系：(4.4)根據(jù)短孔的節(jié)流孔流量方程可得：（4.5）合并式4.4、式4.5可得(4.6)忽略阻力，可得柱塞受力平衡方程：(4.7)對于蓄能器，假定其氣腔氣體的變化為絕熱過程，忽略蓄能器活塞的慣性和摩擦阻力，可得：(4.8)聯(lián)立可得以下函數(shù)關(guān)系：(4.9)其中A2——活塞桿面積；Cd——薄壁小孔流量系數(shù)（由[37]可知由于節(jié)流孔內(nèi)為湍流，所以雷諾數(shù)Re大于光滑的金屬圓管的臨界雷諾數(shù)。又由于臨界雷諾數(shù)Rcr的范圍是2000~3000，當(dāng)Re＞2000時Cd取0.8.）；ρ——液壓油密度（參照[37]，選用抗磨液壓油L-HM32，其密度為0.87×103Kg/m3）；V0——活塞桿內(nèi)氣體的體積；A3——活塞上部和油液接觸面積；A1——活塞緩沖面積。通過計算我們可以分別得到短孔理想狀況下節(jié)流孔過流面積與緩沖位移的關(guān)系的表格（見表4.1）表4-1離散后節(jié)流孔節(jié)流面積計算柱塞位移（mm）孔數(shù)孔徑（mm）小孔節(jié)流面積單個小孔節(jié)流面積總節(jié)流面000000275.551542.7824.206.05251.3621242.7323.485.87227.8932142.6822.535.63205.3743042.6221.535.38183.8553942.5520.495.12163.3764842.4819.394.85143.9975642.4218.354.59125.6586342.3517.404.35108.2797042.2816.384.1091.89107742.2115.313.8376.59118342.1314.323.5862.28128942.0513.263.3149.03139541.9612.103.0336.941410132.1410.823.6126.121510731.999.373.1216.751611331.807.652.559.101711821.935.852.923.261812321.413.121.560.144.5復(fù)位彈簧的計算復(fù)位彈簧能復(fù)位的條件是預(yù)應(yīng)力不小于200N，最大作用力Fmax大于1000N即可。正常工作長度不小于125mm。因彈簧在沖擊載荷下工作，選用65Mn為材料，按第二類彈簧計算。取旋繞比C=10，曲度系數(shù)由強度條件計算彈簧鋼絲直徑得取d=16mm，則中徑D取為160mm。彈簧所受的最大作用力彈簧的彈性系數(shù)k=Fmax/0.125=44.7N/mm。由參考文獻(xiàn)[35]可查得節(jié)距p=0.3~0.5D，取p=48mm。由前面計算的各零件長度可知彈簧的總高度H=416±8mm，有效圈數(shù)n=8，總?cè)?shù)n1=10。4.6方案的三維圖計算完成后畫出三維圖其效果如圖4.2。圖4.2裝配效果圖其中，剛套上的小孔為節(jié)流小孔，有吸收能量的作用。缸套與缸體中間為外掛油箱，外掛油箱可以儲存液壓油，在緩沖裝置工作時外掛郵箱里面儲存的液壓油油液可以冷卻從缸套里面流出的液壓油，同時還是液壓油流入空心活塞桿內(nèi)的通道。如圖4.3所示。圖4.3缸套圖中有小孔的的部分為缸套，最外面的為液壓缸，缸套與液壓缸之間空隙為外掛油箱。圖4.4缸套與液壓缸的配合由于缸套內(nèi)的活塞與空心活塞桿用焊接連接，所以活塞上端開有一個槽用來給活塞和活塞桿定位。避免活塞與活塞桿的中心線有太大的偏差而導(dǎo)致活塞出現(xiàn)卡死現(xiàn)象不能正常工作。圖4.5活塞圖4.6活塞與活塞桿的配合

5總結(jié)與展望5.1總結(jié)緩沖器是汽車安全系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，設(shè)計小型化的緩沖器對于高速、超高速行駛的汽車有著重要的意義。通過前期的研究以及本文上述計算，我們認(rèn)為采用活塞式蓄能器作為復(fù)位型式的緩沖器在理論設(shè)計上是可行的，能達(dá)到汽車的使用要求的，經(jīng)過優(yōu)化后，緩沖性能可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，整體結(jié)構(gòu)在長度上可以降低，實現(xiàn)了本設(shè)計小尺寸的要求，與同類產(chǎn)品相比緩沖性能較好。在本設(shè)計中，通過對現(xiàn)有產(chǎn)品的分析與研究，確定了使用活塞式蓄能器作為緩沖器復(fù)位型式的方案，建立系統(tǒng)的動力學(xué)方程，通過理想的緩沖力計算節(jié)流孔面積，為利用活塞式蓄能器作為復(fù)位動力的新型液壓緩沖器的設(shè)計研究提供了依據(jù)。本文主要工作如下：1.確定了緩沖器的工作方案。通過研究傳統(tǒng)緩沖器的各種形式，根據(jù)緩沖器正常工作時的緩沖和復(fù)位兩個功能過程，從理論上得到可以實現(xiàn)的幾種原理，然后通過方案比較，最終確定采用外接活塞式蓄能器的節(jié)流孔形式的油壓緩沖器的設(shè)計方案。2.確定節(jié)流孔的布局。緩沖器的緩沖制停減速度是隨著緩沖質(zhì)量的變化而變化的，只有在某一個特定的緩沖力時的制停才是勻減速的。在這里我們選取了最大和最小力的平均值作為設(shè)計力，運用小孔節(jié)流理論和等減速度緩沖規(guī)律，得到了理想狀況下活塞前方排油孔總面積Ax的計算公式，理論上Ax是緩沖位移x的連續(xù)函數(shù)，在實際設(shè)計中我們用了有限個小孔沿x和周向按照一定規(guī)律排布來近似實現(xiàn)Ax。3.實現(xiàn)了蓄能器的小型化。緩沖器的復(fù)位是通過彈簧來實現(xiàn)的，復(fù)位彈簧必須保證在緩沖過程結(jié)束后彈簧的彈力可以把緩沖器復(fù)位。