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本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 37 頁 共 37 頁
1 緒論
1.1 課題來源與國內(nèi)外現(xiàn)狀
隨著科技的進步、經(jīng)濟的發(fā)展、人民生活水平的不斷提高，汽車己經(jīng)成為人們學習、工作、生活中不可缺少的代步工具，對人們的生活、生產(chǎn)產(chǎn)生了深刻的影響。作為一種便捷的現(xiàn)代化交通工具，汽車在給人們帶來極大便利的同時，也因其造成的交通事故給人類的生命和財產(chǎn)安全帶來了嚴重威脅。隨著全球汽車保有量的不斷增加，交通事故也隨之增加，交通事故己經(jīng)成為全球范圍內(nèi)的一大社會問題。
這是一組讓人膛目結(jié)舌的數(shù)字。美國的汽車保有量為1.3億輛，每年道路交通死亡4萬人左右；日本的汽車保有量近8000萬輛，每年道路交通死亡1.1萬人，去年降到8000人。中國的汽車保有量是3000萬輛，每年道路交通死亡近11萬人，單車事故率相當于美國的近13倍，日本的近40倍。除去交通狀況等客觀因素，一個不可回避的原因就是中國汽車安全系數(shù)低，我國交通事故的嚴重程度由此可想而知。隨著我國道路交通狀況的不斷改善，我國汽車的保有量不斷增加，車速也逐漸提高，交通事故總量和所造成的人員傷亡與財產(chǎn)損失近年來也呈上升趨勢。加強道路交通系統(tǒng)和汽車安全的研究，預防交通事故，是需要全社會共同關(guān)注和迫切改善的重要課題[1-2]。
汽車安全性問題與汽車的各種性能等直接或間接有關(guān)，對其研究最初是與提高汽車的整車性能的研究交織在一起的。隨著二戰(zhàn)后汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，到60年代中期，西方發(fā)達國家中汽車的保有量和汽車的動力性能有了明顯的提高，公路上的車流密度和車流速度己達到了一個空前高的水平，汽車事故發(fā)生率空前高漲，汽車安全性受到了公眾和政府部門的高度重視。從這一時期開始，各國相繼制定或修訂了安全法規(guī)，如美國的汽車安全標準FMVSS等[3]。在這些法規(guī)的制約下，以及為了提高汽車產(chǎn)品的競爭力，各大汽車制造商和一些研究機構(gòu)開展了汽車安全性的專門研究。汽車安全性研究逐漸從汽車技術(shù)研究的其他領(lǐng)域分離出來形成了一個獨立的分支。
1.2 汽車安全性的種類
汽車安全性可劃分為主動安全性和被動安全性[4-5]。被動安全性是指汽車發(fā)生不可避免的交通事故后，能夠?qū)噧?nèi)乘員或車外行人進行保護，以免發(fā)生傷害或使傷害減低到最低程度的性能。目前，汽車被動安全性研究內(nèi)容包括車身結(jié)構(gòu)抗撞性研究、碰撞生物力學研究以及乘員約束系統(tǒng)及安全駕駛室內(nèi)飾組件的開發(fā)研究這三個方面。
汽車被動安全性研究方法包括試驗研究和計算機仿真研究兩種[6]。汽車被動安全性的研究最早通過實驗進行，內(nèi)容包括臺架沖擊試驗、臺車碰撞模擬試驗和實車碰撞試驗。實車碰撞試驗主要用來對己開發(fā)出的成品車型進行按法規(guī)(如美國FMVSS汽車安全標準)要求的試驗，以鑒定其是否達到法規(guī)要求。涉及整車結(jié)構(gòu)的相關(guān)FMVSS安全標準都要求進行時速為48km/h的實車與固定障壁的前碰實驗。前面固定障礙物的沖擊代表最嚴重的汽車碰撞類型。適合于該碰撞試驗的固定障礙物通常由至少3m寬、1.5m高、0.6m厚的鋼筋混凝土制成。在障礙物后面堆有大約90噸夯實的砂土或其等價物。障礙物平面垂直于汽車最后趨近路線，且表面鋪有19mm厚的層壓板。采用道軌來控制試驗汽車的方向，整個車輛的加速度可借安置于車地板或大梁或靠近車門中柱的車身門檻處的加速度儀來測量。我國的碰撞試驗使用的是剛性的水泥墻，其上覆蓋的20cm的木板并不存在變形吸能的作用，只是為了保護儀器，反而是歐洲的重疊碰撞試驗中測試車輛并不是直接撞向剛性墻壁，而是與一個蜂窩結(jié)構(gòu)的吸能塊發(fā)生重疊碰撞，用這個吸能塊來模仿對面來車。
汽車主動安全對策主要涉及汽車的制動性、動力性、操縱穩(wěn)定性、駕駛舒適性、信息性等方面。包括防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、驅(qū)動防滑系統(tǒng)(ASR)、橫擺控制系統(tǒng)、車距報警系統(tǒng)、駕駛輔助預警系統(tǒng)、安全導航系統(tǒng)后視鏡、高位制動燈等汽車主動安全裝置[7-8]。
1.3 汽車模擬碰撞的研究
（1）國外汽車碰撞模擬研究與發(fā)展狀況
