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(上海應用技術學院 機械工程學院， 上?！?01418)

引言

至2014年底，我國汽車保有量已經達到了1.54億輛，汽車的安全性能日益得到重視。汽車座椅作為車身內直接與人體接觸的零部件，在對駕乘人員的安全保護中起著重要作用。

汽車座椅安全帶固定點的強度是汽車被動安全的重要組成部分，在汽車運行中既能使乘員處在自身的安全空間內，也使乘員在遇事故發(fā)生過程中保持一定的姿勢，以便其他約束系統(tǒng)能充分發(fā)揮各自相應的保護功能。因此，對座椅安全帶固定點強度的檢測非常重要，安全帶固定點足夠的強度可以降低汽車發(fā)生事故時對人體的傷害，各國對汽車座椅安全帶固定點強度檢測都有規(guī)定的檢測指標要求。

1　加載方式與基本要求

1.1　加載方式選擇

作為汽車座椅性能檢測設備整體的重要組成部分，設備的加載系統(tǒng)設計至關重要，它既需要體現(xiàn)座椅安全帶固定點強度試驗標準要求的加載方法，又需要確保對加載過程及載荷值的準確控制，而選擇怎樣的主體方式來完成對被檢測對象實施加載無疑是重要的，常采用的加載方式有機械式加載、電氣加載和液壓加載等。

機械式加載方式通常是在電動機等原動機驅動下，通過齒輪、凸輪、連桿等各類機構傳遞運動和動力，由執(zhí)行機構(元件)完成規(guī)定動作，對物體進行加載，機械結構運動可靠性、穩(wěn)定性高，但在不同工作要求下運動鏈較長會使機械結構尺寸較大，有的結構難以實現(xiàn)無級平滑調整或有振動噪音等。電氣加載常采用電機為執(zhí)行元件，由計算機、控制器、傳感系統(tǒng)、各類電機組成，主運動為電機轉動，可用于力矩加載，加載分辨率高，適用于小載荷加載情況，系統(tǒng)穩(wěn)定；電力驅動元件主要類型有兩種，回轉運動型和直線運動型，將電能轉化為機械能，輸出回轉運動和轉矩或直線運動和力，如步進電機、伺服電機等，但伺服電機輸出力矩小，無法模擬大載荷加載情況，且易產生多余力矩[1，2]。

基于流體力學、工程力學等學科理論的液壓傳動，是以液體壓力能進行傳遞和轉換能量的液體傳動[3]，同樣可以實施對物體的加載，液體壓力的大小取決于負載，廣泛應用于各種機械設備中。液壓加載相對于其他加載方式，傳動裝置體積小，慣性小，功率質量比大，較小的執(zhí)行器能輸出很大的載荷，響應速度快，能夠進行大范圍無級調速，具有過載保護能力?；谝簤簜鲃优c控制系統(tǒng)的應用特性和汽車座椅性能檢測標準中載荷大、加載迅速等要求，在本座椅安全帶固定點強度檢測設備中選用液壓系統(tǒng)完成加載目標要求。

1.2　加載基本要求

按照汽車座椅安全帶固定點檢測標準的要求，模擬座椅安全帶在汽車運行時的實際工況，將座椅安裝在滑軌上，在座椅上放置上、下人體模塊，固定試驗安全帶，通過液壓加載系統(tǒng)的拉力作用于座椅安全帶，從而對安全帶固定點實施加載，以檢測安全帶固定點的強度。我國試驗標準中要求檢測設備在規(guī)定時間內所施加載荷達到13500 N的規(guī)定值，座椅安全帶固定點加載受力狀態(tài)見圖1。

圖1　安全帶固定點加載受力簡圖

2　液壓加載系統(tǒng)設計

2.1　液壓傳動與控制基本原理

液壓傳動是依靠在封閉管路中受壓流體為工作介質進行能量交換、傳遞、控制和分配的傳動方式[4]。液壓傳動系統(tǒng)一般由動力、執(zhí)行、控制、輔助元件和工作介質五部分組成。

