宋志強(qiáng)，曹立波，陳 龍，張建強(qiáng)

(湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082)

前言

為降低研發(fā)成本,減少實(shí)車碰撞試驗(yàn)的次數(shù),用臺車試驗(yàn)來代替實(shí)車試驗(yàn)已成必然[1]。臺車碰撞可以復(fù)現(xiàn)實(shí)車碰撞試驗(yàn)的減速度波形,已被廣泛用于測試乘員約束系統(tǒng)的保護(hù)效果中,如文獻(xiàn)[2]中分析了臺車減速度波形對兒童乘員損傷風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)；且臺車碰撞試驗(yàn)需要產(chǎn)生汽車安全相關(guān)法規(guī)要求的減速度波形,如美國FMVSS 208和FMVSS 213法規(guī)[3]、歐洲的 ECE R44[4]和我國的 GB 27887—2011與GB 14166—2013等法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)都對減速度波形進(jìn)行了規(guī)定,其中文獻(xiàn)[5]中利用圓形薄壁吸能管臺車模擬出滿足GB 27887—2011規(guī)定的減速度曲線,并利用此波形對某兒童安全座椅進(jìn)行了Q6假人損傷機(jī)理分析。文獻(xiàn)[6]中利用薄壁圓形吸能管臺車試驗(yàn)對ECE R44法規(guī)要求的曲線進(jìn)行了模擬。但以往的碰撞試驗(yàn)臺車在碰撞時為了抵抗臺車已具有的動能,需要有堅(jiān)固的且體積較大的剛性壁障和寬闊的試驗(yàn)場地及一定的牽引動力設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),為了減少基礎(chǔ)設(shè)施的造價(jià)成本投入高的問題,本文中開發(fā)了一種新型對撞式臺車碰撞試驗(yàn)裝置,采用對撞方法將外力平衡轉(zhuǎn)化為內(nèi)力平衡,并利用擠壓吸能筒穿過壓縮模塊的狹小縫隙達(dá)到減速的目的,減少了配重臺車的質(zhì)量,避免了焊接式吸能筒的拆裝麻煩,且更不需要剛性壁障,同時此碰撞試驗(yàn)裝置可模擬碰撞過程中的垂向(Z向)加速度[7]。下面具體闡述臺車碰撞試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制原理及仿真模擬出規(guī)定的波形,并進(jìn)行臺車試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能

該新型對撞式臺車碰撞試驗(yàn)裝置主要包括動力牽引模塊、試驗(yàn)臺車、配重臺車、軌道、彈性繩、制動模塊、預(yù)緊力調(diào)節(jié)模塊、安全鎖銷模塊及緩沖吸能模塊等部分,總長25m,寬度2.5m,總質(zhì)量約10t,該裝置通過加減彈性繩的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)不同的碰撞速度,滿足不同工況下的性能測試要求[8],其總裝配圖如圖1所示。

圖1 總裝配圖

動力牽引模塊主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)軸、離合器、底座等部分組成,如圖2所示。該模塊主要作用是拉伸彈力繩產(chǎn)生彈性變形,通過電機(jī)將電能化為彈力繩的彈性勢能為臺車碰撞提供動力源。

試驗(yàn)臺車主要由測試座椅、臺車車架、上下主輪組、側(cè)輪組、吸能管及導(dǎo)向模塊和拉桿掛座等組成,如圖3所示。測試座椅主要是用于安裝碰撞假人、安全帶等部件,上下主輪組主要是支撐試驗(yàn)臺車在導(dǎo)軌上順利運(yùn)動,且可以實(shí)現(xiàn)緊急制動工況下汽車“點(diǎn)頭”跳動的現(xiàn)象,側(cè)輪組用于引導(dǎo)臺車沿導(dǎo)軌運(yùn)動,吸能管通過吸收碰撞的動能來實(shí)現(xiàn)需求的減速度波形,是該試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件。

圖3 試驗(yàn)臺車

配重臺車由配重車架、配重塊、側(cè)輪組、主輪組構(gòu)成,如圖4所示。配重臺車主要作用是抵抗試驗(yàn)臺車的高速運(yùn)動沖擊,由于其質(zhì)量較大則速度相對較低,且其質(zhì)量和速度通過加減配重塊是可以調(diào)節(jié)的。

