王海波 ， 董慧芳 ， 楊佳賓 ， 王冰艷 ， 王明鑫 ， 時(shí)光升 ， 胡 健

（巢湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 巢湖 238024）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)重要的民生產(chǎn)業(yè)。它不僅在增加就業(yè)和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方面發(fā)揮了巨大作用，而且對(duì)居民的出行便利作出了巨大貢獻(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，中國(guó)機(jī)動(dòng)車市場(chǎng)趨于飽和狀態(tài)，其保有量已經(jīng)超過(guò)4億輛，其中汽車保有量已超過(guò)3億輛。與此同時(shí)，我國(guó)交通事故發(fā)生率也隨之增高，而且一旦發(fā)生交通事故，駕駛員與乘客基本上非死即傷。發(fā)生交通事故的三大因素為車輛因素、道路環(huán)境因素以及駕駛員因素。交通事故大致可以分為爭(zhēng)強(qiáng)好勝型、過(guò)度自信型、疲勞駕駛型、強(qiáng)行超車型以及違規(guī)型。車輛的制動(dòng)性能與物理防護(hù)功能會(huì)直接影響行車安全性。車輛制動(dòng)性能的好壞不僅取決于其剎車卡鉗與剎車盤之間的摩擦，還與制動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)系。眾所周知，隨著輪胎與地面摩擦距離增加，其摩擦力逐漸減小，制動(dòng)性能減弱，且輪胎抱死階段車輛幾乎喪失轉(zhuǎn)向能力。為了保證車輛在進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，防止車輪抱死，保持前輪轉(zhuǎn)向能力，在汽車上應(yīng)用ABS（防抱死制動(dòng)系統(tǒng)）。但ABS利弊共存，其在保證車輛的穩(wěn)定性時(shí)，增加了車輛制動(dòng)距離，從而變相提升了追尾的可能性。車輛碰撞就會(huì)造成車輛本身的一些重要零部件損傷或損毀，更換或維修極不方便，且需要消耗大量資金，同時(shí)還會(huì)影響車輛性能[2]。針對(duì)這些問(wèn)題，課題組設(shè)計(jì)了一種車輛滾珠式防碰撞裝置，減少車輛碰撞時(shí)對(duì)車輛本身的損傷。該裝置還可以輔助制動(dòng)系統(tǒng)，減少其制動(dòng)滑行距離，從而在一定程度上降低交通事故的發(fā)生率。

1 車輛滾珠式防碰撞裝置總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

課題組設(shè)計(jì)的車輛滾珠式防碰撞裝置，通過(guò)滾珠慣性產(chǎn)生的速度檢測(cè)車輛是否正在高速行駛時(shí)急剎，并采取相應(yīng)的措施。裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其主要分為檢測(cè)控制系統(tǒng)、減速系統(tǒng)和固定裝置三部分。檢測(cè)控制系統(tǒng)包括滾珠、電磁鐵和電磁觸動(dòng)開關(guān)。其中，電磁觸動(dòng)開關(guān)為鐵磁性材料，滾珠為導(dǎo)電非鐵磁性材料。滾珠通過(guò)自身慣性可沿著滾珠軌道前進(jìn)，嵌入電磁鐵彈片，形成閉合回路。啟動(dòng)電磁鐵，通過(guò)磁力可以拉下電磁觸動(dòng)開關(guān)，進(jìn)行聯(lián)動(dòng)卡銷的釋放。減速系統(tǒng)包括聯(lián)動(dòng)卡銷、彈簧、制動(dòng)臂、制動(dòng)塊和防倒鎖。聯(lián)動(dòng)卡銷與制動(dòng)臂緊密配合，通過(guò)彈簧收縮產(chǎn)生的拉力，可以拉動(dòng)聯(lián)動(dòng)卡銷，使其沿著聯(lián)動(dòng)卡銷軌道滑動(dòng)，帶動(dòng)制動(dòng)臂繞裝置盤體中軸旋轉(zhuǎn)。固定裝置包括底座、彈簧固定桿、防倒鎖鎖孔、滾珠軌道和聯(lián)動(dòng)卡銷軌道。裝置通過(guò)底座固定在車輛的底盤，彈簧固定桿與彈簧相連接，使其一端處于固定狀態(tài)。在聯(lián)動(dòng)卡銷移動(dòng)到防倒鎖鎖孔位置時(shí)，防倒鎖彈出，卡入防倒鎖鎖孔，可以起到固定聯(lián)動(dòng)卡銷的作用。滾珠軌道和聯(lián)動(dòng)卡銷軌道分別可以限制滾珠和聯(lián)動(dòng)卡銷的運(yùn)動(dòng)。若高速行駛時(shí)檢測(cè)出急剎，制動(dòng)臂將自動(dòng)繞裝置盤體中軸旋轉(zhuǎn)，其末端的高粗糙度硬橡膠制動(dòng)塊下落，通過(guò)與路面摩擦來(lái)減速制動(dòng)；前端的防撞塊抬起置于前后保險(xiǎn)杠外側(cè)，用于保護(hù)車輛，從而避免在緊急情況下駕駛員因緊張而忘記觸發(fā)裝置的情況。

