(中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司， 重慶　401122)

引言

小型彈射系統(tǒng)在汽車(chē)安全測(cè)試評(píng)價(jià)中應(yīng)用非常廣泛，它主要用于人體模型，如頭型、腿型、胸模塊等的加速，使這些模型以設(shè)定速度撞擊汽車(chē)不同部位，測(cè)量撞擊過(guò)程中的加速度或力，以此考核當(dāng)汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)汽車(chē)對(duì)人體的傷害。

彈射系統(tǒng)按實(shí)現(xiàn)手段分，一般可分為機(jī)械方式、氣動(dòng)方式、液壓方式三種[1]。機(jī)械彈射方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在體積大、調(diào)節(jié)靈活性差等缺點(diǎn)，一般只適合于水平?jīng)_擊，很難滿(mǎn)足前面所述試驗(yàn)需求；氣動(dòng)彈射方式成本較低，但溫度敏感性強(qiáng)，彈射器對(duì)環(huán)境溫度要求較高，必須要有完善的溫度補(bǔ)償功能；液壓彈射方式成本相對(duì)較高，但其速度控制穩(wěn)定性好，沖擊能量大，國(guó)外小型彈射系統(tǒng)多采用液壓方式，本研究以電液伺服彈射系統(tǒng)作為研究對(duì)象。液壓伺服彈射對(duì)整個(gè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、高速伺服缸設(shè)計(jì)制造、伺服閥選型及系統(tǒng)控制要求較高，國(guó)內(nèi)很少有汽車(chē)測(cè)試用電液伺服彈射系統(tǒng)方面的技術(shù)研究，而國(guó)外試驗(yàn)裝置價(jià)格非常昂貴，因此，本研究具有十分重要的意義。

1　系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)芰υO(shè)計(jì)

1.1　試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)研究

小型彈射系統(tǒng)在汽車(chē)安全測(cè)試評(píng)價(jià)中的應(yīng)用主要包括以下幾大類(lèi)：

(1) 行人保護(hù)類(lèi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)包括GTR No.9、EuroNCAP等，主要用于行人保護(hù)評(píng)價(jià)試驗(yàn)時(shí)行人頭模型、上下腿型等的彈射。

(2) 座椅類(lèi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)包括ECE R17、GB15083等，主要用于座椅頭枕吸能特性評(píng)價(jià)時(shí)人體頭模型的彈射。

(3) 內(nèi)飾類(lèi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)包括FMVSS201U、ECE R21、GB 11552等，主要用于車(chē)內(nèi)上部凸出物、儀表盤(pán)等車(chē)內(nèi)內(nèi)飾件吸能特性評(píng)價(jià)時(shí)人體頭模型或擺錘的彈射。

(4) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)類(lèi)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)包括ECE R12、GB_11557等，主要用于轉(zhuǎn)向管柱吸能特性評(píng)價(jià)時(shí)人體胸模塊或頭型的彈射。

各試驗(yàn)項(xiàng)目被彈射物的形狀、質(zhì)量、角度及導(dǎo)向情況都可能不同，相關(guān)參考圖如圖1所示。

圖1　小型彈射器的應(yīng)用

1.2　系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

上述汽車(chē)安全測(cè)試評(píng)價(jià)被彈射物可能為成人頭型、兒童頭型、上腿型、下腿型、人體胸模塊等，質(zhì)量最小2.5 kg，最大36 kg，彈射角度相對(duì)于水平面可正可負(fù)，最小速度6.7 m/s，最大速度11.1 m/s。為了覆蓋上述試驗(yàn)項(xiàng)目，并保證各參數(shù)具有一定余量，設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)芰θ缦拢?/p>

最大彈射速度：15 m/s

最大彈射質(zhì)量：40 kg

最大彈射能量：1500 J(完全覆蓋1.1所述所有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的能量要求。)

速度控制精度：±1%(即±0.12 m/s，高于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的±0.2 m/s)

