电磁式汽车碰撞缓冲装置的设计与分析

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电磁式汽车碰撞缓冲装置的设计与分析口 韩天学上海思博职业技术学院 上 海 201300摘 要 ：依 据能量守恒、电磁感应理论和 两磁体“同性相斥 ，异性相 吸”的特性 ，设计 了“电磁 式汽车碰撞缓冲装置”。当汽车发生正面碰撞 时 ．行程开关被接通 ，电磁铁 形成 与永 久磁铁相 同极性的磁场 ，产生“排 斥力”阻止联接永久磁铁 的活塞运动。以此来消耗和转化汽车碰撞的动能，缓解碰撞带来的破坏。对碰撞力、电磁力等进行了理论分析，提供 了相关参数的计算和设 计思路 。

关键 词 ：动能 电磁 力 同性相斥 缓冲中图分类号：TH122；U463．65+5 文献标识码：B 文章编号：1000—4998(2013)10—0045—03随着家 庭小 汽 车 的普及 和 高速公 路 的发 展 ，小 汽车 碰 撞 的 事 故 不 断 地 增 加 ，人 车 受 损 的 程 度 也 在 不 断加 剧 为 了保 护人 身安 全 ，汽 车设计 师们 采 用 了许 多安全 技术 ，如 橡胶 等 弹性材 料缓 冲装置 、气 囊储 能缓 冲装置 、液压 缓 冲装 置等 。这些 介质 不 同 的缓 冲装 置各有 不同的缺 点 ，如 ：液 压或 气 压式 缓 冲装 置存 在 密封 问题 难以解决 ，要 求加 工精 度 高 ，结 构 复杂 ，制造 成本高 ；采 用橡 胶 材 料 的 缓 冲 器 存 在 橡 胶 材 料 容 易 产 生 疲 劳 破 坏 ，出 现 永 久 变 形 和 老 化 等 问 题 。

电磁式 汽 车碰撞 缓 冲装 置 (以下 简称 缓 冲器 )是 依据 能 量 守 恒 、电 磁 感 应 理 论 ，利 用 两 磁 体 “同性 相 斥 ，异性 相 吸”特 性进 行综 合 设计 的 用于 汽车 碰撞 保 护 的安全装 置 。此 种 装置 克服 了以上各 类 缓 冲器 的缺 点 ，有 效地提 供 了汽 车碰 撞 时吸 能缓 冲保 护 。

1 电磁汽车碰撞缓冲装置的组成与工作原理1．1 电磁 缓 冲 器 的 组 成电磁 缓 冲 器 由碰 撞 移 动 、固定 阻 挡 、电 路 控 制 3个部 分构 成 (见 图 1)。

① 碰 撞移 动 部 分 。 由连 杆 、活 塞 、活 塞缸 、永 久 磁铁组 成 ，其 中连杆 一 端与 汽车 保 险杠 固定 连接 ，另 一 端与 活塞 固定 连接 ，活 塞 的另一 端 与永久 磁 铁 固定 连接 ，活塞 缸 与 固定机 架连 接 ．使 活塞 能够 在 缸 内沿轴 线 方向 滑 动 。

② 固定阻挡部分 。由铁芯和螺旋线圈组成 ，其 中铁芯 的轴 线 与碰撞 移 动部 分 的活 塞轴 线相 重合 ，一 端与永 久磁 铁 相对 ，另 一端 固定 在机 架上 。

③ 电路控制部分。由行程开关 、按键开关 K：、双刀双掷 开关 K 、直流 电源 、导 线组 成 。主要 用来 控 制螺 旋线 圈 电路 的 通 、断 和 电流 方 向。

