趙海

摘 ?要：在汽車碰撞安全性能開發(fā)中，安全氣囊作為主要的乘員安全保護(hù)約束系統(tǒng)零部件，在汽車發(fā)生碰撞時(shí)對(duì)車內(nèi)乘員安全保護(hù)方面起到了舉足輕重的作用。氣囊展開特性直接影響乘員頭部和胸部傷害指標(biāo)，因此需要發(fā)展整車點(diǎn)爆系統(tǒng)對(duì)安全氣囊展開后的各項(xiàng)性能進(jìn)行研究。整車點(diǎn)爆試驗(yàn)系統(tǒng)由點(diǎn)爆系統(tǒng)、滑軌系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、相機(jī)定位系統(tǒng)、環(huán)境艙以及循環(huán)水路控制系統(tǒng)等集成，能夠簡潔快速的實(shí)現(xiàn)安全氣囊的靜態(tài)展開，測(cè)試氣囊的展開情況及展開飛出的碎片情況。采集氣囊點(diǎn)爆過程的電流、電壓和電阻等參數(shù)信息，為客戶提供精準(zhǔn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：安全氣囊;靜態(tài)點(diǎn)爆;高速攝像機(jī);環(huán)境艙;汽車碰撞

中圖分類號(hào)：U467 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目旨在建設(shè)一個(gè)整車點(diǎn)爆實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室具有2個(gè)箱內(nèi)氣囊點(diǎn)爆試驗(yàn)系統(tǒng)，氣囊起爆試驗(yàn)是為了分析安全氣囊展開過程的合理性，驗(yàn)證氣囊功能性是否合格[1]。其中一個(gè)可以兼顧箱外點(diǎn)爆要求（可設(shè)定延遲10 s～10 min后點(diǎn)爆）。氣囊點(diǎn)爆試驗(yàn)在汽車安全性能驗(yàn)證中起到及其重要的作用。實(shí)驗(yàn)室需要盡可能地減少人員配置，提高自動(dòng)化試驗(yàn)操作能力，試驗(yàn)過程中盡可能地減少人員對(duì)試驗(yàn)過程的影響[2]。為了達(dá)到目標(biāo)，結(jié)合行業(yè)內(nèi)先進(jìn)測(cè)試?yán)砟睿?guī)劃出一個(gè)控制系統(tǒng)控制3個(gè)試驗(yàn)區(qū)域的建設(shè)方案。該方案通過樣品的自動(dòng)化轉(zhuǎn)移，高速攝像機(jī)的靈活布置以及繁雜線束的集成化安裝實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)效能的提升，人員操作的安全保障和人員對(duì)試驗(yàn)過程影響的最小化，如圖1所示。

2 點(diǎn)爆試驗(yàn)系統(tǒng)工作原理

點(diǎn)爆試驗(yàn)系統(tǒng)是由高速數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)作為中樞，能夠協(xié)調(diào)點(diǎn)爆電源、環(huán)境艙門、燈光系統(tǒng)、高速相機(jī)、滑軌系統(tǒng)等進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。

試驗(yàn)開始前，檢驗(yàn)人員先將樣品及相關(guān)工裝環(huán)境件固定在滑軌系統(tǒng)上，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求控制滑軌將樣品送入環(huán)境艙進(jìn)行溫度（高溫、低溫或常溫）處理;溫度處理完后，燈光系統(tǒng)自動(dòng)開啟光源，提供至少60 000 lm的照明環(huán)境，然后環(huán)境艙門自動(dòng)開啟，高速滑軌系統(tǒng)自動(dòng)滑出至指定位置后艙門關(guān)閉，最后點(diǎn)爆系統(tǒng)觸發(fā)T0信號(hào)，輸出一個(gè)點(diǎn)火信號(hào)至氣囊模塊內(nèi)的氣體發(fā)生器，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，確定觸發(fā)電路可以正常工作，并輸出有效電阻值。同時(shí)，氣體發(fā)生器接收到點(diǎn)火信號(hào)后，迅速引爆內(nèi)部火藥，產(chǎn)生高壓氣體給安全氣囊充氣，使安全氣囊展開，同時(shí)T0信號(hào)觸發(fā)高速相機(jī)記錄氣囊展開過程。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

點(diǎn)爆試驗(yàn)系統(tǒng)是由高速數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、滑軌系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、高速攝像機(jī)及定位系統(tǒng)、環(huán)境艙及循環(huán)水路控制系統(tǒng)等組成的。

