莊鴻輝，王一峰

（廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院國(guó)家場(chǎng)（廠）內(nèi)機(jī)動(dòng)車輛質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，福建 廈門 361000）

車身頂部強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

莊鴻輝，王一峰

（廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院國(guó)家場(chǎng)（廠）內(nèi)機(jī)動(dòng)車輛質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，福建 廈門 361000）

本文論述了廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院國(guó)家場(chǎng)（廠）內(nèi)機(jī)動(dòng)車輛質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心設(shè)計(jì)的機(jī)動(dòng)車輛車身頂部強(qiáng)度試驗(yàn) 系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)大型機(jī)動(dòng)車輛車身頂部強(qiáng)度測(cè)試。描述了該測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成,給出了機(jī)構(gòu)的測(cè)量原理、測(cè)量方法。針對(duì)頂壓測(cè)量過(guò)程，提出自由度控制策略，確保了試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量精準(zhǔn)、安全可靠性。

頂部強(qiáng)度；頂壓試驗(yàn)；自由度控制

0 引言

車身頂部強(qiáng)度對(duì)機(jī)動(dòng)車輛的安全性等都有著重要影響，是被動(dòng)安全性能的重要指標(biāo)之一。保證車輛頂部強(qiáng)度，可以有效防止車輛在翻滾事故發(fā)生時(shí)因車身結(jié)構(gòu)變形引起空間侵入而造成對(duì)乘坐人員的傷害。隨著2012年1月國(guó)家開(kāi)始實(shí)施的GB26134—2010《乘用車頂部抗壓強(qiáng)度》國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)[1]，車輛發(fā)生翻滾或側(cè)翻事故時(shí)對(duì)乘坐員的保護(hù)性能也正式進(jìn)入我國(guó)車輛強(qiáng)制性安全檢驗(yàn)項(xiàng)目，為此一個(gè)精確穩(wěn)定的車身頂部強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)于車身頂部強(qiáng)度的評(píng)估顯得非常重要。文章論述了我單位研制的車頂靜壓試驗(yàn)臺(tái)的總體構(gòu)成及功能特性，該試驗(yàn)臺(tái)利用電液位置伺服控制技術(shù)和傳感技術(shù)，是一個(gè)自適應(yīng)的易于操作與使用的對(duì)車輛頂部開(kāi)展強(qiáng)度測(cè)試的系統(tǒng)，可以有效滿足不斷發(fā)展的各種測(cè)試的需要。該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于各個(gè)車輛企業(yè)中，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，還可以應(yīng)用到國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督部門之中對(duì)車輛強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)。

1　系統(tǒng)構(gòu)成

車身頂部強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)主要由頂部強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)、分配器與油源系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、PLC油源控制器和任務(wù)管理單元如圖1所示。

圖1　車身頂部強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1頂部強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)

頂部強(qiáng)度試 驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由施力平板、鑄鐵平臺(tái)、可調(diào)鋼支撐、伺服液壓作動(dòng)器、固定夾具、車身以及各種測(cè)量傳感器共同組成。液壓泵與伺服位置控制系統(tǒng)兩者一起對(duì)施力平板的施力操作進(jìn)行控制，測(cè)力傳感器測(cè)量施力平板的受力狀態(tài)，用于評(píng)估車身頂部強(qiáng)度。

施力平板的動(dòng)作通過(guò)自由度控制實(shí)現(xiàn)伺服液壓缸位置的同步控制,控制精度高，保證了施力平板的定位精度及車身頂部壓力的測(cè)量精度。此外，由于采用了閉環(huán)伺服控制,在測(cè)控軟件中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化,避免了大量的人工調(diào)節(jié),于是整個(gè)測(cè)量過(guò)程得以規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

圖2　 頂部強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)示意圖

1.2分配器與油源系統(tǒng)