對汽車碰撞的研究，國外起步較早。較早開展汽車碰撞研究的是美國。早期汽車碰撞研究主要是進行各種條件下的碰撞試驗，包括實車試驗和模擬試驗，如前所述。國外 汽 車碰撞模擬最早出現(xiàn)在60年代末期，由于當時受計算機硬件水平的限制，一輛車僅包含幾十個節(jié)點，單元類型也局限于梁單元，當時的碰撞模擬主要是對實車碰撞實驗的預測。80年代由于Cray等巨型機的出現(xiàn)和顯式積分理論的成熟，人們開始研究對整車的耐撞有限元分析，汽車單元數(shù)量發(fā)展到幾千個，同時開發(fā)出了與汽車結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的薄壁單元。進入90年代以來，由于汽車碰撞的商業(yè)化軟件不斷完善，單元數(shù)量也擴大到幾萬個甚至幾十萬個，汽車碰撞模擬結(jié)果越來越接近于實際。由于計算機開始廣泛采用了并行技術(shù)，使得運算時間大大減少，甚至現(xiàn)在普通的個人計算機也可以進行碰撞仿真分析。目前在汽車發(fā)達國家汽車碰撞模擬研究已經(jīng)達到相當成熟的地步，開發(fā)出了許多成熟的用于碰撞模擬的成熟商業(yè)軟件包，已經(jīng)部分取代實驗室的工作。
(2)國外開展汽車碰撞模擬研究的方向
國外開展的汽車碰撞計算機模擬研究主要包括事故再(ACCIDENTRECONSTRUCTION),碰撞受害者模擬(CRASH VICTIM SIMULATION)、汽車結(jié)構(gòu)抗撞性模擬(SIMULATION OF AUTOMOBILE'S CRASHWORTHI-NESS)三個方向[9-12]。事故再現(xiàn)研究的內(nèi)容是，在汽車事故發(fā)生后，由汽車的最終位置開始，運用按經(jīng)驗建立的運動學和動力學模型往回推算，即反向經(jīng)由碰撞后階段一碰撞階段一碰撞前階段，使事故的情況在時間和空間上得以重現(xiàn)。汽車 碰 撞 受害者模擬的研究工作開始于60年代中期，使用的動力學分析模型是多剛體系統(tǒng)模型和生物力學分析模型，分別用來模擬人體整體動力學響應(yīng)和人體局部結(jié)構(gòu)傷害程度。汽車 結(jié) 構(gòu) 抗撞性模擬的動力學分析模型是非線性大變形有限元模型。有限元模型的優(yōu)點在于能真實地描述結(jié)構(gòu)變 形，適用于建立汽車結(jié)構(gòu)模型及人體局部結(jié)構(gòu)的生物力學分析模型。
(3)國內(nèi)汽車碰撞模擬研究狀況
我國對汽車被動安全性進行系統(tǒng)研究是從上個世紀80年代后期開始的，汽車碰撞研究工作也開始于這一時期，取得了可喜的成績。1989年，吉林工業(yè)大學和西安公路交通大學分別建立了“剛體+彈塑性彈簧”數(shù)學東北大學碩士學位論文第一章緒論模型和“剛體+彈簧阻尼”數(shù)學模型[13]。后者還做了模型碰撞試驗，驗證其理論模型。次年，吉林工業(yè)大學李卓森教授和李洪國教授就計算機模擬中所需的汽車碰撞剛度和汽車正面碰撞方程式等方面進行了探討。1996年清華大學的黃世霖、王春雨等人應(yīng)用DYNA3D研究了車架結(jié)構(gòu)的耐撞性能并在此研究基礎(chǔ)上對車架結(jié)構(gòu)提出了改進措施。從2000年開始，我國一直實施汽車正面碰撞法規(guī)，即是100%正面全接觸碰撞試驗。2003年，我國己經(jīng)制定GB 11551汽車正碰國家標準。而事實上，在道路交通事故中，由于側(cè)面碰撞造成的傷亡事故也占有相當比例，約有20%。在清華大學汽車碰撞試驗室和中國汽車技術(shù)研究中心碰撞試驗室進行了大量的碰撞試驗，才最終確定了我國汽車側(cè)碰國家標準(送審稿)的內(nèi)容，并計劃于2006年7月1日起正式實施[14-16]。
1.4 本課題主要內(nèi)容
本課題在介紹國內(nèi)外汽車碰撞試驗臺的基礎(chǔ)上，提出一種汽車碰撞試驗臺設(shè)計方案，包括小車，導軌，牽引裝置，減速緩沖裝置等。重點進行減速緩沖裝置的分析與設(shè)計，設(shè)計出液壓式緩沖器，使得小車撞擊后減速曲線符合ECER16標準，并給出模擬碰撞曲線。
2. 碰撞試驗臺結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求
2.1 結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求
本課題設(shè)計的模擬試驗臺結(jié)構(gòu)特點并不復雜，主要機械結(jié)構(gòu)部分包括導軌、滑車、拖車、釋放機構(gòu)、牽引拉緊裝置、拉緊力調(diào)節(jié)機構(gòu)、減速器及水泥壁障等，導軌設(shè)計要讓小車平穩(wěn)滑行，小車選擇穩(wěn)定性比較好的，拖車、釋放機構(gòu)、牽引拉緊裝置、拉力調(diào)節(jié)機構(gòu)是一個整體的系統(tǒng)，其主要作用是給小車一定的速度，并在一個穩(wěn)定的速度釋放小車，減速器是讓汽車的減速波形滿足ECER16法規(guī)的要求。 ECERl6和ECERl7波形的模擬是關(guān)于安全帶動態(tài)試驗的法規(guī)，要求臺車試驗?zāi)M出來的減速度波形在一定范圍內(nèi)，且停車距離在(400±20)mm之間。因此我們的設(shè)計難點在減速緩沖裝置上面。而其他的零部件按照一定的要求可以設(shè)計出來[17]。
2.2 緩沖過程建模
進一步了解緩沖器的實際工作過程(即其動態(tài)特性)，必須對緩沖過程進行動態(tài)分析，緩沖器的緩沖過程如圖2.1所示，沖擊載荷為質(zhì)量M。的沖擊塊與轉(zhuǎn)動慣量J1的滾珠絲桿的組合(沖擊塊運動速度與絲桿的角速度呈一定的比例關(guān)系)。沖擊塊撞擊緩沖器活塞頭時的速度為V0擊載荷的質(zhì)量遠大于活塞的質(zhì)量m(即Km≈0)，則撞擊時的能量損失?E可以忽略。由于沖擊塊與活塞頭均為鋼制件，在實際沖擊過程中難免會發(fā)生沖擊塊與活塞頭的多次撞擊現(xiàn)象，為便于分析，建模時忽略多次撞擊的過程，即假設(shè)沖擊塊與活塞第一次撞擊后以相同的速度運行。
