一種基于氣動的FMH 試驗裝置研究

商恩義，李月明，宋明勇，周揚

（1.315336 浙江省 寧波市 浙江省汽車安全技術研究重點實驗室；2.315336 浙江省 寧波市 吉利汽車研究院（寧波）有限公司）

0 引言

在FMVSS No.201U[1]中，指定有自由運動頭型(Free Motion Headform，FMH)沖擊試驗，即分布在測試車輛上部空間的所有目標位置在FMH以23.7±0.3 km/h 或18.7±0.3 km/h 速度沖擊時，都應符合相關性能要求。在中保研的《側面頭部保護安全氣囊防拋性能試驗規程》[2]中，有頭型沖擊試驗。試驗中頭型沖擊器的質量為18.00±0.05 kg，在側面頭部保護氣囊點爆1.5±0.1 s后，沖擊器沖擊目標點，沖擊速度為20.0±0.5 km/h。當前國內實驗室發射頭型等小型沖擊物的試驗裝置普遍是基于行人保護試驗需求采購的行人保護試驗裝置，而FMH 試驗近兩年才引起關注，因此行人保護試驗裝置用在FMH 試驗中時，因其發射端過長，在開展某些垂直接近角較大目標點的沖擊試驗時，對點完成之后無法后退至發射位置（與車輛內部干涉），即所能沖擊的點有限，而重新采購一套FMH 試驗裝置價格達數百萬元，且相關試驗量較少，利用率低，導致使用成本較高。

1 簡易FMH 試驗裝置的設計

如圖1 所示，目前行人保護發射裝置普遍以氣動作為動力源，穩定性好，速度精度高，但是因為將氣動控制開關及活塞回收機構等集成于氣缸前端和后端，導致整個發射端較長。圖1 中，裝置發射端長度達800 mm，在車內移動極易發生干涉。本文設計的FMH 裝置依然采用氣動作為動力源，解決現在行人保護裝置發射端偏長問題，即改變當前氣動觸發方案和活塞機構回收方案。

圖1 當前頭型發射裝置發射端Fig.1 Launching end of current headform launcher

2.1 氣動觸發方案設計

牛皮紙在完整時具有較高撕裂強度，但中間出現破損撕裂強度基本全無，因此利用牛皮紙和小氣缸設計氣動觸發開關，該方案設計的觸發開關一旦啟動，則因牛皮紙的撕裂強度瞬間消失可確保整個開關完全打開迅速，將有效地保證試驗的一致性[4]。此設計方案不但使觸發開關結構簡單，而且與發射氣缸可以形成角度，如成“L”形，縮短發射端長度。為了降低試驗所需壓強，避免采用增壓泵等零部件，各氣體流動路徑將均采用大口徑，確保氣體流動順暢，驅動壓力上升快。

依據上述設計理念，設計觸發方案簡圖如圖2 所示。觸發機構由上下兩腔組成，試驗前中間安裝牛皮紙后連接[5]。上腔通過進氣管與壓力容器相連，且內置有觸發小氣缸，下腔通過發射氣缸接口與發射氣缸相連，且保證進氣口直徑與發射氣缸直徑相同。

圖2 觸發機構設計方案圖Fig.2 Trigger mechanism design scheme diagram

2.2 活塞回收方案設計

在發射氣缸發射后，活塞與活塞桿等運動部件在達到發射行程時應被制動，以避免活塞與缸體前端蓋發生剛性碰撞，導致缸體前端結構受損。鑒于試驗所需速度不高，且所需要制動部件總體質量估算僅0.5 kg 左右，可以通過活塞運行至氣缸前腔端部壓縮氣體方式將活塞等運動部件制動，即發射氣缸前腔應完全封閉。但在活塞被向前推動發射時，為了降低活塞前沖過程中氣缸前腔內壓力產生的阻力，在發射氣缸前部需要開若干排氣孔。綜合考慮兩方面需求，決定將排氣口開在發射氣缸前端的缸體上，距離端蓋有一定距離。具體制動方案如圖3 所示。圖3 中，當活塞由缸底向前發射時，前腔氣體被壓縮，排氣孔向外排氣。當活塞運行至排氣孔后，活塞與前腔形成密閉空間。隨著活塞的繼續向前推進，發射氣缸后腔氣體由排氣孔排出，活塞所受推力下降。活塞前端所形成的密閉空間不斷減小、壓強不斷增大，導致對活塞產生的阻力不斷增大，最終活塞等運動機構將持續減速直至停止。