動力元件是將原動機提供的機械能轉換成液體壓力能的裝置，依靠液壓能來傳遞動力和信號，通常稱為液壓泵。執(zhí)行元件是把輸入的液壓能轉化為機械能的裝置，分為液壓缸和液壓馬達。而控制元件的作用是控制液壓傳動系統(tǒng)中的壓力、流量、液流方向，以改變執(zhí)行元件的作用力、運動速度和運動方向等。而濾油器、油箱等是確保液壓系統(tǒng)工作不可缺少的輔助元件，液壓系統(tǒng)的工作介質通常采用液壓油，它是系統(tǒng)的傳遞介質。

液壓傳動系統(tǒng)的控制方式一般有泵控和閥控，泵控加載難度大、成本高，因此常采用閥控的方式對工作液體的壓力、流量和方向等輸出量進行控制或調節(jié)，控制閥的性能將直接影響到傳動系統(tǒng)的工作過程及其特性。

2.2　液壓加載系統(tǒng)設計

基于液壓傳動與控制基本原理，本液壓加載系統(tǒng)主要由電機、葉片泵、電磁換向閥、比例溢流閥、溢流閥、單向閥、高壓濾油器、油缸、油路閥塊、油箱及管接頭、壓力表等輔助元件組成。

根據(jù)座椅性能試驗標準要求，沿如圖1所示的加載方向即為連接上、下人體模塊的牽引繩方向，為實施檢測，將牽引繩安裝固定于一雙滑輪裝置上，雙滑輪裝置直接與液壓缸活塞桿相連，通過液壓缸活塞桿的伸縮運動實現(xiàn)對安全帶施載以測試座椅固定點強度。安全帶固定點強度檢測正式加載前，液壓缸活塞桿首先外伸，以便于安全帶、人體模塊等零部件的安裝連接，而后活塞桿退回進行預拉操作，使系統(tǒng)處于加載準備狀態(tài)；完成預拉后進入座椅性能的實際試驗檢測階段，液壓系統(tǒng)對座椅實施加載，在規(guī)定時間內載荷達到拉力峰值13500 N，而后為保載和卸載過程，最后液壓缸活塞桿再次外伸放松安全帶并拆解后返回原位停止，檢測試驗過程由計算機系統(tǒng)控制。

液壓加載系統(tǒng)完成一次加載的整體動作循環(huán)過程為：預拉—加載—保載—卸載—松帶—返回—停止。圖2為液壓加載系統(tǒng)原理圖。

按照加載壓力控制連續(xù)性要求，本液壓系統(tǒng)設計的關鍵之一是系統(tǒng)工作過程中如何對載荷進行有效控制。基于電液比例控制技術[5]能夠實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的壓力、流量和運動狀態(tài)等工作參數(shù)的連續(xù)、精確控制，并能防止壓力或速度變化及換向時的沖擊，使液壓系統(tǒng)的構成得到簡化，所以在本液壓系統(tǒng)中采用比例溢流閥對被控參數(shù)進行連續(xù)控制，由此來控制執(zhí)行元件液壓缸的壓力變化。在標準試驗狀態(tài)下工作時，由計算機控制換向閥動作，電機驅動液壓泵輸出的液壓油經過三位四通電磁換向閥、二位三通電磁換向閥、單

1.過濾器　2.液壓泵　3.高壓濾油器　4.電機　5.壓力表 6.油標　7.空氣濾清器　8.溢流閥　9.三位換向閥 10.二位換向閥　11.壓力傳感器　12.液壓缸 13.單向閥　14.比例溢流閥圖2　液壓加載系統(tǒng)原理圖

向閥流入液壓缸有桿腔驅動活塞桿向左運動，有桿腔工作壓力由比例溢流閥控制，對座椅安全帶實施加載。液壓系統(tǒng)電磁鐵動作見表1，1DT，2DT為三位四通換向閥的兩個電磁鐵，3DT為二位三通換向閥的電磁鐵，“+”、“-”號分別表示電磁鐵通電和電磁鐵斷電。

