一種新型碰撞試驗裝置及其控制系統(tǒng)的研發(fā)?

宋志強，曹立波，陳 龍，張建強

(湖南大學，汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

前言

為降低研發(fā)成本,減少實車碰撞試驗的次數(shù),用臺車試驗來代替實車試驗已成必然[1]。臺車碰撞可以復(fù)現(xiàn)實車碰撞試驗的減速度波形,已被廣泛用于測試乘員約束系統(tǒng)的保護效果中,如文獻[2]中分析了臺車減速度波形對兒童乘員損傷風險的評價；且臺車碰撞試驗需要產(chǎn)生汽車安全相關(guān)法規(guī)要求的減速度波形,如美國FMVSS 208和FMVSS 213法規(guī)[3]、歐洲的 ECE R44[4]和我國的 GB 27887—2011與GB 14166—2013等法規(guī)標準都對減速度波形進行了規(guī)定,其中文獻[5]中利用圓形薄壁吸能管臺車模擬出滿足GB 27887—2011規(guī)定的減速度曲線,并利用此波形對某兒童安全座椅進行了Q6假人損傷機理分析。文獻[6]中利用薄壁圓形吸能管臺車試驗對ECE R44法規(guī)要求的曲線進行了模擬。但以往的碰撞試驗臺車在碰撞時為了抵抗臺車已具有的動能,需要有堅固的且體積較大的剛性壁障和寬闊的試驗場地及一定的牽引動力設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),為了減少基礎(chǔ)設(shè)施的造價成本投入高的問題,本文中開發(fā)了一種新型對撞式臺車碰撞試驗裝置,采用對撞方法將外力平衡轉(zhuǎn)化為內(nèi)力平衡,并利用擠壓吸能筒穿過壓縮模塊的狹小縫隙達到減速的目的,減少了配重臺車的質(zhì)量,避免了焊接式吸能筒的拆裝麻煩,且更不需要剛性壁障,同時此碰撞試驗裝置可模擬碰撞過程中的垂向(Z向)加速度[7]。下面具體闡述臺車碰撞試驗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制原理及仿真模擬出規(guī)定的波形,并進行臺車試驗驗證。

1 試驗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與功能

該新型對撞式臺車碰撞試驗裝置主要包括動力牽引模塊、試驗臺車、配重臺車、軌道、彈性繩、制動模塊、預(yù)緊力調(diào)節(jié)模塊、安全鎖銷模塊及緩沖吸能模塊等部分,總長25m,寬度2.5m,總質(zhì)量約10t,該裝置通過加減彈性繩的數(shù)量來實現(xiàn)不同的碰撞速度,滿足不同工況下的性能測試要求[8],其總裝配圖如圖1所示。

圖1 總裝配圖

動力牽引模塊主要由電機、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)軸、離合器、底座等部分組成,如圖2所示。該模塊主要作用是拉伸彈力繩產(chǎn)生彈性變形,通過電機將電能化為彈力繩的彈性勢能為臺車碰撞提供動力源。

試驗臺車主要由測試座椅、臺車車架、上下主輪組、側(cè)輪組、吸能管及導(dǎo)向模塊和拉桿掛座等組成,如圖3所示。測試座椅主要是用于安裝碰撞假人、安全帶等部件,上下主輪組主要是支撐試驗臺車在導(dǎo)軌上順利運動,且可以實現(xiàn)緊急制動工況下汽車“點頭”跳動的現(xiàn)象,側(cè)輪組用于引導(dǎo)臺車沿導(dǎo)軌運動,吸能管通過吸收碰撞的動能來實現(xiàn)需求的減速度波形,是該試驗裝置的關(guān)鍵部件。

圖3 試驗臺車

配重臺車由配重車架、配重塊、側(cè)輪組、主輪組構(gòu)成,如圖4所示。配重臺車主要作用是抵抗試驗臺車的高速運動沖擊,由于其質(zhì)量較大則速度相對較低,且其質(zhì)量和速度通過加減配重塊是可以調(diào)節(jié)的。

