整車點爆試驗系統集成實踐

趙海

摘 ?要：在汽車碰撞安全性能開發中，安全氣囊作為主要的乘員安全保護約束系統零部件，在汽車發生碰撞時對車內乘員安全保護方面起到了舉足輕重的作用。氣囊展開特性直接影響乘員頭部和胸部傷害指標，因此需要發展整車點爆系統對安全氣囊展開后的各項性能進行研究。整車點爆試驗系統由點爆系統、滑軌系統、燈光系統、相機定位系統、環境艙以及循環水路控制系統等集成，能夠簡潔快速的實現安全氣囊的靜態展開，測試氣囊的展開情況及展開飛出的碎片情況。采集氣囊點爆過程的電流、電壓和電阻等參數信息，為客戶提供精準的試驗數據。

關鍵詞：安全氣囊;靜態點爆;高速攝像機;環境艙;汽車碰撞

中圖分類號：U467 ? ? ? 文獻標志碼：A

1 項目概況

該項目旨在建設一個整車點爆實驗室，該實驗室具有2個箱內氣囊點爆試驗系統，氣囊起爆試驗是為了分析安全氣囊展開過程的合理性，驗證氣囊功能性是否合格[1]。其中一個可以兼顧箱外點爆要求（可設定延遲10 s～10 min后點爆）。氣囊點爆試驗在汽車安全性能驗證中起到及其重要的作用。實驗室需要盡可能地減少人員配置，提高自動化試驗操作能力，試驗過程中盡可能地減少人員對試驗過程的影響[2]。為了達到目標，結合行業內先進測試理念，規劃出一個控制系統控制3個試驗區域的建設方案。該方案通過樣品的自動化轉移，高速攝像機的靈活布置以及繁雜線束的集成化安裝實現了試驗效能的提升，人員操作的安全保障和人員對試驗過程影響的最小化，如圖1所示。

2 點爆試驗系統工作原理

點爆試驗系統是由高速數據采集與控制系統作為中樞，能夠協調點爆電源、環境艙門、燈光系統、高速相機、滑軌系統等進行聯動。

試驗開始前，檢驗人員先將樣品及相關工裝環境件固定在滑軌系統上，然后根據標準要求控制滑軌將樣品送入環境艙進行溫度（高溫、低溫或常溫）處理;溫度處理完后，燈光系統自動開啟光源，提供至少60 000 lm的照明環境，然后環境艙門自動開啟，高速滑軌系統自動滑出至指定位置后艙門關閉，最后點爆系統觸發T0信號，輸出一個點火信號至氣囊模塊內的氣體發生器，系統進行自動檢測，確定觸發電路可以正常工作，并輸出有效電阻值。同時，氣體發生器接收到點火信號后，迅速引爆內部火藥，產生高壓氣體給安全氣囊充氣，使安全氣囊展開，同時T0信號觸發高速相機記錄氣囊展開過程。

3 系統架構

點爆試驗系統是由高速數據采集與控制系統、滑軌系統、燈光系統、高速攝像機及定位系統、環境艙及循環水路控制系統等組成的。

3.1 高速數據采集與控制系統

高速數據采集與控制系統配備了急停按鈕，安全可靠，操作簡便。有2個點火區域，可以進行箱內點爆和箱外點爆，也可以進行單級和雙極氣囊點爆，同步觸發輸出用于點爆電流測量、電阻值采集、高速攝像機錄像合成。可輸出電流值范圍0.01 A～5 A，電阻值有效測量范圍0 Ω～100Ω。

3.2 滑軌系統

滑軌系統是由箱內軌道、箱外軌道和高速平臺、電機和急停按鈕等組成的。由PLC編程控制，可以使高速平臺在手動和自動模式下自由進出。

3.3 燈光系統

燈光系統是由多組LED燈管、溫度控制器、固定燈光架組成的。LED燈管亮度可達到20 000 lm，理論壽命50 000 h。溫度控制器可以防止LED燈管過熱，自動對其進行溫度保護，延長使用壽命。固定燈光架可以根據不同的光源要求進行調整。

3.4 高速攝像機及定位系統

高速攝像機及定位系統有箱體定位和箱外定位2種形式，適用于箱內點爆和箱外點爆。箱體定位是將相機架固定在溫度箱體上，可實現相機在箱體上的自由移動。箱外定位是將相機架固定在溫度箱外，可實現相機最廣泛的移動范圍。 箱內和箱外定位都可將電纜、網線、相機觸發線收納于橋架中。

3.5 環境艙及循環水路控制系統

步入式高低溫試驗箱內尺寸長6 000 mm，寬3 200 mm，高為2 500 mm。溫度范圍可達到-40 ℃～100 ℃。溫度變化率可達到2.0 ℃/min，箱內有兩條承重軌道與滑軌系統的箱外軌道連接，可以保證2 t的樣品順利進出環境艙而不破壞箱體結構，環境艙門采用軟橡膠密封形式保護導軌部分開口不漏氣。

循環水路控制系統可以實現對水溫和水壓的自動控制，幫助環境艙正常工作。水溫控制可以根據溫度自動啟動冷卻風扇或噴淋裝置。水壓控制由主泵和備用泵自動切換進行自動調整，水壓不足時，備用泵將自動啟動，避免因缺水導致的設備停機。

4 系統搭建施工

4.1 地基建設

環境艙采用下沉式設計，下沉深度為320 mm，可以保證環境艙底板低于地面水平面約200 mm，滑軌系統的導軌安裝完畢后與環境艙底板上的軌道齊平，然后安裝載物平板。該平臺通過4對滑輪安裝在導軌上，導軌的最前端和最后端分別安裝2組限位開關，用以判斷載物平臺的位置并觸發環境艙關門或氣囊點爆型號。同時該平板必須與地面齊平，便于整車或大型工裝搬運到平板上安裝，提高工作效率，保證人員的安全，并有助于節省空間。在環境艙體外部設置蓄水井，用于環境艙冷凝水的排放，還可以防止外界暴雨時地下水滲入環境艙體的地基。