圖1 車輛滾珠式防碰撞裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 車輛滾珠式防碰撞裝置工作原理

該車輛滾珠式防碰撞裝置主要由檢測(cè)控制系統(tǒng)、減速系統(tǒng)和固定裝置三部分組成[3]。裝置設(shè)有兩種狀態(tài)：高速行駛急剎狀態(tài)及在靜止或正常行駛時(shí)狀態(tài)[4]。在檢測(cè)控制過(guò)程中，滾珠置于滾珠軌道底部，電磁觸動(dòng)開關(guān)處于伸出狀態(tài)，通過(guò)其底面與裝置殼體的配合和其下端的固定支撐桿與通孔孔壁的配合[5]，抵住聯(lián)動(dòng)卡銷，使制動(dòng)臂處于懸空狀態(tài)，如圖2（a）所示。若車輛在高速行駛狀態(tài)下急剎，滾珠因自身慣性，仍以急剎前的速度向前運(yùn)動(dòng)，當(dāng)滾珠相對(duì)動(dòng)能足夠大時(shí)，即相對(duì)于車輛，滾珠的相對(duì)速度足夠快，滾珠便可以沿著傾斜滾珠軌道向上方運(yùn)動(dòng)，以至于觸碰或嵌入兩片電磁鐵彈片。滾珠觸碰或嵌入兩片電磁鐵彈片后，形成閉合回路，電磁鐵被啟動(dòng)。通過(guò)電磁鐵產(chǎn)生的磁力，將電磁觸動(dòng)開關(guān)拉下，進(jìn)行聯(lián)動(dòng)卡銷的釋放。在滾珠軌道上端設(shè)有通孔，在電磁觸動(dòng)開關(guān)向下滑動(dòng)時(shí)，其下端的支撐固定桿撞擊滾珠，將其從兩片電磁鐵彈片之間脫離，再通過(guò)其自身重力進(jìn)行滾珠的復(fù)位，從而為下一次的檢測(cè)控制做好準(zhǔn)備。聯(lián)動(dòng)卡銷與制動(dòng)臂緊密配合，彈簧一端與彈簧固定桿相連接，所以彈簧有固定不動(dòng)的一端，給彈簧收縮提供基準(zhǔn)和應(yīng)力。在彈簧的收縮產(chǎn)生的拉力作用下，聯(lián)動(dòng)卡銷沿著聯(lián)動(dòng)卡銷軌道滑動(dòng)?；瑒?dòng)過(guò)程中，因?yàn)槁?lián)動(dòng)卡銷軌道與聯(lián)動(dòng)卡銷端面處于相切狀態(tài)，防倒鎖彈出運(yùn)動(dòng)被阻擋，使其處于壓縮狀態(tài)。當(dāng)聯(lián)動(dòng)卡銷滑動(dòng)到防倒鎖鎖孔位置時(shí)，防倒鎖所受的阻礙消失，通過(guò)與聯(lián)動(dòng)卡銷之間的彈簧復(fù)原伸長(zhǎng)產(chǎn)生的推力，防倒鎖彈出，卡入防倒鎖鎖孔，再通過(guò)與聯(lián)動(dòng)卡銷的配合，將聯(lián)動(dòng)卡銷緊固。此時(shí)，制動(dòng)臂已經(jīng)完成轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2（b）所示，制動(dòng)臂末端的制動(dòng)塊與地面處于充分接觸狀態(tài)。通過(guò)四個(gè)裝置的同時(shí)運(yùn)行，大大增加了摩擦所產(chǎn)生的阻力，輔助制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)，減少車輛的制動(dòng)距離。防撞塊置于前后保險(xiǎn)杠外側(cè)，起到防護(hù)作用，減少被后車追尾和刮蹭造成的沖擊和損失。

圖2 制動(dòng)臂狀態(tài)