1． 液壓緩沖器 2. 沖擊塊 3. 絲桿
圖2.1 緩沖過程原理圖
3. 碰撞試驗臺的設(shè)計和計算
3.1 碰撞試驗臺的總體設(shè)計
本實驗臺的主要部件如下圖所示：
1. 墻體 2.導軌安裝板 3. 液壓緩沖器 4. 緩沖塊 5. 滑車
6. 牽引車 7. 導軌 8. 電動機
圖3.1 試驗臺總體結(jié)構(gòu)
3.2 導軌機構(gòu)的設(shè)計和計算
導軌的功能是為滑車和拖車進行導向。導軌的斷面形狀為工字形．用鋼軌型鋼加工而成。兩根導軌的長度各為25m，彼此平行排列，距離為lm．在導軌的下面有調(diào)整墊鐵和水泥地基。這樣的話小車可以穩(wěn)定在導軌上滑行并且比較穩(wěn)定。如圖3.2所示
圖3.2 導軌示意圖
3.3 小車的選擇和設(shè)計及釋放機構(gòu)
滑車的長度為1．5m，寬度為1．2m，其上表面鋪設(shè)鋼板。在鋼板上面裝有塑料吸能器的鋼筒與支承．根據(jù)需要還可裝座椅及其它試驗需要的裝置或部件?；嚭蠖嗽O(shè)有與拖車插銷相連接的帶孔的零件和兩個電磁鐵偶件的吸盤。滑車的下面裝有4組與導軌接觸并上下左右限位的滾輪，借此與導軌實現(xiàn)滾動摩擦，為減少噪聲，在鋼滾輪外裝有尼龍?zhí)住?
本系統(tǒng)采用電磁鐵吸合、安全插銷保險的簡易機構(gòu)。2個電磁鐵的吸力約30kN，安全插銷是利用一臺小電機驅(qū)動的螺桿機構(gòu)帶著上下移動的，從而實現(xiàn)插銷和拔銷動作，由電控設(shè)計保證，在電磁鐵吸合和安全插銷插入滑車的帶孔零件之中后，卷揚機才能往后拉動拖車，并且只有在安全插銷從滑車帶孔零件中拔出后，才能釋放滑車。如果停電，安全插銷便會鎖住滑車，避免產(chǎn)生不需要的碰撞，從而達到安全保險的目的。
圖3.3 滑車與導軌配合圖
3.4 墻體的選擇
為了適應(yīng)廣泛的需要，壁障深入地下1.5m，寬2m，長3m，總質(zhì)量約30t，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并同導軌的地基澆筑成一體， 壁障的碰撞平面裝有厚20mm 的鋼板，并在鋼板上裝置吸能器偶件之一的橄欖頭桿座，根據(jù)需要還可裝設(shè)載荷傳感器等部件。
圖3.4 碰撞墻體
3.5 傳動裝置
拖車的結(jié)構(gòu)與滑車相同，只不過長度僅為O．5m，上面裝有插安全銷的部件及其支承以及兩個電磁鐵吸盤，其后端裝有鋼絲繩牽引鉤環(huán)。利用卷揚機、鋼絲繩并通過拖車和釋放機構(gòu)將滑車拉回到設(shè)定位置，以保證在碰撞前達到規(guī)定的車速在設(shè)定位置的滑車將多根橡膠繩拉緊，當釋放機構(gòu) 放時，橡膠繩的拉緊力便使滑車向前加速運行，一直到水泥壁障前，吸能器使其停止為止。根據(jù)車裝載質(zhì)量的多少和要求車速的大小，橡膠繩的數(shù)量可以相應(yīng)地增減[17-19]。
4. 減速緩沖裝置的設(shè)計和計算
4.1 減速緩沖器的種類
在臺車模擬碰撞實驗過程中，緩沖減速裝置決定了碰撞減速度波形，因此是臺車實驗的關(guān)鍵設(shè)備，國內(nèi)外各廠家和科研機構(gòu)關(guān)于緩沖減速裝置的研究很多，緩沖的形式也多種多樣。包括：高壓氣體型節(jié)流芯柱式，液壓伺服式，金屬或塑料褶皺吸能式和液壓節(jié)流式等。
4.2 吸能緩沖器
正碰臺車試驗裝置的設(shè)計思路將一根金屬棒材的兩端分別用3根銷固定(如圖4-1(a)所示)，若給其一定的預變形后在中間施加一質(zhì)量為m，速度為v的沖擊載荷(如圖4-1(b)所示)，金屬棒材將發(fā)生如圖4-1(C)所示的變形。在變形的過程中金屬棒材將吸收能量，其大小為沖擊載荷(即質(zhì)量塊)所做的功。在質(zhì)量塊上測得其在沖擊過程中的減速度或力，并通過兩次積分運算得到質(zhì)量塊和金屬棒材的相對位移。結(jié)果表明，在沖擊過程中質(zhì)量塊所受到的減速度或力與質(zhì)量塊和金屬棒材的相對位移或作用時問具有圖6所示的梯形關(guān)系，即金屬棒材受到的力或減速度逐漸增大到一定值后保持穩(wěn)定，直到?jīng)_擊塊的速度減為零或金屬棒材從銷中脫離。
(a)棒材固定 (b)棒材預變形 （c）棒材受沖擊后變形
圖4.1單根金屬棒材受沖擊載荷作用時的變形過程
根據(jù)作用力與反作用關(guān)系，圖4.2所示的即為單根金屬棒材在圖4.1所示狀態(tài)下的力學特性。另外，根據(jù)F=ma，在沖擊塊質(zhì)量不變的情況下金屬棒材所能承受的減速度不變(與質(zhì)量塊的沖擊速度無關(guān))?；趩胃饘侔舨脑谶@一工作模式下的力學特性，正碰臺車試驗裝置以金屬棒材作為復現(xiàn)波形用的吸能材料。
圖4.2 單根金屬棒材的力學特性
圖4.3為整套金屬棒材吸能式正面碰撞臺車試驗裝置的設(shè)計簡圖。該系統(tǒng)可分為兩部分：一部分是用于固定車身的臺車裝置，另一部分是用于模擬車身減速即車體變形的波形復現(xiàn)裝置。其工作過程與實車正面碰撞過程類似，可分為如下3個階段：
