安全試驗室碰撞壁頂部相機支架結構的一種設計

陳浩，陳良校，汪旭明

(江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230000)

安全試驗室碰撞壁頂部相機支架結構的一種設計

陳浩，陳良校，汪旭明

(江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230000)

設計了汽車碰撞安全試驗室碰撞壁頂部相機支架一種結構，此支架結構用來實現高速相機固定及角度調節，以實現車輛高速碰撞過程中對正前方角度的畫面拍攝。此系統分為三大部分：相機安裝部分，角度調節部分，支架固定部分。重點對整個結構設計及安裝調試部分進行詳細介紹，包括支架部分的設計計算、制造工藝介紹、整體結構安裝調試及視頻拍攝實際效果驗證。通過以上設計制作及安裝調試工作完成了頂部相機支架結構的一種整體設計，有效達到標準法規所要求的拍攝效果，能夠更好地為整車研發提供整車碰撞過程中的細節畫面記錄。

高速相機；支架結構；安裝調試

0 引言

隨著汽車數量的增加和行駛速度的不斷提高，行車安全越來越重要。一般的交通事故都是瞬間發生的災難事件，并且車輛間的碰撞事故是隨機事件，全部過程時間極短，僅有0.1～0.2 s，所以不論當事人或目擊者，都很難準確說明事故發生的過程。因此，為研究交通事故再現及交通事故綜合分析技術,提出理論依據,便需要完整記錄在碰撞發生的很短的時間內汽車的運動姿態以及車內乘員的運動姿態。整車碰撞試驗研究便是使用高幀率的攝像系統來完成模擬整車各種不同工況下碰撞試驗過程中畫面的捕捉(見圖1)，再通過車輛本身的傳感器數據和現場勘查得到的數據，進行科學的分析,從而分析碰撞過程，提出相應對策，找出事故的原因，提高實車碰撞試驗的可靠性，從而有效地服務于整車研發，為解決汽車安全問題提供參考。

1 研究背景

1.1 國內汽車碰撞試驗室研究現狀

整車正面碰撞試驗是整車被動安全開發過程中關鍵性的一步，其中包含不同速度要求下的整車安全氣囊及車身傳感器數據采集試驗及驗證試驗。

作為主要試驗設施的剛性碰撞壁障，其實就是一個鋼筋混凝土制成的水泥墩子，其長、寬、高和總質量都有明確規定：前部寬度不小于3 m，高度不小于1.5 m，厚度應保證其質量不低于70 t。剛性壁障的前表面必須平整并且與地面垂直，就像一面墻一樣，并要覆以2 cm厚的膠合板。文中提到的碰撞壁頂部相機支架便是安裝在碰撞壁正前方，如圖2所示。

圖2 碰撞壁頂部相機示意圖

文中重點介紹的高速相機支架就是安裝在某汽車公司技術中心研發三期汽車安全試驗室碰撞壁頂部(見圖3)，用于拍攝高速移動的試驗車輛在正面碰撞到固定壁障上車輛前部包括引擎蓋、主副駕假人等相關部位在碰撞過程中的運動姿態變化。

圖3 汽車安全試驗室碰撞壁頂部相機實體安裝照片

1.2 高速相機系統簡介

高速相機系統，全稱為高速高分辨率數字圖像采集系統。文中提到的相機支架就是用于固定MEMRECAM GX-3Z相機(相機實物見圖4)；該相機具有超高光敏性，21.7 μm的像素，以及卓越的動態范圍，可以滿足多種試驗需求。GX-3Z 使用方便，可以單機使用(即完全脫離計算機使用)，可用來記錄色彩鮮艷的130萬像素彩色圖片，或者顏色鮮明的130萬像素單色圖片。該相機采用最新的CMOS傳感器技術，最高拍攝速度可達198 000 幀/s。

以上為碰撞試驗室基本情況及高速相機工作方式及應用介紹，文中的主要設計工作包括：

(1)對整個系統的構架進行了原理設計和總體方案的設計

及支架制作，設計主要分為三部分：安裝支架部分、調節支架、相機安裝底板，包括材料選擇、制作工藝；

(2)對支架結構進行了設計計算及安裝調試過程說明；

(3)實際拍攝效果驗證。

圖4 GX-3Z相機照片

2 碰撞壁頂部相機支架整體結構

支架結構廣泛應用于各種平臺結構支撐及固定。因為不同場合的很多室外攝像機安裝位置特殊，有的安裝在電線桿上，有的立于塔吊上，有的安裝在鐵架上……文中的相機支架就是在碰撞試驗室碰撞壁實際狀態和前部相機安裝要求、安全因素等條件約束下自主設計、制作的，完成了安裝調試，實際拍攝效果滿足整車正面碰撞試驗高速相機拍攝需求，碰撞壁頂部相機支架結果設計整體結構示意圖見圖5。

