白建坤，林小鳳，徐成亮，臧孟炎

（1.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510470；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641）

行人碰撞試驗(yàn)頭部發(fā)射裝置角度調(diào)整機(jī)構(gòu)的研究與設(shè)計

白建坤1，林小鳳1，徐成亮2，臧孟炎2

（1.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510470；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641）

試驗(yàn)要求行人頭部模塊以不同的發(fā)射角度與車輛風(fēng)擋玻璃碰撞，發(fā)射裝置需根據(jù)試驗(yàn)的不同要求在-20°～90°范圍內(nèi)進(jìn)行角度調(diào)整，當(dāng)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)達(dá)到預(yù)定發(fā)射角度后，角度調(diào)整機(jī)構(gòu)還應(yīng)能實(shí)現(xiàn)角度自鎖功能，保證發(fā)射角度的準(zhǔn)確性。

碰撞；發(fā)射裝置；角度調(diào)整；自鎖

0 引言

行人保護(hù)的概念最早由美國于20世紀(jì)60年代提出，當(dāng)時由于研究手段和試驗(yàn)裝備有限，直到20世紀(jì)80年代才在歐洲得到政府和汽車企業(yè)的重視。目前，在歐美、日本等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)已相繼出臺與本國相適應(yīng)的行人保護(hù)法規(guī)，而且還將行人保護(hù)測試內(nèi)容納入到新車評價規(guī)程（NCAP，New car assessment program）中，以促進(jìn)汽車企業(yè)提升車輛在行人保護(hù)方面的安全性。相比于國外，我國的行人保護(hù)立法工作起步較晚，對新車的行人保護(hù)安全性評價體系也不及國外完善。為了讓我國自主汽車品牌能夠更好地拓展海外市場，避免國外技術(shù)壁壘的影響，我國也亟需開展行人保護(hù)試驗(yàn)來驗(yàn)證車輛的行人保護(hù)安全性，而行人頭部模塊發(fā)射裝置正是開展行人保護(hù)安全性測試的一種設(shè)備，角度調(diào)整機(jī)構(gòu)是行人頭部模塊發(fā)射裝置的重要組成部分。

1 角度調(diào)整機(jī)構(gòu)概述

頭部發(fā)射裝置角度調(diào)整機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、減速齒輪副、絲杠螺桿三部分組成。角度調(diào)整機(jī)構(gòu)要求行人頭部模塊以不同的角度與汽車風(fēng)擋玻璃碰撞，需要對發(fā)射裝置做角度調(diào)整。該機(jī)構(gòu)應(yīng)能提供試驗(yàn)所需的角度調(diào)整范圍，同時達(dá)到預(yù)定角度后應(yīng)能滿足自鎖要求以保證角度不變。當(dāng)發(fā)射裝置的頭部模塊質(zhì)量為4.5kg時，最大發(fā)射速度不小于11.5m/s時，角度調(diào)整機(jī)構(gòu)的角度調(diào)整范圍應(yīng)在-20°～90°。

2 角度調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計

步進(jìn)電機(jī)通過減速齒輪副驅(qū)動絲杠螺母轉(zhuǎn)動，絲杠螺母外圈即為減速齒輪副大齒輪，從而使絲杠螺桿相對螺母伸縮運(yùn)動帶動發(fā)射裝置繞固定鉸接點(diǎn)做角度調(diào)整。發(fā)射裝置一端鉸鏈固定在支撐架上，另一端與絲杠螺桿鉸鏈接，與螺桿配合的絲杠螺母軸向固定在外殼內(nèi)，外殼與機(jī)架鉸接構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。

2.1 步進(jìn)電機(jī)的選型

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩需不小于1.39N·m，且需配有行星齒輪減速器，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、結(jié)構(gòu)和布置位置的要求，進(jìn)一步確定步進(jìn)電機(jī)型號，選用的步進(jìn)電機(jī)型號、參數(shù)及具體結(jié)構(gòu)見表1和圖1，圖1中L=53mm、L1=73mm。步進(jìn)電機(jī)輸出軸有鍵槽，直接和小齒輪通過鍵連接，小齒輪懸臂布置。