（1）引系統(tǒng)牽引臺車車架(車體焊接在其上)獲得預定的速度；
（2）在探桿離吸能裝置2～3 m處牽引系統(tǒng)與臺車裝置分離，臺車車架以預定的速度作勻速的自由運動(地面摩擦忽略不計)；
（3）探桿與第一排金屬棒材接觸，在金屬棒材的阻尼作用下臺車裝置開始作減速運動，直至速度減為0，試驗結(jié)束[20]。
(a) 臺車車架
正視圖
俯視圖
（b）波形復現(xiàn)裝置
圖4.3 正碰臺車試驗系統(tǒng)的設(shè)計簡圖
4.3 多孔式液壓緩沖器
清華大學碰撞實驗室根據(jù)自身的特點和我國的國情，研制出液壓節(jié)流式緩沖器。液壓節(jié)流式緩沖器通常情況下是高速運行設(shè)備一種有效的安全保護裝置，廣泛應(yīng)用于起重機、電梯和車輛機械中，但在傳統(tǒng)的工程設(shè)計中，只是用估算的方法，對緩沖波形和模擬計算精度的要求都比較低。在臺車模擬碰撞試驗中，要求能精確地控制緩沖器的波形，因此需要高精度的模擬計算進行輔導設(shè)計和調(diào)試。
圖4.4為多孔式液壓緩沖器的原理圖，在碰撞前，蓄能器中預先充滿一定的氮氣，當臺車撞擊活塞時，液壓油由節(jié)流孔從高壓腔壓縮到外腔，外腔通過回油孔與低壓腔相通，節(jié)流孔產(chǎn)生的阻尼力對臺車產(chǎn)生制動。臺車的動能大部分轉(zhuǎn)化為液壓油的熱能，同時還有一部分能量儲存在蓄能器中，節(jié)流孔沿活塞的行程不等間距分布，每個節(jié)流孔的大小可以通過更換不同尺寸的節(jié)流螺釘來控制。這樣可以按不同的碰撞要求控制緩沖器碰撞波形[21]。
圖4.4 多孔液壓緩沖器的工作原理圖
本模型主要考慮了湍流狀態(tài)下小孔節(jié)流流量特性、偏心環(huán)縫的流量特性、油的壓縮性、活塞的運動特性和緩沖塊的力學特性等，以動力特性為主?？紤]到兩次臺車模擬碰撞時間間隔太長，溫度對模型影響不大，因此忽略溫度影響。
（1）小孔節(jié)流流量方程為
q1=CQAC2P-P2ρ 式(4.1)
式中：其為密度，Cq為流量系數(shù)，Ac為節(jié)流面積。
（2）偏心環(huán)縫流量方程（圖4-4）
q2=2.5πd12μlc(p-p2)δ3 式(4.2)
其中為動力粘度,為l活塞頭行程方向?qū)挾龋瑸榛钊^偏心量，C為修正系數(shù)
圖4.5 偏心環(huán)縫
（3）油的壓縮性方程
k=-dpdv dvdt=-vkdpdt 式（4.3）
式中K為體積彈性模量，V為高壓油體積。
（4）液壓油的流量連續(xù)性方程
v2=Q1+Q2+Q3+dvdt 式（4.4）
式中：Q3為其他縫隙泄漏補充流量
（5）活塞的力平衡方程
m2dv2dt=F+p2A2-PA1-f2g2 式(4.5）（6）臺車的力平衡方程
m2dv1dt=-(F+f2G2) 式（4.6）
（7)其他補充方程
氣體絕熱壓縮
p2=p0v0v0-x2A0K 式（4.7）
節(jié)流面積曲線
Ac=Ac(X2) 式（4.8）
緩沖塊的力學特性曲線
F=F(X1-X2) 式(4.9)
綜合上面方程可以得到微分方程組如下：
dpdt=kL-X2A1V1-Q1-Q2-Q3dv1dt=-1m1Fx1-x2+f2G1dv2dt=1m2Fx1-x2+p2A2-PA1-f2G2dx1dt=v1dx2dt=v2 式(4.10)
輸入特性參數(shù)Cq，p，μ，K，k,f1，f2和其他一些試驗參數(shù)m1，m2，Vo，P0，以及節(jié)流面積曲線AC(X2)，緩沖塊壓力曲線F(xl—X2)，最后確定臺車的初速度V0，就可以用數(shù)值積分法求解上面的方程。這里用變步長的四階龍格---庫塔法求解方程組，可以得到高壓腔的壓力曲線、臺車和活塞的減速度、速度和位移曲線，其中臺車的減速度曲線是和試驗進行對比的重點，通過對比驗證模型的準確性，并對模型的各參數(shù)進行優(yōu)化和修正。
4.4 圓槽減速緩沖器的設(shè)計計算
4.4.1 液壓緩沖器的設(shè)計原理
為了汽車各種零部件的試驗研究，緩沖器應(yīng)能模擬汽車在不同速度下實車碰撞的波形。多孔式液壓緩沖器由于結(jié)構(gòu)的原因，很難把某次實車的碰撞波形模擬的非常精確。從統(tǒng)計學的觀點來講，模擬某次實車碰撞波形其實是沒有意義的，緩沖器能模擬出碰撞過程中的加速度峰值和脈寬等重要參數(shù)就足夠了。但由于實車碰撞的速度特性和液壓緩沖器的速度特性存在本質(zhì)不同，這就需要一套調(diào)節(jié)緩沖器的方法，以適應(yīng)在不同速度下的碰撞試驗的需要[21-24]。
在此設(shè)計的液壓緩沖器模擬汽車碰撞波形要滿足ECER16的要求,要求臺車試驗?zāi)M出來的減速度波形在一定范圍內(nèi)且停車距離在(400±20)mm之間。圖4.5為本系統(tǒng)模擬出的滿足ECER16要求的減速度波形，圖中兩條虛線為法規(guī)要求的減速度波形的上下限，該減速度波形的停車距離為399 mm。ECER17是關(guān)于座椅強度的法規(guī)，要求臺車試驗?zāi)M出的大于20 g的減速度波形持續(xù)時間不小于30ms。圖4.6是要用本系統(tǒng)模擬出的滿足ECER17的減速度波形，該減速度波形最大減速度為23.31g，大于20g的減速度波形持續(xù)時間為34.5 ms。
