摘 要：本文對(duì)國(guó)內(nèi)外法規(guī)的乘用車內(nèi)飾件吸能性試驗(yàn)進(jìn)行了分析研究，依據(jù)乘用車內(nèi)飾件吸能性試驗(yàn)要求：包括用于座椅頭枕吸能性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB15083-2019、GB11550-2009、UN R25、UN R17的規(guī)定和用于乘用車內(nèi)部凸出物的吸能性試驗(yàn)GB11552-2009、UN R21的法規(guī)。通過研究分析，乘用車內(nèi)飾件吸能性試驗(yàn)幾乎均采用擺錘設(shè)計(jì)，為降低單位資產(chǎn)投資的成本，提高設(shè)備的使用率，本文以擺錘結(jié)構(gòu)方案研究完成了乘用車內(nèi)飾件吸能性試驗(yàn)及其試驗(yàn)裝置的分析。從而為檢測(cè)中心、制造廠等在建立滿足國(guó)內(nèi)外法規(guī)的吸能性試驗(yàn)的能力建設(shè)中提供參考和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：乘用車內(nèi)飾件；座椅頭枕；乘用車內(nèi)部凸出物；吸能性試驗(yàn)；試驗(yàn)裝置

中圖分類號(hào)：U467.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2024）04-0055-08

Design and Application of Energy Absorption Testing Device for Interior Decoration of Passenger Cars

DONG Fang， ZHANG Chao， ZHENG Zhen-wu， WANG Juan-juan， CAO Zhu

（ National Automobile Quality Inspection and Test Center （Xiangyang），

Xiangyang 441004， China）

Abstract： This article analyzes and studies the energy absorption test of passenger car interior components in domestic and foreign regulations. According to the requirements of energy absorption test for passenger car interior components， including the provisions of GB15083-2019， GB11550-2009， UN R25， UN R17 energy absorption test standards for seat headrests， and GB11552-2009， UN R21 energy absorption test standards for protruding objects inside passenger cars. Through research and analysis， it has been found that almost all energy absorption tests for passenger car interior components use pendulum design. In order to reduce the cost of unit asset investment and improve equipment utilization， this paper completed the energy absorption test and its experimental device analysis for passenger car interior components using a pendulum structure scheme. This provides reference and guidance for the construction of energy absorption testing capabilities that meet domestic and foreign regulations for testing centers， manufacturing plants， and others.

Key Words： Passenger Car Interior Parts; Seat Headrests; Internal Protrusions Of Passenger Cars; Energy Absorption Test; Test Equipment

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車的保有量持續(xù)增長(zhǎng)。由此汽車的安全性能越來越受到重視。汽車內(nèi)飾件的吸能性能是汽車被動(dòng)安全方面重要的組成部分，其能在車輛發(fā)生碰撞的過程中，保護(hù)乘員的生命安全，降低傷亡程度。多項(xiàng)國(guó)家強(qiáng)制性法規(guī)對(duì)汽車座椅的安全性能、汽車內(nèi)部凸出物安全性能提出了要求。汽車內(nèi)飾件的吸能性試驗(yàn)是為了確保人員在二次碰撞發(fā)生時(shí)，不會(huì)因?yàn)槠噧?nèi)飾件整體或局部剛性太強(qiáng)，導(dǎo)致成員腦震蕩/顱骨折等情況發(fā)生。因此對(duì)乘用車內(nèi)飾件吸能性試驗(yàn)分析研究能客觀評(píng)價(jià)乘用車內(nèi)飾件的性能要求，在乘用車內(nèi)飾件的產(chǎn)品研發(fā)過程中具有重要的意義。

2 正文

2.1 現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外法規(guī)的乘用車內(nèi)飾件吸能性試驗(yàn)要求分析：

頭枕吸能性試驗(yàn)中，包括GB15083-2019中的頭枕吸能性試驗(yàn)、GB11550-2009中的頭枕吸能性試、UN R25中的頭枕吸能性試、UN R17的后向吸能性試驗(yàn)的試驗(yàn)方法相同，具體如下：