3.1 高速數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

高速數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)配備了急停按鈕，安全可靠，操作簡便。有2個(gè)點(diǎn)火區(qū)域，可以進(jìn)行箱內(nèi)點(diǎn)爆和箱外點(diǎn)爆，也可以進(jìn)行單級(jí)和雙極氣囊點(diǎn)爆，同步觸發(fā)輸出用于點(diǎn)爆電流測(cè)量、電阻值采集、高速攝像機(jī)錄像合成?？奢敵鲭娏髦捣秶?.01 A～5 A，電阻值有效測(cè)量范圍0 Ω～100Ω。

3.2 滑軌系統(tǒng)

滑軌系統(tǒng)是由箱內(nèi)軌道、箱外軌道和高速平臺(tái)、電機(jī)和急停按鈕等組成的。由PLC編程控制，可以使高速平臺(tái)在手動(dòng)和自動(dòng)模式下自由進(jìn)出。

3.3 燈光系統(tǒng)

燈光系統(tǒng)是由多組LED燈管、溫度控制器、固定燈光架組成的。LED燈管亮度可達(dá)到20 000 lm，理論壽命50 000 h。溫度控制器可以防止LED燈管過熱，自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行溫度保護(hù)，延長使用壽命。固定燈光架可以根據(jù)不同的光源要求進(jìn)行調(diào)整。

3.4 高速攝像機(jī)及定位系統(tǒng)

高速攝像機(jī)及定位系統(tǒng)有箱體定位和箱外定位2種形式，適用于箱內(nèi)點(diǎn)爆和箱外點(diǎn)爆。箱體定位是將相機(jī)架固定在溫度箱體上，可實(shí)現(xiàn)相機(jī)在箱體上的自由移動(dòng)。箱外定位是將相機(jī)架固定在溫度箱外，可實(shí)現(xiàn)相機(jī)最廣泛的移動(dòng)范圍。 箱內(nèi)和箱外定位都可將電纜、網(wǎng)線、相機(jī)觸發(fā)線收納于橋架中。

3.5 環(huán)境艙及循環(huán)水路控制系統(tǒng)

步入式高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)尺寸長6 000 mm，寬3 200 mm，高為2 500 mm。溫度范圍可達(dá)到-40 ℃～100 ℃。溫度變化率可達(dá)到2.0 ℃/min，箱內(nèi)有兩條承重軌道與滑軌系統(tǒng)的箱外軌道連接，可以保證2 t的樣品順利進(jìn)出環(huán)境艙而不破壞箱體結(jié)構(gòu)，環(huán)境艙門采用軟橡膠密封形式保護(hù)導(dǎo)軌部分開口不漏氣。

循環(huán)水路控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫和水壓的自動(dòng)控制，幫助環(huán)境艙正常工作。水溫控制可以根據(jù)溫度自動(dòng)啟動(dòng)冷卻風(fēng)扇或噴淋裝置。水壓控制由主泵和備用泵自動(dòng)切換進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，水壓不足時(shí)，備用泵將自動(dòng)啟動(dòng)，避免因缺水導(dǎo)致的設(shè)備停機(jī)。

4 系統(tǒng)搭建施工

4.1 地基建設(shè)

環(huán)境艙采用下沉式設(shè)計(jì)，下沉深度為320 mm，可以保證環(huán)境艙底板低于地面水平面約200 mm，滑軌系統(tǒng)的導(dǎo)軌安裝完畢后與環(huán)境艙底板上的軌道齊平，然后安裝載物平板。該平臺(tái)通過4對(duì)滑輪安裝在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌的最前端和最后端分別安裝2組限位開關(guān)，用以判斷載物平臺(tái)的位置并觸發(fā)環(huán)境艙關(guān)門或氣囊點(diǎn)爆型號(hào)。同時(shí)該平板必須與地面齊平，便于整車或大型工裝搬運(yùn)到平板上安裝，提高工作效率，保證人員的安全，并有助于節(jié)省空間。在環(huán)境艙體外部設(shè)置蓄水井，用于環(huán)境艙冷凝水的排放，還可以防止外界暴雨時(shí)地下水滲入環(huán)境艙體的地基。