圖4.6 滿足法規(guī)ECER16要求的減速度波形
圖4.7 滿足法規(guī)ECER17要求的減速度波形
圖4。8為液壓緩沖器的局部正視圖，從圖中可以看出在液壓缸底部有一個圓槽，因此稱之為圓槽式液壓緩沖器。改緩沖器主要依靠活塞在圓槽的位置變化改變駐退液的流量來改變小車碰撞的加速度變化。，在整個撞擊的過程中，內(nèi)壓缸內(nèi)的壓力始終保持一定，如此便產(chǎn)生一固定大小之緩沖力，也就是所謂的線性減速。 經(jīng)由此線性減速過程，油壓緩沖器能將運動工作件平穩(wěn)且安靜地以最小的力量將運動件停止下來。
圖4.8 緩沖器局部正視圖
1. 工作腔 2. 非工作腔
圖4.9 緩沖器結(jié)構(gòu)圖
由于活塞擠壓1腔（工作腔）內(nèi)液體，使其壓力升高，被壓縮液體通過活塞和變深度溝槽組成的流液孔高速射入2腔（非工作腔），這股高速射流最后射到駐退筒的底部，成為雜亂無章的渦流，隨著后坐運動駐退桿不斷從駐退筒中抽出，2腔出現(xiàn)真空，流液在變深度溝槽中受阻尼力對臺車進行制動。汽車碰撞中的巨大動能轉(zhuǎn)化為駐退液的熱能，還有一部分能量貯存在2腔中。不難看出，緩沖裝置內(nèi)流體流動是十分復雜的，它屬于可壓縮粘性液體帶有熱傳導的三維非定向?qū)恿鲃?，過渡到大雷諾數(shù)紊流流動的問題。
為了工程上處理方便，對緩沖裝置中液體的流動作如下假設(shè)：
1） 駐退液是不可壓縮的
2） 流動是一維定常數(shù)
3） 駐退液在緩沖裝置通道中的流動是以地球為慣性參考系的
液流通道中某點的流速ω和壓力P，即為該點所在截面上的平均流速和液體壓力，并認為該截面上的值處處相等，對于恒定紊流（即流速和壓力的時間均值不隨時間變化的紊流），還應(yīng)理解為對時間的平均流速和壓力，這樣，所討論的模型不需要再區(qū)分層流和恒定紊流了。
下面建立描述在緩沖裝置作用下運動的基本方程組:
1）建立駐退方程和緩沖阻力方程
mhd2xdt2=-FR 式（4.11）
FR=Fφh+Ff 式（4.12）
2）駐退機內(nèi)液體的質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程）
為了確定駐退活塞后坐速度與液體流經(jīng)流液孔德液流速度的關(guān)系，應(yīng)用不可壓縮定常流動的質(zhì)量守恒方程：
=常數(shù)
式中： ——流液通道中任一截面的液流速度
A——液流通道的截面面積
在圖4.9中的簡單溝槽式駐退機上取1-1和2-2截面，并規(guī)定：
——工作腔內(nèi)1-1截面上液體壓力和流速
——非工作腔內(nèi)2-2截面上液體壓力和流速
——流液孔面積，其中，b——溝槽寬度；——溝槽的變深度：
——方形面積；d——駐退筒內(nèi)徑；D——駐退筒外徑。
駐退桿以V的速度后坐，若觀察者位于駐退桿上，則可看出液體以V的速度流向流液孔，并的流速射向2腔，得：
VA0=axω2 式（4.13）
ω2'=A2aXv 式（4.14）
上式解出是相對駐退桿的相對速度，活塞的相對速度為-V，故通過流液孔的絕對速度為：
ω2'=A0axv-v 式（4.15）
3）駐退機液流的機箱能守恒方程（伯努利方程）
為了確定駐退機1-1和2-2截面上流體壓力和流速的關(guān)系，引用定常流動的能量方程，有：
z1g+p1ρ+ω122=z2g+p2ρ+ω222+Hr 式（4.16）
式中：，，——1-1截面上液體具有的比位能，比壓能和比動能
，， ——2-2截面上液體具體的比位能，比壓能和比動能
——液體流到的比能損失
ρ —— 液體的密度
式4.16說明如下能量守恒之事實：在定常流動同一瞬時，處于1-1截面上的單位質(zhì)量液體和處于2-2截面上的單位質(zhì)量流體所具體的全部機械之差，等于從1-1截面流到2-2截面流到2-2截面單位質(zhì)量液體克服各種損失所損失的能量。
比能損失一般包括兩部分，一部分成為沿程損失-----液體沿截面尺寸和角度不變的液流流動時的能量損失，它反映了液體分子之間以及液體與壁面之間的摩擦損失，另一部分稱為局部損失----當液流通道截面尺寸與高度變化時，液體的能量損失，它反映了當液體流通道幾何尺寸變化時，由于液體的慣性，不能完全沿壁面流動，產(chǎn)生脫離現(xiàn)象，造成局部流動紊亂并有渦流產(chǎn)生而損失的一部分能量，兩種損失的內(nèi)因都來自于液體的粘性，通常工程設(shè)計中，認為液體流到某截面的比能損失與該截面液體的比能動能成正比，即：
Hr=εω22 式（4.17）
式中ε—液體的損失系數(shù)
顯然ε與液體的粘性，通道幾何尺寸，壁面粗糙度，流動狀態(tài)等有關(guān)。
利用伯努利方程建立圖1所示1-1和2-2截面的液體能量關(guān)系。在1-1截面上，壓力為,流速（桿后坐），比能；2-2截面上，壓力（2腔出現(xiàn)真空），流速為，比位能。因駐退機徑向尺寸變化不大，1-1和2-2截面上液流中心高度相差無幾，可認為
將上述參量代人公式可得：
p1ρ=ω222+Hr=(1+ε)ω222 式（4.18）
應(yīng)該指出，利用上式計算工作腔壓力p1,往往與實測壓力值相差較大，這是由于損失系數(shù)不易取準，另一方面，三條基本假設(shè)與實際情況有較大差別。因此反后坐裝置設(shè)計中用修正系數(shù)K代替，上式可寫成：
