商恩義，劉凡，胡雷,徐東陽

1.浙江省汽車安全技術(shù)研究重點實驗室,浙江寧波 315336;2.吉利汽車研究院(寧波)有限公司,浙江寧波 315336

0 引言

1 雙氣缸驅(qū)動機構(gòu)的設計

當前，低質(zhì)量物體發(fā)射試驗普遍采用壓縮氣體作為動力源的方法，如人體模塊沖擊試驗,行人保護腿型、頭型沖擊試驗等。另外，一些組合式氣缸驅(qū)動的機械設計在工業(yè)設計中取得了較好的效果，因此，依據(jù)法規(guī)對臺車質(zhì)量的要求，綜合安全、易實現(xiàn)、易操作等因素，決定通過采用大壓力容器、雙氣缸同時作用提升動力方式，并借鑒管道法蘭連接機連接方式開發(fā)新型氣動驅(qū)動裝置。

1.1 驅(qū)動方案設計

1.1.1 最低驅(qū)動能量確定

按照GB 17354的要求，以臺車質(zhì)量為2 500 kg、試驗速度為4 km/h計算驅(qū)動裝置所需提供的最低驅(qū)動能量為1.6 kJ；對于耐撞性與維修經(jīng)濟性試驗所需的最低驅(qū)動能量為13 kJ。因此，所設計驅(qū)動裝置需要提供的最低驅(qū)動能量為13 kJ。

1.1.2 方案設計思路

為了使氣動驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)簡單且易加工制作，確定主要功能部件由壓力容器、電磁伺服閥、分氣盒、雙氣缸等構(gòu)成，主要部件的布置如圖1所示。由圖可知，電磁伺服閥處于壓力容器和分氣盒之間，當向壓力容器內(nèi)充氣時，電磁伺服閥處于閉合狀態(tài)；兩個氣缸分別安裝于分氣盒前端，且氣缸前腔端蓋開出若干排氣孔，兩個氣缸活塞桿前端通過連接板相連。試驗時，將電磁伺服閥開啟，則氣體由壓力容器通過分氣盒進入兩個氣缸，兩個氣缸的活塞桿被推出。活塞桿在前沖過程中，缸體前腔空氣快速排出。另外，綜合設備占用空間及設備結(jié)構(gòu)強度，以及工作過程中希望壓力容器向兩個氣缸內(nèi)充氣后容積變化小，壓強近似恒定，初步確定壓力容器容積為1 m。

圖1 驅(qū)動裝置主要部件布置示意

1.2 方案實施可行性分析

計算驅(qū)動力，即負載力：驅(qū)動裝置的負載形態(tài)為水平推動可通過轉(zhuǎn)動進行移動的目標物，如帶4個輪子的移動壁障臺車、汽車等，由于目標最終達到的速度較低，加速過程較慢，可按準靜態(tài)推動方式考慮，則單氣缸的驅(qū)動力為：

(1)

式中:為單氣缸的驅(qū)動力;

為摩擦因數(shù)，準靜態(tài)下取01～04;

為雙氣缸共同驅(qū)動目標物質(zhì)量。

由于驅(qū)動裝置使用的工況為將目標物推動且能達到一定的速度，有一定的加速度，故加速度應為可變的，則公式(1)可轉(zhuǎn)換為：

(2)

式中:為目標物加速度。

氣缸的理論輸出力計算公式為：

=π

(3)

式中:為氣缸的理論輸出力；

為氣缸作用壓力；

為活塞半徑。

氣缸的驅(qū)動力和理論輸出力之間的關系式為：

=

(4)

式中:為負載率，依據(jù)氣缸工作壓力與負載率的關系選取。當前工作壓力較小，取10～40。

另外，試驗中目標物的速度、加速度和位移之間的關系式為：

(5)

式中：為目標物速度；

為氣缸活塞桿有效作用行程。

對式(2)～(5)進行推導，則有：

(6)