試驗(yàn)裝置由一擺錘組成。該擺錘轉(zhuǎn)動(dòng)軸用球軸承支承，它在撞擊中心的折算質(zhì)量為6.8kg。擺錘下端有一個(gè)直徑為165mm的剛性頭型，其中心與擺錘撞擊中心重合。頭型上裝有兩個(gè)加速度計(jì)和一個(gè)速度測(cè)量裝置，以測(cè)定撞擊方向上的所有數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)程序：撞擊點(diǎn)應(yīng)由試驗(yàn)人員在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的區(qū)域1內(nèi)選擇，如果有必要，撞擊點(diǎn)也柯位于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的區(qū)域2內(nèi)的曲率半徑小于5mm的表面上。由后向前撞擊頭枕后表面時(shí)，撞擊方向應(yīng)位于與鉛垂方向成45°的縱向平面內(nèi)。由前向后撞擊頭枕前表面時(shí)，撞擊方向應(yīng)位于縱向平面內(nèi)并沿水平方面。頭型以24.1km/h的速度撞擊試驗(yàn)樣品。

乘用車內(nèi)部凸出物吸能性試驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)GB11552 -2009和UN R21中的試驗(yàn)方法相同，具體如下：

試驗(yàn)裝置由一個(gè)擺錘組成，其回轉(zhuǎn)中心由球軸承支撐，擺錘在撞擊中心處的折算質(zhì)量為6.8kg。擺錘的下端是一個(gè)直徑為165mm的剛性錘頭，其中心與擺錘的撞擊中心重合。擺錘從胯關(guān)節(jié)鉸接點(diǎn)到球頭模型頂部的尺寸可在736mm～840mm之間連續(xù)調(diào)節(jié)。

試驗(yàn)程序：對(duì)于被測(cè)試表面的每個(gè)撞擊點(diǎn)，撞擊方向應(yīng)是策略裝置的球頭模型軌跡的切線方向。撞擊頭以24.1km/h的撞擊試驗(yàn)構(gòu)件，對(duì)于覆蓋安全氣囊的蓋板，則以19.3km/h的速度進(jìn)行撞擊。

2.2 乘用車內(nèi)飾件吸能性試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置可行性分析

試驗(yàn)裝置擺錘的確定。擺錘在撞擊中心的折算質(zhì)量為6.8kg，撞擊頭型為一個(gè)直徑為165mm的剛性頭型，其中心與擺錘撞擊中心重合。且擺錘從胯關(guān)節(jié)鉸接點(diǎn)到球頭模型頂部的尺寸可在736mm～840mm之間連續(xù)調(diào)節(jié)。

試驗(yàn)裝置的功能的需求。標(biāo)準(zhǔn)中要求的擺錘撞擊頭型能實(shí)現(xiàn)19.3km/h～24.1km/h的沖擊速度，擺錘的沖擊能量來源可采用氣動(dòng)伺服控制方式，實(shí)現(xiàn)沖擊速度控制。頭枕吸能性試驗(yàn)中，因各類座椅頭枕的高度不同，以及長(zhǎng)條座椅具有幾個(gè)頭枕。為適應(yīng)不同的高度及位置的試驗(yàn)需求，試驗(yàn)裝置應(yīng)能左右移動(dòng)，以及能調(diào)節(jié)擺錘的上下高度。乘用車內(nèi)凸沖擊試驗(yàn)中，需模擬左右-35°～35°內(nèi)的角度撞擊，沖擊擺錘應(yīng)能左右轉(zhuǎn)動(dòng)。

座椅頭枕的前后方向的沖擊方法。通常采用一個(gè)能旋轉(zhuǎn)的輔助固定平臺(tái)，當(dāng)平臺(tái)處于水平角度時(shí)，可進(jìn)行座椅頭枕后向的撞擊試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)輔助平臺(tái)臺(tái)面至90°左右，可進(jìn)行座椅頭枕的前向的撞擊試驗(yàn)。且能前后調(diào)節(jié)與擺錘的距離，乘用車內(nèi)凸試驗(yàn)中能固定前半部分車身（包括儀表板范圍內(nèi)的車身），后排座椅的吸能試驗(yàn)中能固定后半部分車身。