圖1 步進(jìn)電機(jī)及行星減速器尺寸

表1 步進(jìn)電機(jī)的型號及參數(shù)

2.2 減速齒輪副的設(shè)計與校核

步進(jìn)電機(jī)通過齒輪副驅(qū)動角度調(diào)整絲杠螺母轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)角度調(diào)節(jié)，齒輪副起到減速增矩作用，角度調(diào)整機(jī)構(gòu)中減速齒輪副的設(shè)計如下。

2.2.1 齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)

齒輪副選用直齒圓柱齒輪傳動，由于傳動機(jī)構(gòu)主要用做角度調(diào)節(jié)，傳遞的功率不大，故大小齒輪都選用軟齒面。齒輪材料均選用45號鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)，齒面硬度HBS1= 230，大齒輪?；?，齒面硬度為HBS2= 190。初選精度等級7級（GB/ T 10095.1-2001），傳動比i=3，選取小齒輪齒數(shù)z1=20，大齒輪齒數(shù)z2=z1×i= 60，取59，修正傳動比i=z2/z1= 59/20 = 2.95。

2.2.2 齒輪按接觸強(qiáng)度設(shè)計

由于大小齒輪為封閉式軟齒面?zhèn)鲃?，主要的失效形式為點(diǎn)蝕，故按接觸強(qiáng)度設(shè)計。K為載荷系數(shù)，初選Kt= 1.5；T3為小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩（N.mm），T3=T2/i；T2為角度調(diào)整絲杠摩擦轉(zhuǎn)矩（N.mm）；φd為齒寬系數(shù)，小齒輪懸臂布置，取0.5；ZE為彈性影響系數(shù)，根據(jù)選取的材料取189.8 MPa1/2；ZH為節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)齒輪壓力角α=20°時，ZH= 2.5；[σH]為接觸疲勞許用應(yīng)力（MPa）。

疲勞強(qiáng)度極限：根據(jù)齒面硬度查得齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim1= 560MPa，σHlim2= 390MPa。

應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：假設(shè)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速為n1= 100r/min，工作壽命10年，由于角度調(diào)整只作間歇性傳動，假設(shè)一天工作時間4小時，則：N= 60n L= 60× 100 × (10× 300× 4) = 7.2× 107

接觸疲勞許用應(yīng)力：按失效概率1%，安全系數(shù)SH=1，經(jīng)計算后，取[σH]=[σH]2=378.3MPa。

減速齒輪副強(qiáng)度校核均按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核，計算彎曲應(yīng)力，大小齒輪彎曲強(qiáng)度均安全（表1）。

表2 大小齒輪幾何尺寸

2.3 絲杠螺桿的設(shè)計與校核

角度調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計難點(diǎn)在于絲杠螺桿的載荷隨著發(fā)射角度的調(diào)整而變化，所以設(shè)計需先確定絲杠螺桿載荷和發(fā)射角度之間的函數(shù)關(guān)系并確定最大工況點(diǎn)，并以此作為絲杠螺旋副的設(shè)計依據(jù)。

2.3.1 確定最大載荷

如圖2和圖3所示，對發(fā)射裝置做受力分析確定最大負(fù)載。O點(diǎn)為裝置與機(jī)架的鉸接點(diǎn)，P點(diǎn)為角度調(diào)整絲杠鉸接點(diǎn)，C點(diǎn)為推桿運(yùn)行到最遠(yuǎn)端時發(fā)射裝置的質(zhì)心，Q點(diǎn)為絲杠螺旋副與機(jī)架之間的鉸接點(diǎn)。對于質(zhì)心位置，可以通過在SolidWorks環(huán)境中定義零部件的材料屬性（主要是確定其密度），并用質(zhì)量屬性功能計算得到。C、P、O點(diǎn)的相對距離亦可通過測量得到。