圖4 配重臺車

導(dǎo)軌模塊由若干段250C槽鋼、導(dǎo)軌面鋼板、調(diào)平板等組成,如圖5所示。導(dǎo)軌模塊主要是為試驗臺車和配重臺車的運動提供跑道實現(xiàn)對撞。

圖5 導(dǎo)軌裝置

安全鎖銷模塊主要由電磁鐵、安全插銷、彈簧、支架連桿、底座等構(gòu)成,如圖6所示。電磁鐵通電時吸合支架連桿,將安全插銷向下牽引,電磁鐵斷電時由彈簧使插銷復(fù)位。該模塊主要功能是在彈力繩拉緊的情況下,將試驗臺車和配重臺車鎖定在特定的位置,以防故障發(fā)生,起安全保護的作用。

圖6 安全鎖銷模塊

拉桿限位模塊主要由底板、緩沖器和掛鉤組成,如圖7所示。其作用是當試驗臺車和配重臺車從兩端釋放運動到限位模塊所在位置時,由掛鉤限制拉桿隨車向前運動,這樣使拉桿與試驗臺車和配重臺車分別脫離。

圖7 拉桿限位模塊

彈力繩模塊主要由彈力繩張緊裝置、中間滾輪組、拉桿、拉桿限位模塊、彈力繩組成,如圖8所示。彈力繩模塊的功能是將拉長的彈力繩的彈性勢能轉(zhuǎn)化為試驗臺車和配重臺車碰撞的動能。

圖8 彈力繩模塊

彈力繩張緊模塊如圖9所示,主要由滾輪、導(dǎo)軌、梯形絲桿、連桿等組成。該彈力繩張緊模塊對彈力繩長度進行小幅度調(diào)節(jié)張緊,從而調(diào)節(jié)彈力繩的拉力,最終調(diào)節(jié)試驗臺車和配重臺車的碰撞速度。

圖9 彈力繩張緊模塊

2 有限元仿真模型與結(jié)果分析

2.1 仿真模型的建立

在臺車碰撞試驗裝置的波形復(fù)現(xiàn)研究中,吸能管的數(shù)量、直徑尺寸及管壁厚度是影響減速度波形的關(guān)鍵參數(shù)。將試驗臺車、配重臺車和吸能模塊的CAD模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中進行前處理劃分有限元網(wǎng)格,如圖10所示,吸能管材料為拉延性能較好的低碳鋼管,采用MAT24 MAT_PIECEWISE_INEAR_LAST ICITY材料模型,通過LS-dyna模塊?INITIAL_VELOCITY關(guān)鍵字卡片定義臺車運動方向速度,并給運動的試驗臺車和配重臺車施加9.81m/s2的重力場,研究不同碰撞速度下,不同的吸能管參數(shù)產(chǎn)生的減速度波形[9-10]。

圖10 有限元網(wǎng)格劃分

2.2 仿真結(jié)果分析

臺車質(zhì)量、碰撞速度、預(yù)壓縮量和鋼管數(shù)量及排布是試驗時考慮的主要因素。對吸能模塊安裝兩根吸能管并給試驗臺車50km/h的初速度進行模擬仿真,圖11為吸能管壁厚為 2.0,2.4,3.4,3.8和4.0mm 5組不同的試驗所產(chǎn)生的減速度波形曲線；圖12示出這5組不同吸能管壁厚碰撞后的速度變化曲線,圖13示出這5組不同吸能管壁厚在碰撞后的位移變化曲線。

由圖11～圖13可知,當吸能管壁厚較薄時,其產(chǎn)生的減速度波形峰值較低,速度變化較緩慢,臺車向前移動的位移較大；當吸能管壁厚較大時,其產(chǎn)生的減速度波形峰值較大,速度變化較迅速,臺車向前移動的位移較小；此結(jié)果與實際情況相符合,說明仿真結(jié)果的合理性。

