車身頂部強度試驗系統設計研究

莊鴻輝，王一峰

（廈門市產品質量監督檢驗院國家場（廠）內機動車輛質量監督檢驗中心，福建 廈門 361000）

車身頂部強度試驗系統設計研究

莊鴻輝，王一峰

（廈門市產品質量監督檢驗院國家場（廠）內機動車輛質量監督檢驗中心，福建 廈門 361000）

本文論述了廈門市產品質量監督檢驗院國家場（廠）內機動車輛質量監督檢驗中心設計的機動車輛車身頂部強度試驗 系統，可實現大型機動車輛車身頂部強度測試。描述了該測量系統的結構組成,給出了機構的測量原理、測量方法。針對頂壓測量過程，提出自由度控制策略，確保了試驗系統的測量精準、安全可靠性。

頂部強度；頂壓試驗；自由度控制

0 引言

車身頂部強度對機動車輛的安全性等都有著重要影響，是被動安全性能的重要指標之一。保證車輛頂部強度，可以有效防止車輛在翻滾事故發生時因車身結構變形引起空間侵入而造成對乘坐人員的傷害。隨著2012年1月國家開始實施的GB26134—2010《乘用車頂部抗壓強度》國家強制性標準[1]，車輛發生翻滾或側翻事故時對乘坐員的保護性能也正式進入我國車輛強制性安全檢驗項目，為此一個精確穩定的車身頂部強度試驗系統對于車身頂部強度的評估顯得非常重要。文章論述了我單位研制的車頂靜壓試驗臺的總體構成及功能特性，該試驗臺利用電液位置伺服控制技術和傳感技術，是一個自適應的易于操作與使用的對車輛頂部開展強度測試的系統，可以有效滿足不斷發展的各種測試的需要。該系統可以廣泛應用于各個車輛企業中，對設計結果進行驗證，還可以應用到國家質量監督部門之中對車輛強度進行檢驗。

1　系統構成

車身頂部強度試驗系統主要由頂部強度試驗臺、分配器與油源系統、伺服控制系統、PLC油源控制器和任務管理單元如圖1所示。

圖1　車身頂部強度試驗系統

1.1頂部強度試驗臺

頂部強度試 驗平臺結構如圖2所示,主要由施力平板、鑄鐵平臺、可調鋼支撐、伺服液壓作動器、固定夾具、車身以及各種測量傳感器共同組成。液壓泵與伺服位置控制系統兩者一起對施力平板的施力操作進行控制，測力傳感器測量施力平板的受力狀態，用于評估車身頂部強度。

施力平板的動作通過自由度控制實現伺服液壓缸位置的同步控制,控制精度高，保證了施力平板的定位精度及車身頂部壓力的測量精度。此外，由于采用了閉環伺服控制,在測控軟件中實現了自動化、智能化,避免了大量的人工調節,于是整個測量過程得以規范化、標準化。

圖2　 頂部強度試驗臺示意圖

1.2分配器與油源系統

液壓分配器作為液壓源與液壓缸的接口模塊，該分配器具有如下功能：（1）每個分配器為兩個作動器供油；（2）具有高低壓切換功能；（3）具有應急截止功能；（4）為作動器提供瞬時大流量供油。本試驗系統為6個作動器配備3個100L/min的液壓分配器。其結構見圖3所示。

圖3　液壓分配器

油源系統根據系統流量和壓力匹配相應的油源系統，如圖4所示。

圖4　油源系統

1.3伺服控制系統

本試驗臺架系統配備的伺服控制系統，包括1套伺服控制系統硬件和2套測試軟件。伺服控制系統可以實現如下功能：（1）加載臺的人機界面；（2）加載臺的數字閉環控制；（3）加載臺的位移和力控制；（4）系統狀態顯示、數據存儲；（5）系統故障監測與安全保護；（6）系統故障顯示、與記錄；（7） 硬件看門狗，實現應急保護；（8）急停按鈕，用于系統急停；（9）故障時聲光報警。伺服控制系統硬件組成包括任務管理計算機和伺服控制單元，其組成結構見圖5所示。