液壓分配器作為液壓源與液壓缸的接口模塊，該分配器具有如下功能：（1）每個(gè)分配器為兩個(gè)作動(dòng)器供油；（2）具有高低壓切換功能；（3）具有應(yīng)急截止功能；（4）為作動(dòng)器提供瞬時(shí)大流量供油。本試驗(yàn)系統(tǒng)為6個(gè)作動(dòng)器配備3個(gè)100L/min的液壓分配器。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3所示。

圖3　液壓分配器

油源系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)流量和壓力匹配相應(yīng)的油源系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4　油源系統(tǒng)

1.3伺服控制系統(tǒng)

本試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)配備的伺服控制系統(tǒng)，包括1套伺服控制系統(tǒng)硬件和2套測(cè)試軟件。伺服控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能：（1）加載臺(tái)的人機(jī)界面；（2）加載臺(tái)的數(shù)字閉環(huán)控制；（3）加載臺(tái)的位移和力控制；（4）系統(tǒng)狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；（5）系統(tǒng)故障監(jiān)測(cè)與安全保護(hù)；（6）系統(tǒng)故障顯示、與記錄；（7） 硬件看門狗，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急保護(hù)；（8）急停按鈕，用于系統(tǒng)急停；（9）故障時(shí)聲光報(bào)警。伺服控制系統(tǒng)硬件組成包括任務(wù)管理計(jì)算機(jī)和伺服控制單元，其組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5所示。

圖5　伺服控制系統(tǒng)硬件組成示意圖

伺服控制單元由控制機(jī)柜、伺服控制計(jì)算機(jī)、信號(hào)調(diào)理單元、直流穩(wěn)壓電源以及UPS不間斷電源等組成，如圖6所示。

2　測(cè)量原理

通過(guò)這個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)，可以對(duì)車輛頂部強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。系統(tǒng)的測(cè)量原理以及具體測(cè)量步驟如下：

被試車身通過(guò)專用夾具固定于鑄鐵平臺(tái)上，施力平板置于車身頂部，通過(guò)分布于四個(gè)角的四個(gè)200 kN加載作動(dòng)器向下拉對(duì)車身頂部加載?？烧{(diào)鋼支撐高度可調(diào)，在試驗(yàn)時(shí)撤走，在不進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)可對(duì)施力平板進(jìn)行支撐。

試驗(yàn)樣品安裝應(yīng)保證車架固定牢固，當(dāng)試驗(yàn)樣品為整車時(shí)，為了消除試驗(yàn)過(guò)程中車輛的懸架和輪胎變形，可通過(guò)在試驗(yàn)臺(tái)架上架設(shè)多處剛性支撐于車輛車架下的平面。

圖6　伺服控制單元

施力平板為高剛性平板，且保證其長(zhǎng)度和寬度都大于試驗(yàn)車身的長(zhǎng)度和寬度。試驗(yàn)時(shí)，將施力平板放置在車頂上，讓其剛性面和垂直縱平面相互垂直，并確保和車頂?shù)慕佑|點(diǎn)至少有兩處，從車頂位置向下進(jìn)行投影觀察，當(dāng)縱向中心線和車輛縱向中心線相互重合時(shí)，確保施力板投影能夠?qū)λ谐蓡T區(qū)進(jìn)行覆蓋。

在進(jìn)行試驗(yàn)的時(shí)候，加載時(shí)加速度不超過(guò)13 mm/s，方向垂直向下，并達(dá)到車輛整備質(zhì)量1.5倍的試驗(yàn)載荷，并保持時(shí)間不少于5 s，直到變形穩(wěn)定位置[1]。加載液壓桿配備力傳感器和位移傳感器，從而能實(shí)時(shí)控制試驗(yàn)過(guò)程中的加載力和加載速度，同時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)施力平板重量進(jìn)行 補(bǔ)償。