圖4 配重臺車

導(dǎo)軌模塊由若干段250C槽鋼、導(dǎo)軌面鋼板、調(diào)平板等組成,如圖5所示。導(dǎo)軌模塊主要是為試驗(yàn)臺車和配重臺車的運(yùn)動提供跑道實(shí)現(xiàn)對撞。

圖5 導(dǎo)軌裝置

安全鎖銷模塊主要由電磁鐵、安全插銷、彈簧、支架連桿、底座等構(gòu)成,如圖6所示。電磁鐵通電時吸合支架連桿,將安全插銷向下牽引,電磁鐵斷電時由彈簧使插銷復(fù)位。該模塊主要功能是在彈力繩拉緊的情況下,將試驗(yàn)臺車和配重臺車鎖定在特定的位置,以防故障發(fā)生,起安全保護(hù)的作用。

圖6 安全鎖銷模塊

拉桿限位模塊主要由底板、緩沖器和掛鉤組成,如圖7所示。其作用是當(dāng)試驗(yàn)臺車和配重臺車從兩端釋放運(yùn)動到限位模塊所在位置時,由掛鉤限制拉桿隨車向前運(yùn)動,這樣使拉桿與試驗(yàn)臺車和配重臺車分別脫離。

圖7 拉桿限位模塊

彈力繩模塊主要由彈力繩張緊裝置、中間滾輪組、拉桿、拉桿限位模塊、彈力繩組成,如圖8所示。彈力繩模塊的功能是將拉長的彈力繩的彈性勢能轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)臺車和配重臺車碰撞的動能。

圖8 彈力繩模塊

彈力繩張緊模塊如圖9所示,主要由滾輪、導(dǎo)軌、梯形絲桿、連桿等組成。該彈力繩張緊模塊對彈力繩長度進(jìn)行小幅度調(diào)節(jié)張緊,從而調(diào)節(jié)彈力繩的拉力,最終調(diào)節(jié)試驗(yàn)臺車和配重臺車的碰撞速度。

圖9 彈力繩張緊模塊

2 有限元仿真模型與結(jié)果分析

2.1 仿真模型的建立

在臺車碰撞試驗(yàn)裝置的波形復(fù)現(xiàn)研究中,吸能管的數(shù)量、直徑尺寸及管壁厚度是影響減速度波形的關(guān)鍵參數(shù)。將試驗(yàn)臺車、配重臺車和吸能模塊的CAD模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中進(jìn)行前處理劃分有限元網(wǎng)格,如圖10所示,吸能管材料為拉延性能較好的低碳鋼管,采用MAT24 MAT_PIECEWISE_INEAR_LAST ICITY材料模型,通過LS-dyna模塊?INITIAL_VELOCITY關(guān)鍵字卡片定義臺車運(yùn)動方向速度,并給運(yùn)動的試驗(yàn)臺車和配重臺車施加9.81m/s2的重力場,研究不同碰撞速度下,不同的吸能管參數(shù)產(chǎn)生的減速度波形[9-10]。

圖10 有限元網(wǎng)格劃分

2.2 仿真結(jié)果分析

臺車質(zhì)量、碰撞速度、預(yù)壓縮量和鋼管數(shù)量及排布是試驗(yàn)時考慮的主要因素。對吸能模塊安裝兩根吸能管并給試驗(yàn)臺車50km/h的初速度進(jìn)行模擬仿真,圖11為吸能管壁厚為 2.0,2.4,3.4,3.8和4.0mm 5組不同的試驗(yàn)所產(chǎn)生的減速度波形曲線；圖12示出這5組不同吸能管壁厚碰撞后的速度變化曲線,圖13示出這5組不同吸能管壁厚在碰撞后的位移變化曲線。

由圖11～圖13可知,當(dāng)吸能管壁厚較薄時,其產(chǎn)生的減速度波形峰值較低,速度變化較緩慢,臺車向前移動的位移較大；當(dāng)吸能管壁厚較大時,其產(chǎn)生的減速度波形峰值較大,速度變化較迅速,臺車向前移動的位移較小；此結(jié)果與實(shí)際情況相符合,說明仿真結(jié)果的合理性。

圖11 不同吸能管壁厚產(chǎn)生的減速度曲線

圖12 不同吸能管壁厚的速度變化曲線

圖13 不同吸能管壁厚的位移變化曲線

圖14 為安裝4根吸能管的吸能模塊。圖15～圖17為臺車初速度為50km/h、吸能模塊安裝4根具有兩種不同壁厚的吸能管時產(chǎn)生的減速度、速度和位移曲線。圖中標(biāo)注“吸能管壁厚2.8-3.2mm”表示兩根吸能管壁厚為2.8mm,另外兩根吸能管壁厚為3.2mm,余者類推。