圖5　伺服控制系統硬件組成示意圖

伺服控制單元由控制機柜、伺服控制計算機、信號調理單元、直流穩壓電源以及UPS不間斷電源等組成，如圖6所示。

2　測量原理

通過這個試驗平臺，可以對車輛頂部強度進行準確測量。系統的測量原理以及具體測量步驟如下：

被試車身通過專用夾具固定于鑄鐵平臺上，施力平板置于車身頂部，通過分布于四個角的四個200 kN加載作動器向下拉對車身頂部加載。可調鋼支撐高度可調，在試驗時撤走，在不進行試驗時可對施力平板進行支撐。

試驗樣品安裝應保證車架固定牢固，當試驗樣品為整車時，為了消除試驗過程中車輛的懸架和輪胎變形，可通過在試驗臺架上架設多處剛性支撐于車輛車架下的平面。

圖6　伺服控制單元

施力平板為高剛性平板，且保證其長度和寬度都大于試驗車身的長度和寬度。試驗時，將施力平板放置在車頂上，讓其剛性面和垂直縱平面相互垂直，并確保和車頂的接觸點至少有兩處，從車頂位置向下進行投影觀察，當縱向中心線和車輛縱向中心線相互重合時，確保施力板投影能夠對所有成員區進行覆蓋。

在進行試驗的時候，加載時加速度不超過13 mm/s，方向垂直向下，并達到車輛整備質量1.5倍的試驗載荷，并保持時間不少于5 s，直到變形穩定位置[1]。加載液壓桿配備力傳感器和位移傳感器，從而能實時控制試驗過程中的加載力和加載速度，同時控制系統對施力平板重量進行 補償。

3　測試平臺自由度控制策略

在車頂強度測量過程中，力、位移傳感器測量和施力平臺升降的前提條件是保證舉升施力平臺的四個液壓油缸工作時一定要保持同步，施力平板應當只有垂直方向上的平動，并對其余各個自由度上的運動進行抑制，只有這樣才能夠消除其他自由度所帶來的誤差，并確保測力傳感器測量頂部壓力的準確性。

因此，從控制策略上來說，采用基于自由度的位置前饋控制策略，保證四個液壓油缸中任意兩個都滿足協調同步運動，減少牽連運動，避免試驗平臺產品其他自由度方向的傾斜和扭轉。下面以其中的兩個液壓油缸的自由度位置同步控制為例，論述施力平臺各個液壓油缸間的同步控制策略。

自由度控制策略原理如下。

頂壓升降平臺運動系統可以視同為能產品多個自由度運動的并聯機構，其中任意兩個驅動缸的作用下能實現兩個自由度的運動。

自由度控制策略，目的在于保證該并聯機構的自由度輸出，在減少自由度輸出誤差的基礎上，來完成對各個單通道液壓驅動系統的協調同步控制，進而保證該施力平臺的自由度輸出特性滿足試驗要求。

自由度控制策略的原理如圖7所示。在自由度獨立控制方法中兩個自由度［］Tqθφ=：

式中：φ——平臺橫搖角(rad)；

θ——平臺前傾角(rad)；

l1——1#液壓油缸位移(m)；

l2——2#液壓油缸位移(m)。

圖7　自由度控制策略

實際上，以上公式也正是頂部強度試驗平臺中任意兩個液壓油缸之間的正解關系式。通過液壓油缸位移與自由度之間的位置關系，可以計算得到兩者的微分關系（或稱為位置輸出誤差傳遞關系）如下：

式中：H——雅可比矩陣。

同時可以得到旋轉自由度到液壓油缸位移的微分關系：

4　結論

車身頂壓試驗作為國家強制檢驗項目，是新車型車身設計開發及驗證的重要環節，也是評定車輛被動安全性能的重要試驗。基于這個出發點，我中心設計研制的車頂靜壓試驗臺不僅完善了我中心的車輛安全相關檢測能力，也為車輛企業針對車身安全的研發創新提供了良好的平臺支撐。針對大型機動車輛質量大、體積大和的特點，本試驗臺最大加載面積達到了10 m×4 m，并應用自由度控制策略，可實現各類車輛車身頂部強度的精確測量。目前，本文論述的該套試驗裝備即將通過驗收并投入使用，為客車、小汽車、工程機械等各類產品的產品研發和技術改進提供試驗支撐。通過各類車輛試驗驗證，該車身頂部強度試驗系統在測量一致性、精確性、便捷性等各個方面都已達到國內一流的水準。

[1] GB26134—2010，乘用車頂部抗壓強度[S].

TP271.4

A

1671-0711（2016）09（下）-0093-03