收稿 日期：2013年 4月机械制造51卷 第590期1．2 电磁 缓 冲 器 的 缓 冲 原 理图 1所 示 是 缓 冲 器 汽 车 碰 撞 前 的 保 险 杠 外 伸 待 碰状 态 。当汽车 正面碰 撞 固定 物时 ，保 险杠 受到碰 撞 冲击力 F的作 用 ，通过 连杆 推动 活塞 和永 久磁 铁迅 速 向里滑 动 ，并 触 动行程 开 关 ，接 通触 点 7和 8。此时 ，电路 被接 通 ，螺旋 线 圈使 铁 芯产 生磁 场 。根据 线 圈 内的 电流方向 ．设计 成 铁芯 的极 性与 永久 磁铁 相对 的一端极 性 相同 (如都 是 S极 )。根据 磁场 “同性相斥 ”的特性 可知 ，铁芯 对永久 磁 铁产 生 了排斥 力 ．阻碍 活塞 继续 向里 滑 动 ，而 且磁 铁与 铁芯 越靠 近其 排斥 力就 越大 。排 斥力 降低了碰撞 时活 塞 的滑动 速度 ．缓 和 了碰撞 冲击力 对 汽车的 破 坏 和 车 上 人 员 的 伤 害 。

1．3 电磁 缓 冲 器 伸 缩 控 制 原 理对 应 汽 车行 驶 和 静 止两 种 不 同 的缓 冲器状 态 ，设置 了 电路 控 制装 置 ，使 缓 冲器 在汽 车行 驶 中可 以外 伸以备碰 撞 ，在停 车前 则 回缩 以便保 持汽 车 整体 的美 观和 减少停 车 所 占的空 间 。

① 保 险杠 回缩 。假设 汽 车行 驶 中 ，缓 冲器 处 于 图2所示 的外 伸状 态 。当驾驶员 准 备停 车时 ，可 以将双 刀开 关 K 推 到“回缩 ”位 ，这 时触 点 1和 5、3和 6分 别 接2013／10通 ．这 一 操 作 是 为 了 改 变 直 流 电 流 的 方 向 ，此 时 再 按 下常 开开关 K 使线 路接 通 ，螺 旋线 圈得 电后将 使磁 铁产生 与原来 极性 相反 的磁 场 ，与永久 磁铁 相对一 端 的极性 相反 (如磁 铁为 S极 ，铁芯 为 N极 )。根据 磁场 “异性相 吸 ”的 原 理 可 知 ，铁 芯 与 永 久 磁 铁 产 生 吸 引 力 ，使 活塞 向铁 芯 滑 动 ，完 成 “回 缩 ”。此 时 断 开 常 开 开 关 K：，电路 断 开 ．铁 芯 的 磁 性 消 除 ，但 由 于 有 永 久 磁 铁 ，它 与 铁 芯之 间仍有 足够 的吸 引力 ，使活 塞保 持 回缩 状 态并 固定 。避 免 自动 滑 出 。

② 保 险杠外 伸 。当开车 出行 时 ，保 险杠外伸 (即缓冲 器 )预 防 碰 撞 ．驾 驶 员 可 以 将 双 刀 开 关 K1推 到 “外伸 ”位 (见 图 2)，这 时触 点 2和 5、4和 6分别 接 通 。 由于 活 塞 处 于 “回 缩 ”状态 ，行 程 开关 是 闭合 的 ，所 以 整 个 控 制 线 路 是 联通 的 。 这 时 的 电 流 方 向与 活 塞 “回 缩 ”时 相 反 .

螺 旋 线 圈 内 的 电 流使 铁芯 产 生 的 磁 场 与 相 对 的永 久 磁 铁 一 端 的 磁 场 极性 相 同 ，“同 性 相 斥 ”的排斥 力 使活 塞 向外 滑出 ，完成 “外 伸 ”(见 图 2)。此 时 ，缓 冲器进 入待 碰状 态 ，准备碰 撞发 生 。

2 碰撞能量转化与相关参数的理论计算2．1 能 量 转 化汽 车 的 碰 撞 过 程 是 一 个 能 量 转 化 过 程 。即 ：碰 撞 前以速 度 运 动 的汽 车具 有 一定 的动 能 ，当汽 车 碰撞 时 ，这一动 能转 化为 碰撞力 F所做 的功 。即 ：W ：W (1)= ，聊 2 (2)式 中 ：m 为 汽 车 质 量 。

由于 汽 车 碰 撞 过 程 是 在 很 短 的 时 间 内 完 成 的 。把碰 撞 过 程 看 成 是 匀 加 速 运 动 。即 加 速 度 为 一 常 数 0。根据 牛 顿 第 二 定 律 可 知 ，碰 撞 力 F=ma也 是 常 数 ，碰 撞 力F所做 的 功 ：= FS=maS (3)式 中 ：S为 碰 撞 力 作 用 的距 离 。