液壓系統(tǒng)工作時，當電磁鐵1DT“-”，2DT“+”，3DT“+”時，液壓油經三位換向閥、二位換向閥、單向閥后進入液壓缸有桿腔，回油經三位換向閥回到油箱；調整比例溢流閥的放大器使其處于“零”電壓信號輸入時，為“預拉”狀態(tài)；當比例溢流閥放大器處于“加載速率”信號輸入時，則液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)為“加載”狀態(tài)，由比例溢流閥控制液壓缸有桿腔壓力，即控制試驗設備檢測工作時液壓系統(tǒng)的加載壓力。加載要求按試驗規(guī)范分別設定為10 s、30 s、60 s，控制系統(tǒng)按設定的加載速率增加拉力值。在規(guī)定加載時間內，當反饋拉力信號達到設定值后，計算機控制系統(tǒng)立即停止加載，并保持狀態(tài)到該時段結束。當電磁鐵動作切換至“停止”狀態(tài)，即1DT、2DT、3DT均為“-”，此時油路全封閉，液壓泵卸荷，液壓缸有桿腔保持壓力，亦即拉力保持狀態(tài)；油路中可能會因微量泄漏等因素而使拉力載荷值有緩慢微量下降，為避免這種現(xiàn)象對液壓加載系統(tǒng)的保載過程帶來影響，系統(tǒng)特別設置了微小的加載載荷增量，當給比例溢流閥放大器輸入該增量信號時，液壓系統(tǒng)可增加微量壓力，以補償負載隨時間而產生的松懈。

當電磁鐵處于1DT“+”，2DT“-”，3DT“-”時，油液經三位換向閥進入液壓缸無桿腔，有桿腔回油依次經二個換向閥流入回油箱，實施卸載；安全帶拆卸后，當點動控制電磁鐵為1DT“-”，2DT“+”，3DT“-”時，油缸實現(xiàn)返回動作；點動返回完成后，電磁鐵處于“停止”狀態(tài)，即1DT、2DT、3DT均為“-”，此時液壓缸內無壓力，液壓系統(tǒng)原位停止。

表1　液壓系統(tǒng)電磁鐵動作表

液壓系統(tǒng)中的力傳感器測量并反饋拉力信號，檢測系統(tǒng)作用力加載值是否達到設定值；壓力表用于調試時觀察液壓工作壓力值。為了對系統(tǒng)的總體壓力作有效控制，在油泵出口并聯(lián)一個主溢流閥，以限定液壓系統(tǒng)的最高壓力；系統(tǒng)中的單向閥用于控制油液的單向流動。

2.3　主要參數(shù)及設計計算

由座椅性能檢測試驗標準，液壓系統(tǒng)選用電機型號QA2.2-4B5，功率2.2 kW，轉速1450 r/min；葉片泵型號PUL1-6-F-IR-U，排量6 mL/r；EBG-03-C比例溢流閥最高工作壓力24.5 MPa，壓力調整范圍1.5～15.7 MPa。 比例溢流閥主要用于座椅安全帶固定點強度試驗中對壓力等液壓參數(shù)進行連續(xù)程序控制，并應用其定壓特性進行加載壓力控制。電磁換向閥型號為DFA-3C6-02G-D24-35和DFA-2B2-02G-D24-35，單向閥型號CV-03T，高壓濾油器型號為ZUI-H25×10DBP。

葉片泵輸出實際流量：

Q=qnηv=7.83 L/min

(1)

式中，q—— 泵排量

n—— 電機轉速

ηv—— 泵容積效率

由電機功率p=2.2 kW，得葉片泵最大工作壓力：

pmax=60pηm/qn=13.66 MPa

(2)