沖擊速度的精度控制。擺錘的沖擊速度來源于高壓氣體的沖擊，為滿足乘用車內(nèi)部凸出物中吸能性試驗(yàn)的需求，擺錘從胯關(guān)節(jié)鉸接點(diǎn)到球頭模型頂部的尺寸可在736mm～840mm之間連續(xù)調(diào)節(jié)。但高壓氣體壓力穩(wěn)定性的影響，會(huì)影響擺錘的沖擊速度。擺錘連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)，質(zhì)量也在不斷變化，也會(huì)影響擺錘的沖擊速度。

采用伺服控制系統(tǒng)的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)擺錘沖擊 速度的精準(zhǔn)控制。配置壓力傳感器用于測(cè)量氣罐內(nèi)的壓力，并通過電控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)氣壓比例閥對(duì)氣罐內(nèi)的壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，達(dá)到較高的控制精度。采集擺錘在臂長(zhǎng)范圍內(nèi)各種速度狀態(tài)所需的壓力需求，如圖1所示，使用時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)并通過伺服系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，確保試驗(yàn)所需的沖擊速度。

2.2.1 擺錘的折算質(zhì)量分析

標(biāo)準(zhǔn)要求擺錘在撞擊中心的折算質(zhì)量為6.8kg，此處為整個(gè)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)的最難點(diǎn)。

折算質(zhì)量計(jì)算公式：

式中a為撞擊中心和旋轉(zhuǎn)中心O之間的距離，b為重心和旋轉(zhuǎn)中心O之間的距離，mr為擺錘的折算質(zhì)量，m為擺錘總質(zhì)量。

根據(jù)公式（1），理解為通過力平衡的方式變可以實(shí)現(xiàn)，即折算公式兩側(cè)乘以重力加速度g，即得：

示意圖如圖2所示，即以為在圖示F位置的擺錘撞擊中心測(cè)量的質(zhì)量就為折算質(zhì)量。

此種算法忽略了旋轉(zhuǎn)中心位置及擺臂旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性矩對(duì)擺錘的影響。如圖3所示，即為一個(gè)失敗的設(shè)計(jì)，由于擺臂質(zhì)量過大，在旋轉(zhuǎn)中心增加配重，同樣也通過力平衡的方式達(dá)到滿足標(biāo)準(zhǔn)折算質(zhì)量公式的要求。但旋轉(zhuǎn)撞擊的能量已大大增加。

經(jīng)過分析，上述直接采用標(biāo)準(zhǔn)中的公式是忽略了擺臂的質(zhì)量對(duì)擺錘折算質(zhì)量的影響，標(biāo)準(zhǔn)中的公式使用的前提條件應(yīng)為一個(gè)質(zhì)量很低的輕質(zhì)桿帶動(dòng)擺球運(yùn)動(dòng)。我們實(shí)際設(shè)計(jì)的擺錘的擺臂質(zhì)量很大，不能忽略不計(jì)。在UN R17、FMVSS202a、GTR 7中的直線沖擊試驗(yàn)中均提出在24.1km/h的撞擊能量達(dá)到152J。通過能量守恒的方式實(shí)現(xiàn)，即撞擊點(diǎn)的動(dòng)能等于剛體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能和剛體自轉(zhuǎn)動(dòng)能之和：

EK折算質(zhì)量的動(dòng)能=Ek質(zhì)心動(dòng)能+Ek剛體自轉(zhuǎn)動(dòng)能=Ek剛體轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能

即：

式中：mr為擺錘撞擊中心的折算質(zhì)量；v為該撞擊中心的速度；m為擺錘總質(zhì)量；Vm為剛體質(zhì)心的速度；IG為以質(zhì)心為旋轉(zhuǎn)中心時(shí)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；I0為以O(shè)為旋轉(zhuǎn)中心時(shí)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為剛體旋轉(zhuǎn)時(shí)的角速度：

式中：a為撞擊中心和旋轉(zhuǎn)中心O的距離，b為重心和旋轉(zhuǎn)中心O的距離。

根據(jù)公式（5）可知，理論設(shè)計(jì)的擺錘繞0點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等于折算質(zhì)量mr與a平方的乘積。式中mr=6.8kg，a=臂長(zhǎng)L-撞擊頭型半徑r，臂長(zhǎng)L的調(diào)整范圍為：736mm～840mm，撞擊頭型半徑r=0.0825m。