3 車輛滾珠式防碰撞裝置部分設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

檢測(cè)控制系統(tǒng)由滾珠、電磁鐵和電磁觸動(dòng)開關(guān)組成。經(jīng)過(guò)多次仿真實(shí)驗(yàn)，需要觸動(dòng)方式為自啟動(dòng)，在車輛高速行駛過(guò)程中，能讓觸動(dòng)開關(guān)自啟動(dòng)的最簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的方法就是應(yīng)用觸動(dòng)開關(guān)內(nèi)部觸動(dòng)體自身的慣性。其應(yīng)用方法如下：觸動(dòng)體先與裝置保持靜止，通過(guò)車輛的高速行駛，車輛、裝置及觸動(dòng)體擁有相同的速度，即觸動(dòng)體獲得初動(dòng)能。當(dāng)車輛緊急制動(dòng)時(shí)，裝置因與車輛連接，成為一個(gè)整體，因此裝置的速度也急劇下降，但觸動(dòng)體處于自由狀態(tài)。因?yàn)樽陨響T性及自身?yè)碛械某鮿?dòng)能，觸動(dòng)體將繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，直至動(dòng)能為零。但考慮到觸動(dòng)體在應(yīng)用自身慣性運(yùn)動(dòng)時(shí)不能因與外界軌道等物體接觸，造成軌道堵塞或動(dòng)能損耗過(guò)大，導(dǎo)致觸動(dòng)體速度過(guò)早降為零。因此，將觸動(dòng)體設(shè)計(jì)為滾珠。為防止在電磁鐵通電工作時(shí)對(duì)滾珠產(chǎn)生磁吸力，進(jìn)而導(dǎo)致滾珠不能完成復(fù)位；又要保證滾珠可以充當(dāng)觸動(dòng)體，即滾珠需要擁有導(dǎo)電能力，所以滾珠采用了導(dǎo)電非鐵磁性材料[6]。為裝載電磁鐵，在裝置主軸上開出了方形平底槽，槽底與滾珠軌道連接處設(shè)有通孔。因此選用兩塊電磁鐵[7]，且初始為零磁性，將兩塊電磁鐵放置在通孔兩側(cè)，緊靠槽壁。電磁鐵需要與槽配合，因此形狀設(shè)計(jì)為除頂部端面外，其余面均為平面，頂部端面為曲面，且切面圓弧的圓心與裝置主軸切面圓心為同一圓心。在電磁鐵的磁力作用下，電磁觸動(dòng)開關(guān)需要能被磁力吸引，但又要防止其下端的支撐固定桿在撞擊滾珠時(shí)觸碰到電磁鐵彈片，再次形成閉合回路，導(dǎo)致電磁觸動(dòng)開關(guān)不能復(fù)位。因此，電磁觸動(dòng)開關(guān)采用鐵磁性金屬，形狀近似為以直角腰為底的直角梯形，上邊長(zhǎng)度等同于電磁觸動(dòng)開關(guān)處主軸殼體厚度，下邊長(zhǎng)度剛好達(dá)到能觸碰到聯(lián)動(dòng)卡銷軸線的條件，直角腰為與主軸同軸的曲面，底面需向外延伸以防止其脫落；其下端的支撐固定桿采用非導(dǎo)體硬質(zhì)材料，形狀為圓柱體，長(zhǎng)度剛好實(shí)現(xiàn)在電磁觸動(dòng)開關(guān)底面接觸電磁鐵時(shí)能到達(dá)滾珠球心位置。