式中，ηm—— 泵機械效率

所以，系統(tǒng)工作壓力控制低于13. 5 MPa，比例溢流閥的實際工作壓力一般控制在13 MPa以下。

液壓缸的缸徑為80 mm，桿徑為55 mm，行程為400 mm，設液壓缸機械效率η=0.9，油缸能達到最大拉力值：

F=p(D2-d2)πη/4=30997 N

(3)

F試驗man=30000 N

(4)

則Fman>F試驗man，滿足試驗要求。

液壓缸工作速度：

v進=Q/A1=0.026 m/s

(5)

v退=Q/A2=0.049 m/s

(6)

式中，v進—— 無桿腔進油時的運動速度

v退—— 有桿腔進油時的運動速度

A1—— 液壓缸無桿腔面積

A2—— 液壓缸有桿腔面積

2.4　液壓泵站設計

液壓泵站按泵的布置方式可分為立式、臥式、旁置式及下置式等四種型式[6]。設計中考慮到試驗設備的工作要求和結構緊湊要求，以及減少油箱發(fā)熱等對試驗設備的影響，在整體布局中將液壓泵站獨立安置于試驗設備之外，將泵、閥、儀表、過濾器等放于油箱之上，設計成立式液壓泵站。電動機安裝在油箱蓋上方，通過聯(lián)軸器與泵連接安裝。液壓泵站結構形式如圖3所示，這樣設計使得泵站結構緊湊, 占用空間小，液壓站油箱由鋼板焊接而成，容積100 L，有效容積70～80 L，整體作鍍鎳磷處理，以達到美觀和防銹之效果。

圖3　液壓站結構圖

3　結論

針對汽車座椅安全帶固定點強度檢測試驗的標準要求設計了液壓加載系統(tǒng)，加載準確，操作方便，運行平穩(wěn)可靠，已在某企業(yè)的生產實際中得到應用。提高了企業(yè)自主檢測能力和檢測自動化水平，降低了企業(yè)的生產成本。

參考文獻：

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[4]劉和平.液壓與氣壓傳動[M].上海:上海交通大學出版社,2011.

[5]楊征瑞，花克勤，等.電液比例與伺服控制[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2009.

[6]張萌，李波，等.全液壓深孔巖芯鉆機液壓系統(tǒng)設計與研究[J].機床與液壓，2008，36(12)：102-106.

中國機械工程學會流控分會與國家氣動產品質檢中心共建奉化服務站

2015年10月11日，中國機械工程學會流體傳動與控制分會主任委員孔祥東校長、副主任委員兼總干事李永順主任以及副總干事趙曼琳主編代表學會，與寧波市政府、組織部相關領導完成了奉化服務站的簽約和授牌儀式。流控分會將與國家氣動產品質量監(jiān)督檢驗中心共建奉化服務站。

氣動液壓產業(yè)在寧波市的工業(yè)中具有重要的地位，奉化市更是我國氣動產業(yè)集群示范基地和最主要的氣動元件出口基地。在寧波市“機器換人”、“創(chuàng)新驅動”等政策的推動下，奉化市的氣動液壓企業(yè)在近些年取得了長足的進步，發(fā)展迅速。但同時，也暴露出高層次人才引進困難、新產品研發(fā)方向不明確、部分技術難題長期難以解決等問題，制約了企業(yè)的進一步發(fā)展。此次流控分會和國家氣動產品質檢中心在奉化共建服務站，將緊密圍繞企業(yè)需求，搭建引智、融智、提智平臺，更好地為地方氣動液壓產業(yè)服務。奉化服務站不僅是一座聯(lián)系高校和企業(yè)合作的橋梁，也是能夠幫助企業(yè)解決難題的智慧平臺。

目前，針對浙江億日、佳爾靈、索諾等企業(yè)提出的氣動產品金屬表面氧化處理的技術難題，服務站已經積極安排武漢材料保護研究所的幾位專家與企業(yè)進行對接。在今后，服務站將積極借助流體傳動與控制分會的技術和人才資源，推動地方氣動液壓產業(yè)借力提升。