例如：當(dāng)臂長(zhǎng)L=736mm時(shí)，I0=6.8×（0.736-0.0825）2=2.9040233 kg·m2

當(dāng)臂長(zhǎng)L=840mm時(shí)，I0=6.8×（0.840-0.0825）2 =3.9018825 kg·m2

當(dāng)臂長(zhǎng)為范圍內(nèi)其它結(jié)果時(shí)，計(jì)算方式依此類推。

前期進(jìn)行擺錘的三維模型設(shè)計(jì)時(shí)，通過三維軟件計(jì)算的擺錘繞O點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)滿足上述的計(jì)算結(jié)果?？赏ㄟ^在擺臂位置調(diào)整配重的方式調(diào)節(jié)擺錘的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以滿足需求。

校核階段：首先采用扭擺法測(cè)量擺錘的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，再根據(jù)折算質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的關(guān)系，計(jì)算擺錘實(shí)際的折算質(zhì)量。具體如下：

1. 根據(jù)扭擺運(yùn)動(dòng)的角簡(jiǎn)諧振動(dòng)的特性，振動(dòng)周期為：

K為試驗(yàn)設(shè)備的扭轉(zhuǎn)常數(shù)，I為扭擺物體總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2. 如果試驗(yàn)設(shè)備的扭轉(zhuǎn)常數(shù)K未知的話，可采用下述方法進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)量試驗(yàn)裝置托盤及固定夾具總的擺動(dòng)周期T1，那么試驗(yàn)裝置托盤及固定夾具總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

準(zhǔn)備一個(gè)質(zhì)量已知而且均勻規(guī)則的物體（例如長(zhǎng)方體）， 將其固定在試驗(yàn)裝置托盤上，從理論上可直接計(jì)算出該物體相對(duì)旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I2，如：

長(zhǎng)方體繞通過質(zhì)心且平行于旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

式中b、c分別為長(zhǎng)方體垂直于轉(zhuǎn)軸的兩條邊長(zhǎng)，m為長(zhǎng)方體的質(zhì)量。

根據(jù)平行軸定理，該物體相對(duì)旋轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

式中d為長(zhǎng)方體質(zhì)心到旋轉(zhuǎn)中心的距離，m為長(zhǎng)方體的質(zhì)量。

此時(shí)用試驗(yàn)裝置測(cè)得的擺動(dòng)周期T2，那么試驗(yàn)裝置及該物體總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和為： ， 將公式（7）代入，整理得到： ，代入上述計(jì)算的I2，即可求得扭轉(zhuǎn)常數(shù)。

注意扭轉(zhuǎn)常數(shù)K不是固定常數(shù)，與擺角有關(guān)，所以試驗(yàn)中測(cè)量周期時(shí)應(yīng)使擺角固定在相同數(shù)值如90度起擺。測(cè)量振動(dòng)周期時(shí)應(yīng)用秒表計(jì)時(shí)，并記錄擺動(dòng)20個(gè)周期內(nèi)的時(shí)間，并重復(fù)測(cè)量5次以上，進(jìn)行求平均值來降低測(cè)量誤差。

3.上述求得的扭轉(zhuǎn)常數(shù)K以及擺動(dòng)周期T1，代入公式（7）中即可求得試驗(yàn)裝置托盤及固定夾具總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I1。

如圖5所示，將擺錘固定到試驗(yàn)裝置上，其中擺錘的旋轉(zhuǎn)中心和試驗(yàn)裝置的旋轉(zhuǎn)中心重合。當(dāng)臂長(zhǎng)L=736mm時(shí)，用試驗(yàn)裝置測(cè)量得到的振動(dòng)周期為T，那么此時(shí)獲得的試驗(yàn)裝置及擺錘的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和為： ，即擺錘的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

根據(jù)公式（5）：I0=mr×a2，可知mr=I0/a2，可通過不斷調(diào)節(jié)擺錘的配重來影響實(shí)際擺錘的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使擺錘的折算質(zhì)量控制在6.8kg±0.05kg范圍內(nèi)。