俯仰角度方便調(diào)整。

2　系統(tǒng)原理及關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1　系統(tǒng)原理

彈射系統(tǒng)模型如圖2所示。沖擊頭(被彈射物)懸掛于油缸桿端，設(shè)其質(zhì)量為m。當(dāng)對(duì)伺服閥施加0信號(hào)時(shí)，油缸A、B腔關(guān)閉，油缸無(wú)動(dòng)作；當(dāng)對(duì)伺服閥施加正信號(hào)，油缸B腔進(jìn)油、A腔回油，油缸往前伸出；當(dāng)對(duì)伺服閥施加負(fù)信號(hào)，油缸A腔進(jìn)油、B腔回油，油缸向后縮回。

圖2　系統(tǒng)模型

在進(jìn)行彈射試驗(yàn)時(shí)，先對(duì)伺服閥施加一定大小的正信號(hào)，使油缸迅速伸出，然后對(duì)伺服閥施加一定大小的負(fù)信號(hào)，使油缸迅速縮回，沖擊頭由于慣性向前飛出實(shí)現(xiàn)彈射。油缸伸出或縮回速度決定于伺服閥開(kāi)度，而伺服閥的特性是其開(kāi)度與對(duì)其施加信號(hào)的幅值成正比，本系統(tǒng)正是利用伺服閥這一優(yōu)良特性進(jìn)行準(zhǔn)確的速度控制。

根據(jù)上述原理，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示，它包括高速伺服油缸、高速伺服閥、油缸支座、加速度傳感器、磁鐵等。

1.沖擊頭　2.角度調(diào)節(jié)支架　3.高速伺服油缸 4.油缸支座　5.高速伺服閥

高速伺服油缸為特制油缸，用于產(chǎn)生試驗(yàn)所需沖擊速度，為了減小系統(tǒng)流量，系統(tǒng)壓力盡量高，在此選取系統(tǒng)壓力為31.5 MPa。

高速伺服閥選用D92系列三級(jí)電反饋伺服閥，響應(yīng)時(shí)間4 ms，額定流量600 L/min，保證系統(tǒng)響應(yīng)及流量需求。

加速度傳感器安裝于油缸活塞桿桿端(沖擊頭后方)，通過(guò)對(duì)加速度信號(hào)積分實(shí)現(xiàn)沖擊速度測(cè)量。

油缸支座用于支撐高速伺服油缸，二者之間通過(guò)油缸兩側(cè)圓柱面配合，可實(shí)現(xiàn)油缸角度調(diào)節(jié)及供油。

磁鐵用于吸住沖擊頭，防止其在彈射前滑落。

2.2　高速伺服缸設(shè)計(jì)

作用在油缸活塞上的總負(fù)載力FL主要有慣性力、黏性力和摩擦力[2]，即：

FL=Fm+FB+f

(1)

式中，F(xiàn)m—— 慣性力，N

FB—— 黏性阻尼力，N

f—— 外部導(dǎo)向裝置摩擦力，N

(1) 慣性力Fm

Fm=ma

(2)

式中，m—— 負(fù)載的總質(zhì)量，kg

a—— 負(fù)載的加速度，m/s2

系統(tǒng)設(shè)計(jì)彈射能量1500 J，相當(dāng)于將13 kg的物體加速到15 m/s，為了得到合適的油缸行程，沖擊最大加速度可取50 g，由此得到慣性力為6500 N。

(2) 黏性阻尼力FB

FB=Bv

(3)

式中，B—— 活塞黏性阻尼系數(shù)，N/(m/s)

v—— 活塞速度，m/s

由公式(3)可以看出，油缸阻尼力與速度成正比，本系統(tǒng)為高速系統(tǒng)，油缸速度比普通伺服缸速度高出上10倍。如果采用普通伺服液壓缸結(jié)構(gòu)形式，油缸阻尼力將很大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)速度的提高及速度一致性。本系統(tǒng)油缸活塞桿采用靜壓軸承支撐，活塞桿與油缸端蓋之間通過(guò)高壓液壓油支撐，避免了金屬直接接觸，二者之間幾乎沒(méi)有摩擦[2]。靜壓軸承結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4所示。

