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1、太原理工大学硕士学位论文惯性强制限速器的大变形与动接触的理论分析和计算机模拟姓名：马晋超申请学位级别：硕士专业：指导教师：陈昭怡太原理工大学硕士研究生学位论文 I 惯性强制限速器的大变形与动接触的理论分析和计算机模拟 摘 要 随着汽车工业的不断发展，交通事故对人类带来了极大危害，限速技术越来越受到人们的重视，激起了广大研究者的研究兴趣。目前强制限速装置主要靠控制汽车油门的方法实现限速。针对此，本文对惯性强制限速器进行了较全面的研究，得到以下结论： 1. 基于薄壳理论和薄板的大挠度弯曲变形理论导出了弹性叶片大变形的运动控制方程。给出了弹性叶片运动的初始条件、边界条件和控制方程的差分格式。 2.
2、基于大型有限元计算软件 ANSYS、LS-DYNA 建立了叶片有限元模型，计及大变形效应，对定轴转动的叶片进行了计算机模拟。给出了叶片运动规律、应力云图、动画显示以及不同厚度、不同角加速度下的叶片自由端节点径向变形时程曲线，据此可得到叶片最大变形值。分析了叶片厚度、角加速度对叶片最大变形值的影响。 3. 基于大型有限元计算软件 ANSYS、LS-DYNA 建立了惯性强制限速器有限元模型，计及大变形效应和叶片与圆筒壁滑动接触效应，对惯性强制限速器进行了计算机模拟。给出了叶片运动规律、叶片和圆筒壁接触规律、动画显示以及不同厚度、角加速度下的叶片自由端节点径向变形时程曲线和摩擦力时程曲线。由摩擦力时
3、程曲线可得到摩擦力最大值。分析了叶片厚度、角加速度对最大摩擦力的影响。 关键词 惯性强制限速，大变形，摩擦，接触，计算机模拟 太原理工大学硕士研究生学位论文 II THE THEORETICAL ANALYSIS AND COMPUTER SIMULATION OF LARGE DEFORMATION AND DYNAMIC CONTACT ON THE INERTIA-ENFORCED-SPEED LIMITER ABSTRACT With the development of automobile industry, the traffic accident has caused seri
4、ous danger to the human. Speed limit is attracting more and more attention, and intrigues the researchers. So far, speed limit is made by controlling the throttles of an automobile. Based on this, the inertia-enforced-speed limiter is more thoroughly studied in this paper. Main conclusions are as fo
5、llows: 1. Based on the thin shell theory and the bending theory of thin plate in large deflection, the dynamic governing equations of elastic blade in large deflection were deduced. The initial condition and boundary condition were given, and the difference scheme of the dynamic governing equations
6、was written. 2. Based on the ANSYS and LS-DYNA, the finite element model of blade was established, and computer simulation on the blade in rotational motion was 太原理工大学硕士研究生学位论文 III carried out considering large deformations. The motion rule of blade, stress cloud chart, animation, and radial deforma
7、tion history curves of the node on the elastic blade free end in different thickness and angular acceleration were given. The maximum deformation of blade is obtained from those history curves. And the influence of thickness and angular acceleration on maximum deformation of blade was analyzed. 3. B
8、ased on the ANSYS and LS-DYNA, the finite element model of inertia-enforced-speed limiter was established, and computer simulation on the inertia-enforced-speed limiter was carried out considering large deformations and the contact between blade and cylinder. The motion rule of blade, contact rule b