3　測(cè)試平臺(tái)自由度控制策略

在車頂強(qiáng)度測(cè)量過(guò)程中，力、位移傳感器測(cè)量和施力平臺(tái)升降的前提條件是保證舉升施力平臺(tái)的四個(gè)液壓油缸工作時(shí)一定要保持同步，施力平板應(yīng)當(dāng)只有垂直方向上的平動(dòng)，并對(duì)其余各個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行抑制，只有這樣才能夠消除其他自由度所帶來(lái)的誤差，并確保測(cè)力傳感器測(cè)量頂部壓力的準(zhǔn)確性。

因此，從控制策略上來(lái)說(shuō)，采用基于自由度的位置前饋控制策略，保證四個(gè)液壓油缸中任意兩個(gè)都滿足協(xié)調(diào)同步運(yùn)動(dòng)，減少牽連運(yùn)動(dòng)，避免試驗(yàn)平臺(tái)產(chǎn)品其他自由度方向的傾斜和扭轉(zhuǎn)。下面以其中的兩個(gè)液壓油缸的自由度位置同步控制為例，論述施力平臺(tái)各個(gè)液壓油缸間的同步控制策略。

自由度控制策略原理如下。

頂壓升降平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)可以視同為能產(chǎn)品多個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其中任意兩個(gè)驅(qū)動(dòng)缸的作用下能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。

自由度控制策略，目的在于保證該并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度輸出，在減少自由度輸出誤差的基礎(chǔ)上，來(lái)完成對(duì)各個(gè)單通道液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)同步控制，進(jìn)而保證該施力平臺(tái)的自由度輸出特性滿足試驗(yàn)要求。

自由度控制策略的原理如圖7所示。在自由度獨(dú)立控制方法中兩個(gè)自由度［］Tqθφ=：

式中：φ——平臺(tái)橫搖角(rad)；

θ——平臺(tái)前傾角(rad)；

l1——1#液壓油缸位移(m)；

l2——2#液壓油缸位移(m)。

圖7　自由度控制策略

實(shí)際上，以上公式也正是頂部強(qiáng)度試驗(yàn)平臺(tái)中任意兩個(gè)液壓油缸之間的正解關(guān)系式。通過(guò)液壓油缸位移與自由度之間的位置關(guān)系，可以計(jì)算得到兩者的微分關(guān)系（或稱為位置輸出誤差傳遞關(guān)系）如下：

式中：H——雅可比矩陣。

同時(shí)可以得到旋轉(zhuǎn)自由度到液壓油缸位移的微分關(guān)系：

4　結(jié)論

車身頂壓試驗(yàn)作為國(guó)家強(qiáng)制檢驗(yàn)項(xiàng)目，是新車型車身設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證的重要環(huán)節(jié)，也是評(píng)定車輛被動(dòng)安全性能的重要試驗(yàn)?；谶@個(gè)出發(fā)點(diǎn)，我中心設(shè)計(jì)研制的車頂靜壓試驗(yàn)臺(tái)不僅完善了我中心的車輛安全相關(guān)檢測(cè)能力，也為車輛企業(yè)針對(duì)車身安全的研發(fā)創(chuàng)新提供了良好的平臺(tái)支撐。針對(duì)大型機(jī)動(dòng)車輛質(zhì)量大、體積大和的特點(diǎn)，本試驗(yàn)臺(tái)最大加載面積達(dá)到了10 m×4 m，并應(yīng)用自由度控制策略，可實(shí)現(xiàn)各類車輛車身頂部強(qiáng)度的精確測(cè)量。目前，本文論述的該套試驗(yàn)裝備即將通過(guò)驗(yàn)收并投入使用，為客車、小汽車、工程機(jī)械等各類產(chǎn)品的產(chǎn)品研發(fā)和技術(shù)改進(jìn)提供試驗(yàn)支撐。通過(guò)各類車輛試驗(yàn)驗(yàn)證，該車身頂部強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)在測(cè)量一致性、精確性、便捷性等各個(gè)方面都已達(dá)到國(guó)內(nèi)一流的水準(zhǔn)。

[1] GB26134—2010，乘用車頂部抗壓強(qiáng)度[S].

TP271.4

A

1671-0711（2016）09（下）-0093-03