當(dāng)臂長(zhǎng)為范圍內(nèi)其它結(jié)果時(shí)，同樣通過上述方式，不斷調(diào)節(jié)擺錘所需的配置來影響實(shí)際擺錘的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使折算質(zhì)量在擺錘臂長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)均可以控制在6.8kg±0.05kg范圍內(nèi)。

2.3 試驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)分析

1）根據(jù)試驗(yàn)室環(huán)境條件，試驗(yàn)裝置應(yīng)在一年中的各種極端環(huán)境條件中正常運(yùn)行。電源要求：交流/單相 220（1±10%）V/50Hz；或交流/三相380（1±10%）V/50Hz；環(huán)境溫度：-5℃～40℃；相對(duì)濕度：（10～100）%RH。

2）頭枕吸能性試驗(yàn)要求沖擊速度24.1km/h，乘用車內(nèi)部凸出物的吸能性試驗(yàn)要求沖擊速度為19.3km/h、24.1km/h。為擴(kuò)展?jié)M足委托試驗(yàn)的需求，沖擊速度可設(shè)計(jì)范圍為：0km/h-30km/h。

3）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的需求、常見委托試驗(yàn)的需求，速度的控制精度可設(shè)計(jì)為：沖擊速度（18～30）km/h范圍內(nèi)，精度為≤0.4km/h；重復(fù)精度（0～0.3）km/h，速度值分辨率：0.01km/h。

4）一般試驗(yàn)過程中采集的最大加速度小于300g，為滿足委托試驗(yàn)的需求，加速度傳感器量程可選擇500g，數(shù)量2個(gè)；為保護(hù)試驗(yàn)裝置免受損壞，可設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置的沖擊加速度能承受最大值1000g，采集量程（0～500）g。

5）加速度的準(zhǔn)確度，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求為±5%，依據(jù)市場(chǎng)現(xiàn)有的加速度的靈敏度及設(shè)備采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確度，可選擇為±1g以內(nèi)，非線性小于1%，橫向靈敏度小于最小刻度值3%，抗沖擊保護(hù)：5000g；數(shù)據(jù)通道的頻率等級(jí)：（CFC）600（對(duì)應(yīng)于ISO 6487）。

2.4 試驗(yàn)裝置總體規(guī)劃

試驗(yàn)裝置采用擺臂沖擊設(shè)計(jì)，主要由機(jī)械、氣動(dòng)和電控三大部分組成。機(jī)械部分又由沖擊試驗(yàn)臺(tái)、輔助固定夾具及調(diào)整機(jī)構(gòu)、鐵地板組成。

2.4.1 機(jī)械部分

2.4.1.1 沖擊試驗(yàn)臺(tái)

1）滿足GB15083-2019中的頭枕吸能性試驗(yàn)、GB11550-2009中的頭枕吸能性試、UN R25中的頭枕吸能性試、UN R17的后向吸能性試驗(yàn)的需求：

如圖6所示，試驗(yàn)裝置由一個(gè)擺錘組成。試驗(yàn)裝置根據(jù)試驗(yàn)需求可進(jìn)行橫向范圍內(nèi)的移動(dòng)（可采用電動(dòng)調(diào)節(jié)），一般車身的寬度均小于2200mm，為保證委托試驗(yàn)需求，可設(shè)調(diào)整范圍為：≥2300mm。擺錘可進(jìn)行高度上的調(diào)整（可采用電動(dòng)調(diào)節(jié)），根據(jù)汽車座椅的不同高度，可設(shè)調(diào)整范圍至少為：300mm～1500mm（擺錘旋轉(zhuǎn)中心距輔助工裝固定臺(tái)面上表面最低位置）。擺錘的擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍至少為0°-100°，在范圍內(nèi)任意角度能夠鎖止。