p1ρ=kω222 式（4.19）
K稱為駐退機的液壓阻力系數(shù)。K不僅包括了駐退機內(nèi)液體流到的沿程損失，而且還包括對上述公式不完善部分（如液體的收縮，截面，流速，壓力的不均勻性等）的修正。因此，K實質(zhì)上是一個理論與實際之間的符合系數(shù)。在反后臺坐裝置設(shè)計中，對液體阻力系數(shù)K選取合理與，是關(guān)系設(shè)計成功與否的關(guān)鍵。
4） 液壓阻力方程
在后坐過程中，工作腔壓力始終作用在駐退活塞的工作腔一側(cè)，這個液壓力作用在駐退活塞上的合力，就是阻止后坐的液壓阻力，取駐退桿（包括活塞）為自由體。
不難求出
F?h=P1A0 式（4.20）
聯(lián)立方程組，可得到緩沖后坐運動方程：
mh=d2xdt2=-FR 式（4.21）
FR=F?h+Ff
ω2=A0axv-v
p1ρ=kω222 式（4.22）
F?h=P1A0
4.4.2 緩沖器的結(jié)果設(shè)計
a）液壓缸的設(shè)計與計算：
液壓缸的主要尺寸包括： 液壓缸內(nèi)徑D、活塞桿直徑d、液壓缸缸體長度l。
1)活塞頭寬度
根據(jù)壓桿的穩(wěn)定性計算活塞的零件，活塞桿的兩端簡化為鉸支座：
PCr=π2gI(μl) 式（4.23）
所以d=0.034
用確定的d計算活塞的柔度：
λ=μli=47 式（4.24）
對所有材料35CrMnSi來說：
λ2=π2Eσp=35 式（4.25）
因為 所以可以用歐拉公式：
σcr=σx=1300pa
2)活塞桿直徑
PCr=π2gI(μl)2=σcrA 式（4.26）
整理得：
d2=π2Eπ64d4μl2σcrπ4 式（4.27）
3)活塞直徑
活塞工作面積：
A0=F?maxpmax=14112035*103=0.004032m2
且 A0=π4(D2-d2)
整理后得直徑D=0.08m。
即活塞直徑為0.08m。
則A0=0.00387m2。
4)缸體外徑
缸體外徑選擇45剛，作表面乳白鍍鉻處理
根據(jù)材料力學公式，可得：
σr=-p1a2b2-a2(b2r2-1)
σr=-p1a2b2-a2(b2r2-1) 式（4.28）
σr2=2pa2b2-a2≤[σ] 式（4.29）
即b2-a2≥2pb2[σ]
所以
考慮到變溝槽深度取厚度0.01m，因此缸體外徑為0.1m。
5)緩沖器的工作長度
緩沖器的工作長度。
b）液壓缸的校核
1.缸體壁厚δ的校核
中低壓系統(tǒng)，無需校核，原則小于高壓大直徑時，必須校核δ
校核方法：
① 薄壁缸體（無縫鋼管）
當δ/ D≤0.08時： δ≥pmaxD/2[б]
② 厚壁缸體（鑄造缸體）
當δ/ D=0.08--0.3時：δ≥pmaxD/2.3 [б]-3pmax
當δ/ D≥0.3時： δ≥D/2（√[б]+ 0.4 pmax/[б] -1.3pmax-1
2.液壓缸缸蓋固定螺栓直徑d1的校核∵ 液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過程中同時承受拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力∴ 可按下式校核 d1≥√5.2KF/πz[б]
3.活塞桿穩(wěn)定性驗算當液壓缸承受軸向壓縮載荷時：若l/d≤10時，無須驗算
l/d≥10時，應(yīng)該驗算，可按材料力學
緩沖器的密封裝置選用金屬密封作為緩沖器活塞的密封元件，金屬材料選用紫銅T3，活塞桿與前后蓋的密封采用皮革和橡膠填料的密封結(jié)構(gòu)。
緩沖器變深度溝槽的面積和深度計算采用VB語言編程進行計算。
4.4.3 液壓緩沖器裝配圖
根據(jù)上面計算出來的各項數(shù)據(jù)，運用CAD制圖軟件繪制圖4.10圓槽液壓緩沖器裝配圖。
1底板 2 密封圈 3液壓缸體 4蓋板 5螺柱 6活塞桿
圖4.10 圓槽液壓緩沖器裝配圖
4.4.4 駐退液
目前駐退液主要是斯切奧爾液和斯切奧爾-M液。斯切奧爾液和斯切奧爾-M液中的絡(luò)酸鉀是良好的阻化劑，他可以減低駐退液對鋼鐵的腐蝕。氫氧化鈉可使液體略帶堿性以保持其性能的穩(wěn)定，減緩變酸的過程。以甘油為基礎(chǔ)的駐退液的優(yōu)點是比熱和密度大，對密封元件不親潤溶脹，低溫粘性小。它的缺點是成本高，沸點低，換油期短，高壓下易被氧化變酸。以絡(luò)酸鉀為阻化劑，在光和熱的作用下易發(fā)生氧化還原作用，使駐退液變酸，對銅質(zhì)零件腐蝕嚴重，西方國家多采用以石油為基礎(chǔ)油的駐退液，比較明顯的優(yōu)點是來源豐富，價格便宜，但比重較小，粘性隨溫度變化較大。
4.4.5 緩沖裝置的運動
采用VB語言編程，計算不同時刻的速度和加速度，程序界面如下圖：
圖4-11 VB計算程序界面
以length 代表節(jié)制桿工作長度，a代表活塞作用面積，d1代表駐退筒內(nèi)徑，d2代表駐退桿外徑，DT2代表駐退筒外徑。輸入程序見附錄A。
加速度調(diào)用程序見附錄B。
經(jīng)計算機模擬得到小車在48KM/h的速度碰撞時的加速度波形如圖4.12所示:
圖4.12 加速度曲線界面
經(jīng)過對比ECER16法規(guī)，該模擬滿足要求。
結(jié) 論
本課題主要通過模擬計算這個途徑，對小車正面碰撞墻體進行了模擬仿真，結(jié)合仿真結(jié)果分析，提出以下幾點結(jié)論：