3.2 減速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

減速系統(tǒng)由聯(lián)動(dòng)卡銷、彈簧、制動(dòng)臂、制動(dòng)塊、防撞塊和防倒鎖構(gòu)成。聯(lián)動(dòng)卡銷需要承受極大的彎曲應(yīng)力，因此采用抗彎能力較強(qiáng)的材料。為防止彈簧掛鉤錯(cuò)位，使彈簧拉力與觸動(dòng)開關(guān)阻力不共線，出現(xiàn)聯(lián)動(dòng)卡銷翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因此聯(lián)動(dòng)卡銷兩端均設(shè)有抓耳，如圖3所示，卡入聯(lián)動(dòng)卡銷軌道兩側(cè)的凹槽內(nèi)。為防止聯(lián)動(dòng)卡銷在隨彈簧拉力滑動(dòng)時(shí)因有棱角而卡在聯(lián)動(dòng)卡銷軌道內(nèi)，所以將聯(lián)動(dòng)卡銷設(shè)計(jì)為圓柱狀，兩端開有階梯孔，運(yùn)用卯榫結(jié)構(gòu)，將防倒鎖鎖頭放入階梯孔中，中間放小彈簧，組成防倒鎖。防倒鎖鎖頭形狀為圓柱斜切體，并帶有正方體底座。聯(lián)動(dòng)卡銷起始位置處設(shè)有小型防倒鎖鎖孔，此鎖孔用于聯(lián)動(dòng)卡銷復(fù)位，為了使聯(lián)動(dòng)卡銷順利滑出此鎖孔，同時(shí)又不能從防倒鎖鎖孔滑出，喪失制動(dòng)時(shí)的防倒功能，將防倒鎖鎖頭設(shè)計(jì)成圓柱斜切體。在聯(lián)動(dòng)卡銷滑動(dòng)過(guò)程中，防倒鎖鎖頭始終保持缺口方向與滑動(dòng)方向一致，為了防止其發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，添加正方體底座。聯(lián)動(dòng)卡銷設(shè)有兩處溝槽，用于彈簧的限位，彈簧用于提供拉動(dòng)聯(lián)動(dòng)卡銷的拉力，需要足夠的彈力，因此選用高彈性的金屬材料。制動(dòng)臂與聯(lián)動(dòng)卡銷配合，需要承受極大的扭轉(zhuǎn)力，為了防止相對(duì)滑動(dòng)，二者之間使用平鍵連接，其形狀近似為“W”。制動(dòng)塊置于制動(dòng)臂末端，制動(dòng)塊要在高速行駛車輛緊急制動(dòng)時(shí)與地面摩擦，用以制動(dòng)；防撞塊置于車輛前后保險(xiǎn)杠外側(cè)，起到緩沖和保護(hù)作用。因此制動(dòng)塊由高粗糙度硬質(zhì)橡膠材料制成，防撞塊需選用橡膠材質(zhì)[8]。制動(dòng)塊與防撞塊均通過(guò)制動(dòng)臂卡槽裝配，再由緊固螺絲緊固[9]，磨損嚴(yán)重后可進(jìn)行拆卸、更換。

圖3 聯(lián)動(dòng)卡銷

3.3 固定裝置的設(shè)計(jì)

固定裝置由底座、彈簧固定桿、防倒鎖鎖孔、滾珠軌道和聯(lián)動(dòng)卡銷軌道構(gòu)成。底座用于裝置與車輛底盤的連接，在裝置工作時(shí)，無(wú)論裝置處于哪種工作狀態(tài)，都會(huì)承受極大的拉力或推力，為使裝置不被破壞，連接方式均使用螺栓連接[10]，底座選用高硬度且質(zhì)量較輕的合金。其形狀為倒“U”形，兩側(cè)邊與裝置連接，呈包圍狀，上邊與車輛連接。彈簧固定桿兩端呈階梯狀，與裝置配合時(shí)，兩端插入對(duì)應(yīng)的孔槽內(nèi)，使用冷裝法裝配；其全過(guò)程都承受著彎曲應(yīng)力，需要使用抗彎能力強(qiáng)的材料[6]。防倒鎖鎖孔的作用在于，與防倒鎖相互作用，固定聯(lián)動(dòng)卡銷，防止其在制動(dòng)過(guò)程中倒退。滾珠因摩擦產(chǎn)熱會(huì)出現(xiàn)小幅度的體積增大情況。為避免在滾珠體積增大后，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，滾珠與滾珠軌道間空隙過(guò)小，空氣流通困難，造成滾珠前進(jìn)受阻，因此滾珠軌道設(shè)計(jì)為表面光滑的四棱柱軌道。聯(lián)動(dòng)卡銷側(cè)面設(shè)有溝槽，溝槽內(nèi)同樣設(shè)有溝槽，使用雙重槽的設(shè)計(jì)，再與聯(lián)動(dòng)卡銷的抓耳配合，能更好地限制聯(lián)動(dòng)卡銷，防止其脫軌。

4 結(jié)語(yǔ)

課題組設(shè)計(jì)的車輛滾珠式防碰撞裝置主要用于保護(hù)車輛及車內(nèi)人員的安全，減少正常行車時(shí)車輛被后車追尾造成的沖擊和損失。該裝置結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)良，可以通過(guò)滾珠慣性產(chǎn)生的速度檢測(cè)車速，若檢測(cè)出車輛處于急剎狀態(tài)，其末端的高粗糙度硬橡膠制動(dòng)塊可以通過(guò)與路面摩擦來(lái)實(shí)現(xiàn)減速制動(dòng)。車輛防碰撞系統(tǒng)對(duì)于行車安全有重要的現(xiàn)實(shí)意義，值得深入研究，因此課題組設(shè)計(jì)的這項(xiàng)裝置具有非常廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。