圖4　靜壓軸承

(3) 外部導(dǎo)向裝置摩擦力f

外部導(dǎo)向裝置一般采用滾動(dòng)摩擦，其摩擦力f可以忽略。

由上述分析，油缸受力僅考慮慣性力即可。根據(jù)系統(tǒng)壓力ps與負(fù)載壓力pL的選取原則pL=2/3ps[3,4]，可以確定負(fù)載壓力為21 MPa。由油缸受力及負(fù)載壓力可計(jì)算出油缸活塞面積A=309 mm2。

為了方便角度調(diào)節(jié)，伺服缸采用兩端耳軸的安裝形式。

2.3　系統(tǒng)液壓原理

系統(tǒng)液壓原理如圖5所示。液壓系統(tǒng)包括油箱、油泵、比例溢流閥、濾油器、泄壓閥、蓄能器等。泵站設(shè)計(jì)流量14 L/min，彈射瞬間供油主要由蓄能器提供，蓄能器與伺服閥之間應(yīng)保證足夠通徑以減小油液阻力。

1.高速伺服油缸　2.伺服閥　3.進(jìn)油蓄能器　4.回油蓄能器 5.泄壓閥　6.濾油器　7.比例溢流閥　8.油泵電機(jī)　9.油箱

2.4　速度影響因素分析

本系統(tǒng)速度采用開(kāi)環(huán)控制，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定的特點(diǎn)。系統(tǒng)伺服閥控制信號(hào)如圖6所示，該信號(hào)由三部分組成，第一個(gè)半正弦波的前半部分伺服閥開(kāi)度逐漸增加并達(dá)到最大值，該過(guò)程伺服缸活塞桿帶動(dòng)沖擊頭一起加速并達(dá)到最大速度，第一個(gè)半正弦波的后半部分伺服閥由最大開(kāi)度逐漸減小并最終關(guān)閉，該過(guò)程伺服缸活塞桿由最大速度開(kāi)始減速并停止，沖擊頭由于慣性與活塞桿分離并飛出；第二個(gè)半正弦波為活塞桿由最前端位置退回到初始位置。

圖6　伺服閥控制信號(hào)

本系統(tǒng)速度控制方法是：找出彈射速度v與所有速度影響因素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行相應(yīng)標(biāo)定工作，確定各影響因素的影響系數(shù)；然后根據(jù)彈射速度要求，計(jì)算出以上影響因素的參數(shù)值進(jìn)行控制，由此得到目標(biāo)速度。

根據(jù)理論分析及大量基礎(chǔ)試驗(yàn)，沖擊頭飛出的速度v與以下因素相關(guān)：

沖擊頭質(zhì)量m；液壓系統(tǒng)壓力p;液壓油溫度T;伺服閥控制信號(hào)幅值Sv;伺服閥控制信號(hào)時(shí)間t;沖擊方向與水平面夾角α。

(1) 沖擊頭質(zhì)量m彈射試驗(yàn)對(duì)于沖擊頭質(zhì)量都有明確規(guī)定，因此可以針對(duì)每一種沖擊頭質(zhì)量，標(biāo)定出對(duì)應(yīng)的一組試驗(yàn)系數(shù)并保存在計(jì)算機(jī)中，需要時(shí)調(diào)用該系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。

(2) 液壓系統(tǒng)壓力p試驗(yàn)證明，其他條件不變的情況下，如果液壓系統(tǒng)壓力保持恒定，彈射速度具有極高的重復(fù)性，本系統(tǒng)通過(guò)比例溢流閥對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，使系統(tǒng)壓力保持恒定，從而保證彈射速度一致性。

(3) 液壓油溫度T液壓油溫度改變將引起液壓油黏度改變，由此對(duì)伺服閥流量將會(huì)有少許影響。在此可通過(guò)控制泵站溫度使其穩(wěn)定在一定溫度區(qū)間予以解決。這也是液壓系統(tǒng)相對(duì)氣動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)之一。