圖5 碰撞壁頂部相機支架結果設計整體結構示意圖

安裝支架包括支架固定底板、立柱、L形支架；安裝底板直接通過螺栓固定在碰撞壁頂部，立柱焊接在固定底板上，L形支架與立柱焊接連接。

調節支架為U形支架，用鋼板打孔后折彎形成。

相機安裝底板為U形底板，兩邊焊接有φ17 mm通孔的掛耳，底板上按照相機安裝孔尺寸鉆4個φ10 mm的相機安裝孔。

實際安裝效果圖如圖6所示。

圖6 實際應用中安裝效果照片

作者設計的碰撞壁頂部相機支架按照C-NCAP(2015版)管理規則要求，滿足在整車碰撞試驗過程中可以清晰拍攝到汽車正面碰撞過程中車輛前端、前擋風玻璃、主駕假人及副駕假人的運動姿態和主駕安全氣囊、副駕安全氣囊點爆展開動作以及時間點記錄。在整個設計中都是圍繞如何將GX-3Z相機固定在碰撞壁頂部，并且能夠適應不同車型(A0級—B級轎車、SUV等車型)拍攝角度的調整。

中國汽車技術研究中心碰撞試驗室碰撞壁頂部相機支架采用固定支架與鐵板間采用螺栓固定方式實現上下方向滑動，相機與固定支架之間通過旋轉軸實現俯仰角度調節，如圖7所示。

圖7 中國汽車技術研究中心碰撞試驗室 碰撞壁頂部相機支架設計原理圖

文中設計的一個重點就是固定支架不動，保證相機處于軌道中心平面內，通過調節支架實現相機俯仰角度調節。

需特別說明的是：

(1)所有支架材料均選用Q235鋼材；螺栓螺母選用表面鍍達克羅(防銹處理)處理的標準件。

(2)相機安裝支架立柱與底部固定板(見圖8)之間采用焊接工藝；L形支架采用鋼管折彎工藝，調節支架部分使用鋼板折彎工藝；相機安裝底板兩側掛耳采用焊接工藝。 焊縫質量直接影響連接的強度。如果焊縫質量優良，焊縫中不存在任何缺陷，焊縫金屬的強度高于焊件母材，破壞部位多位于焊縫附近熱影響區的母材上。焊縫中可能有氣孔、夾渣、咬邊、未焊透等缺陷。焊縫缺陷將削弱焊縫的受力面積，并在缺陷處產生應力集中，對結構受力很不利。因此，對焊縫進行質量檢查很重要。焊條選用Q235-E43。

圖8 固定底板

(3)相機支架制作工藝要求：表面防銹油漆處理；所有支架材料均選用Q235鋼材。

(4)相機支架調節與安裝地板均為通孔，L形支架與調節支架相連接部分采用M19的內螺紋。

3 結構部分設計計算

作者設計的組合型支架機構，能夠解決碰撞試驗中拍攝車輛正前方動態碰撞過程視頻的GX-3Z相機的安裝調試工作。此支架結構簡單便于試驗工程師安裝調試，且保證滿足試驗要求。在設計上充分考慮了支架的承載力學要求與結構可靠性，保障高速相機的安全使用與維護。

