乘用車前后端保護裝置測試設備的開發

趙學美 姜祖嘯 朱春嵩 褚萬剛

（1.上海機動車檢測中心；2.上海大眾汽車有限公司；3.中國重汽集團進出口有限公司）

乘用車前后端保護裝置是汽車被動安全的關鍵部分，在低速碰撞方面起著決定性的作用，為此世界各國均制定了相關的低速碰撞標準及其試驗方法，我國參照歐洲ECE-R42 法規頒布了GB 17354—1998《汽車前后端保護裝置》。由于碰撞擺錘驅動（活動屏障或擺錘）形式不同，汽車研發機構和檢測中心的前后端保護裝置測試設備成多樣化，導致碰撞結果存在一定的差異性，本研究以國標要求為基準，采用平行四邊形剛性懸吊擺錘驅動，開發了一款既符合標準要求，又安全可靠且性價比高的前后端保護裝置測試設備。

1 低速碰撞試驗規范

美國的強制性標準CFR Part 581 和非強制性標準Consunertest，IIHS-Test，加拿大的CFVSS215，德國的AZT Crash Reparatur Test，歐洲的ECE-R42 等法規都詳盡描述了低速時汽車前后端保護裝置的試驗文本和試驗規范[1]。

GB 17354—1998 要求汽車生產廠家和相關的機動車檢測機構，使用乘用車前后端保護裝置測試設備模擬汽車低速碰撞，通過與實車碰撞來評價乘用車前后端保護裝置在低速碰撞時的緩沖性能和安全保護性能。同時要求試驗車縱向對稱面分別與碰撞擺錘的中垂面成0，±60°角，依次進行縱向碰撞試驗和對“車角”的碰撞試驗，共碰撞8 次[2]。碰撞擺錘機構的有效加載質量與試驗車的“整車整備質量”相等，安裝時要求碰撞擺錘與地面垂直，撞擊面至基準高度（地面）距離為445 mm，如圖1所示，以確保撞擊高度的一致性。

縱向碰撞試驗包括汽車正前方的2 次碰撞和正后方的2 次碰撞試驗。在每一方向的2 次碰撞中，一次是汽車質量為“整車整備質量”時進行的，另一次是汽車質量為“加載試驗車質量”時進行的。在每一方向的2 次碰撞中，第1 次碰撞對碰撞擺錘的位置沒有嚴格的限制，只需要保證碰撞擺錘的外廓不超越“車角”所限定的區域即可。而第2 次碰撞要求碰撞擺錘的中垂面與乘用車外輪廓線的交點應與第1 次碰撞時的交點相距≥300 mm，同樣保證碰撞擺錘的外廓不超越“車角”所限定的2 個平面區域，汽車碰撞速度控制在

“車角”碰撞試驗包括汽車質量為“整車整備質量”時對一個前“車角”和一個后“車角”的各一次碰撞，以及在汽車質量為“加載試驗車質量”時對另一前“車角”和另一后“車角”的各一次碰撞。調整汽車位置，使碰撞擺錘A 平面與汽車中垂面成60°，保證與汽車最先接觸的碰撞點在碰撞擺錘的中垂面上，且機構在碰撞時不發生晃動，碰撞接觸點的速度控制在

碰撞試驗開始前，需配重測試設備，標定碰撞擺錘的碰撞速度，以確保碰撞試驗的有效性，準確評價試驗車是否達標。

2 前后端保護裝置測試設備開發

歐美和日本對前后端保護裝置的試驗已經比較成熟，儀器設備試驗精確度高[3]，而國內試驗標準制定得相對較晚，相應的試驗設備開發經驗不足。根據國標對碰撞儀器結構的要求，并結合多年實車碰撞的試驗經驗，設備最終采用擺錘作為驅動核心，設計前后端保護裝置測試設備，如圖2 所示，測速設備在圖2 中未顯示。

2.1 桁架機構

桁架機構作為測試設備的支撐機構，主要由矩形鋼管、方管、螺栓及連接緊固等部件組成。高強度的桁架加斜撐結構設計可滿足撞擊時整體碰撞動能穩定的要求，而螺栓連接便于安裝移動。調研和走訪中發現，一些汽車廠商和檢測機構為了忽略擺臂質量而采用柔性擺臂結構，在實際碰撞中柔性擺臂易產生晃動，影響碰撞速度的精確度。本設計選用剛性擺臂，以提供穩定的碰撞動能和足夠的受力強度，同時考慮增加剛性擺臂的有效質量。

2.2 碰撞擺錘機構

碰撞擺錘機構的有效質量由擺錘、箱體、剛性擺臂、配重塊和鎖止機構等組成，根據試驗車的整車整備質量選取相應的配重塊來匹配。

碰撞擺錘機構與試驗車直接碰撞接觸，其結構示意圖，如圖3 所示，圖3 中未示出壓緊鎖止機構。碰撞擺錘與配重箱剛性連接，撞擊頭部表面進行淬火處理；剛性擺臂則采用平行四邊形懸吊配置箱體，擺錘轉動軸至基準線的距離（3.5 m）大于要求的3.3 m，確保擺錘與試驗車在撞擊時發生水平碰撞。

