基于車輛臺車試驗用尺寸可調工裝的設計開發

張桂明，孫奕，楊佳宙

(泛亞汽車技術中心有限公司,上海 201208)

0 引言

汽車被動安全性能是指車輛在發生意外導致駕駛員和乘員無法操作車輛時，配置在汽車結構內各車輛系統保護各位乘員身體免受傷害的能力。盡管當今汽車內有多種且多層保護乘員的功能，但最基本且最后的保護是車輛的安全帶、氣囊等安全件，統稱為約束系統。在車輛與障礙物發生碰撞后，乘員與車內部發生碰撞被稱為二次碰撞[1]，乘員約束系統對于降低乘員損傷程度具有重要作用[2-4]。在設計開發乘員約束系統的過程中，臺車試驗可以再現實車碰撞試驗的碰撞波形，同時可以解決整車碰撞試驗周期長、成本高的問題，因此，臺車試驗已經成為乘員約束系統匹配和優化的重要試驗手段[5-6]。

在約束系統開發階段，湖南大學白中浩等[7]設計了一種可調式乘員約束系統碰撞試驗裝置，針對不同車型和體征乘員進行約束系統參數匹配，通過臺車碰撞試驗對匹配參數進行驗證；在行業內，目前國內合資及自主車企絕大多數仍采用傳統方法，即采用與約束系統相配且安裝點局部加固車身去模擬整車結構(即車身加固工裝)，同時安裝相關內飾件，并在臺車上進行動態模擬試驗，通過模擬實車碰撞工況進行約束系統參數匹配的開發。然而，上述情況僅適合于軟模車開發出來之后獲得白車身與內飾系統，方可用于臺車的搭建。此外，在制作臺車試驗用的車身工裝時，不同平臺車型總布置中的座椅、擋風玻璃、儀表板、安全帶與B柱連接點等模塊位置存在較大差異，從而決定了不同車型約束系統的差異性[8]。針對這種不同約束系統的差異，傳統的解決方案是將與該約束系統匹配的白車身加固，作為該試驗的工裝。這種做法最大缺點是該工裝是單配，重復利用率較低，這無形中增加企業的研發成本[9]，降低研發效率。

綜上所述，為了縮短整車開發周期與成本，本文作者設計并開發了一種臺車試驗用的尺寸可調工裝，將約束系統與車身連接點柔性化。根據設計要求或不同平臺項目車型總布置差異，快速調整座椅、儀表板、腳踏板、安全帶與B柱連接點、風擋等模塊位置，實現在整車開發初期就可進行約束系統開發的目的。并且一個工裝可以多平臺公用，極大地減少白車身試制的數量，提升快速切換不同項目平臺車型之間約束系統臺車試驗設置的效能。本尺寸可調工裝的主要尺寸兼顧到了公司的所有開發產品。在尺寸可調工裝設計開發完成后，進行了實際試驗驗證。文中以某一車型為例，采用客觀評價ORM(Objective Rating Method)方法對比分別安裝尺寸可調工裝與傳統車身加固的臺車試驗假人傷害值曲線，驗證尺寸可調工裝的有效性。

1 車輛臺車試驗技術方法概述

1.1 加速臺車試驗原理

加速臺車試驗中，設備系統輸入是模擬實車碰撞B柱X方向加速度而生成的設備相關的各類控制參數，例如臺車試驗驅動信號、設備壓力；氣囊點爆時間是樣件試驗控制參數；各試驗假人傳感器數據是試驗結果輸出[10]，臺車試驗控制參數流程圖如圖1所示。由于臺車加速運動方法與實車碰撞運動方向相反，所以在波形迭代試驗前需對原波形進行倒波等數據處理。

圖1 臺車碰撞模擬試驗控制參數流程

1.2 波形迭代原理

臺車波形迭代是通過對比臺車與實車碰撞的B柱X方向加速度波形的重合性去判斷臺車模擬試驗的精度[6]。為了使臺車模擬試驗的碰撞波形匹配實車碰撞試驗，可通過多次迭代修正生成目標試驗波形圖，其流程如圖2所示。

圖2 臺車碰撞模擬試驗碰撞波形迭代流程

通常，臺車硬件系統、控制軟硬件系統與數據處理軟件均為供應商成套集成，對研發人員而言，為了進行開發試驗，需要一套質量輕、強度剛度性能滿足試驗工況且其安裝點尺寸可調的工裝來更好滿足試驗要求。下文將對尺寸可調工裝的開發與驗證進行具體闡述。

2 尺寸可調工裝的設計與開發

2.1 尺寸可調工裝的設計

臺車試驗的目的是優化車輛約束系統的各參數匹配，達到該車型最佳的約束系統安全性能[1]，因此在整個試驗過程中，工程上的理想狀態是工裝的大部分部件可以永久使用，每次試驗可快捷簡便更換所需的約束系統(座椅、安全帶、氣囊等)。基于這個準則，本尺寸工裝的設計核心思想為：將整個約束系統配置成三大模塊化總成，即儀表系統模塊 IP (Instrument Panel)、座椅系統模塊和安全帶模塊。上述模塊與車身各連接點位置在三維坐標空間上可調，即達到柔性化的目的。其各模塊的安裝位置尺寸的調節范圍滿足涵蓋大部分車型平臺中各模塊空間位置關系的要求。把上述三大模塊的各具體安裝點分解得到下列細節固定點，包括：鉸鏈柱與儀表板骨架連接點、安全帶D形環與B柱連接點、安全帶卷收器與B柱連接點、安全帶下固定點連接點、座椅固定點與車身地板連接點、風擋與A柱/前圍連接點和踏板與車身連接點等，各連接點命名的名稱如表1所示。