3.1 基本參數

(1)設計參數：各長度單位為米(m),質量單位為千克(kg)，π=3.14，Q235鋼鐵密度ρ=7.85×103kg/m3，g=9.8 N/kg；

(2)支架材料為Q235-A.F，許用應力[σ]=160 MPa；焊條選用Q235-E43；

(3)相機調節角度：仰角水平180°，俯角豎直90°；

(4)GX-3Z高速相機質量：m0=4.08 kg；

(5)相機安裝底板質量計算：m1=7.85×103×0.004×(0.14+0.04+0.02)×0.26≈1.63 kg；

(6)調節支架質量計算：m2=7.85×103×0.004×(0.226+0.226+0.15)×0.04≈0.76 kg；

(7)相機L形支架質量計算：m3=0.25×3.14×(0.042-0.032)2×(0.58+0.38)×7.85×103≈0.59 kg；

(8)相機支架立柱質量計算：m4=0.25×3.14×(0.042-0.032)2×0.3×7.85×103≈0.46 kg；

(9)2個M17螺栓及兩個相應緊固螺母自重：m5=0.3 kg(添加墊片取整數值)；

(10)1個M19螺栓自重：m6=0.2 kg(添加墊片取整數值)。

3.2 結構力學計算

3.2.1 安裝支架設計計算

安裝支架設計圖如圖9所示。

圖9 安裝支架設計示意圖

(1)A位置為支架安裝底板與立柱的焊接位置，主要承受來自整體結構的剪切力，會影響結構可靠性。

正面角焊縫強度計算公式

式中：σf為焊縫強度設計值；N為焊縫處受到的正壓力；βf為正面角焊縫的強度增大系數，對于承受靜力荷載的結構，βf=1.22；lw為角焊縫的長度；hw為角焊縫寬度為直角邊為2 mm的等腰三角形斜邊長度。

因此：

N=FN=(m0+m1+m2+m3+m4+m5+m6)g=94.57 N

lw=πD=125.6 mm

所以A位置強度絕對滿足承重要求。

(2)B位置為支架立柱與L形支架的焊接位置(見圖10)，主要承受來自L形支架、調節支架、相機安裝支架和相機4大部分重力所產生的剪切力，會影響焊接位置的結構可靠性。

圖10 B位置焊接位置圖示

B位置是將立柱內切一個半圓體后與L形支架對接焊接，其焊縫的強度計算公式為：

式中：τf為焊縫強度設計值；N為焊縫處受到的正壓力；lw為角焊縫的長度；t為對接接頭中連接件較小厚度。

N=FN=(m0+m1+m2+m3+m5+m6)g=90.062 N

lw=πD=125.6 mm(相當于兩個半圓)

t=4 mm

所以B位置強度絕對滿足設計要求。

(3)C位置為L形支架與調節支架的連接部分，設計中M19螺栓的內螺紋通過外部固定焊接的形式被焊接在鋼管內部，這部分主要承受來自調節支架、相機安裝支架及相機3大部分重力所產生的剪切力，會影響焊接位置的結構可靠性以及M19螺栓自身的承受力。

C位置為對接焊縫(受力分析見圖11)，其強度計算公式為：

式中：N為軸心所受的拉力或壓力；lw為焊縫長度；t為對接接頭中連接件較小厚度；

N=F1=F2=(m0+m1+m2+m5+m6)g=84.28 N

lw=πD=3.14×40 mm=125.6 mm

t=4 m

圖11 C位置受力分析

式中：螺栓直徑da=19 mm。

該位置安全性完全滿足要求。

3.2.2 調節支架設計計算

調節支架設計圖如圖12所示。

圖12 調節支架設計示意圖

調節支架設計計算主要為M17兩個螺栓的抗剪切力計算，位置分別為D、E,主要承受來自相機安裝支架和相機2大部分重力所產生的對M17螺栓的剪切力；D位置、E位置距離L4=150 mm。

N1=N2=F1=F2

N=N1+N2=F1+F2=(m0+m1+m5)g=58.898 N

式中：螺栓直徑da=17 mm。

螺栓直徑C位置安全性完全滿足要求。

3.2.3 相機安裝底板設計

相機安裝底板如圖13所示。

圖13 相機安裝底板設計示意圖

整個相機安裝底板并未受到大的剪切力或應力影響，只起到固定相機作用，不作力學計算。

3.3 支架安裝調試

固定支架在碰撞壁頂部的安裝如圖14所示。

按照圖14，固定支架L形鋼管中心線要求與軌道中心在同一條線上。通過激光打點的形式在碰撞壁及軌道上確定一條直線一直延伸到碰撞壁的頂部，再將整個支架結構放置在激光線正中間，保證相機鏡頭處于軌道中心線上。

確定好位置以后，在碰撞壁頂部4個螺栓孔位置做好標記打孔；并使用內嵌螺紋膨脹螺栓的固定方式將相機支架固定在碰撞壁的頂部，如圖15所示。

安裝支架與調節支架連接如圖16所示。

圖14 相機支架安裝位置示意圖

圖15 相機安裝支架固定底板安裝位置

圖16 調節支架與安裝支架的連接

L形支架連接調節支架鋼管內為M19的內螺紋，深度要求為100 mm；調節支架與L形支架直接采用M19螺栓鏈接，中間有剛性墊片，可以實現沿鋼管豎直方向中心線360°旋轉調節。