圖3 活塞回收設計方案圖Fig.3 Piston recovery design scheme diagram

2.3 發射氣缸的選擇

計算驅動力，即負載力。本裝置的負載形態為水平發射目標物，按準靜態推動方式考慮，氣缸的驅動力[3]有

式中：F——氣缸的驅動力；μ取0.1～0.4；m為發射目標物和推動機構的總質量，此處主要用來發射頭型。頭型質量為4.5 kg，則m約為5 kg。

由于本驅動裝置使用的工況為將目標物發射出去且能達到一定的速度，故式（1）可轉換為

式中：a——目標物加速度。由于少了目標物與地面間的摩擦力，此處μ可適當放大。

計算氣缸的理論輸出力：

式中：F0——氣缸的理論輸出力；p——氣缸作用壓力。由于發射過程中容積增大有限，應近似等于試驗前壓力容器內壓力；r——活塞半徑。

氣缸的驅動力和理論輸出力之間有

式中：η——負載率，依據氣缸工作壓力與負載率的關系選取。當前工作壓力較小，η取10%～40%。

另外，試驗中目標物的速度、加速度和位移之間有

式中：v——目標物速度；s——氣缸活塞桿有效作用行程。

對式（2）—式（5）進行推導，則有

估算方案可行性。在發射過程中，目標物無摩擦，只有推動機構與氣缸間會產生小摩擦，總體能量損耗少，故取μ=0.6；在活塞壓縮過程中氣缸前腔氣體持續排出，前腔產生的阻力小，故取η=40%。

初步設定氣缸長度為200 mm，其有效行程為140 mm；氣缸直徑為60 mm，則取r=30 mm。取試驗速度v=24 km/h，m=5 kg，將各值代入式（7），計算壓強P=420 kPa，為常壓，滿足設計要求，因此確定發射氣缸尺寸為：長度為200 mm，有效行程為140 mm，直徑為60 mm。

2.4 瞬時蓄能器的選擇

發射氣缸尺寸確定后，計算其容積為0.4 L。由于提供發射壓力的壓力容器處于發射氣缸后端且與發射氣缸相通，則發射過程中，壓力容器實時容積不斷增大，內部壓力持續減小。為了后期設備使用方便，壓力容器內壓強應近似于恒壓，則壓力容器容積應達到30 L 以上，如此，觸發開關開啟后，壓力容器內氣體容積變化僅僅在2%左右，活塞推進過程中的壓強波動很小，也在2%左右。

所設計的FMH 試驗裝置的試驗流程為：在確定開始試驗后，先向壓力容器內充氣，充氣至指定壓力后，啟動觸發開關進行發射試驗。30 L的壓力容器較小，所充氣體為常壓，且充氣完成即釋放，不存放氣體。另外，充氣過程中一旦壓力過大，牛皮紙封口處為其薄弱環節，牛皮紙撕裂后氣體可將發射氣缸內活塞推出，打開缸體上的排氣口泄壓。綜合前述分析，此處所用壓力容器實為瞬時蓄能器，非為傳統意義上的壓力容器，可以考慮自制。

現在行人保護試驗裝置，只是發射端不能滿足試驗要求，因此新設計的FMH 試驗裝置可以利用原設備的主體結構進行安裝，即設計一個新的連接臂將新設計的FMH 裝置和現有行人保護主體相連。為了簡化整套設備結構，則將連接臂與壓力容器設計為一體，即柱形連接臂內為空腔結構。由于所需壓力容器容積要大于30 L，及考慮發射端在測試車內操作的方便性，采用長1 m，內腔直徑為100 mm 的鋼管制作成連接臂。

2.5 樣機制作

所設計的新FMH 試驗裝置，其結構簡單，因此采購了氣缸等零部件后，利用現有一些材料自行制作了樣機。所作樣機如圖4 所示。另外，為了保證發射端操作的靈活性，在連接臂前端設計了軸向轉軸，在z向通過連接螺栓也設計了轉軸機構[6]。雖然所設計的轉向機構操作略顯粗糙，但保證了發射端整體結構簡單。

