基于渐变刚性弹簧和刚性位移在汽车安全中的应用研究

王欣宇　黄泽

摘要：安全问题是现代汽车驾驶工作中不容忽视的核心问题之一，影响汽车安全的关键构件之一是带有弹簧的缓冲装置。基于此，本文以渐变刚性弹簧变化的规律以及仿生学刚性位移作为切入点，给予简述，再以此为基础，针对弹簧作用进行分析、提出假设，设计更具价值的缓冲装置，通过实验证明其可行性，为后续工作提供参考。

关键词：刚性弹簧；刚性位移；缓冲装置；碳纤维复合材料

前言：渐变刚性弹簧（stiff buffer spring） 是汽车悬架中应用最广泛的一种弹性元件，它是由若干片等宽但不等长（厚度可以相等，也可以不相等）的合金弹簧片组合而成的一根近似等强度的弹性梁。在汽车的缓冲系统中，渐变刚性弹簧作用突出，能够有效保证汽车行驶安全，我国汽车数量庞大，每年多发交通事故，针对渐变刚性弹簧和刚性位移在汽车安全中的应用进行分析十分必要。

1.渐变刚性弹簧变化的规律以及仿生学刚性位移

1.1渐变刚性弹簧变化的规律

渐变刚性弹簧的变化主要是指其外形变化，也即通常所说的物理形变，当弹簧受到外荷载影响时，会出现一定程度的形变，外荷载越大，形变量越大，影响形变量的因素还包括材料因素和弹簧的刚度系数，在不考虑材料差别的情况下，刚度系数越大，弹簧性能越理想。为提升汽车的平顺性，早在19世纪就有设计者提出了渐变刚性弹簧的应用，结合现代汽车追求舒适性的需求，可以发现不同刚度的柱形弹簧可以较好的实现主簧与副簧的接触，主弹簧受力能力与副弹簧存在差异，当其达到临界值时，副弹簧的刚度系数尚有延伸空间，二者联合作用保证了缓冲装置的性能，降低了汽车碰撞带来的负面影响。

1.2仿生学刚性位移

仿生学在现代工作生产和日常活动中十分常见，如常见的汽车安全气囊、充气垫等，与仿生学均存在一定关联，所谓刚性位移是指物体的形状不发生变化产生的位移。一般来说，当汽车出现碰撞时，缓冲装置会起到一定的保护作用，这种保护作用的基础是渐变刚性弹簧的性能，弹簧在发生形变后会快速复位，这意味着物理意义上的形变相当于没有发生，但如果碰撞强度大，渐变刚性弹簧有可能偏离原有位置，应用仿生学等原理对这种位移进行分析，可以为后续的设计优化提供参考，减少非必要的算上。

2.弹簧作用和假设

2.1弹簧的作用

弹簧的作用在现代汽车中十分突出，出现于缓冲结构中时，主要作用是降低刚性接触的不利影响。对其功用进行分析，可以就弹簧的旋绕比、疲劳强度、直径等方面入手，同时应满足较大刚度和较小质量两个基本要求，在渐变刚性弹簧的研究中，主要对象是主弹簧和副弹簧。当主弹簧和副弹簧接触、实现完全贴合时，渐变刚性弹簧是可以共同发挥作用的，整体工作性能实现了实际提升，但由于碰撞或者其他外荷载可能并不是均匀的，弹簧的力学性能变化会呈现出非线性特征，如果将所有副弹簧的作用变化看做一个整体，弹簧的工作特性又带有了线性特点，对这种变化加以计算是了解弹簧作用的核心手段。目前常用共同曲率法和集中载荷法进行计算和评估，这是进一步优化缓冲装置的基础。

2.2研究假设

以上述内容为支持，将研究重点确定为：钢板弹簧左右对称，当用中心螺栓系紧，认为中间固支，取一半为悬臂梁支撑方式；簧片在接触点处具有相同的位置坐标；钢板弹簧上部分主簧片沿整個长度无间隙接触，在受力相同段内具有共同曲率；簧片作为连续梁满足边界条件与连续性条件；钢板弹簧下部分副簧片的端部承受集中荷载[1]。

