一種車輛滾珠式防碰撞裝置的結構設計*

王海波 ， 董慧芳 ， 楊佳賓 ， 王冰艷 ， 王明鑫 ， 時光升 ， 胡 健

（巢湖學院機械工程學院，安徽 巢湖 238024）

0 引言

隨著科學技術的飛速發展，汽車產業已成為我國重要的民生產業。它不僅在增加就業和促進經濟增長方面發揮了巨大作用，而且對居民的出行便利作出了巨大貢獻。據統計[1]，中國機動車市場趨于飽和狀態，其保有量已經超過4億輛，其中汽車保有量已超過3億輛。與此同時，我國交通事故發生率也隨之增高，而且一旦發生交通事故，駕駛員與乘客基本上非死即傷。發生交通事故的三大因素為車輛因素、道路環境因素以及駕駛員因素。交通事故大致可以分為爭強好勝型、過度自信型、疲勞駕駛型、強行超車型以及違規型。車輛的制動性能與物理防護功能會直接影響行車安全性。車輛制動性能的好壞不僅取決于其剎車卡鉗與剎車盤之間的摩擦，還與制動系統有關系。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，制動性能減弱，且輪胎抱死階段車輛幾乎喪失轉向能力。為了保證車輛在進行緊急制動時，防止車輪抱死，保持前輪轉向能力，在汽車上應用ABS（防抱死制動系統）。但ABS利弊共存，其在保證車輛的穩定性時，增加了車輛制動距離，從而變相提升了追尾的可能性。車輛碰撞就會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，同時還會影響車輛性能[2]。針對這些問題，課題組設計了一種車輛滾珠式防碰撞裝置，減少車輛碰撞時對車輛本身的損傷。該裝置還可以輔助制動系統，減少其制動滑行距離，從而在一定程度上降低交通事故的發生率。

1 車輛滾珠式防碰撞裝置總體結構簡介

課題組設計的車輛滾珠式防碰撞裝置，通過滾珠慣性產生的速度檢測車輛是否正在高速行駛時急剎，并采取相應的措施。裝置的整體結構示意圖如圖1所示，其主要分為檢測控制系統、減速系統和固定裝置三部分。檢測控制系統包括滾珠、電磁鐵和電磁觸動開關。其中，電磁觸動開關為鐵磁性材料，滾珠為導電非鐵磁性材料。滾珠通過自身慣性可沿著滾珠軌道前進，嵌入電磁鐵彈片，形成閉合回路。啟動電磁鐵，通過磁力可以拉下電磁觸動開關，進行聯動卡銷的釋放。減速系統包括聯動卡銷、彈簧、制動臂、制動塊和防倒鎖。聯動卡銷與制動臂緊密配合，通過彈簧收縮產生的拉力，可以拉動聯動卡銷，使其沿著聯動卡銷軌道滑動，帶動制動臂繞裝置盤體中軸旋轉。固定裝置包括底座、彈簧固定桿、防倒鎖鎖孔、滾珠軌道和聯動卡銷軌道。裝置通過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。在聯動卡銷移動到防倒鎖鎖孔位置時，防倒鎖彈出，卡入防倒鎖鎖孔，可以起到固定聯動卡銷的作用。滾珠軌道和聯動卡銷軌道分別可以限制滾珠和聯動卡銷的運動。若高速行駛時檢測出急剎，制動臂將自動繞裝置盤體中軸旋轉，其末端的高粗糙度硬橡膠制動塊下落，通過與路面摩擦來減速制動；前端的防撞塊抬起置于前后保險杠外側，用于保護車輛，從而避免在緊急情況下駕駛員因緊張而忘記觸發裝置的情況。

圖1 車輛滾珠式防碰撞裝置整體結構示意圖

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控制系統、減速系統和固定裝置三部分組成[3]。裝置設有兩種狀態：高速行駛急剎狀態及在靜止或正常行駛時狀態[4]。在檢測控制過程中，滾珠置于滾珠軌道底部，電磁觸動開關處于伸出狀態，通過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]，抵住聯動卡銷，使制動臂處于懸空狀態，如圖2（a）所示。若車輛在高速行駛狀態下急剎，滾珠因自身慣性，仍以急剎前的速度向前運動，當滾珠相對動能足夠大時，即相對于車輛，滾珠的相對速度足夠快，滾珠便可以沿著傾斜滾珠軌道向上方運動，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。通過電磁鐵產生的磁力，將電磁觸動開關拉下，進行聯動卡銷的釋放。在滾珠軌道上端設有通孔，在電磁觸動開關向下滑動時，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，再通過其自身重力進行滾珠的復位，從而為下一次的檢測控制做好準備。聯動卡銷與制動臂緊密配合，彈簧一端與彈簧固定桿相連接，所以彈簧有固定不動的一端，給彈簧收縮提供基準和應力。在彈簧的收縮產生的拉力作用下，聯動卡銷沿著聯動卡銷軌道滑動。滑動過程中，因為聯動卡銷軌道與聯動卡銷端面處于相切狀態，防倒鎖彈出運動被阻擋，使其處于壓縮狀態。當聯動卡銷滑動到防倒鎖鎖孔位置時，防倒鎖所受的阻礙消失，通過與聯動卡銷之間的彈簧復原伸長產生的推力，防倒鎖彈出，卡入防倒鎖鎖孔，再通過與聯動卡銷的配合，將聯動卡銷緊固。此時，制動臂已經完成轉動，如圖2（b）所示，制動臂末端的制動塊與地面處于充分接觸狀態。通過四個裝置的同時運行，大大增加了摩擦所產生的阻力，輔助制動系統進行制動，減少車輛的制動距離。防撞塊置于前后保險杠外側，起到防護作用，減少被后車追尾和刮蹭造成的沖擊和損失。

