唐家兵

（中國(guó)汽車工程研究院，重慶 401122）

彈簧蓄能式頭型沖擊發(fā)射機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究

唐家兵

（中國(guó)汽車工程研究院，重慶 401122）

本文介紹了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的頭型速度發(fā)生裝置，同時(shí)也將開發(fā)中的失敗過(guò)程也呈獻(xiàn)給大家。

頭型；速度；發(fā)射；機(jī)構(gòu)

CLC NO.:U463.833Document Code:A A rticle ID: 1671-7988(2014)06-44-03

前言

在汽車測(cè)試中，按相關(guān)的法規(guī)，需要進(jìn)行6.8kg（也有其它重量要求如10kg）頭型沖擊試驗(yàn)，即用一套機(jī)構(gòu)將固定重量的頭型以一定的速度（如7m/s）發(fā)射出去，當(dāng)頭型與被試件沖擊時(shí)，測(cè)量頭型減速度從而評(píng)價(jià)被試件的沖擊吸能特性。本文介紹了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的頭型速度發(fā)生裝置，同時(shí)也將開發(fā)中的失敗過(guò)程也呈獻(xiàn)給大家，供業(yè)界同行參考。

1、頭型速度發(fā)生裝置需要解決的問(wèn)題

頭型沖擊試驗(yàn)通常是破壞性試驗(yàn)，也就是一次性試驗(yàn)后，被試件基本就破壞了。因此要求速度發(fā)生裝置速度控制要有較高的精度和重復(fù)性，也就是要求產(chǎn)生速度一次成功，法規(guī)要求速度誤差通常在±0.2m/s之內(nèi)。

由于頭型上要安裝加速度傳感器，而傳感器有線束相聯(lián)，這就要求頭型還不能完全“自由”地飛出去，通常需要導(dǎo)向，否則線束極易斷裂，也容易造成加速度傳感器和頭型本身的損壞。但是頭型一旦有導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，摩擦損失不可避免，因此導(dǎo)向機(jī)構(gòu)要使摩擦阻力盡可能小，測(cè)試中才對(duì)結(jié)果影響不大。

2、一種簡(jiǎn)單實(shí)用的頭型發(fā)射裝置

2.1 頭型及導(dǎo)向部分設(shè)計(jì)

按上述要求，我將頭型設(shè)計(jì)成帶導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)，頭型前球冠面尺寸按相關(guān)法規(guī)要求設(shè)計(jì)。

球頭部分與導(dǎo)桿總質(zhì)量要滿足法規(guī)要求的頭型質(zhì)量。

剛開始，我設(shè)計(jì)的導(dǎo)向裝置采用了直線軸承，如圖2。由于頭型飛出去時(shí)速度高達(dá)7m/s，一般直線軸承承受不了這種高速度，結(jié)果很快軸承就壞了。

后來(lái)將導(dǎo)桿支撐結(jié)構(gòu)改成如下圖所示結(jié)構(gòu)，采用軸承+導(dǎo)輪形式，導(dǎo)輪內(nèi)有滾動(dòng)軸承，這樣即能滿足高速的要求，又能解決低摩擦的問(wèn)題。

2.2 發(fā)射部分設(shè)計(jì)

本發(fā)射裝置采用了壓縮彈簧蓄能方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于頭型受到重力影響，導(dǎo)向桿過(guò)長(zhǎng)會(huì)使頭型在飛行過(guò)程中彎曲下垂；為了減小摩擦力影響，盡量減小導(dǎo)向長(zhǎng)度，因此在設(shè)計(jì)彈簧時(shí)，彈簧剛度要盡量大，發(fā)射行程盡量減短。我采用了氣缸將彈簧拉回，受氣缸拉力的影響，彈簧剛度也不能太大，否則拉不動(dòng)。

最初設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖4所示時(shí)，是讓氣缸活塞桿與彈簧保持連接。當(dāng)氣缸有桿腔充入壓縮空氣時(shí)，彈簧便被拉回，處于蓄勢(shì)待發(fā)狀態(tài)，然后讓有桿腔壓縮氣體通大氣，產(chǎn)生發(fā)射動(dòng)作。結(jié)果發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生速度很低。分析原因主要有兩個(gè)：一是壓縮氣體通大氣時(shí)，氣缸出氣口通徑太小，產(chǎn)生了較大的阻尼，二是氣缸本射摩擦力很大，而且本身也不耐高速。這兩個(gè)原因把彈簧蓄的能量吃掉了一大半。