圖14 安裝4根吸能管的吸能模塊

圖15 不同吸能管壁厚產(chǎn)生的減速度曲線

圖16 不同吸能管壁厚的速度變化曲線

圖17 不同吸能管壁厚的位移變化曲線

將圖15～圖17分別與圖11～圖13進(jìn)行對比可知,吸能管的數(shù)量和壁厚對試驗(yàn)臺車的減速度波形、速度和位移的變化有較大影響,因此在試驗(yàn)時通過合理選擇吸能管的數(shù)目及其幾何參數(shù)的不同組合可以產(chǎn)生滿足試驗(yàn)要求的減速度波形。

根據(jù)圖11和圖15的減速度波形曲線,為產(chǎn)生ECE R44定義的前碰撞減速度波形,吸能管設(shè)計(jì)的一般方法是調(diào)整管的長度來改變減速度波形曲線波峰出現(xiàn)的時刻,調(diào)整吸能管的壁厚來改變波形曲線波峰的大小,而各峰值的微調(diào)可通過在圓管前端開誘導(dǎo)孔來實(shí)現(xiàn)[7,11]。經(jīng)合理選擇吸能管的數(shù)量和壁厚所產(chǎn)生的減速度波形如圖18中仿真曲線所示,基本滿足ECE R44定義的減速度波形。

圖18 滿足ECE R44定義的減速度波形

3 對臺車試驗(yàn)裝置的理論分析

在臺車試驗(yàn)裝置運(yùn)動的過程中,是彈性繩的彈性勢能轉(zhuǎn)化為臺車的動能、摩擦消耗的能量和帶動卷筒等轉(zhuǎn)動的能量[12-13]。根據(jù)動力學(xué)原理可得

式中：m1,m2分別為試驗(yàn)臺車和配重臺車質(zhì)量,kg；v1,v2分別為試驗(yàn)臺車和配重臺車的速度,m/s；Ff1,Ff2分別為試驗(yàn)臺車和配重臺車受到的摩擦力,N；S1,S2分別為試驗(yàn)臺車和配重臺車運(yùn)動的距離,m；J,ω分別為轉(zhuǎn)動部件(卷筒和電磁離合器等)的轉(zhuǎn)動慣量和角速度,kg·m2,rad/s；r為卷筒的半徑,m；W為彈性繩的總勢能,J。

通過拉壓力試驗(yàn)機(jī)測試所選彈性繩在加載和卸載情況下的彈性力和變形關(guān)系,可得彈性繩的性能曲線,如圖19所示。

圖19 彈性繩的彈性力和變形關(guān)系

由圖19可知,彈性繩的彈性力在伸長變形為原長的120%～160%范圍內(nèi)近似線性關(guān)系,因此選取彈性繩的這段變形范圍進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化。則對撞式臺車碰撞試驗(yàn)裝置的基本參數(shù)如表1所示。

表1 臺車碰撞試驗(yàn)裝置的基本參數(shù)

則n根彈性繩牽引時的總彈性勢能為

由于試驗(yàn)臺車和配重臺車在運(yùn)動過程中的摩擦力和轉(zhuǎn)動慣量難以直接求得,故通過試驗(yàn)值先反求出摩擦力和轉(zhuǎn)動慣量,再進(jìn)一步計(jì)算為達(dá)到目標(biāo)速度所需的彈性繩數(shù)量。對撞臺車碰撞試驗(yàn)如圖20所示,試驗(yàn)臺車的速度與彈性繩根數(shù)如表2所示。

圖20 對撞臺車碰撞試驗(yàn)

表2 試驗(yàn)臺車的速度與彈性繩根數(shù)

由表2可知,理論速度與實(shí)際速度的偏差隨著速度的增大而減小,主要原因是由于忽略的因素隨著速度的增大所占的比例減小。因此,當(dāng)試驗(yàn)臺車的速度大于25km/h時,可以根據(jù)此方法較準(zhǔn)確地計(jì)算出達(dá)到目標(biāo)速度所需要的彈性繩數(shù)量。