3.缓冲装置和实验

3.1缓冲装置分析

着眼于渐变刚性弹簧刚性位移特点以及汽车行驶的安全性，要求缓冲装置进一步发挥作用。设计主、副弹簧和凹槽组成的装置，并优化法兰环性能，使其能够在主、副弹簧之间发挥连接作用。思路上看，将主弹簧放在最外侧，其刚性条件可以弱于副弹簧，通过法兰环将主、副弹簧更好的连接在一起，当主弹簧出现刚性位移时，副弹簧可以发挥作用，凹槽的主要作用是当汽车碰撞的外荷载过大、主、副弹簧都出现了严重形变时，在弹簧后端实现整体固定，弥合出现的刚性位移问题。目前汽车常用缓冲期分为两种，一种采用非破坏的弹性元件吸能， 这种结构在同比缓冲能力下，结构相对大，可反复应用，成本低；另一种采用破坏弹性元件的吸能形式，其在同比缓冲能力下结构小，但是为一次性缓冲，成本高。以满足多次使用、较低成本为基本追求，也可以设法增加另一个缓冲装置，提升弹簧性能，使瞬时冲击的时间达到延迟，从而降低冲击能。

3.2实验

结合当前汽车行驶的需要，要求使用物理性能更加优越的材料制作缓冲装置中的弹簧，提升安全性的同时，也能降低事故后的维修费用。2016年9月30日晚上的8点20分，山东某地出现交通事故，两辆机动车在正常行驶的情况下相撞，事故发生后，4S店出具评估报告，两辆汽车的维修费分别达到11256和9702元。缓冲装置性能不佳是造成事故的原因之一。在此前学者的研究中，钢铁材料渐渐淡出视野，碳纤维复合材料的价值得到了更多肯定。相比之下，及碳纤维复合材料的强度是钢铁的4倍以上，而且能承受2000摄氏度以上的高度，热膨胀系数、热容量和比重也更小，耐腐蚀性则由于大部分金属材料[2]。

利用碳纤维复合材料和钢铁材料进行实验，将树脂传递模塑技术和纺织技术结合，制备出复合材料圆柱螺旋弹簧，之后通过实验与钢铁材料制备的弹簧进行对比。在施加相同外力的情况下，碳纤维复合材料的性能更加理想。实验共进行20次，分别为轻级别碰撞、中级别碰撞和重级别碰撞，以主驾驶处模拟人员受力情况、缓冲装置的破坏情况为观察指标。

所获数据方面，轻级别碰撞下，碳纤维组模拟人员受力为4.1千牛，缓冲装置未破坏；中级别碰撞下，碳纤维组模拟人员受力为7.3千牛，缓冲装置未破坏；重级别碰撞下，碳纤维组模拟人员受力为12.8千牛，缓冲装置轻微破坏2.7%。钢铁材料组，轻级别碰撞下，模拟人员受力为4.8千牛，缓冲装置未破坏；中级别碰撞下，模拟人员受力为8.6千牛，缓冲装置未破坏；重级别碰撞下，碳纤维组模拟人员受力为14.2千牛，缓冲装置轻微破坏4.2%。此外，研究人员又对碳纤维复合材料本身的性能进行了分析，结构上看，体积分数和外径直接影响成品弹簧的性能，体积越大、外径越大，弹簧的性能会越出色，泊松比和弹性模量也会影响成品弹簧的性能，但影响系数相对较小。后续工作中，相关部门应系统着手分析和研究，增加碳纤维复合材料的用量，设计合适的体积分数、外径等，提升其应用价值和汽车行驶的安全性。

总结：通过分析渐变刚性弹簧和刚性位移在汽车安全中的应用，获取了相关理论。我国机动车保有量超过4亿，交通事故多发，刚性弹簧的作用在汽车安全中十分重要，相关研究从渐变刚性弹簧变化的规律以及仿生学刚性位移入手，明确了弹簧的作用，并提出基于安全性的假设，经过分析和实验，了解了设计的可行性以及碳纤维复合材料的突出价值，可以作为后续相关工作的参考。

参考文献：

[1]尹婷婷，邓子辰，胡伟鹏.空间刚性杆-弹簧组合结构轨道、姿态耦合动力学分析[J].力学学报，2018，50（01）：87-98.

[2]赵聪，于洪洁.一种刚性杆-弹簧摆模型的混沌动力学行为研究[J].复杂系统与复杂性科学，2016，13（03）：97-102.