2）滿足GB11552-2009、UN R21中乘用車內(nèi)部凸出物的吸能性試驗(yàn)的其他要求：

試驗(yàn)裝置應(yīng)能實(shí)現(xiàn)繞垂直軸線左右旋轉(zhuǎn)（電動(dòng)調(diào)節(jié)）的偏角度撞擊試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置應(yīng)裝備角度傳感器，可以局部或者整個(gè)試驗(yàn)裝置旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)應(yīng)能顯示試驗(yàn)裝置的旋轉(zhuǎn)角度，根據(jù)試驗(yàn)的需求，旋轉(zhuǎn)角度范圍至少為>-35°～35°，精度±0.5°，能夠在范圍內(nèi)任意角度鎖止，并在試驗(yàn)后不得轉(zhuǎn)動(dòng)。擺錘上安裝位移傳感器和角度傳感器，系統(tǒng)應(yīng)能顯示擺錘從回轉(zhuǎn)軸到?jīng)_擊頭型頂部的尺寸，以及擺錘在撞擊點(diǎn)時(shí)沖擊方向與垂直方向的角度，精度±0.5°。

針對(duì)擺錘從回轉(zhuǎn)軸到?jīng)_擊頭型頂部的尺寸可736mm-840mm之間連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度1mm，滿足在擺臂的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)擺錘的折算質(zhì)量6.8kg±0.05kg。

2.4.1.2 輔助固定夾具及調(diào)整機(jī)構(gòu)

輔助固定夾具工裝裝置放置于鐵地板上，如圖6所示，座椅或前半截車身應(yīng)能固定在該裝置的固定臺(tái)面上，固定臺(tái)面尺寸至少為：2500mm×1200mm，承載力＞1噸。固定臺(tái)面電動(dòng)縱向移動(dòng)，調(diào)整范圍：>1500mm。固定臺(tái)面在水平角度時(shí)，固定臺(tái)面上表面離鐵地板的最低位置<600mm。固定臺(tái)面電動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度范圍為：-10°-100°，能夠在范圍內(nèi)任意角度鎖止，并在試驗(yàn)中及試驗(yàn)后的轉(zhuǎn)動(dòng)不得超過0.5°。固定臺(tái)面應(yīng)均布100mm×100mm的T型槽，便于使用螺栓對(duì)座椅或車身進(jìn)行固定。

2.4.2 氣動(dòng)部分

外部氣源進(jìn)入試驗(yàn)裝置，首先經(jīng)過氣源處理元件進(jìn)行凈化和增壓裝置，然后進(jìn)入氣壓彈射裝置。氣壓彈射裝置主要由比例閥、氣罐、壓力傳感器、電磁閥及氣缸等組成。通過壓力傳感器和比例閥對(duì)氣罐內(nèi)的壓力進(jìn)行精確的閉環(huán)控制，此壓力控制目標(biāo)值是根據(jù)所要碰撞的速度及擺臂長(zhǎng)度等參數(shù)通過本試驗(yàn)裝置軟件計(jì)算得出。打開電磁閥，氣罐內(nèi)的氣體進(jìn)入氣缸，從而推動(dòng)擺臂和頭型按照預(yù)定的速度碰撞被試件表面。

2.4.3 控制系統(tǒng)

試驗(yàn)裝置的控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，硬件部分主要為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集及控制組件以及各種傳感器等。數(shù)據(jù)采集及控制組件的控制流程如圖7所示。

控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中的自動(dòng)控制和試驗(yàn)結(jié)果的自動(dòng)顯示、曲線繪制。并在試驗(yàn)后根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)取。如有異常自動(dòng)提示處理相應(yīng)故障。并且設(shè)置故障報(bào)警功能。在頭型內(nèi)部配置兩個(gè)壓阻式加速度傳感器，用于測(cè)量撞擊時(shí)的減速度。配置16位增量式編碼器用于測(cè)量沖擊臂的角度以及角速度，并計(jì)算得出頭型的沖擊速度。對(duì)加速度傳感器和角度傳感器均采用高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方式。配置壓力傳感器用于測(cè)量氣罐內(nèi)的壓力，并通過電控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)氣壓比例閥對(duì)氣罐內(nèi)的壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，達(dá)到較高的控制精度。控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別頭型碰撞被試件后的反彈時(shí)刻，并驅(qū)動(dòng)鎖緊裝置進(jìn)行鎖緊。試驗(yàn)后，控制系統(tǒng)應(yīng)能導(dǎo)出試驗(yàn)過程中的加速度曲線，以及對(duì)曲線進(jìn)行自動(dòng)處理。能準(zhǔn)確分析并顯示試驗(yàn)曲線中2個(gè)加速度的平均值：大于80g的持續(xù)時(shí)間、3ms內(nèi)的加速度值（連續(xù)值及累積值）、最大加速度值等。試驗(yàn)后的曲線自動(dòng)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，方便以后查詢及調(diào)取數(shù)據(jù)。