圖11 不同吸能管壁厚產(chǎn)生的減速度曲線

圖12 不同吸能管壁厚的速度變化曲線

圖13 不同吸能管壁厚的位移變化曲線

圖14 為安裝4根吸能管的吸能模塊。圖15～圖17為臺車初速度為50km/h、吸能模塊安裝4根具有兩種不同壁厚的吸能管時產(chǎn)生的減速度、速度和位移曲線。圖中標注“吸能管壁厚2.8-3.2mm”表示兩根吸能管壁厚為2.8mm,另外兩根吸能管壁厚為3.2mm,余者類推。

圖14 安裝4根吸能管的吸能模塊

圖15 不同吸能管壁厚產(chǎn)生的減速度曲線

圖16 不同吸能管壁厚的速度變化曲線

圖17 不同吸能管壁厚的位移變化曲線

將圖15～圖17分別與圖11～圖13進行對比可知,吸能管的數(shù)量和壁厚對試驗臺車的減速度波形、速度和位移的變化有較大影響,因此在試驗時通過合理選擇吸能管的數(shù)目及其幾何參數(shù)的不同組合可以產(chǎn)生滿足試驗要求的減速度波形。

根據(jù)圖11和圖15的減速度波形曲線,為產(chǎn)生ECE R44定義的前碰撞減速度波形,吸能管設(shè)計的一般方法是調(diào)整管的長度來改變減速度波形曲線波峰出現(xiàn)的時刻,調(diào)整吸能管的壁厚來改變波形曲線波峰的大小,而各峰值的微調(diào)可通過在圓管前端開誘導(dǎo)孔來實現(xiàn)[7,11]。經(jīng)合理選擇吸能管的數(shù)量和壁厚所產(chǎn)生的減速度波形如圖18中仿真曲線所示,基本滿足ECE R44定義的減速度波形。

圖18 滿足ECE R44定義的減速度波形

3 對臺車試驗裝置的理論分析

在臺車試驗裝置運動的過程中,是彈性繩的彈性勢能轉(zhuǎn)化為臺車的動能、摩擦消耗的能量和帶動卷筒等轉(zhuǎn)動的能量[12-13]。根據(jù)動力學原理可得

式中：m1,m2分別為試驗臺車和配重臺車質(zhì)量,kg；v1,v2分別為試驗臺車和配重臺車的速度,m/s；Ff1,Ff2分別為試驗臺車和配重臺車受到的摩擦力,N；S1,S2分別為試驗臺車和配重臺車運動的距離,m；J,ω分別為轉(zhuǎn)動部件(卷筒和電磁離合器等)的轉(zhuǎn)動慣量和角速度,kg·m2,rad/s；r為卷筒的半徑,m；W為彈性繩的總勢能,J。

通過拉壓力試驗機測試所選彈性繩在加載和卸載情況下的彈性力和變形關(guān)系,可得彈性繩的性能曲線,如圖19所示。

圖19 彈性繩的彈性力和變形關(guān)系

由圖19可知,彈性繩的彈性力在伸長變形為原長的120%～160%范圍內(nèi)近似線性關(guān)系,因此選取彈性繩的這段變形范圍進行能量轉(zhuǎn)化。則對撞式臺車碰撞試驗裝置的基本參數(shù)如表1所示。

表1 臺車碰撞試驗裝置的基本參數(shù)

則n根彈性繩牽引時的總彈性勢能為

由于試驗臺車和配重臺車在運動過程中的摩擦力和轉(zhuǎn)動慣量難以直接求得,故通過試驗值先反求出摩擦力和轉(zhuǎn)動慣量,再進一步計算為達到目標速度所需的彈性繩數(shù)量。對撞臺車碰撞試驗如圖20所示,試驗臺車的速度與彈性繩根數(shù)如表2所示。

圖20 對撞臺車碰撞試驗

表2 試驗臺車的速度與彈性繩根數(shù)

由表2可知,理論速度與實際速度的偏差隨著速度的增大而減小,主要原因是由于忽略的因素隨著速度的增大所占的比例減小。因此,當試驗臺車的速度大于25km/h時,可以根據(jù)此方法較準確地計算出達到目標速度所需要的彈性繩數(shù)量。