圖4 FMH 試驗裝置樣機Fig.4 Prototype of FMH test device

3 設備能力驗證

樣機制作完成后，對FMH 試驗能力進行了驗證。驗證試驗過程中采集頭型質心位置3 個方向加速度。指定頭型前后方向為x向，向前為正；左右方向為y向，向右為正；上下方向為z向，向下為正。其中頭部x向加速度反映了假人頭部的加速過程，其積分結果作為試驗速度，y向和z向加速度反映了頭型在加速及釋放過程中的振蕩情況。當試驗壓強P設定為417 kPa 時，x向加速度積分后的試驗速度為23.64 km/h，滿足試驗要求。同等條件試驗重復2 次，試驗速度分別為23.49，23.63 km/h，也均滿足法規要求，且3次試驗的最大速度與最小速度之間的差值僅僅為0.15 km/h，一致性較好。3 次試驗的結果對比如圖5 所示。

圖5 新FMH 設備試驗結果對比Fig.5 Comparison of test results of the new FMH equipment

圖5（a）中，x向加速度曲線上升速度較快，約1.5 ms 就達到平均幅值125 m/s2。整個加速過程波動較小，近似恒定。圖5（d）中的速度曲線近似線性上升反映了該加速過程的穩定性。圖5（b）和圖5（c）中，加速前20 ms 波動較大，但均低于20%，整個加速過程能量損耗，結合錄像分析其加速過程無抖動。綜合分析3 個方向加速度曲線的對比結果，3 次試驗中各個方向加速度曲線走勢、波動具有較好的一致性，該結果表明以牛皮紙為材料設計的觸發開關打開的快速性能夠保證試驗的穩定性，同時，y向和z向加速度曲線偏向一側的一致性較好也說明樣機在加工過程中存在一些問題，如觸發機構下腔與發射氣缸連接口的對接形式、導向機構產生有摩擦沖擊，在后期正式制造設備時需要進行改進。

4 對標驗證

現有行人保護設備價值上千萬元，試驗精度高，新做的FMH 試驗樣機造價不足千元，為了確認FMH 試驗裝置的試驗精度，利用行人保護設備也進行了3 次頭型發射試驗，而后將兩套設備的試驗結果進行了對標分析。

4.1 發射過程對標

對標發射過程的穩定性，通過行人保護設備進行的3 次試驗結果如圖6 所示。

圖6 與行人保護設備試驗結果對比Fig.6 Comparison of test results with pedestrian protection equipment

圖6（a）中，x向加速度曲線為三角形，反映了加速過程壓力由高壓向下的下降過程，但一致性也較好。圖6（d）中的速度曲線弧形上升反映了該加速過程中加速度逐漸衰減過程。圖6（b）和圖6（c）中，整個加速過程均存在上下振蕩波動，且振蕩幅值達到60 m/s2，遠遠高于FMH 裝置的20 m/s2。行人保護設備發射過程中出現的上下振蕩是發射初始高壓的工作方式所致，非制造過程問題，因此應無法消除。

從加速度曲線對比來看，FMH 試驗裝置的試驗穩定性和精度是較好的。

4.3 錄像截屏對比

為了進一步確認所設計FMH 試驗裝置在發射頭型過程中的穩定性，通過高速攝像結果進行對標分析。錄像截屏對比如圖7、圖8 所示。

圖7（a）—圖7（c）和圖8（a）—圖8（c）的對比表明，兩設備發射頭型試驗時穩定性均較好；圖7（d）和圖8（d）對比，新設備在試驗后期活塞桿不回收，并在排氣孔有碎紙屑飛出，而原行人保護設備的活塞桿會復位，試驗現場整潔。

圖7 FMH 設備頭型發射過程Fig.7 Headform emission process of FMH equipment

圖8 行人保護設備頭型發射過程Fig.8 Headform emission process of pedestrian protection equipment

5 結論

以牛皮紙和小型氣缸為主要材料設計的FMH 試驗裝置，能夠進行全套FMH 試驗，以及其它小型發射類試驗，其試驗精度可控制在±0.3 km/h 之內。與當前發射類設備相比，所設計的FMH 試驗裝置結構簡單、制造方便、造價低，方便各小型實驗室建立相關試驗能力或在現有設備基礎上完善相關試驗能力。