9、etween blade and cylinder, animation, and radial deformation history curves of the node on the elastic blade free end and friction history curves in different thickness and angular acceleration were given. The maximum friction is obtained from those friction history curves. And the influence of thic
10、kness and angular acceleration on maximum friction was analyzed. KEY WORDS inertia-enforced-speed limit, large deformation, friction, contact, Computer simulation太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 研究背景和问题的提出 1.1 研究背景和问题的提出 图 1-2 Fig.1-2 图 1-1 Fig.1-1 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 随着汽车工业的发展，交通事故也给人类带来极大危害。图 1
11、-1、1-2、1-3 是近年来发生的重大交通事故现场。 有关资料显示【1】目前我国机动车保有量为 1.1 亿多辆， 汽车 3000 多万辆。每年发生交通事故 50 万起，因交通事故死亡人数平均超过 10 万人，相当于一个小型县的人口，交通事故死亡人数居世界第一。 统计数据表明【1】，每 5 分钟就有一人丧身车轮，每 1 分钟都会有一人因为交通事故而伤残。每年因交通事故所造成的经济损失达数百亿元。 近年来， 我国经济的持续高速增长带动了汽车业的高速增长，造成全国的交通安全形势日益严峻，交通事故频繁发生，人员伤亡和财产损失惨重。交通事故造成的死亡人数占各种事故的 90%以上， 对人类的危害已远远超
12、过了地震、 洪水、火灾这些可怕的灾难。 据调查统计【2】,在交通事故的原因中，由司机的错误引起的有 8 种，其中第一种就是超速。在我国，超速行驶轧死人的比例占 1417，在交通违法行为中居第一位。从国外的情况来看，上世纪 70 年代初期交通事故率开始下降，下降的重要原因之一就是限速，如美国是 55 英里每小时。在世界上除德国外，其他国家都限速。实际上德国有些道路也是限速的，只是高速公路不限速。因此，要减少交通事故，第一个措施必须图 1-3 Fig.1-3 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 是限速。 1.2 限速技术现状 1.2 限速技术现状 汽车安全技术包括被动安全技术（如安全带、安全气囊）
13、和主动安全技术（如 ABS防抱死） 。 限速技术属于汽车主动安全技术， 目前应用于实际的有以下三种技术方案：【3-5】 1.信息型和被动型车速限制器，该类装置有助于驾驶员更好地遵守车速限制，例如超速警告器和车载黑匣子。 2.（普通）车载限速装置 DLV，有两种形式：一是单一最高车速限制器 SLD：车辆只有一个最高行驶速度限制，该车的行驶速度不能超过这个限制值；二是调整型限速器ASLD：驾驶员能够根据不同的道路条件来调整车辆的最高速度。 3.智能型车速限制器，车辆行驶的最大速度不是由驾驶员设定，而是车辆以外的其他系统决定，并能在不同道路和不同条件下自动智能调节速度限定值。法国的 LAVIA 系统
14、就是这样的。设置速度限定值有两种方式：一是由车外的无线电信号设定，如道路区域内发射无线电信号（速度限定值） ；二是由全球卫星定位系统设定，如由 GPS 系统确定车辆所在位置，由车载数字地图得到该道路的最大允许车速。 这三种技术方案中，超速警告器和车载黑匣子仅仅能监视或记录车速，不能限速，驾驶员可以不顾警告继续超速行驶， 因此该系统不能在真正意思上 “阻止” 事故的发生；车速限制器的不足之处在于：驾驶员可以修改车辆最大速度限定值的大小，他可以冒险超速行驶，速度限制器形同虚设；车外无线电信号设定速度限定值技术需要在通信基础设施（如高速公路进出口的无线电信号发射装置）上进行不菲的投资，且应用的区域有
15、限（与信号的覆盖半径有关） ，一般在小规模的居民区或高速公路的某一路段有效。由于 GPS 定位全天候、广范围的服务特性，使得车外设定最大行驶速度技术有着良好的发展前景，目前在法国实施的一项 LAVIA 计划也采用了该方法。 综上所述， 对车辆要实现强行限速， 首先给车辆设定最大行驶速度值 （驾驶员设定、车外无线电信号设定或借助全球卫星定位系统设定） ，再在车辆行驶工程中连续地比较车辆行驶速度和速度限定值的大小，当车速接近限定值时，采用控制油门的方法使车速不超过限定值。 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 由此可见，当车速接近限定值时，如果用制动的方法对车辆行驶速度进行控制，或者用其辅助控制油门
16、来控制车速，能更好的实现车辆限速的目的。这就对研制汽车制动系统提出了新的挑战。频繁使用汽车制动器对汽车限速，比较容易磨损制动器，也会给汽车紧急制动埋下隐患， 那么给汽车制动系统减轻压力的设备强制限速器的出现成为必然。使用强制限速器后，对汽车的强制限速可以用强制限速器来实现，对汽车的紧急制动可用制动系统来实现。因此，强制限速技术的应用将会成为必然趋势，强制限速理论的研究将势在必行。 基于此，本文拟将惯性力应用于汽车强制限速中，将利用惯性力实现汽车强制限速的装置称为“惯性强制限速器” ，对惯性强制限速器进行研究。 1.3 惯性强制限速器 1.3 惯性强制限速器 惯性强制限速器是靠滑动摩擦来强行制动限速的。其工作原理如下： 该装置由转轴、一组一端固接于转轴的弹性叶片（螺旋形）和外部的圆筒壁构成。车速较低时，弹性叶片向转轴方向弯曲并与圆筒壁分离，如图 1-4a 所示。转轴转动带动弹性叶片作转动。当转轴转速达到某临界值c时，弹性叶片在惯性力作用下产生弹性变形，使叶片与圆筒壁接触，如图 1-4b 所示。随着转轴转速的进一步增加，叶片与圆筒壁的接触面积增大。由于叶片与圆筒