現(xiàn)在的問(wèn)題是需要將活塞桿脫開。我們?cè)O(shè)計(jì)的彈簧最大拉力達(dá)到近兩噸，如果用電磁鐵來(lái)分離，電磁鐵需要吸附的鋼件質(zhì)量很大，它運(yùn)動(dòng)起來(lái)會(huì)消耗掉大量彈簧能量。考慮到這個(gè)因素，不能選電磁鐵方式。

如是將活塞桿與彈簧拉桿之間的連接銷拔掉，當(dāng)然就脫開了。事實(shí)上這種方法不可取。原因有二：一是當(dāng)拉力達(dá)到近兩噸時(shí)，這個(gè)銷子不易拔出來(lái)。更為嚴(yán)重的是，即使拔得出來(lái)，在拔銷的過(guò)程中，由于銷子作用面積越來(lái)越小，而且接近零件的邊緣部分，最后拔出階段，將局部損壞（啃掉）銷子或拉耳邊緣。

本人設(shè)計(jì)的脫鉤機(jī)構(gòu)如下：

此脫鉤機(jī)構(gòu)采用了凸輪機(jī)構(gòu)及多連桿結(jié)構(gòu)。利用凸輪穩(wěn)定與非穩(wěn)定之間的突變來(lái)實(shí)現(xiàn)脫鉤，利用多連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)巧力脫鉤。過(guò)程如下：

第一步，氣缸將彈簧拉回，此時(shí)脫鉤機(jī)構(gòu)還未參與。

第二步，將脫鉤機(jī)構(gòu)置于圖7所示的位置，然后，將氣缸壓縮氣體放掉。此時(shí)脫鉤凸輪承擔(dān)了所有的彈簧拉力。整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)繃緊，由于連桿之間的角度關(guān)系，系統(tǒng)處于安全的自鎖狀態(tài)。

第三步，將氣缸活塞上的連接銷拔掉（此時(shí)很容易拔掉），讓氣缸活塞縮回，此時(shí)完成了發(fā)射準(zhǔn)備，進(jìn)入一觸即發(fā)的狀態(tài)。

第四步，觸發(fā)。由觸發(fā)氣缸活塞下壓即完成觸發(fā)。由于連桿之間的角度關(guān)系，觸發(fā)氣缸只用很小的力即可完成觸發(fā)，如圖9所示。在此過(guò)程中凸輪經(jīng)過(guò)了穩(wěn)定、臨界、失穩(wěn)的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程干凈利落，一氣呵成。整個(gè)觸發(fā)過(guò)程凸輪接觸副沒有發(fā)生邊緣受力的情況，也就不會(huì)發(fā)生“啃肉”的情況。

為了對(duì)稱受力，凸輪設(shè)計(jì)成雙耳形式。圖10所示。

整機(jī)最終圖如下圖所示。

本發(fā)射裝置對(duì)速度的控制是通過(guò)標(biāo)定得出來(lái)的，也就是試出來(lái)的，因此脫鉤機(jī)構(gòu)在發(fā)射方向初始位置是可調(diào)節(jié)的(即彈簧的初始?jí)嚎s量是可調(diào)的)。通常在試驗(yàn)前需要空打一次或幾次，以確認(rèn)速度滿足要求。從我們的使用的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，只要目標(biāo)速度不變，調(diào)節(jié)好后，重復(fù)性是相當(dāng)高的，完全滿足法規(guī)公差要求。只是由于試驗(yàn)通常是破壞性試驗(yàn)，為了保險(xiǎn)起見，試驗(yàn)前最好空打一次，確認(rèn)一下。

3、結(jié)論

本文介紹的方法是筆者在實(shí)踐中實(shí)際應(yīng)用的總結(jié)，這套機(jī)構(gòu)已在我院檢測(cè)中心應(yīng)用多年，做過(guò)很多次試驗(yàn)，實(shí)用效果良好。這套裝置經(jīng)濟(jì)實(shí)用，制造、使用、維護(hù)成本都很低。我把失敗的教訓(xùn)以及成功的經(jīng)驗(yàn)，尤其是這種脫鉤機(jī)構(gòu)的思想都呈現(xiàn)出來(lái)，希望能給業(yè)界同行提供參考。

Spring storage design and study the im pact of the first type of firing mechanism

Tang Jiabing
(China Automotive Engineering Research Institute, Chongqing 401122)

This paper introduces an econom ic and practical head torso launch bench. And it also displays the failure sample during development.

head torso; speed; launch; bench

U463.833

A

1671-7988(2014)06-44-03

唐家兵，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，就職于中國(guó)汽車工程研究院重慶凱瑞汽車試驗(yàn)設(shè)備開發(fā)有限公司，長(zhǎng)期從事汽車測(cè)試設(shè)備的開發(fā)與研究。