在驅(qū)動過程中，目標物滾動摩擦，能量損耗少，取為0.4；在活塞壓縮過程中氣缸前腔氣體持續(xù)排出，取為40%。初定為80 mm，初定為1 m，取1 400 kg，取15 km/h，將各值代入式(6)，估算得所需最小壓力為324 kPa。作為壓力，該值較小，即使實際所需最小壓力比估算值略有偏大也不影響實現(xiàn)。因此，當前方案滿足要求，可確定當前驅(qū)動方式為最終方案。

1.3 活塞桿制動方案設計

雙缸推氣動驅(qū)動裝置，其驅(qū)動過程中的運動部件包括兩套活塞與活塞桿機構(gòu)，以及兩缸前端連接板。發(fā)射行程結(jié)束時，所有運動部件需要被制動，以避免活塞與缸體前端蓋發(fā)生剛性碰撞，缸體前端結(jié)構(gòu)受損及飛出。鑒于試驗所需速度較低，所需要制動部件總體質(zhì)量估算僅僅約為40 kg，故決定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。具體制動方案如圖2所示，將前期方案中氣缸前腔端蓋所開排氣孔改為開在氣缸前端缸體上，在活塞沖過排氣口位置后形成密閉空間，令活塞等部件隨著密閉空間不斷減小、壓力不斷增大而減速直至停止。

圖2 活塞機構(gòu)局部壓縮氣體制動方案

1.4 驅(qū)動裝置制作

依據(jù)設計方案，按氣動系統(tǒng)的安裝與調(diào)試要求，對管道及元器件進行了安裝，分別在空載、負載等工況下對氣動系統(tǒng)進行了調(diào)試。制作、調(diào)試后的雙缸驅(qū)動裝置如圖3所示。

圖3 雙缸驅(qū)動裝置示意

2 設備能力驗證

2.1 試驗能力檢驗

試驗能力和結(jié)構(gòu)強度可通過檢測設備進行檢驗。將容器壓力從15 kPa起步，不斷提升壓力來一次次驅(qū)動1 200 kg臺車，記錄臺車脫離驅(qū)動部件時的試驗速度。調(diào)試試驗共進行14次，當容器內(nèi)壓力為15 kPa時，試驗速度為1.16 km/h；當容器內(nèi)壓力為350 kPa時，試驗速度為16.62 km/h。調(diào)試結(jié)果滿足設計速度要求。另外，設備無異常發(fā)生，結(jié)構(gòu)強度也滿足要求。

2.2 試驗精度確認

當容器內(nèi)壓力為30 kPa時，試驗速度為2.71 km/h，與法規(guī)要求最低速度2.5 km/h比較接近；當容器內(nèi)壓力為50 kPa時，試驗速度為3.95 km/h，與法規(guī)要求的4 km/h比較接近。因此，在此基礎上適當調(diào)節(jié)壓力設置，確認速度的調(diào)節(jié)能力。當將壓力設定為27 kPa時，試驗速度為2.53 km/h；當將壓力設定為51 kPa時，試驗速度為4.02 km/h，均滿足法規(guī)要求，設備具備較好調(diào)節(jié)能力。

在壓力分別為27 kPa和51 kPa下各重復試驗兩次，試驗精度驗證結(jié)果見表1。

表1 試驗精度驗證結(jié)果

由表1可知，兩組速度波動范圍均較小，最大偏差均在法規(guī)允許上限的50%以內(nèi)，完全滿足法規(guī)最嚴格要求。

3 驅(qū)動裝置應用

氣動執(zhí)行器控制算法比較復雜，所設計的驅(qū)動裝置因追求結(jié)構(gòu)簡單，造成不確定的影響因素較多，如壓力的衰減變化、氣缸前腔氣體排出快慢的變化、和的選擇變化、發(fā)射物和活塞桿加速度產(chǎn)生的慣性等。因此，進行正向分析計算及推導操作系統(tǒng)控制函數(shù)，以實現(xiàn)高精度氣動控制比較困難。綜上，此設備在試驗過程中，其輸入壓力、臺車質(zhì)量(發(fā)射物)及碰撞速度是每次試驗中可能存在的變量，故決定通過試驗結(jié)果逆向推導出、和之間的函數(shù)關系，基于該函數(shù)關系編制系統(tǒng)控制程序，進而實現(xiàn)對系統(tǒng)的便捷操作。