1. 汽車碰撞的過程是個復雜的過程，碰撞時的加速度和小車質(zhì)量，速度，緩沖器有關(guān)。
2. 根據(jù)流體力學中的流量連續(xù)性方程和動力方程對圓槽式液壓緩沖器建模和仿真，并對仿真結(jié)果進行分析，找到?jīng)_擊速度、沖擊物質(zhì)量、節(jié)流面積等參數(shù)對緩沖特性的影響規(guī)律。
3. 利用本系統(tǒng)模擬出的小車減速度波形符合ECER16法規(guī)要求。由于臺車試驗需要模擬的碰撞環(huán)境多種多樣，該仿真過程對用液壓緩沖器模擬不同的碰撞減速度波形具有十分現(xiàn)實的指導意義
4．從汽車安全方面考慮，汽車應(yīng)該要有一段緩沖區(qū)，并且要很好的保護駕駛?cè)藛T的安全，在此基礎(chǔ)上最好再加上安全氣囊。
致 謝
本論文是在導師肖猛講師的悉心指導下完成的。從論文的選題，研究方案的確定，直到論文的撰寫無不凝聚著導師辛勤的汗水和心血。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，實事求是的科學作風，淵博的學識以及豐富的實踐經(jīng)驗都給我留下極為深刻的印象。無論是做學問還是做人，導師都是我一生學習的典范。尤其是當我在完成論文的過程中遇到困難時，導師所給予的指導將永遠激勵我，并且將使我終生受益。
在此，謹向我的導師肖猛講師表示崇高的敬意和誠摯的感謝!。
在學習期間，我有幸結(jié)識了許多老師和同學。在與他們相處的日子里，不僅開放式的學術(shù)交流和探討使我受益匪淺，而且他們的熱情幫助也讓我感到了友誼的溫暖。
參 考 文 獻
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附錄A 液壓缸體設(shè)計VB編程代碼
Private Sub Command1_Click()
Call sum
Dim length As Single, a As Single
Dim d1 As Single, D2 As Single, fmax As Single
Dim Dt2 As Single
Dim int1 As Integer
Open "c:\data2.txt" For Output As #2 ' 輸入數(shù)據(jù)文件
fmax = 30 * 9.8 * m
d1 = 0.08
D2 = 0.04
Dt2 = 0.09
a = 3.14159268 * (d1 * d1 - D2 * D2) / 4
Call lay(lmax, Dt2, length)
Text1.Text = CStr(length) & "mm"
Text2.Text = CStr(a) & "mm"
Text3.Text = CStr(d1) & "m"
Text4.Text = CStr(D2) & "m"
Text5.Text = CStr(Dt2) & "m"
Print #2, "序號"; Spc(6); "面積"; Spc(10); "深度"
int1 = 1
Do While int1 <= 80
If f(int1) > 0 Then
Call laya(v(int1), f(int1), d1, D2, ax)
d(int1) = ax / 0.007
Print #2, int1; ax; d(int1)
Else
Print #2, int1; Spc(10); 0; Spc(10); 0
End If
int1 = int1 + 1
Loop
Close #2
End Sub
Private Sub sum()
Dim int1 As Integer
Open "c:\data1.txt" For Output As #1
m = 480
f(0) = 0
v(0) = 13.33333
a(0) = 0
l = 0
Print #1, "序號"; Tab(7); "緩沖長度（m）"; Tab(18); "速度（m/s)"; Tab(30); "加速度（m/s/s)"; Tab(42); "液壓阻力（n)"
Print #1, 0; Tab(8); Tab(25); v(0); Tab(42); a(0); Tab(57); f(0)
int1 = 1
Do While int1 <= 80
If int1 <= 18 Then
a(int1) = CSng(int1) * 1.6 * 9.8
ElseIf int1 <= 55 Then
a(int1) = 30 * 9.8
Else: a(int1) = (30 - 2 * (CSng(int1) - 55)) * 9.8
End If
If int1 < 0 Then
a(int1) = 0
End If
v(int1) = v(int1 - 1) - a(int1) * 0.001
l = l + v(int1) * 0.001 - a(int1) * 0.001 * 0.001 / 2
f(int1) = a(int1) * m
Print #1, int1; Tab(8); l; Tab(25); v(int1); Tab(42); a(int1); Tab(57); f(int1)
int1 = int1 + 1
Loop
lmax = 1
Close #1
End Sub
Private Sub lay(lmax, d1, length) '計算節(jié)制桿工作長度