調節支架與相機安裝底板連接如圖17所示。

圖17 相機安裝底板與調節支架的連接

圖17中調節支架兩側板在外，相機安裝底板在內，通過M17螺栓與螺母固定；通過螺母固定的方式可實現底板沿兩螺栓中心線為軸進行俯仰角度的調節，上下俯仰調節(在實際應用中根據試驗車輛發動機艙前后長度、車身高度等具體情況進行調整，調整角度水平向下不超過90°)。

4 總結與展望

所設計的支架結構簡單實用，且能夠有效滿足該公司碰撞試驗室建設需求；實際安裝調試簡單易行，很好地解決了整車正面碰撞試驗中對正面高速相機拍攝的要求。并在實際使用中也更好地滿足試驗人員在試驗前對相機進行角度及參輸設置的需求。如圖18—20為整車碰撞試驗中相機拍攝畫面截屏。

圖18 40%偏置碰撞試驗

圖20 正面100%剛性碰撞試驗

在未來整車碰撞試驗研發中，從以下幾點改進將有助于完善整個支架結構，能夠滿足更多車型的拍攝需求。

(1)在碰撞壁頂部加裝導向槽(如圖21的鐵地板)，實現相機支架可沿前后左右方向移動與固定，用于調節相機方位(應對后期法規變化，25%小偏置碰撞試驗中可以加裝一套相機在碰撞壁頂部用于拍攝車輛橫向偏移量變化)；

圖21 碰撞壁頂部固定鐵板設計

(2)相機安裝支架的立柱與L形支架結構設計上采用螺栓固定的形式，可實現上下高度調節，沿軌道中心線方向上實現長度調節，如圖22所示；

圖22 調節支架設計

(3)調節支架與固定支架M19螺栓更換為旋轉電機，與相機安裝底板間的M17螺栓更換為旋轉電機，實現自動化控制，試驗人員可以在地面總控制室內遠程控制相機拍攝角度的調節。

現試驗室至今已完成26車次碰撞試驗，其中16車次為整車正面碰撞試驗，包含2車次40%偏置碰撞試驗、2車次正面柱碰試驗及2車次30°正面碰撞試驗驗證；前頂部相機拍攝畫面均能滿足C-NCAP中要求，可以清晰地看到前排假人的運動姿態，為整車碰撞試驗的數據分析提供有力支撐。 在后期的開發試驗中不斷創新，在不同工況下模擬整車碰撞過程，完成包含輕型商用車、重型商用車、小型客車等不同類型的車型碰撞試驗數據采集、工況驗證工作。針對不同類型的碰撞試驗及觀察角度調整優化相機支架結構的可調節性，以適應實際相機拍攝應用。

【1】中國汽車技術研究中心.C-NCAP管理規則(2015 年版)[M].

【2】成大先.機械設計手冊[M].5版.北京：化學工業出版社,2008.

【3】段志堅,徐來春.機械設計基礎[M].北京：機械工業出版社,2012.

【4】張展.機械設計通用手冊[M].北京：中國工業出版社,2008.

【5】陸元章.現代機械設備設計手冊[M].北京：機械工業出版社,1996.

【6】GB 50017-2014鋼結構設計規范[S].

Design of the Camera Support on the Top of the Car Safety Testing Chamber

CHEN Hao, CHEN Liangxiao, WANG Xuming

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230000,China)

A camera bracket was designed for the automobile collision safety laboratory collision wall top camera.It was used to fix high speed camera and adjust angle, to achieve the front screen shot in high speed vehicle collision process.The bracket included camera fixing part, angle adjusting part, bracket fixing part.The overall structure design and installation debugging were focused on, including design calculation, manufacturing process, overall structure installation debugging and video shooting actual effect verification. Through the above design and production, the overall design of the camera bracket structure is finished. It can achieve the shooting effect required by standards and regulations. It can provide detail screen recording of vehicle collision for vehicle research and development.

High speed camera; Bracket structure; Installation and debugging

2016-11-21

陳浩,男，大學本科，工程師，研究方向為機械設計制及其自動化。E-mail:838084314@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.007

U467

B

1674-1986(2017)03-025-08