由式 (1)可 知 mv。=maS，即 ：2s= 一 (4)Ⅱ2．2 保 险 杠 前 伸 的 最 大 设 计 距 离从 式 (3)可 知 ，碰撞 力 作 用 的距 离 S，即碰 撞 变形长 度 越 长 ，则碰 撞 作用 力 可 以减 小 ，同时 ，乘 员 承受 的2013／10碰 撞 加 速 度 也 可 以 减 小 。因 此 ，缓 冲 器 设 计 时 要 选 择 好保 险杠 能够 前伸 的最 大距 离 5一。缓 冲器 以 100 krn／h作 为 汽 车 最 大 设 计 速 度 ，以 50g (g=10 m／s )作 为 人 体最大 安 全 加速 度 ，则 由式 (4)可 以计算 出 S =O．77 m。

由 W =FS可 知 ，碰 撞 力 作 用 的 距 离 越 大 ，所 承 受 的 碰撞力 就越小 ，对 车和人 更安 全 。但 从实 用性 看 ，保 险杠前 伸 太 长 时 ，会 影 响 汽 车 的 美 观 和 视 觉 上 的 不 习 惯 ，更重 要 的 是 ．容 易 在 非 正 面 碰 撞 时 因 横 向分 力 过 大 造 成活 塞 “卡 死 ”而 不 能 正 常 移 动 ，失 去 缓 冲 作 用 。 通 过 试验 ，确定前 伸距 离 5～一0．6-0．8 m。

2_3 汽 车 碰 撞 力 的 计 算小 汽 车 的 自重 一 般 为 1 200～1 600 kg，取 平 均 值 为 1 400 kg，加 上 5个 人 的 重 量 400 kg(80 kgx5)，共 计 总 质 量 m=l 800 kg，取 安 全 加 速 度 。=50 g，根 据 牛顿 第 二 定 律 可 以计 算 出一 般 小 汽 车 最 大 的 安 全 碰 撞 力F=ma=900 kN。如 果碰 撞 力超 过该 值 ，车 上 人 员就 会发 生意外 ，这一 值 为下一 步设计 电磁 铁提 供 了依据 。

2．4 碰 撞 时 间 的 计 算前 面 以假 设 汽车碰撞 时 为匀加 速运 动 ，所 以速度从 减 为 0．其 平 均 速 度 为 v／2．碰 撞 过 程 所 用 时 间 ：￡： (5)设 ： =100 km／h (27．8 m／s)，S一=0．773 13，代 入 式 (5)，得 t=0．056 s。

2．5 各 参数 汇总表上 述取 值参 数见表 1。

碰撞 车速 100 90 80 70 60 401v／(km／h)伸出长度 S,Jm O．773碰撞时间 c／s 0．056 0．062 0．070 0．080 0．093 O．139碰撞加速度 50 40
．4 31．9 24．3 18．O 8．Og碰撞力 矾 N 900．0 727．2 574．2 437．4 324．0 144．0汽车总质量／kg 18003 电磁铁的设计当发 生 碰撞 时 ．保 险杠 向 内运 动 ，接 通 控制 电路 ，线 圈 的电流使 电磁 铁产 生 电磁力 ，电磁 力通 过 电路控制 电 流 方 向 ．与 活 塞 连 接 的 永 久 磁 铁 则 产 生 “排 斥 力 ”或 “吸 引 力 ”。 对 电 磁 铁 的 设 计 主要 是 通 过 电 磁 力 的确定 ，来计 算线 圈 的电流 和匝数 、铁 芯 的材料 和截 面积 等基 本 参 数 。

3．1 电磁 力 的 计 算为 了简化 计算 ，忽 略漏 磁 、磁 滞 等 因素 的影 响 ，依据 电磁 理论 虚位移 原理 可 以将 电磁 铁 产生 的 电磁 力机械制造51卷 第590期表 示 为 ：： (6)式 中 ：Ⅳ 为线 圈 的 匝数 ；A 为铁 芯 的横 截 面 积 ； 为 真空磁 导率 ( =4"rx10 H／m)；I为线 圈 中 的电流 ；6为电磁铁 与 永久 磁铁 两 端面 间 的距离 (也 叫气 隙 )。