4.2 環境艙的搭建

4.2.1 環境艙作用

將樣品在指定的溫濕度環境下進行預處理，可以在艙內和艙外做點爆，檢測和確定產品的各項性能和指標。環境艙和點爆系統采用聯動設計，能夠自動完成開門到點爆的過程。節約試驗時間，提高試驗精度。

4.2.2 環境艙布置設計

整體設計。環境艙采用下沉式設計，降低箱子整體高度，使空間得到最大化利用。整車身可以直接推上平臺進行試驗，減少搬抬車身造成的傷害事故。

庫房板的搭建。環境艙的庫房板內預制加強板，以方便箱內燈光安裝，能夠滿足箱內點爆光源亮度要求。此外在庫房板的兩側各需要開口安裝3面高1 200 mm，寬800 mm的隔熱玻璃，方便高速攝像機的拍攝。庫房板地板上放置箱內軌道，以便滑軌安裝，方便平臺進出。

環境艙艙門在安裝時，必須布置限位開關，當艙門開到指定位置，觸發限位開關信號后，載物平臺才能進出環境艙，該設計能夠有效減少平臺進出環境艙時，誤動作對艙門的損壞。

卸壓閥的布置。該泄壓閥能夠在氣囊進行箱內點爆時，自動感應箱內氣壓的變化，卸載箱內驟然升高的氣壓，保護環境艙主體結構不被損壞。

4.3 滑軌系統安裝

滑軌系統是由軌道、電機、平臺和傳感器組成的。軌道、電機及傳感器均布置在深200 mm的地坑內，平臺由長3 500 mm，寬2 000 mm，厚5 mm的鋼板制成，其表面整齊規則的分布螺栓孔便于車身的固定。滑軌系統由PLC編程控制，可以使平臺在手動和自動模式下自由進出。平臺的可移動距離為6 m，最大負載為800 kg，最大移動速度為0.7 m/s。可移動距離和最大移動速度可以根據需求進行調節。 滑軌系統還可與點爆系統、溫度箱倉門、燈光系統聯動，采用多重防護措施，避免進行箱內/箱外試驗時，平臺意外進出，造成環境艙門的損壞。

4.4 相機定位系統安裝

相機定位系統分為箱內拍攝相機架和箱外拍攝相機架。其主要作用是安裝高速攝像機及收納相關電源線束、數據傳輸線束和觸發線束。高速攝像機可以在相機定位系統上左右上下移動。在箱外拍攝相機架上可以在前后左右位置分別布設2臺高速攝像機（共8臺），箱內拍攝相機架可以在環境倉外兩側分別布置2臺高速攝像機（共8臺），共有12個像機拍攝位置，這樣可以基本滿足所有的拍攝位置和角度需求。因為箱外拍攝的角度多，范圍大，所以采用的支架跨度大，穩定性要求高。重型鋁型材拼裝結構的穩定性和經濟性均無法滿足要求。經過研究，我們采用了重型工字鋼，并在工字鋼上焊接加強筋來保證相機定位系統橫梁的剛性和穩定性，在工字鋼的基礎上安裝導軌和坦克鏈，方便高速攝像機與線束的隨動。

4.5 燈光系統布設

箱內燈光選用IP68以上防護等級的LED光源，能夠耐受-40℃～+90℃的環境溫度，并至少能穩定工作5 min，6 m長的箱內兩側各布置8盞燈，分上下兩層安裝，前后各2盞。箱外燈光可選用IP65以上防護等級的LED光源，前后左右各布置6盞，這樣載物平臺區域的光照強度可達到60 000 lm左右。為了能夠清晰拍攝不同角度的錄像，還需準備2組移動補光燈（每組4盞LED燈）。

4.6 高速數據采集與控制系統安裝及布線

完成以上硬件安裝后，最后布置控制系統。控制系統主機安裝在控制室內，需要連接T0觸發輸出BNC線3條（后端分成16條），I/O控制屏蔽信號線束6條，點爆回路用耐高低溫4芯線3對，外接溫度傳感器耐高低溫屏蔽兩芯線6條，高速攝像機數據傳輸線3條（后端分成16條），視頻輸出線1條，電源線1條。這些線束全部通過相機定位系統進行走線，使試驗場地地面簡潔干凈。

5 結語

整車點爆試驗系統安裝完成后，地面沒有繁雜的走線，復雜的操作流程，雙人就能夠進行整車或白車身的安裝定位，無須任何鏟車操作，保證試驗操作人員的安全，并易于5S管理。該實驗系統既能夠自動進行點爆系統、滑軌系統、燈光系統、環境艙門、高速相機等的聯動，也可以在同一臺計算機上手動進行LED光源開啟、艙門打開平臺滑出、相機觸發和點爆報警等操作。整車點爆試驗系統集成特點是簡潔快速，既提高了點爆試驗的準確度，又節省了操作時間。整車點爆試驗系統集成能夠幫助客戶模擬氣囊在各種溫度和各種點爆方式下的工作情況，滿足客戶對氣囊產品安全測試的需求。

參考文獻

[1]嚴飛燕，王書文.某汽車乘客安全氣囊殼體的點爆強度仿真分析[J].農業裝備與車輛工程，2017，55（6）：63-66，75.

[2]石洋洋，霍長宏，湯艷.儀表板頭碰和氣囊點爆試驗部件分離問題研究[J].汽車實用技術，2016（4）：112-117.