復(fù)位彈簧還可以吸收一部分沖擊能量，使緩沖腔的油壓和柱塞加速度的變化平穩(wěn)些。與外置的氣囊式蓄能器相比，活塞式蓄能器的活塞不可避免的存在慣性，響應(yīng)也不那么靈敏。然而，在實現(xiàn)緩沖器的尺寸小型化和結(jié)構(gòu)一體化上，活塞式蓄能器的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣囊式蓄能器，同時本文將氣囊式儲能器與活塞式儲能器組合到了一起，克服了氣囊式儲能器體積大的缺點。4.系統(tǒng)密封方式的確定。結(jié)構(gòu)設(shè)計中需重點考慮的是整個系統(tǒng)的密封性，特別是活塞和缸套之間。在緩沖過程中緩沖腔內(nèi)將會產(chǎn)生很高的壓力，又由于缸套壁上開了節(jié)流孔，這就給活塞和缸套壁的密封帶來一定的困難。若活塞與缸套采用間隙密封，則由于存在環(huán)形間隙，所以這里必須采用組合密封，這樣即保證密封，又可以降低活塞和缸套的摩擦，延長其使用壽命。缸套上開孔也有其減小液動力的優(yōu)點。5.蓄能器結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。為實現(xiàn)緩沖器整體結(jié)構(gòu)的一體化，不采用成品蓄能器，而是根據(jù)蓄能器原理自行設(shè)計。在緩沖器外加了一個油缸作為外掛油箱進(jìn)行儲能。5.2緩沖器設(shè)計中的關(guān)鍵問題通過緩沖器設(shè)計過程的研究分析，在理論分析、方案確定、結(jié)構(gòu)設(shè)計和仿真計算中，把握好幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)尤為重要，設(shè)計成功的關(guān)鍵。5.2.1節(jié)流孔設(shè)計及相關(guān)計算參數(shù)的確定在整個緩沖過程中節(jié)流是消耗能量的關(guān)鍵所在，其設(shè)計的合理與否關(guān)系到緩沖性能的實現(xiàn)，在設(shè)計時要滿足最大最小力下的減速度要求，設(shè)計過程中節(jié)流面積的不連續(xù)時產(chǎn)生脈動。因此，設(shè)計節(jié)流孔不僅要從節(jié)流理論出發(fā)，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)，還要從制造工藝出發(fā)，合理設(shè)計節(jié)流孔的結(jié)構(gòu)。保證125mm的行程下，使緩沖性能達(dá)到最佳。5.2.2蓄能器的設(shè)計蓄能器在整個高速緩沖和復(fù)位過程中起著重要作用，一方面可以吸收能量，容納更多的液壓油，另一方面可以起到吸收緩沖過程中的沖擊和脈動的作用。5.3未來展望參考前期對此種型式緩沖器的設(shè)計研究可知，帶活塞式蓄能器的緩沖器在理論上是可行的。活塞式儲能器可使得整個系統(tǒng)的成本降低，結(jié)構(gòu)緊湊，在產(chǎn)品的市場化方面具有很大的優(yōu)勢。在條件許可的情況下，希望能夠制造出樣機來，這樣就可以在進(jìn)行試驗，既可以通過試驗來驗證設(shè)計的正確性，又可以為將來可能正式產(chǎn)品的推出提供試驗依據(jù)，為此在下一步的研究中應(yīng)進(jìn)行如下幾個方面的工作：1.進(jìn)一步進(jìn)行節(jié)流孔布局的優(yōu)化。本設(shè)計是在確定的節(jié)流孔位置僅僅是一個滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的近似解，并非全局最優(yōu)解。在下一步的工作中可以進(jìn)一步探討節(jié)流孔排部和位置對于緩沖性能的影響，盡可能地減小節(jié)流面積的突變，使緩沖器可以實現(xiàn)緩沖的質(zhì)量范圍能得到擴大。2.對減行程設(shè)計進(jìn)行研究。汽車用油壓緩沖器的行程可以采用減行程設(shè)計，通過對減行程進(jìn)行研究，確定最小的極限行程，從而減小系統(tǒng)的整體尺寸。

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致謝本論文是在指導(dǎo)教師王成龍老師的悉心指導(dǎo)下完成的。在三個多月的設(shè)計、研究工作中，得到了王老師自始至終的關(guān)懷和指導(dǎo)。在此期間小組成員們也給予我?guī)椭椭С?，在此向他們表示由衷地感謝。首先，衷心感謝王老師，在畢業(yè)設(shè)計過程中，他在百忙中抽出時間給我們答疑，幫助我解決難題，給予了我極大的幫助。論文的順利完成，離不開王老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)心。王老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和求實創(chuàng)新的精神使我受益匪淺。其次，感謝小組成員在日常生活中給予的幫助和關(guān)心，我們之間的相互討論，相互交流、共同克服困難，為論文的完成創(chuàng)造了良好的環(huán)境和工作氛圍，在此表示感謝。感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)及CAD中心周老師給予的支持和幫助，給我們的畢業(yè)設(shè)計創(chuàng)造了極大的方便。借此，表示衷心的謝意。

