多米諾骨牌反效應在新車碰撞測試中的應用探討

崔芹芹

滄州巨擎汽車配件有限公司 河北省滄州市 062461

1 課題設計的背景簡單介紹

本設計采用一種全新的抗沖擊（防護）測試設計理念，將傳統的被動沖擊測試的結構，改變?yōu)椋瑳_擊動量自主消耗式能量測試的結構設計。

其設計原理，參考了“多米諾骨牌效應”的理論。

設計圖中顯示了“防護骨牌板”零件、以及“多米諾骨牌式汽車碰撞測試緩沖筒”的結構布置。

該設計可以使汽車碰撞測試筒，脫離原有試驗標準質量為80噸的國際標準碰撞固定障礙物試驗臺。障礙物是非固定的，按照“多米諾骨牌效應”的理論設計的結構，獲得全新的，輕質量的、安全的、可自行恢復的碰撞緩沖筒。

2 設計要點和課題的來源

2.1 對于汽車碰撞試驗的一般認知

汽車碰撞試驗是讓汽車以50～64km/h的國際標準碰撞速度駛向質量為80噸的國際標準碰撞試驗臺。由于障礙物是固定的，所以碰撞使汽車的動量一下子變成零，其沖擊力相當于≧100km/h左右的速度駛向非固定物體。試驗車撞在實驗臺上，載著模擬乘客的嶄新轎車眨眼間被撞的短了一大截。技術人員當即查看車輛受損情況，兩側安全氣囊是否爆開？安全帶是否發(fā)揮有效作用？前排擋風玻璃是否破碎？成員是否安全無損？四個車門是否能正常開啟？……還要取出各種傳感器，做進一步的處理，通過計算機得到碰撞實驗的各項數據。以此多項檢測數據進行碰撞安全標準進行1星到5星安全等級的評判。評判的標準遵循《C-NCAP》（中國汽車評價規(guī)程-2006）和《C-NCAP》（中國汽車評價規(guī)程管理規(guī)則-2012）執(zhí)行。

2.2 對于汽車碰撞試驗提出的問題

“標準碰撞試驗采用質量為80噸的國際標準固定障礙物。

我們的認知是：（1）標準規(guī)定必須將汽車撞壞才能進行安全等級評判？

“其沖擊力相當于≧100km/h左右的速度駛向非固定物體”。

（2）由于“標準碰撞試驗臺。障礙物是固定的”，將汽車撞壞才能進行安全等級評判是不得已而為之？

（3）我們的設想：有沒有一種汽車碰撞試驗的方法，在汽車碰撞不完全損壞的條件下進行汽車安全等級的評判？如果答案是肯定的，本設計“多米諾骨牌式汽車碰撞測試緩沖筒”就可以實現。

3 “多米諾骨牌式汽車碰撞測試緩沖筒”設計簡單介紹：

3.1 簡單闡述多米諾骨牌式碰撞測試緩沖筒的工作原理

多米諾效應的物理解析：

多米諾這種效應的物理原理：當骨牌豎著時，重心較高，倒下時重心下降，倒下過程之中，將其重力勢能轉化成動能，倒在第二張牌中，動能就轉移到第二張牌上，第二張牌將第一張牌轉移來的動能和自已倒下過程中由本身具有的重力勢能轉化來的動能之和，再傳到第三張牌上……所以每張牌倒下的時候，具有的動能都比前一塊牌大，因此速度一個比一個快，也就是說，依次推倒的能量一個比一個大。

多米諾骨牌效應： 英國的一位物理學家曾經制用了一組骨牌，共13張，第一張最小。長9.53mm，寬4.76mm，厚1.19mm，還不如小手指甲大.以后每張體擴大1.5倍，這個數據是按照一張骨牌倒下時能推倒一張1.5倍體積的古牌而選定的。最大的第13張長61mm，寬30.5mm，厚7.6mm，牌面大小接近于撲克牌，厚度相當于撲克牌的20倍.把這套骨牌按可以推到即可接觸的適當間距排列好，輕輕推倒第一張，必然會波及到第13張，第13張骨牌倒下時釋放的能量比第一張牌倒下時整整要擴大20多億倍.因為多米諾骨牌效應的能量是按指數形式增長的.若推倒第一張骨牌要用0.024微焦耳，倒下的第13張骨牌釋放的能量達到51焦耳。可見多米諾骨牌效應產生的能量的確令人瞠目。多米諾骨牌效應常指一系列的連鎖反應，即“牽一發(fā)而動全身”。