Dim dmax As Single
dmax = d1 * 0.6
length = lmax * 100 + dmax * 1000 + 50
End Sub
Private Sub laya(v, f, dt11, dt21, ax1)
Dim a0 As Single, k1 As Single
a0 = 3.1415926 * (dt11 * dt11 - dt21 * dt21) / 4
k1 = 1.5
ax1 = a0 ^ 1.5 * (k1 / 2) ^ 0.5 * v / f ^ 0.5
End Sub
Private Sub Command2_Click()
Form2.Show
End Sub
Private Sub Command3_Click()
Unload Me
End Sub
附錄B度曲線VB編程代碼
Private Sub Command1_Click()
Dim i As Integer, j As Integer
Form2.Line (1500, 5000)-(1500, 1000), vbRed
Form2.Line -(1450, 1100), vbRed
Form2.Line (1500, 1000)-(1550, 1100), vbRed
Form2.CurrentX = 900
Form2.CurrentY = 1000
Form2.Print "加速度"
Form2.Line (1500, 5000)-(6500, 5000), vbRed
Form2.Line -(6400, 4950), vbRed
Form2.Line (6500, 5000)-(6400, 5050), vbRed
Form2.CurrentX = 6150
Form2.CurrentY = 5050
Form2.Print "時間"
i = 0
Do While i <= 16
Form2.CurrentX = 1650 + (i - 1) * 250
Form2.CurrentY = 5000
Form2.Print 5 * i
i = i + 1
Loop
i = 0
Do While i <= 6
Form2.CurrentX = 1250
Form2.CurrentY = 4500 - i * 500
Form2.Print 5 * (i + 1)
i = i + 1
Loop
Form2.Line (2000, 5000)-(2000, 3400), vbGreen
Form2.Line -(2250, 3000), vbGreen
Form2.Line -(2750, 2400), vbGreen
Form2.Line -(3700, 2400), vbGreen
Form2.Line -(4250, 3000), vbGreen
Form2.Line -(4500, 5000), vbGreen
Form2.Line (1500, 2800)-(2400, 1800), vbGreen
Form2.Line -(4500, 1800), vbGreen
Form2.Line -(5500, 5000), vbGreen
Form2.CurrentX = 1500
Form2.CurrentY = 5000
j = 1
Do While j <= 70
Form2.Line -((1500 + j * 50), (5000 - a(j) * 100 / 9.8)), vbBlue
j = j + 1
Loop
End Sub
Private Sub Command2_Click()
Unload Me
End Sub
Private Sub Label1_Click()
End Sub
附錄C液壓缸設(shè)計數(shù)據(jù)表
序號 緩沖長度（m） 速度（m/s) 加速度（m/s/s) 液壓阻力（n)
0 13.33333 0 0
1 1.330981E-02 13.31765 15.68 7526.4
2 2.658042E-02 13.28629 31.36 15052.8
3 3.979615E-02 13.23925 47.04 22579.2
4 5.294132E-02 13.17653 62.72 30105.6
5 6.600025E-02 13.09813 78.4 37632
6 7.895726E-02 13.00405 94.08 45158.4
7 9.179667E-02 12.89429 109.76 52684.8
8 0.1045028 12.76885 125.44 60211.2
9 0.11706 12.62773 141.12 67737.59
10 0.1294525 12.47093 156.8 75264
11 0.1416647 12.29845 172.48 82790.4
12 0.1536809 12.11029 188.16 90316.8
13 0.1654855 11.90645 203.84 97843.2
14 0.1770626 11.68693 219.52 105369.6
15 0.1883968 11.45173 235.2 112896
16 0.1994722 11.20085 250.88 120422.4
17 0.2102732 10.93429 266.56 12794