(4) 伺服閥控制信號(hào)幅值Sv大量驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在沖擊頭質(zhì)量、伺服閥控制信號(hào)時(shí)間、系統(tǒng)油溫及系統(tǒng)壓力一定的情況下，彈射速度與伺服閥控制信號(hào)幅值在一定范圍內(nèi)成正比。即沖擊頭速度增量Δv與伺服閥控制信號(hào)幅值增量ΔSv成正比，通過(guò)試驗(yàn)可得到其比例系數(shù)：

式中，Csv—— 伺服閥控制信號(hào)幅值比例系數(shù)，m/(s·v)

Δv—— 沖擊頭速度增量，m/s

ΔSv—— 伺服閥控制信號(hào)幅值增量，v

對(duì)不同的沖擊頭質(zhì)量可以標(biāo)定出一個(gè)對(duì)應(yīng)的系數(shù)Csv，在彈射時(shí)再根據(jù)沖擊頭質(zhì)量選擇相應(yīng)的系數(shù)。

(5) 伺服閥控制信號(hào)時(shí)間t大量試驗(yàn)證明，在沖擊頭質(zhì)量、系統(tǒng)油溫、系統(tǒng)壓力及伺服閥控制信號(hào)幅值Sv一定的情況下，沖擊頭速度增量Δv與伺服閥控制信號(hào)時(shí)間增量Δt在一定范圍內(nèi)成正比，通過(guò)試驗(yàn)可得到時(shí)間比例系數(shù)：

式中，Ct—— 伺服閥控制信號(hào)時(shí)間比例系數(shù)，m/(s·ms)

Δv—— 沖擊頭速度增量，m/s

Δt—— 伺服閥控制信號(hào)時(shí)間增量，ms

對(duì)不同的沖擊頭質(zhì)量可以標(biāo)定出一個(gè)對(duì)應(yīng)的系數(shù)Ct，在彈射時(shí)再根據(jù)沖擊頭質(zhì)量選擇相應(yīng)系數(shù)。

(6) 沖擊方向與水平面夾角α試驗(yàn)表明，在沖擊頭脫離油缸活塞桿前，沖擊方向與水平面的夾角α對(duì)沖擊速度的影響很小，可以忽略。

2.5　速度控制過(guò)程分析

根據(jù)2.4分析，在沖擊頭質(zhì)量m、系統(tǒng)壓力p、系統(tǒng)油溫T不變的情況下，沖擊頭彈射速度決定于伺服閥控制信號(hào)幅值Sv及伺服閥控制信號(hào)時(shí)間t。速度控制過(guò)程如下：

(1) 根據(jù)沖擊頭質(zhì)量m選擇對(duì)應(yīng)比例系數(shù)Csv及Ct；

(2) 對(duì)系統(tǒng)油溫T進(jìn)行閉環(huán)控制使其保持恒定，系統(tǒng)油溫調(diào)節(jié)過(guò)程中伺服缸來(lái)回伸縮，使整個(gè)系統(tǒng)液壓油處于流動(dòng)狀態(tài)；

(3) 彈射前對(duì)系統(tǒng)壓力p進(jìn)行閉環(huán)控制使其保持恒定；

(4) 根據(jù)設(shè)定速度v計(jì)算出合適的伺服閥控制信號(hào)幅值Sv及伺服閥控制信號(hào)時(shí)間t；

(5) 開(kāi)始彈射Sv及t確定方法及原則：根據(jù)沖擊頭質(zhì)量選擇相應(yīng)的系數(shù)Csv及Ct，再根據(jù)不同目標(biāo)速度v計(jì)算出合理的伺服閥控制信號(hào)幅值Sv及伺服閥控制信號(hào)時(shí)間t。為了充分利用油缸行程，應(yīng)盡量增加伺服閥控制信號(hào)時(shí)間t，減小彈射加速度，即減小伺服閥控制信號(hào)幅值Sv。同時(shí)，t值選擇不能過(guò)大，如果過(guò)大則油缸行程將不足。試驗(yàn)表明，t取值在35～60 ms內(nèi)是比較合適的。