測試設備采用剛性擺臂，需考慮其有效質量對碰撞擺錘機構的影響。任意時刻，任一擺臂（擺臂i，i=1，2，3，…）的動能與角動能相等，即:

式中:mi有效——擺臂i 的有效質量，kg；

vi——擺臂i 末端的速度，m/s；

Ji——擺臂i 的轉動慣量，kg·m2；

ωi——擺臂i 末端的角速度，rad/s；

li——擺臂i 的有效長度，m；

mi——擺臂i 的質量，kg。

迭代，得到擺臂的有效質量（m有效/kg）:

最終碰撞擺錘機構的有效質量（m/kg）:

式中:m1——箱體和與其剛性連接的周邊機構質量，kg；

m2——前后剛性擺臂總質量，kg；

m3——配重塊質量，kg。

測試設備加載質量區間為1 030～3 100 kg。配重塊采用壓緊鎖止裝置緊固在箱體上，防止碰撞時各部分發生相對移動而造成動能損失。

2.3 執行機構

執行機構通過控制機構輸出指令提升碰撞擺錘高度，可實現變速提升和任意位置鎖止，根據氣動插拔[4]原理釋放擺錘。該機構主要包括伺服電機、固定鎖止器及釋放裝置等。伺服電機驅動采用渦輪絲桿傳遞牽引力，通過三點位置傳感器保證提升擺錘的精度。采用氣動插拔工作原理設計出的鎖止器和釋放機構，能確保鎖止和釋放碰撞擺錘的可靠性。

執行機構同時具備多種安全控制，如氣動插銷位置報警、拉索起始/極限位置報警及氣壓過載/過低報警等，在保證試驗檢測設備滿足標準要求的同時具有良好的試驗安全性。

2.4 測速機構

測速機構包括:激光發射器和支架等機構。在桁架機構底部撞擊點附近安裝2 組激光發射器與2 組接收信號單元，通過碰撞小車切割激光時間脈沖計算速度，獲取擺錘的碰撞初速度。碰撞擺錘與汽車碰撞時的速度（v（/m/s））為:

式中:S——2 組光柵間距，m；

t——碰撞擺錘切割2 組光柵的時間差，s。

采用激光信號通斷方式，可以滿足碰撞擺錘碰撞速度的測量精度要求。

2.5 控制機構

采用PLC 控制器和便攜式計算機作為外接數據處理分析終端的控制模式，包括位置控制傳感器、電子計時器及計時信號邏輯電路等電器元件。

控制機構利用PLC 實現設備的數據信號采集，監控報警信號實現安全控制，同時向執行機構輸出提升和釋放碰撞擺錘信息。碰撞擺錘配重后進入速度調試階段，通過PLC 與外接計算機通過硬件在環的方式一起完成碰撞初速度的調試，修正擺錘提升高度值，使碰撞速度達到試驗要求的精度控制在0.1 km/h 內。

3 碰撞試驗分析

文章所用試驗車型為某A 級轎車，整車整備質量1 519 kg。利用自主開發的乘用車前后端保護裝置設備進行前后端保護裝置碰撞試驗。

試驗條件:試驗場地具有足夠的面積，地面水平、硬實且平整；碰撞時試驗車前輪處于直線位置，制動器松開，變速器掛空擋。試驗流程，如圖4 所示。

縱向碰撞試驗碰撞速度為4 km/h，“對角”碰撞試驗碰撞速度為2.5 km/h。試驗車分別處于整車整備質量和加載試驗質量，乘用車碰撞試驗示意圖，如圖5 所示。

試驗車每次碰撞后需對車身、發動機供油系統、排氣系統、冷卻系統以及燈具等進行檢查。同時要求試驗車碰撞后的照明和信號裝置能正常工作并清晰可見；發動機罩、行李箱蓋及車門能正常開啟，側門在碰撞時沒有自行開啟；汽車燃料系統和冷卻系統無泄漏，密封裝置和油/水箱蓋能正常工作；排氣系統無妨礙正常工作的錯位和損壞；傳動系和懸架系統，轉向和制動系統能夠保持良好的調整狀態并能正常工作。如果試驗車滿足上述要求，則該車符合GB 17354—1998 的要求。

4 結論

文章開發的乘用車前后端保護裝置測試設備采用高強度桁架加斜撐結構設計，滿足碰撞動能的穩定；采用氣動插拔工作原理釋放擺錘，滿足提升和釋放動作的可靠性；采用硬件在環和激光信號控制撞擊點的速度，滿足碰撞速度的測試精度；采用多種安全控制，滿足試驗檢測設備具有良好的試驗安全性。設備試驗重復性好，可確保試驗數據的準確、有效及客觀公正。

研發中與主機廠開展技術交流，對試驗方法和計算方式達成統一認識。試驗證明:該設備具備評估乘用車前后端在發生輕度碰撞時汽車損傷程度的能力，能夠判斷是否滿足國家法規的要求。試驗結果可用來指導檢測汽車的結構設計、空間布置及材料選取。

測試設備雖然目前只能進行乘用車前后端保護裝置的碰撞試驗，但具備驗證待檢車是否滿足3C 實施規則的擴展內容及ECE29 法規的相關要求的能力，今后可結合客戶委托需求，完成檢測任務，為乘用車前后端保護裝置的檢測研究積累經驗。