附錄英文文獻(xiàn)3.6.THEMATHEMATICALMODELAccordingtotheabove,wecaninducethemathematicalmodelofshockabsorber:Themodelcontainsallphysicalparametersoftheshockabsorber.Soitcandesigntheactualshockabsorbereasilywiththemodel.4.EXPERIMENTALRESULTSANDSIMULATIONOFTHEWORKINGCHARACTERISTICSOFTHESHOCKABSORBER[1]Figure2showstheexperimentalset-up.Theperformanceofthenewtypeofshockabsorberforthedualdemandofresistingviolentimpactandattenuatingvibrationcanbetestedbythissystem.Theshockabsorberismountedonanelectrodynamicshaker;thelowerendisfixedtothevibratingtableoftheshakerandtheoppositeendtothemassblock.ThesignalproducerandthepoweramplifierinFig.2(a)areusedtocontroltheshaker,whilethetimehistoriesofinputstatevariablesandoutputstatevariablesareacquiredbymeansoftwoaccelerometersensorsandanacquisitionsystem(atwo-channeldatacollectinginstrument).Theelectrographisusedtoobservethenaturalstateofthesignal.ThepictureofthevibrationtestingsystemisshowninFig.2(b).Inimpacttesting,theelectrodynamicshakerisreplacedbyadrop-impacttestingmachine[seeFig.2(c)].Theshockabsorberismountedonthedrop-impacttestingmachine,thelowerendisfixedtotheplatformofthedrop-impacttestingmachineandtheoppositeendtothemassblock.Inthemeantime,thesignalproducer,thepoweramplifierandtheelectrographareallcanceled.Largeamountsofexperimentaldatahavebeengatheredregardingthisnewtypeofshockabsorberfilledwithhydraulicoilandair.Theinfluenceofamplitudeandfrequencyofsineexcitation,aswellastheinfluenceoffluidviscosity,ratioofdampingarea,additionaldampingforceandfrictionhavebeeninvestigated.Figure2.Experimentalset-upfordynamictesting.(a)Vibrationtestingsystem.(b)Pictureofthevibrationtestingsystem.(c)Impacttestingsystem.(d)Pictureoftheimpacttestingsystem.4.1.PERFORMANCEOFTHESHOCKABSORBERFigure3(a)illustratestheperformanceoftheshockabsorberinvibrationtest.Itcanbeevaluatedbyabsoluteaccelerationtransmissibilityvsfrequencyoftheexcitation.Theabsoluteaccelerationtransmissibilityisdefinedastheratioofmaximumaccelerationofthemassblocktothatofthebasemotion(themotionofthevibratingtableoftheshaker).InFigure3(a),eachcurveshowsthree-frequencybands,whichhasdistinctcharacteristicofaccelerationtransmissibility.Oneisnamedlow-frequencyattenuationband,thecurvesshowlow-frequencyattenuationcharacteristicbeforetheresonancefrequency,forexamplethecurve2-230cstbetween5and10Hz,thecurve3-400cstbetween5and20Hz.Thisisanewcharacteristic,whichhasbeendiscoveredintheexperimentalresearchofthisnewshockabsorber.Thisshowsthatashockabsorberwithabroaderlow-frequencyattenuationbandcanbedesignedbyadjustingthecouplingparameters.(Note:Thisisanewattenuationphenomenon,thestudyofthemechanismofthephenomenonisafuturework).Theotherisnamedresonanceband.Inresonanceband,theshockabsorbershowsahigh-leveldampingcharacteristic.Itcanmaketheaccelerationtransmissibilityapproach1,whichm