在對撞式臺車正面碰撞的過程中,吸能管吸收的能量為試驗臺車和配重臺車的動能差,即

式中：Eabs為吸能管吸收的能量,J；Ee1和 Ee2分別為試驗臺車和配重臺車的動能,J；v1i和v2i分別為試驗臺車和配重臺車的初速度,m/s。

吸能管在整個壓扁變形吸能的過程中,總吸能可以通過載荷-位移歷程的積分得到

式中：Sa和Sb分別為吸能管壓扁前后的位移；F為吸能管在碰撞過程中所受的平均載荷；ΔS為吸能管在碰撞過程中的縱向(X向)變形量。

又根據(jù)牛頓第二定理,有

式中a 為試驗臺車在碰撞過程中X向的平均加速度。

由式(4)～式(6)得

由圖15可知,當臺車碰撞試驗初始速度為50km/h,吸能管數(shù)量為4根時,在X向上不同吸能管壁厚產(chǎn)生的減速度的平均值約為15g,且m1為634kg,m2為878kg,每塊配重塊的質(zhì)量為250kg,將其代入式(7)可得

由式(8)可知,當配重臺車的速度和所加載的配重塊數(shù)量確定時,則可根據(jù)式(8)計算出吸能管的壓扁變形量。如當配重塊數(shù)量為20時,配重臺車碰撞前的初速度取最小值為1.5m/s,則吸能管被壓扁的變形量為573.5mm；當配重臺車碰撞前的初速度取最大值為3m/s時,則吸能管被壓扁的變形量為364.9mm。可見配重臺車碰撞前的初速度越大,吸能管被壓扁的變形量越小,說明對撞式臺車試驗裝置的內(nèi)能平衡起到了很大的作用,可以減少吸能管耗材的數(shù)量。據(jù)此推導(dǎo)計算,在試驗時應(yīng)該至少保證吸能管有573.5mm的壓扁變形量,才能吸收所有碰撞能量,否則試驗臺車和配重臺車有可能會發(fā)生剛性碰撞。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計與原理

控制系統(tǒng)的主要電氣元件有轉(zhuǎn)換電源開關(guān)、空氣斷路器、按鈕開關(guān)、位置開關(guān)、交流接觸器、延時繼電器、霍爾計數(shù)器和指示燈等。執(zhí)行部件主要是電機、電磁鐵、離合器、制動器和安全銷等。通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對撞式臺車碰撞試驗裝置的復(fù)位、預(yù)釋放、釋放和制動的功能。

4.1 功能要求

(1)復(fù)位時,試驗臺車側(cè)和配重臺車側(cè)的電磁離合器通電吸合,且兩端的電機開始工作帶動試驗臺車和配重臺車分別向兩端行進；復(fù)位到特定位置后安全銷在彈簧的作用下分別插入試驗臺車和配重臺車的銷孔內(nèi)起保護作用,以防出現(xiàn)斷電或部件失效等故障。

(2)預(yù)釋放時安全銷電磁鐵吸合,牽引安全銷向下運動脫離試驗臺車和配重臺車的銷孔,為釋放做準備。

(3)釋放時電機通過電磁離合器與卷筒斷開,試驗臺車和配重臺車在彈性繩的拉力作用下加速運動,然后在碰撞區(qū)域內(nèi)碰撞。

(4)碰撞后利用霍爾傳感器和計數(shù)器記錄卷筒旋轉(zhuǎn)的圈數(shù),然后控制制動接觸器吸合從而對卷筒制動,避免卷筒在釋放過程中由于轉(zhuǎn)動慣性而過多地轉(zhuǎn)動和反向拉回試驗臺車。

4.2 控制系統(tǒng)工作原理

(1)復(fù)位 按下臺車復(fù)位按鈕(SB1),試驗臺車和配重臺車電磁離合器(KM3和KM4)吸合、電機(KM1和KM2)工作、試驗臺車和配重臺車分別向兩端行進,當試驗臺車和配重臺車分別觸碰到安全銷啟動位置開關(guān)(SQ7和SQ8)時,安全銷電磁鐵(KM7和KM8)吸合,從而下拉安全銷使試驗臺車和配重臺車分別越過安全銷。當試驗臺車和配重臺車到位時,觸碰到試驗臺車和配重臺車到位位置開關(guān)(SQ1和SQ2),電機斷電(KM1和KM2)、安全銷電磁鐵斷電,安全銷上移卡入銷孔內(nèi),復(fù)位流程圖如圖21所示。