从 式 (6)中可 知 ：当 电磁铁 设 计好 后 (线 圈 匝数 Ⅳ、电流 I、铁 芯 截 面 积 A、铁 芯 材 质等 固定 不 变 )，电 磁力与 6成 反 比 ，如 图 3所 示 。

为 了使 汽 车在 碰 撞 时 保 持平 衡 和碰 撞 力 的 分 散 ，汽车保 险 杠左 右各 连 接两个 缓 冲器 ，两个 缓 冲器 并联与保 险杠 连接 。这 样 每个缓 冲器 承担 汽车 碰撞 力 的一半 。即 ： =— F=450 kN 。或通 过 = 删 来 计算 。

取 S=0．773 m， =27．8m／s (100 km／h)，m=900 kg，则= = 450 kN 。

3．2 其 它 参 数 的 计 算选 取 =450 kN作 为 设 计 电 磁 力 ，6=0．7 m 作 为最 大 设 计 气 隙 (S一)，设 I=50 A，铁 芯 横 截 面 积 A=0．3m ．根 据 式 (6)得 出 线 圈 的 匝 数 N=3．06x10 。 再 根 据 电流 I=50A 来 选 择 导 线 直 径 西、线 圈 的 电 阻 R 及 所 需 要的 电压 U。如 果计 算 的结果 不 符合 要求 ，可 以重 新 设计电 流 I或 导 线 电 阻 R 来 修 正 电 压 U数 值 。

3I3 实验 验 证各 参数 设定 和 计算 好之 后 ，还 要通 过 实际 应用 来验 证各 参数 的合 理 性 ．通过 碰撞 实 验来 验证 缓 冲 器 的实 际效 果 。再根 据 实验 结果 进 行 内容 的修 正 ，使 缓 冲器的 功 效 达 到 预 期 的 设 计 目标 。

4 电磁缓冲器特点分析4．1 对 比 特 ·『生与 其它 种类 缓 冲器 比较 ，电磁缓 冲器 有 以下 特点 ：① 与液压 、气压类缓冲器 相 比，电磁缓 冲器结构简 单 ，精 度 要求 不 高 ，加 工成 本 低 ，无 需 密封 ，不 存在 漏油漏 气 问题 。

② 与弹性材料类缓冲装置相 比，电磁缓冲器在碰撞 过程 中不 会产 生 变形 或损 坏 ．缓 冲器可 以正常 使用 。

③ 磁 力作 用 时 ，铁 芯 与永 久磁 铁 不 直接 接 触 ，不产生 磨 损 ，使 用 寿命 长 。

4．2 从 自身特 点① 电磁 力 的特 性 是 ：越 靠 近 电磁 铁 的磁 极 ，所 受到 的 电磁力 越大 。因此 ，在 发生 碰撞 时 ，与保 险杠 连 接的 活 塞 和 永 久 磁 铁 受 到 的 运 动 阻 力 是 逐 步 增 大 的 ．表现 出“先 软后 硬 ”的缓 冲特性 (见 图 3)。

② 通过电路控制螺旋线 圈电流方 向，使电磁铁对活 塞 上 的 永 久 磁 铁 产 生 “排 斥 力 ”或 “吸 引 力 ”，实 现 对机械制造51卷 第590期保 险杠外 伸 和 内缩 的控制 ，让 驾驶 员 能按不 同情况 的需 要 自主 进 行 操 控 。

③ 控制线路中设置了行程开关 ，当碰撞发生时，外 伸 的保 险杠 受碰 撞 力作 用 回缩 自动接 通 电路 使缓 冲器启 动 。

5 结束语电磁 缓 冲器 的结构 与制 造 工艺 简单 ，实用 性 强 。但目前 只 是对 其 应 用原 理 和结 构进 行 了初 步地 设 计 ，要转化 为实 际应 用还 需要 进一 步 完善 。按 照本 设计 原 理制作 的缓 冲器 ，不 仅能 应用 于汽 车 的碰撞 缓 冲保 护 ，也可 以用于 电梯 、升 降机 和桥 式 、门式起 重 机等 运 动设施的 缓 冲 保 护 。

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