表1 各模塊調整維度

為了使尺寸可調工裝適用于公司在開發的全部平臺車型，對現有車型各模塊的安裝位置利用數模參數，讀取相關尺寸后做了全部統計。基于柔性化的理念，最終將尺寸可調工裝的各具體安裝的尺寸調整范圍在整車坐標系中X、Y、Z3個維度的上、下限取值列于表2。風擋夾角的調節范圍主要與各項目平臺車身造型相關，踏板夾角調整范圍則由整車碰撞試驗中不同車型的配置結構參數測量而得，兩個模塊參數的上、下限列于表3。

表2 A、B、C與D1模塊調整范圍上下限

表3 D2與E模塊的縱向夾角上下限

2.2 尺寸可調工裝的開發

尺寸可調工裝的外形結構與尺寸：確定各模塊具體連接點的調整范圍坐標是該工裝的核心尺寸。要確定其外形尺寸，還需要考慮下列因素：臺車設備裝置的平臺結構與尺寸區間、尺寸可調工裝上安裝車載相機的位置、工裝吊裝的操作便捷性、工裝本身強度和剛度的計算機模擬校核等。

尺寸可調工裝的剛度與強度均大于傳統的車身加固工裝，在計算機輔助設計分析階段選擇合適的材料和加工工藝，尺寸可調工裝三維圖與柔性連接點位置如圖3所示。

圖3 尺寸可調工裝及柔性連接點示意

圖3中，柔性連接點采用螺栓連接，固定結構采用焊接的連接方式。該工裝可實現與多項目平臺車輛布置坐標轉換，精準定位多項目平臺車輛的試驗樣件的安裝空位，較大的車型需要適當調整B柱，以及風擋的位置與角度。

3 應用與驗證

為了驗證尺寸可調工裝的有效性，以某一平臺車型為參考，將尺寸可調工裝與假人固定在臺車上，參照該車型整車CAE模型中的坐標，調整尺寸可調工裝各模塊的布置與參考車型一致，表4所示為尺寸可調工裝各模塊調整后的位置坐標，試驗設置完成的尺寸可調工裝如圖4(b)所示，圖4(a)為傳統車身加固工裝實物圖。

表4 尺寸可調工裝各模塊的位置坐標

圖4 臺車試驗車身工裝實物

文中通過對比安裝尺寸可調工裝與傳統車身加固工裝的臺車試驗中假人各主要傷害值曲線，驗證尺寸可調工裝的有效性[10-11]。試驗用的臺車系統為伺服彈射式加速臺車系統，選用Hybrid III假人，選取100%正面碰撞工況，對安裝不同工裝的臺車運行相同的碰撞波形。在試驗后采集假人數采通道的數據，依據《C-NCAP 管理規則(2018 年版)》，文中重點對比分析了該新車評價體系中的主要通道數據，即假人的頭部加速度、胸部壓縮量和骨盆加速度參數等。這些假人通道數據的對比曲線如圖5所示。

圖5 臺車試驗中假人傷害值曲線

對比圖3(a)—(e)可知，大部分曲線較為吻合，為了量化對比曲線，采用ORM方法評價對比安裝不同工裝的臺車試驗假人傷害值曲線的一致性。文中分別從曲線峰值、峰值時間、曲線形狀以及總體ORM值4個維度進行曲線一致性對比，計算采用如式(1)—(3)所示：

(1)

(2)

(i=peak, curve_shape)

(3)

式中：ORMpeak、ORMcurve_shape與ORMoverall分別為曲線峰值(峰值時間)、曲線形狀與總體一致性評價參數；curve1(t)與curve2(t)分別為曲線1、2的函數，Wi為不同一致性參數權重值。ORM值介于0 ～ 1之間，其值越大則一致性越高[12-13]。計算時根據不同傷害值類型選擇曲線函數curve(t)正值或負值最大值，由式(1)可計算出兩個曲線峰值與峰值時間的一致性，由式(2)可計算出兩個曲線形狀的一致性。為了綜合考察曲線的一致性，進行總體ORM值評價，該值由曲線峰值、峰值時間以及曲線形狀的一致性根據相應權重組成，參照設計要求選擇三者的權重，文中選取的三者權重分別為：0.25∶0.25∶0.5，再由式 (3) 算得總體ORM值。由式(1)—(3)計算得到的駕駛員與副駕駛假人主要傷害曲線一致性對比見表5。

表5 假人傷害值曲線一致性對比 %

由表5可知，5種涉及駕駛員與副駕駛傷害值曲線峰值與峰值時間的一致性較高，均在94%以上，駕駛員頭部X向加速度、駕駛員胸部壓縮量與副駕駛胸部壓縮量三者的曲線峰值與峰值時間的一致性近乎100%；不同假人傷害值曲線形狀的一致性存在差異，但均大于72%；反映曲線綜合一致性的總體ORM值均大于80%，因此安裝有尺寸可調工裝的臺車與安裝傳統加固車身的臺車試驗結果一致性較高，驗證了尺寸可調工裝的有效性。

4 結論

文中闡述了臺車試驗的技術方法，引出設計開發一種尺寸可調工裝在臺車試驗中重要性。通過實際的兩種類型工裝試驗數據結果對比，驗證了尺寸可調工裝可用于臺車試驗中。該方法與傳統車身加固工裝試驗方法相比，在開發項目的約束系統零件就位后即可開展臺車試驗，大大提前于傳統白車身制造并加固的時間點，縮短約束系統開發周期；平臺兼容并重復使用的尺寸可調工裝可降低整個試驗工裝制造的總成本，同時可在被動安全臺車試驗中廣泛使用。