在對撞式臺車正面碰撞的過程中,吸能管吸收的能量為試驗(yàn)臺車和配重臺車的動能差,即

式中：Eabs為吸能管吸收的能量,J；Ee1和 Ee2分別為試驗(yàn)臺車和配重臺車的動能,J；v1i和v2i分別為試驗(yàn)臺車和配重臺車的初速度,m/s。

吸能管在整個壓扁變形吸能的過程中,總吸能可以通過載荷-位移歷程的積分得到

式中：Sa和Sb分別為吸能管壓扁前后的位移；F為吸能管在碰撞過程中所受的平均載荷；ΔS為吸能管在碰撞過程中的縱向(X向)變形量。

又根據(jù)牛頓第二定理,有

式中a 為試驗(yàn)臺車在碰撞過程中X向的平均加速度。

由式(4)～式(6)得

由圖15可知,當(dāng)臺車碰撞試驗(yàn)初始速度為50km/h,吸能管數(shù)量為4根時,在X向上不同吸能管壁厚產(chǎn)生的減速度的平均值約為15g,且m1為634kg,m2為878kg,每塊配重塊的質(zhì)量為250kg,將其代入式(7)可得

由式(8)可知,當(dāng)配重臺車的速度和所加載的配重塊數(shù)量確定時,則可根據(jù)式(8)計(jì)算出吸能管的壓扁變形量。如當(dāng)配重塊數(shù)量為20時,配重臺車碰撞前的初速度取最小值為1.5m/s,則吸能管被壓扁的變形量為573.5mm；當(dāng)配重臺車碰撞前的初速度取最大值為3m/s時,則吸能管被壓扁的變形量為364.9mm。可見配重臺車碰撞前的初速度越大,吸能管被壓扁的變形量越小,說明對撞式臺車試驗(yàn)裝置的內(nèi)能平衡起到了很大的作用,可以減少吸能管耗材的數(shù)量。據(jù)此推導(dǎo)計(jì)算,在試驗(yàn)時應(yīng)該至少保證吸能管有573.5mm的壓扁變形量,才能吸收所有碰撞能量,否則試驗(yàn)臺車和配重臺車有可能會發(fā)生剛性碰撞。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與原理

控制系統(tǒng)的主要電氣元件有轉(zhuǎn)換電源開關(guān)、空氣斷路器、按鈕開關(guān)、位置開關(guān)、交流接觸器、延時繼電器、霍爾計(jì)數(shù)器和指示燈等。執(zhí)行部件主要是電機(jī)、電磁鐵、離合器、制動器和安全銷等。通過控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對撞式臺車碰撞試驗(yàn)裝置的復(fù)位、預(yù)釋放、釋放和制動的功能。

4.1 功能要求

(1)復(fù)位時,試驗(yàn)臺車側(cè)和配重臺車側(cè)的電磁離合器通電吸合,且兩端的電機(jī)開始工作帶動試驗(yàn)臺車和配重臺車分別向兩端行進(jìn)；復(fù)位到特定位置后安全銷在彈簧的作用下分別插入試驗(yàn)臺車和配重臺車的銷孔內(nèi)起保護(hù)作用,以防出現(xiàn)斷電或部件失效等故障。

(2)預(yù)釋放時安全銷電磁鐵吸合,牽引安全銷向下運(yùn)動脫離試驗(yàn)臺車和配重臺車的銷孔,為釋放做準(zhǔn)備。

(3)釋放時電機(jī)通過電磁離合器與卷筒斷開,試驗(yàn)臺車和配重臺車在彈性繩的拉力作用下加速運(yùn)動,然后在碰撞區(qū)域內(nèi)碰撞。

(4)碰撞后利用霍爾傳感器和計(jì)數(shù)器記錄卷筒旋轉(zhuǎn)的圈數(shù),然后控制制動接觸器吸合從而對卷筒制動,避免卷筒在釋放過程中由于轉(zhuǎn)動慣性而過多地轉(zhuǎn)動和反向拉回試驗(yàn)臺車。

4.2 控制系統(tǒng)工作原理

(1)復(fù)位 按下臺車復(fù)位按鈕(SB1),試驗(yàn)臺車和配重臺車電磁離合器(KM3和KM4)吸合、電機(jī)(KM1和KM2)工作、試驗(yàn)臺車和配重臺車分別向兩端行進(jìn),當(dāng)試驗(yàn)臺車和配重臺車分別觸碰到安全銷啟動位置開關(guān)(SQ7和SQ8)時,安全銷電磁鐵(KM7和KM8)吸合,從而下拉安全銷使試驗(yàn)臺車和配重臺車分別越過安全銷。當(dāng)試驗(yàn)臺車和配重臺車到位時,觸碰到試驗(yàn)臺車和配重臺車到位位置開關(guān)(SQ1和SQ2),電機(jī)斷電(KM1和KM2)、安全銷電磁鐵斷電,安全銷上移卡入銷孔內(nèi),復(fù)位流程圖如圖21所示。