圖2 發(fā)射裝置鉸接點(diǎn)與質(zhì)心相對位置

圖3 發(fā)射裝置角度變化受力分析圖

如圖3中，點(diǎn)O、C、P為水平發(fā)射時的三點(diǎn)的相對位置，點(diǎn)O、C1、P1為與水平線呈a角度發(fā)射時的相對位置，G為發(fā)射裝置所受重力，1F為絲杠對鉸接點(diǎn)P1的拉力。以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，單位mm。d為O點(diǎn)到P1點(diǎn)的距離，可由解析幾何點(diǎn)到線的距離公式獲得。由力矩平衡公式，可得到1F關(guān)于轉(zhuǎn)角α的函數(shù)關(guān)系，函數(shù)最值求解難度較大，故在MATLAB軟件中編寫程序求得函數(shù)圖像和最值。經(jīng)運(yùn)算得出，當(dāng)α= 13.31°時，F(xiàn)1有最大值F1max= 1223.54N。

2.3.2 確定牙型、材料和許用比壓

絲杠螺桿采用梯形螺紋，單線程n=1；螺桿、螺母均選用45號鋼；根據(jù)牙面滑移速度、潤滑及材料，查機(jī)械設(shè)計手冊，許用比壓Pp=4～7MPa，取pp= 5MPa。

2.3.3 檢驗(yàn)自鎖性及絲杠螺桿強(qiáng)度校核

驗(yàn)算自鎖性：通過計算導(dǎo)程角和計算當(dāng)量摩擦角，μ為摩擦系數(shù)，鋼和鋼取0.13。，角度調(diào)整絲杠滿足自鎖要求。

螺紋摩擦轉(zhuǎn)矩σca=15.08MPa<σP= 100MPa，故絲杠螺桿滿足強(qiáng)度要求。螺桿和螺母選用材料相同，故按螺桿做螺牙強(qiáng)度計算。牙根寬度τ＜τP= 60MPa，牙根剪切滿足強(qiáng)度要求；σb＜σbP= 110MPa ，故牙根彎曲滿足強(qiáng)度要求。由于絲杠螺桿伸縮過程主要受拉，故無需進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性校核。

3 結(jié)語

發(fā)射裝置角度調(diào)整機(jī)構(gòu)主要零部件的設(shè)計均符合機(jī)械設(shè)計相關(guān)規(guī)定且滿足設(shè)計要求。在發(fā)射質(zhì)量為4.5kg，發(fā)射速度不小于11.5m/s時，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射角度在-20°～90°范圍調(diào)整，能夠滿足目前所有行人保護(hù)法規(guī)中關(guān)于頭部模塊沖擊試驗(yàn)的要求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

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圖8 跳焊法示意圖

（3）錘擊或碾壓焊縫（圖9）：每焊一道焊縫使用壓縮空氣冷卻并用小木槌錘擊焊縫區(qū)，使焊縫得到延伸，從而降低內(nèi)應(yīng)力，降低波浪變形；錘擊的時候一定要保證從波浪變形的外圓處敲擊，不能對變形點(diǎn)直接敲擊，因?yàn)檫@樣可能造成金屬疊加，對整個材料都有損傷。

圖9 錘擊和碾壓示意圖

4 其它注意事項(xiàng)

（1）氬氣流量選擇在15L/min至25L/min，起弧電流通選擇較小，一般為第一區(qū)峰電流的1/5左右，且不超過20A。上升段時間依第一區(qū)峰值電流而定，通常在5至10秒之間。如第一區(qū)峰值電流大，則起弧區(qū)上升段時間稍取大些，以防止電流上升過快造成電弧不穩(wěn)。收弧時間一般較起弧上升段時間略長一些即可。為確保收弧處的焊接質(zhì)量，在熄弧后仍必需進(jìn)行持續(xù)送氣保護(hù)，送氣時間為5～7秒即可。

（2）焊接完成后，使用壓縮空氣對焊縫進(jìn)行快速冷卻。在快速冷卻的同時，還需要使用木榔頭錘擊焊縫，釋放應(yīng)力。

5 結(jié)語

通過以上的工藝處理，從600MW現(xiàn)場金屬膨脹節(jié)焊接后使用效果來看，能完全滿足使用需求，同時能節(jié)約時間和費(fèi)用，對于相同膨脹節(jié)修復(fù)有很好的借鑒作用。

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TP242

A

1671-0711（2016）12（上）-0122-03