3　試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

根據(jù)上述原理，研發(fā)生產(chǎn)出了該系統(tǒng)，并以該系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.1　彈射曲線(xiàn)分析

彈射曲線(xiàn)如圖7所示。三條曲線(xiàn)分別為伺服閥給定信號(hào)曲線(xiàn)、加速度曲線(xiàn)、速度曲線(xiàn)。沖擊頭彈射速度即為速度曲線(xiàn)最大值，該點(diǎn)橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于加速度信號(hào)反向過(guò)零點(diǎn)時(shí)的時(shí)間點(diǎn),設(shè)該點(diǎn)為t1，則：

式中，vmax—— 沖擊頭彈射速度，m/s

a—— 沖擊加速度，m/s2

圖7　彈射曲線(xiàn)

3.2　速度測(cè)量精度驗(yàn)證試驗(yàn)

由圖7可以看出，每次試驗(yàn)完畢系統(tǒng)可以直接給出彈射速度值。為驗(yàn)證該速度的準(zhǔn)確性，以進(jìn)口“高精度速度測(cè)試儀”對(duì)6～11 m/s的速度值進(jìn)行了標(biāo)定，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，本系統(tǒng)速度測(cè)量誤差可控制在±0.3%以?xún)?nèi)(以12 m/s作為滿(mǎn)度值，以下同)，可以準(zhǔn)確地反映實(shí)際彈射速度?，F(xiàn)有彈射系統(tǒng)一般采用外部速度測(cè)量，本系統(tǒng)可非常方便地直接得到彈射速度值，利用該值可隨時(shí)進(jìn)行速度精度監(jiān)測(cè)及系統(tǒng)系數(shù)修正。

圖8　速度測(cè)量精度驗(yàn)證

表1　速度標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3　彈射穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證不同環(huán)境溫度、不同沖擊角度下速度變化情況，設(shè)計(jì)了表2所示對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：沖擊頭質(zhì)量6.8 kg，設(shè)定沖擊速度8 m/s，系統(tǒng)壓力p、Sv及t保持不變，每種條件進(jìn)行3次彈射?？梢钥闯?，環(huán)境溫度、沖擊角度對(duì)沖擊速度沒(méi)有明顯影響，系統(tǒng)具有較高穩(wěn)定性。

表2　速度穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)

3.4　6.8 kg沖擊頭彈射試驗(yàn)

6.8 kg為常用沖擊頭質(zhì)量，利用本系統(tǒng)對(duì)6.8 kg沖擊頭進(jìn)行了不同速度下的彈射試驗(yàn)，每種速度進(jìn)行3次彈射，試驗(yàn)結(jié)果如表3?？梢钥闯?，彈射速度與目標(biāo)速度最大差值0.11 m/s，換算成誤差為0.92%，滿(mǎn)足±1%的設(shè)計(jì)精度要求。

表3　6.8 kg沖擊頭彈射試驗(yàn)

4　結(jié)論

小型彈射系統(tǒng)在汽車(chē)安全測(cè)試評(píng)價(jià)中應(yīng)用廣泛，液壓彈射是其中一種重要形式。本研究以電液伺服彈射系統(tǒng)作為研究對(duì)象，對(duì)該系統(tǒng)的適用標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)能力及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究。高速伺服油缸采用了靜壓支撐技術(shù)，保證了油缸高速性能及速度一致性；提出了彈射速度開(kāi)環(huán)控制方法，系統(tǒng)控制穩(wěn)定可靠；對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行積分直接得到準(zhǔn)確的彈射速度，可實(shí)現(xiàn)速度控制精度監(jiān)測(cè)及系統(tǒng)參數(shù)修正。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證，試驗(yàn)表明，環(huán)境溫度、彈射角度對(duì)彈射速度幾乎沒(méi)有影響，系統(tǒng)速度具有較高穩(wěn)定性；同一沖擊頭在不同速度下速度控制精度優(yōu)于1%，完全滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

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