2.4.4 試驗(yàn)裝置安全防護(hù)需求

1）操作安全防護(hù)功能

系統(tǒng)須設(shè)置有多重安全保護(hù)措施。試驗(yàn)前，需要多位置開關(guān)聯(lián)鎖才可以進(jìn)行發(fā)射，保證不會(huì)因?yàn)檎`操作導(dǎo)致人員受到傷害。安裝報(bào)警裝置，報(bào)警裝置啟動(dòng)，才可進(jìn)行試驗(yàn)；試驗(yàn)完成，再通過按鈕解除報(bào)警。并設(shè)置急停裝置、位移保護(hù)限制，可通過位移變化自動(dòng)識(shí)別意外情況并作處理。

2）限位保護(hù)功能

試驗(yàn)裝置在移動(dòng)過程中設(shè)置限位功能，能避免設(shè)備局部部件在極限位置上發(fā)生干涉而損壞設(shè)備。包括擺錘的局部調(diào)整不應(yīng)與設(shè)備其它部件干涉。擺錘在沖擊過程中在到達(dá)最大旋轉(zhuǎn)角度前應(yīng)有防護(hù)裝置，避免擺錘與設(shè)備其他部件干涉而損壞?？刂葡到y(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別頭型碰撞被試件后的反彈時(shí)刻自動(dòng)鎖止沖擊裝置，防止對(duì)被試樣品進(jìn)行二次沖擊的功能。

3）電機(jī)自我保護(hù)功能

試驗(yàn)裝置的電機(jī)在廠房斷電、超載荷等條件下，有自我保護(hù)功能，防止電機(jī)在意外條件下被損壞。伺服電機(jī)設(shè)置超載報(bào)警保護(hù)、超行程保護(hù)、超負(fù)荷保護(hù)等安全措施。設(shè)置漏電保護(hù)器，起到漏電、過載、過電流等必要保護(hù)作用。

2.5 試驗(yàn)裝置使用效果評(píng)價(jià)

采用本試驗(yàn)裝置進(jìn)行吸能性試驗(yàn)，設(shè)定頭型沖擊速度在18km/h～30km/h的范圍內(nèi)，除標(biāo)準(zhǔn)需求的19.3km/h、24.1km/h外，為保證能滿足各項(xiàng)委托試驗(yàn)的需求，其他速度范圍內(nèi)均進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得的頭型撞擊中心的實(shí)際沖擊速度結(jié)果如表1所示：

通過上述分析，該試驗(yàn)裝置能滿足現(xiàn)有的各類法規(guī)速度準(zhǔn)確度±0.6km/h的要求，且控制精度大大提高。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外法規(guī)的乘用車內(nèi)飾件吸能性試驗(yàn)進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)完成的試驗(yàn)裝置可滿足現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外法規(guī)的乘用車內(nèi)飾件吸能性試驗(yàn)要求，包括：可進(jìn)行GB15083-2019中的頭枕吸能性試驗(yàn)、GB11550-2009中的頭枕吸能性試、UN R25中的頭枕吸能性試、UN R17的后向吸能性試驗(yàn)、GB11552-2009和UN R21中的乘用車內(nèi)部凸出物的吸能性試驗(yàn)，也可擴(kuò)展進(jìn)行乘用車內(nèi)部其他內(nèi)飾件的吸能性試驗(yàn)等。優(yōu)勢(shì)有：

1.采用伺服控制系統(tǒng)的方式，對(duì)試驗(yàn)裝置在各種工況下所需的氣體壓力進(jìn)行精準(zhǔn)控制，大大提高了擺錘沖擊時(shí)的速度控制精度。