3.2 判定汽車碰撞試驗破壞的碰撞類型

碰撞基本分為三種類型：彈性碰撞、非彈性碰撞、完全非彈性碰撞；典型的碰撞為第一種，這是因為一般的簡單的物理碰撞現象很難去判定是非彈性碰撞、完全非彈性碰撞，更重要的是彈性碰撞完全可以歸結到彈性碰撞：Δp=0；ΔEk=0 {即系統的動量和動能均守恒}ΔEk為彈性碰撞所損失的最大動能。碰撞過程（時間極短，發(fā)生碰撞的物體構成的系統）視為動量守恒。（例如在原子核變系統理論中，其在衰變過程中、衰變前后兩個粒子的動量守恒，結論就是原子核衰變時，動量守恒）

動量守恒是“汽車高速試驗破壞性碰撞類型”的防護碰撞力的基本計算依據。

3.3 本設計采用了“多米諾骨牌效應效”的原理進行的汽車碰撞測試緩沖筒設計

本設計的要點在于采用了“多米諾式”環(huán)形、滾動摩擦、非固定障礙物碰撞緩沖板的結構設計。

4 本設計所采取的技術措施

（參考見《多米諾骨牌式碰撞試驗檢測緩沖筒結構示意圖》）

這是一種全新型的應用多米諾骨牌效應原理，設計的汽車碰撞試驗緩沖筒結構，其主要包括：（參考圖2《多米諾式外緩沖骨牌板》和（圖3《多米諾骨牌式碰撞試驗檢測緩沖筒結構示意圖》）。

4.1 用于提供沖擊防護的“防護骨牌板”

其中設計有支承軸（1）、軸承（2）、軸套（3）；支承軸套在軸套外，防護板（4），防護板焊接在軸套外，防護板可以圍繞著支承軸自由轉動、支承軸（6），焊接在另外兩個軸承支座上（圖中沒有標示）、軸承（5）N個（設計為8個）、安裝在支承軸（6）上、回力-張（推）力彈簧（7）設置為多組，可以保持防護骨牌板的靜止的位置，同時指出，拉式回力-張力彈簧可以設置較大的負荷和適當的數量，作為防護骨牌板的抗沖擊力的補充；緩沖彈簧組N組（8）、同時指出，緩沖彈簧組可以設置較大的負荷和適當的數量，作為防護骨牌緩沖板推動力的調節(jié)。

4.2 提供多米諾骨牌式碰撞試驗測試緩沖筒設計模型

具體為將N個防護骨牌板（骨牌板的數量按照測試緩沖筒的直徑尺寸設置；結構示意圖中設計為18組外緩沖骨牌板）的支撐軸和軸承，安裝在緩沖筒骨架的內環(huán)周上。安裝的方式為順時針方向，將防護骨牌板前端的N個（設計為8個）個軸承和緩沖彈簧組，放置在朝向緩沖筒的外徑方向，并且要求前一個骨牌板疊壓在下一個骨牌板的板面上，疊壓的初始狀態(tài)是，緩沖彈簧組高于滾動軸承，要求在緩沖彈簧組被壓縮到其工作高度時，滾動軸承才能接觸到前序的骨牌板；依次順時針排列。