3.1 操作系統(tǒng)控制函數(shù)的推導

低速臺車碰撞試驗中，臺車質(zhì)量和碰撞速度為試驗變量，而氣缸直徑、有效行程等參數(shù)不再發(fā)生變化，因此，可推導出試驗所需壓力和臺車質(zhì)量、碰撞速度之間的關系式。

=

(7)

可得：

(8)

已知臺車質(zhì)量為1 200 kg,容器壓力和對應的試驗速度，則求得對應值計算結(jié)果見表2。

表2 試驗k值計算結(jié)果

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪出與速度之間的曲線如圖4所示，并建立乘冪趨勢線、多項式趨勢線、指數(shù)趨勢線，顯示出各趨勢線對應公式及如下。

冪函數(shù)為：

(9)

多項式函數(shù)為：

(10)

指數(shù)函數(shù)為：

(11)

是趨勢線擬合度指標，稱為決定系數(shù)，數(shù)值大小反映了趨勢線的估計值與對應實際數(shù)據(jù)之間的擬合程度。的取值范圍為0～1，越接近1，擬合程度越好，趨勢線可靠性越高。由圖4可知，冪函數(shù)的值為0970 3，最接近1，擬合度最好，因此，選擇冪函數(shù)作為與速度之間的函數(shù)。

圖4 k與速度v之間的曲線

圖4中冪函數(shù)在4 km/h前后擬合度較差，其主要原因是2 km/h以下設備抗干擾能力差，速度比較離散，鑒于該范圍速度沒有試驗需求。因此，在原有曲線上剔除該范圍數(shù)據(jù)，得到優(yōu)化后的冪函數(shù)為：

(12)

優(yōu)化后的冪函數(shù)曲線如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的冪函數(shù)曲線

由圖5可知，優(yōu)化后的的冪函數(shù)趨勢線的值為0996，相較圖4中的0970 3，更加接近1，因此，確定的函數(shù)為：

=0006 5-0639

(13)

將式(13)代入式(7)，則:

=0006 51361

(14)

3.2 操作軟件編寫

試驗時，先確定臺車質(zhì)量及目標速度，再依據(jù)式(10)計算出試驗壓力，因此，可將式(14)作為操作系統(tǒng)的控制函數(shù)進行編程。試驗前，首先錄入試驗速度、臺車質(zhì)量，而后點擊“計算試驗壓力”，則會生成“試驗壓力”。如需將試驗時間及各參數(shù)信息做好記錄，則點擊“記錄數(shù)據(jù)”，相關信息則會被記錄在其后的表單中。

3.3 操作軟件驗證

當試驗臺車質(zhì)量為1 400 kg，試驗速度為15 km/h時，如圖6所示，試驗壓力為356 kPa。給壓力容器充氣至壓力為356 kPa進行試驗，試驗測得的速度為15.04 km/h，結(jié)果滿足《耐撞性與維修經(jīng)濟性指數(shù)試驗規(guī)程》的要求，軟件輸出結(jié)果有效。

圖6 試驗壓力求解過程

4 結(jié)束語

以氣體作為動力源，設計了雙缸驅(qū)動氣動裝置，并編寫了操作軟件，形成了操作界面。該裝置不但結(jié)構(gòu)簡單、易制造、易操作，而且試驗精度高，可以取代牽引系統(tǒng)進行臺車質(zhì)量達到1 000 kg以上的臺車低速碰撞試驗。另外，通過試驗結(jié)果利用趨勢線逆向推導控制系統(tǒng)控制函數(shù)的方法在氣動沖擊試驗裝置設計過程中值得推廣。