(2)預(yù)釋放 按下預(yù)釋放按鈕(SB3),安全銷電磁鐵(KM7和KM8)吸合、安全銷位置開關(guān)(SQ3和SQ4)接通,為釋放做準備,流程圖如圖22所示。

圖21 復(fù)位功能流程圖

圖22 預(yù)釋放功能流程圖

(3)釋放與制動 按下釋放按鈕(SB4),配重臺車電磁離合器(KM3)斷開釋放,從而觸動位置開關(guān)(SQ5)斷開,進而使試驗臺車(KM4)斷電釋放。這樣可以保證配重臺車先于試驗臺車釋放。試驗臺車的卷筒和配重臺車的卷筒分別釋放19圈和4圈時,霍爾計數(shù)器(SL1和SL2)閉合,分別控制試驗臺車側(cè)的電磁鐵(KM5)和配重臺車側(cè)的電磁鐵(KM6)吸合,進而推動制動鉗對制動盤制動,其流程圖如圖23所示。

圖23 釋放與制動功能流程圖

5 臺車對撞試驗

根據(jù)上述原理制造的對撞式臺車碰撞試驗裝置和電氣控制系統(tǒng)進行實際的臺車對撞試驗,電氣控制系統(tǒng)的電路圖如圖24所示,控制電路圖中的元器件說明見表3。

圖24 電氣控制電路圖

在試驗臺車上安裝加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集儀并經(jīng)調(diào)試來采集碰撞后的實際波形,如圖25所示。

在碰撞過程中采用1 000幀/s的高速攝像儀記錄碰撞過程。在Hyperworks軟件中通過CFC180濾波等級對數(shù)據(jù)采集儀采集到的減速度數(shù)據(jù)進行濾波處理,如圖18所示。由圖可見,通過擠壓吸能管變形產(chǎn)生的減速度波形與波峰出現(xiàn)的時刻與仿真結(jié)果基本一致,說明對撞式臺車碰撞試驗裝置能很好地復(fù)現(xiàn)所需求的碰撞減速度波形曲線。

6 結(jié)論

(1)完成了對撞式臺車碰撞試驗裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計；

(2)通過有限元仿真計算,模擬了不同吸能管壁厚的減速度波形曲線,選取不同數(shù)量和不同管壁厚的吸能管,并通過開誘導(dǎo)槽等微調(diào)方法,可獲得不同法規(guī)要求的減速度波形,如本文中研究的結(jié)果可獲得ECE R44要求曲線；

表3 控制電路原理圖元器件說明

圖25 安裝加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集儀的實物圖

(3)設(shè)計的電氣控制系統(tǒng)可實現(xiàn)對撞式臺車碰撞試驗裝置的復(fù)位、預(yù)釋放、釋放和制動功能,同時具有互鎖的安全保護功能；

(4)根據(jù)能量轉(zhuǎn)化關(guān)系,計算了不同碰撞速度下需要的彈性繩根數(shù)和吸能管最小的擠壓長度；

(5)基于上述的研究,加工制造了該試驗裝置,并進行了對撞式臺車碰撞試驗,驗證了設(shè)計開發(fā)的試驗裝置的可行性。

在工程實際中要重視制造工藝精度、電氣系統(tǒng)的功率與電流和關(guān)鍵元器件的安裝位置,以免影響試驗裝置的運行可行性和可靠性,同時要注意系統(tǒng)的安全性。

在研究對撞式臺車產(chǎn)生的減速度波形時,對吸能管的尺寸參數(shù)和擠壓長度僅做了少量的仿真和試驗,在后續(xù)工作中將研究多種工況下的吸能管相關(guān)參數(shù)的詳細數(shù)據(jù),并利用統(tǒng)計學軟件進行統(tǒng)計分析,進而優(yōu)化參數(shù),制作試驗指導(dǎo)書。