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(天津渤海职业技术学院，天津 300402)

图1 车轮运动分析模型

一、引言

随着我国国民经济快速稳定增长和居民收入水平的持续提高，推动了对汽车消费的需求。据国务院发展研究中心的预测，到2015年，我国汽车拥有量将超过1亿辆，我国同时将成为世界最大的汽车生产国。伴随汽车社会来临，道路交通事故已经成为中国公共交通领域面临的严重问题。本文将就在高速公路上行驶的汽车前风挡玻璃受异物冲击造成的危害进行分析，并提出预防措施。

二、模型建立与理论分析

1.模型建立

以高速行驶轿车的后车轮为研究对象，建立其分析模型，如图1所示。假设该模型上A点处有一异物，在离心力作用下沿轮外缘切线方向被甩出，其速度为该异物相对轮心的相对速度VAO，速度大小与汽车行驶速度相同，轮外缘上A点的绝对速度为该点牵连速度与相对速度的矢量和VA。

2.模型尺寸

按照ISO国际标准，轿车轮胎编号表示为：(断面宽度)/(扁平率)(轮胎结构标记号)(适用轮胎直径)。

编号185/60R14的轮胎，意义如下：185表示轮胎断面宽度为185毫米；60表示为扁平率的百分数，即轮胎断面的高度比宽度为60%；R表示子午线轮胎；14表示使用轮毂直径为14英寸。

轮胎外径=轮毂的直径(英寸)×2.54+断面宽度×扁平率×2。

DO=do×2.54+B×i×2=14×2.54+18.5×0.6×2=64.872cm。

3.运动分析

为便于理论分析，轮胎外径尺寸取600mm，半径RO=0.3m。分别取汽车行驶速度为VO=80km/h=22.22m/s，VO=120km/h=33.33m/s，VO=160km/h=44.44m/s进行分析。

假定考察瞬间轮胎在地面做纯滚动，当VO=80km/h=22.22m/s时，

忽略空气阻力影响，可按以下公式计算出不同α角时异物在各时刻空中的位置。表1 为α=15°时，异物随时间变化的位置和速度值，图2—5是异物在不同点处被甩出的空中运行轨迹所示。

表1 α=15°时，异物随时间的位置和速度值

图2 α=10°时异物在不同甩出速度时的运行轨迹

图3 α=15°时异物在不同甩出速度时的运行轨迹

图4 α=30°时异物在不同甩出速度时的运行轨迹

图5 α=45°时异物在不同甩出速度时的运行轨迹

图6 异物与汽车前风窗玻璃正面碰撞

4.碰撞分析

假定被汽车轮胎甩出的异物沿水平方向速度为VAo=120km/h，与跟在后面的以V=100km/h速度行驶的汽车前风挡玻璃发生正面碰撞，碰撞后异物与汽车保持相同速度，异物质量为20 g。如图6所示。

换算后，异物速度VAo=33.33m/s，后方被撞汽车速度V=27.78m/s，工程分析可假定后方被撞汽车处于静止状态，异物以VAo=61.11m/s的速度冲击后方汽车挡风玻璃，碰撞后速度为零。

目前，安装在汽车上的前风挡玻璃以夹层钢化玻璃和夹层区域钢化玻璃为主，应满足GB/T5137-2002《汽车安全玻璃试验方法》的抗冲击性试验和抗穿透性试验。

抗冲击性试验：采用质量为227g±2g,直径约为38mm的淬火钢球，按表2要求进行试验

表2 抗冲击性试验

公称厚度,e落球高度,m-20℃40℃碎片质量,g≤e≤4.58.59124.56.5101225

抗穿透性试验：采用质量为2260g,直径约为82mm的淬火钢球，按表3要求进行试验。

表3 抗穿透性试验

对6mm厚符合国家安全标准的A类夹层玻璃：

三、结果和讨论

通过对表1和图2—5进行分析可知，忽略空气阻力，α角不超过15°，汽车以高速公路允许最高时速120Km/h行驶时，异物被甩出至落地时间约为1.7s，水平距离约为56m。如果计入空气阻力影响，则落地时间和水平距离为将有所减小。因此，在高速上两辆以允许最高时速120Km/h行驶时的汽车，前车轮胎甩出的异物α角不超过15°时，对相距60m的后车不会带来危险。因此，为使α角不超过15°，在汽车车轮后应安装尺寸合适的挡泥板。图7给出了在汽车后轮处安装挡泥板对异物的拦挡效果。

图7 安装挡泥板拦挡异物效果

1.对汽车后轮处安装挡泥板的统计

目前，国内交通参与者对汽车安装挡泥板的作用认识不够，2013年9月19—21日，笔者对在津蓟高速和津京塘高速行驶的轿车和在天津市内及周边区县范围行驶的公交和旅行轿车进行随机统计。后轮处安装挡泥板的统计结果如下：

种类统计总数安装挡泥板车数安装挡泥板车数/总数;100%小轿车5000158232%小卡车2000188694%大卡车100086586.5%公交和旅行轿车100099699.6%

统计发现，公交和旅行轿车、大小卡车大部分按装了挡泥板，小轿车有安全意识加装挡泥板的比例较低。

2.异物冲击危害分析

安装在汽车上的前风挡玻璃出厂前应满足GB/T5137-2002《汽车安全玻璃试验方法》的抗冲击性试验和抗穿透性试验。通过对以上理论计算结果进行比较可知，质量不大的异物对在安全距离内不超速行驶的汽车不会造成严重危害。

危险情况往往发生在以下几种情形：一是汽车未安装尺寸合格的挡泥板；二是汽车违章在应急车道超车，而应急车道存在石子等异物并被带起甩出的几率更大；三是不按安全超车距离超车。如果以上三种情形同时存在，则对后车的危害更大，一旦前车有异物甩出，轻则后车前风窗玻璃受损，造成经济损失；重则造成汽车驾驶员紧张，汽车失控，引起重大交通事故。

四、结论

综合以上分析可知，目前我国交通参与者对在高速行驶时受异物冲击危害认识不足，为避免和降低因异物冲击造成的危害，建议交通管理部门和交通参与者采取以下预防措施：

第一是交通行政管理部门加大遵守交通法规的宣传力度，对违章车辆进行严厉处罚。第二是车辆出厂和售出时要根据其型号强制安装符合该车型标准的挡泥板，对未安装挡泥板的车辆在交通法规中应列出相应的处罚标准。第三是广大交通参与者应严格按照交通法规安全驾驶。

参考文献：

[1]赵凯华,罗蔚茵.力学[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]吴玉亮.工程力学[M].北京：化学工业出版社，2004.