圖2 制動臂狀態

3 車輛滾珠式防碰撞裝置部分設計

3.1 檢測控制系統的設計

檢測控制系統由滾珠、電磁鐵和電磁觸動開關組成。經過多次仿真實驗，需要觸動方式為自啟動，在車輛高速行駛過程中，能讓觸動開關自啟動的最簡單、穩定的方法就是應用觸動開關內部觸動體自身的慣性。其應用方法如下：觸動體先與裝置保持靜止，通過車輛的高速行駛，車輛、裝置及觸動體擁有相同的速度，即觸動體獲得初動能。當車輛緊急制動時，裝置因與車輛連接，成為一個整體，因此裝置的速度也急劇下降，但觸動體處于自由狀態。因為自身慣性及自身擁有的初動能，觸動體將繼續向前運動，直至動能為零。但考慮到觸動體在應用自身慣性運動時不能因與外界軌道等物體接觸，造成軌道堵塞或動能損耗過大，導致觸動體速度過早降為零。因此，將觸動體設計為滾珠。為防止在電磁鐵通電工作時對滾珠產生磁吸力，進而導致滾珠不能完成復位；又要保證滾珠可以充當觸動體，即滾珠需要擁有導電能力，所以滾珠采用了導電非鐵磁性材料[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，緊靠槽壁。電磁鐵需要與槽配合，因此形狀設計為除頂部端面外，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，電磁觸動開關需要能被磁力吸引，但又要防止其下端的支撐固定桿在撞擊滾珠時觸碰到電磁鐵彈片，再次形成閉合回路，導致電磁觸動開關不能復位。因此，電磁觸動開關采用鐵磁性金屬，形狀近似為以直角腰為底的直角梯形，上邊長度等同于電磁觸動開關處主軸殼體厚度，下邊長度剛好達到能觸碰到聯動卡銷軸線的條件，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體硬質材料，形狀為圓柱體，長度剛好實現在電磁觸動開關底面接觸電磁鐵時能到達滾珠球心位置。

3.2 減速系統的設計

減速系統由聯動卡銷、彈簧、制動臂、制動塊、防撞塊和防倒鎖構成。聯動卡銷需要承受極大的彎曲應力，因此采用抗彎能力較強的材料。為防止彈簧掛鉤錯位，使彈簧拉力與觸動開關阻力不共線，出現聯動卡銷翻轉現象，因此聯動卡銷兩端均設有抓耳，如圖3所示，卡入聯動卡銷軌道兩側的凹槽內。為防止聯動卡銷在隨彈簧拉力滑動時因有棱角而卡在聯動卡銷軌道內，所以將聯動卡銷設計為圓柱狀，兩端開有階梯孔，運用卯榫結構，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。聯動卡銷起始位置處設有小型防倒鎖鎖孔，此鎖孔用于聯動卡銷復位，為了使聯動卡銷順利滑出此鎖孔，同時又不能從防倒鎖鎖孔滑出，喪失制動時的防倒功能，將防倒鎖鎖頭設計成圓柱斜切體。在聯動卡銷滑動過程中，防倒鎖鎖頭始終保持缺口方向與滑動方向一致，為了防止其發生轉動，添加正方體底座。聯動卡銷設有兩處溝槽，用于彈簧的限位，彈簧用于提供拉動聯動卡銷的拉力，需要足夠的彈力，因此選用高彈性的金屬材料。制動臂與聯動卡銷配合，需要承受極大的扭轉力，為了防止相對滑動，二者之間使用平鍵連接，其形狀近似為“W”。制動塊置于制動臂末端，制動塊要在高速行駛車輛緊急制動時與地面摩擦，用以制動；防撞塊置于車輛前后保險杠外側，起到緩沖和保護作用。因此制動塊由高粗糙度硬質橡膠材料制成，防撞塊需選用橡膠材質[8]。制動塊與防撞塊均通過制動臂卡槽裝配，再由緊固螺絲緊固[9]，磨損嚴重后可進行拆卸、更換。

圖3 聯動卡銷

3.3 固定裝置的設計

固定裝置由底座、彈簧固定桿、防倒鎖鎖孔、滾珠軌道和聯動卡銷軌道構成。底座用于裝置與車輛底盤的連接，在裝置工作時，無論裝置處于哪種工作狀態，都會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量較輕的合金。其形狀為倒“U”形，兩側邊與裝置連接，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，兩端插入對應的孔槽內，使用冷裝法裝配；其全過程都承受著彎曲應力，需要使用抗彎能力強的材料[6]。防倒鎖鎖孔的作用在于，與防倒鎖相互作用，固定聯動卡銷，防止其在制動過程中倒退。滾珠因摩擦產熱會出現小幅度的體積增大情況。為避免在滾珠體積增大后，運動過程中，滾珠與滾珠軌道間空隙過小，空氣流通困難，造成滾珠前進受阻，因此滾珠軌道設計為表面光滑的四棱柱軌道。聯動卡銷側面設有溝槽，溝槽內同樣設有溝槽，使用雙重槽的設計，再與聯動卡銷的抓耳配合，能更好地限制聯動卡銷，防止其脫軌。

4 結語

課題組設計的車輛滾珠式防碰撞裝置主要用于保護車輛及車內人員的安全，減少正常行車時車輛被后車追尾造成的沖擊和損失。該裝置結構合理、性能優良，可以通過滾珠慣性產生的速度檢測車速，若檢測出車輛處于急剎狀態，其末端的高粗糙度硬橡膠制動塊可以通過與路面摩擦來實現減速制動。車輛防碰撞系統對于行車安全有重要的現實意義，值得深入研究，因此課題組設計的這項裝置具有非常廣闊的發展和應用前景。