圖1 多米諾骨牌效應效果圖

圖2 多米諾式外緩沖骨牌板

圖3 多米諾骨牌式碰撞試驗檢測緩沖筒結構示意圖

骨牌板外表面可以設置聚氯乙烯等抗磨和減少噪聲的材料。

4.3 傳動的原理

每一個骨牌板都可以圍繞著各自的支承軸，在結構允許的自由度范圍內基本上做到近似“無摩擦”功消耗的自由旋轉。（在圖示中沒有表達的還有：轉動中心設有2個向心軸承支承，可以將徑向摩擦功消耗減少到最低；進一步為減少防護骨牌板的重力和重心對于轉動軸心的彎矩產生的軸向壓力帶來的摩擦功消耗，可能會在支承軸的上、下端再各設置1個推力軸承；也可能將2個向心軸承，改為2個向心推力型軸承支承，來達到實現徑向和軸向同時減少摩擦的傳動）。

4.4 設計的張力彈簧的剛度要求大大的大于回力彈簧的剛度

這是因為在“多米諾式緩沖”在碰撞物質的質量較大時，如果設計不能完全滿足碰撞要求，要求張力彈簧的推力多倍的大于拉力彈簧的拉力，起到提高緩沖能力的輔助作用。

4.5 另外值得注意的細節(jié)

緩沖彈簧組的著力點，設計的位置。從“多米諾骨牌式汽車碰撞測試緩沖筒”的結構布置圖中可以看出，前一個緩沖骨牌板的緩沖彈簧組壓在下一個緩沖骨牌板的靠近其轉動軸心的距離設計的比較短。這樣的設計是考慮到力的“杠桿傳遞”力矩-力臂的比例關系，要求滿足汽車碰撞時沖擊動量緩沖的要求。

5 關于“多米諾骨牌式汽車碰撞測試緩沖筒”在汽車碰撞測試中應用的可行性探討

5.1 本設計的出處

本設計的理論依據是，根據崔芹芹發(fā)明創(chuàng)造名稱：《多米諾式爆破防護倉》專利申請?zhí)柡蛯＠枺?017107077.8

該專利項目為以多米諾骨牌原理設計的具有“內緩沖防護多米諾骨牌板”的汽車離合器總成爆破強度測試的環(huán)形防爆倉。

5.2 本設計思路來源于將“內緩沖防護多米諾骨牌板”的設計改變?yōu)椤巴饩彌_防護多米諾骨牌板”，以推薦“汽車碰撞試驗測試”的沖擊試驗臺采用。

5.3 關于應用于“汽車碰撞試驗測試”的沖擊試驗臺的想法是

首先“多米諾骨牌式汽車碰撞測試緩沖筒”，的結構屬于“非固定障礙物”。汽車碰撞的標準是采用一次性破壞試驗，那么能不能提出“非完全破壞性”的，小于時速50km/h的分類、分級的碰撞測試的安全標準？例如時速10～25km/h的碰撞測試。

換言之，能不能在不完全破壞性的碰撞測試結果中，推算出“50～64km/h”的碰撞評判結果？如果答案是肯定的，那么本設計“多米諾骨牌式汽車碰撞測試緩沖筒”就可以實現。

試想：多米諾骨牌式碰撞測試緩沖結構的特點是在汽車碰撞試驗中可以在外多米諾緩沖防護骨牌板受到外來力的瞬間碰撞時，立即向圓心內收縮。如果在圓周內可以方便的設計有“測力傳感器”，在汽車碰撞測試的過程中就可以實時地監(jiān)控到汽車碰撞在每一個不同梯度的速度下的“沖擊力和沖擊動量”，以此就可以從數據上評判汽車在進行不同速度下的碰撞結果。

如果本設計方案是可行的，可以設想在汽車不完全碰撞損壞的條件下檢測出汽車碰撞的安全性。所以我們認為該設計具有創(chuàng)新和很高的實際應用價值，一旦被采用將會對于汽車碰撞檢測帶來可觀的經濟效益。這主要是由于該設計在不完全損壞汽車的條件下檢測到了汽車的安全系數。

5.4 由于本發(fā)明人不屬于汽車碰撞專業(yè)的人士，所以大膽的提出上述設計思想，可能不一定正確或者由于法規(guī)的規(guī)定使得設計不能對于汽車碰撞檢測設備形成實用型的產品。敬請行業(yè)內專家給予審查和指教。謝謝！