(2)預(yù)釋放 按下預(yù)釋放按鈕(SB3),安全銷電磁鐵(KM7和KM8)吸合、安全銷位置開關(guān)(SQ3和SQ4)接通,為釋放做準(zhǔn)備,流程圖如圖22所示。

圖21 復(fù)位功能流程圖

圖22 預(yù)釋放功能流程圖

(3)釋放與制動 按下釋放按鈕(SB4),配重臺車電磁離合器(KM3)斷開釋放,從而觸動位置開關(guān)(SQ5)斷開,進(jìn)而使試驗(yàn)臺車(KM4)斷電釋放。這樣可以保證配重臺車先于試驗(yàn)臺車釋放。試驗(yàn)臺車的卷筒和配重臺車的卷筒分別釋放19圈和4圈時,霍爾計(jì)數(shù)器(SL1和SL2)閉合,分別控制試驗(yàn)臺車側(cè)的電磁鐵(KM5)和配重臺車側(cè)的電磁鐵(KM6)吸合,進(jìn)而推動制動鉗對制動盤制動,其流程圖如圖23所示。

圖23 釋放與制動功能流程圖

5 臺車對撞試驗(yàn)

根據(jù)上述原理制造的對撞式臺車碰撞試驗(yàn)裝置和電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際的臺車對撞試驗(yàn),電氣控制系統(tǒng)的電路圖如圖24所示,控制電路圖中的元器件說明見表3。

圖24 電氣控制電路圖

在試驗(yàn)臺車上安裝加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集儀并經(jīng)調(diào)試來采集碰撞后的實(shí)際波形,如圖25所示。

在碰撞過程中采用1 000幀/s的高速攝像儀記錄碰撞過程。在Hyperworks軟件中通過CFC180濾波等級對數(shù)據(jù)采集儀采集到的減速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理,如圖18所示。由圖可見,通過擠壓吸能管變形產(chǎn)生的減速度波形與波峰出現(xiàn)的時刻與仿真結(jié)果基本一致,說明對撞式臺車碰撞試驗(yàn)裝置能很好地復(fù)現(xiàn)所需求的碰撞減速度波形曲線。

6 結(jié)論

(1)完成了對撞式臺車碰撞試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

(2)通過有限元仿真計(jì)算,模擬了不同吸能管壁厚的減速度波形曲線,選取不同數(shù)量和不同管壁厚的吸能管,并通過開誘導(dǎo)槽等微調(diào)方法,可獲得不同法規(guī)要求的減速度波形,如本文中研究的結(jié)果可獲得ECE R44要求曲線；

表3 控制電路原理圖元器件說明

圖25 安裝加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集儀的實(shí)物圖

(3)設(shè)計(jì)的電氣控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對撞式臺車碰撞試驗(yàn)裝置的復(fù)位、預(yù)釋放、釋放和制動功能,同時具有互鎖的安全保護(hù)功能；

(4)根據(jù)能量轉(zhuǎn)化關(guān)系,計(jì)算了不同碰撞速度下需要的彈性繩根數(shù)和吸能管最小的擠壓長度；

(5)基于上述的研究,加工制造了該試驗(yàn)裝置,并進(jìn)行了對撞式臺車碰撞試驗(yàn),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)開發(fā)的試驗(yàn)裝置的可行性。

在工程實(shí)際中要重視制造工藝精度、電氣系統(tǒng)的功率與電流和關(guān)鍵元器件的安裝位置,以免影響試驗(yàn)裝置的運(yùn)行可行性和可靠性,同時要注意系統(tǒng)的安全性。

在研究對撞式臺車產(chǎn)生的減速度波形時,對吸能管的尺寸參數(shù)和擠壓長度僅做了少量的仿真和試驗(yàn),在后續(xù)工作中將研究多種工況下的吸能管相關(guān)參數(shù)的詳細(xì)數(shù)據(jù),并利用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,進(jìn)而優(yōu)化參數(shù),制作試驗(yàn)指導(dǎo)書。