2.沖擊試驗(yàn)臺(tái)能實(shí)現(xiàn)橫向和垂向的移動(dòng)，在進(jìn)行多席位頭枕及乘用車內(nèi)部不同位置的沖擊試驗(yàn)中，大大提供了試驗(yàn)工作的效率。

3.試驗(yàn)臺(tái)軟件界面能自動(dòng)捕捉?jīng)_擊碰撞時(shí)刻的加速度曲線，并自動(dòng)顯示試驗(yàn)曲線中2個(gè)加速度的平均值：大于80g的持續(xù)時(shí)間、3ms內(nèi)的加速度值、沖擊速度等關(guān)鍵數(shù)值，設(shè)備的操作更自動(dòng)化。

4.試驗(yàn)臺(tái)擺錘上安裝有速度分析編碼器，在試驗(yàn)準(zhǔn)備過程中及沖擊過程中能時(shí)刻跟蹤擺錘在擺動(dòng)過程中的角度變化，能準(zhǔn)確分析沖擊時(shí)刻的加速度值變化，去除其他時(shí)刻多次撞擊造成的干擾。

5.該試驗(yàn)臺(tái)即能滿足頭枕吸能性試驗(yàn)的需求，又能滿足乘用車內(nèi)部凸出物的吸能性試驗(yàn)需求，并且能擴(kuò)展汽車其他內(nèi)飾件吸能性試驗(yàn)的需求，大大提高了設(shè)備的通用性、可擴(kuò)展性。

總之該設(shè)備操作方便，功能全面，目前該試驗(yàn)臺(tái)一切運(yùn)作良好。通過本論文的分析研究，希望能為檢測(cè)中心、制造廠等在建立滿足國(guó)內(nèi)外法規(guī)的乘用車內(nèi)飾件的吸能性試驗(yàn)的能力建設(shè)中提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB15083-2019，汽車座椅、座椅固定裝置及頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法[S]，北京，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2019.

[2]GB11550-2009，汽車座椅頭枕強(qiáng)度要求和試驗(yàn)方法[S]，北京，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3]UN R25，Uniform provisions concerning the approval of head restraints （headrests），whether or not incorporated in vehicle seats[S].

[4]UN R17，Uniform provisions concerning the approval of vehicles with regard to the seats， their anchorages and any head restraints[S].

[5]GB11552-2009，乘用車內(nèi)部凸出物[S]，北京，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

專家推薦語

王長(zhǎng)江

國(guó)家汽車質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心（襄陽）

碰撞安全試驗(yàn)專業(yè)副總師 研究員級(jí)高級(jí)工程師

本文通過對(duì)汽車座椅和頭枕標(biāo)準(zhǔn)GB15083-2019、GB11550-2009、UN R25、UN R17和乘用車內(nèi)部凸出物標(biāo)準(zhǔn)GB11552-2009、UN R21的研讀和理解，分析和總結(jié)各標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于頭型沖擊試驗(yàn)方法，提煉出可滿足各標(biāo)準(zhǔn)的頭型沖擊試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)方案。

方案實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)是：沖擊速度控制精度和擺錘折算質(zhì)量，通過電控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)氣壓比例閥對(duì)氣罐內(nèi)的壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)沖擊速度控制精度滿足各標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍。在對(duì)擺錘的折算質(zhì)量計(jì)算中，應(yīng)用能量守恒定律，即撞擊點(diǎn)的動(dòng)能等于剛體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)動(dòng)能和剛體自轉(zhuǎn)動(dòng)能之和，避免忽略擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)結(jié)果的影響。通過扭擺法測(cè)量擺錘的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，再根據(jù)折算質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的關(guān)系，計(jì)算擺錘實(shí)際的折算質(zhì)量對(duì)之前的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行校核，試驗(yàn)驗(yàn)證該方法有效性。該裝置也可擴(kuò)展進(jìn)行乘用車內(nèi)部其他內(nèi)飾件的吸能性試驗(yàn)。

本文的研究成果對(duì)于汽車內(nèi)飾件頭型沖擊類試驗(yàn)有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和借鑒意義。