4.2 環(huán)境艙的搭建

4.2.1 環(huán)境艙作用

將樣品在指定的溫濕度環(huán)境下進(jìn)行預(yù)處理，可以在艙內(nèi)和艙外做點(diǎn)爆，檢測(cè)和確定產(chǎn)品的各項(xiàng)性能和指標(biāo)。環(huán)境艙和點(diǎn)爆系統(tǒng)采用聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，能夠自動(dòng)完成開門到點(diǎn)爆的過程。節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)精度。

4.2.2 環(huán)境艙布置設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)。環(huán)境艙采用下沉式設(shè)計(jì)，降低箱子整體高度，使空間得到最大化利用。整車身可以直接推上平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，減少搬抬車身造成的傷害事故。

庫房板的搭建。環(huán)境艙的庫房板內(nèi)預(yù)制加強(qiáng)板，以方便箱內(nèi)燈光安裝，能夠滿足箱內(nèi)點(diǎn)爆光源亮度要求。此外在庫房板的兩側(cè)各需要開口安裝3面高1 200 mm，寬800 mm的隔熱玻璃，方便高速攝像機(jī)的拍攝。庫房板地板上放置箱內(nèi)軌道，以便滑軌安裝，方便平臺(tái)進(jìn)出。

環(huán)境艙艙門在安裝時(shí)，必須布置限位開關(guān)，當(dāng)艙門開到指定位置，觸發(fā)限位開關(guān)信號(hào)后，載物平臺(tái)才能進(jìn)出環(huán)境艙，該設(shè)計(jì)能夠有效減少平臺(tái)進(jìn)出環(huán)境艙時(shí)，誤動(dòng)作對(duì)艙門的損壞。

卸壓閥的布置。該泄壓閥能夠在氣囊進(jìn)行箱內(nèi)點(diǎn)爆時(shí)，自動(dòng)感應(yīng)箱內(nèi)氣壓的變化，卸載箱內(nèi)驟然升高的氣壓，保護(hù)環(huán)境艙主體結(jié)構(gòu)不被損壞。

4.3 滑軌系統(tǒng)安裝

滑軌系統(tǒng)是由軌道、電機(jī)、平臺(tái)和傳感器組成的。軌道、電機(jī)及傳感器均布置在深200 mm的地坑內(nèi)，平臺(tái)由長3 500 mm，寬2 000 mm，厚5 mm的鋼板制成，其表面整齊規(guī)則的分布螺栓孔便于車身的固定?；壪到y(tǒng)由PLC編程控制，可以使平臺(tái)在手動(dòng)和自動(dòng)模式下自由進(jìn)出。平臺(tái)的可移動(dòng)距離為6 m，最大負(fù)載為800 kg，最大移動(dòng)速度為0.7 m/s?？梢苿?dòng)距離和最大移動(dòng)速度可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。 滑軌系統(tǒng)還可與點(diǎn)爆系統(tǒng)、溫度箱倉門、燈光系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，采用多重防護(hù)措施，避免進(jìn)行箱內(nèi)/箱外試驗(yàn)時(shí)，平臺(tái)意外進(jìn)出，造成環(huán)境艙門的損壞。

4.4 相機(jī)定位系統(tǒng)安裝

相機(jī)定位系統(tǒng)分為箱內(nèi)拍攝相機(jī)架和箱外拍攝相機(jī)架。其主要作用是安裝高速攝像機(jī)及收納相關(guān)電源線束、數(shù)據(jù)傳輸線束和觸發(fā)線束。高速攝像機(jī)可以在相機(jī)定位系統(tǒng)上左右上下移動(dòng)。在箱外拍攝相機(jī)架上可以在前后左右位置分別布設(shè)2臺(tái)高速攝像機(jī)（共8臺(tái)），箱內(nèi)拍攝相機(jī)架可以在環(huán)境倉外兩側(cè)分別布置2臺(tái)高速攝像機(jī)（共8臺(tái)），共有12個(gè)像機(jī)拍攝位置，這樣可以基本滿足所有的拍攝位置和角度需求。因?yàn)橄渫馀臄z的角度多，范圍大，所以采用的支架跨度大，穩(wěn)定性要求高。重型鋁型材拼裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性均無法滿足要求。經(jīng)過研究，我們采用了重型工字鋼，并在工字鋼上焊接加強(qiáng)筋來保證相機(jī)定位系統(tǒng)橫梁的剛性和穩(wěn)定性，在工字鋼的基礎(chǔ)上安裝導(dǎo)軌和坦克鏈，方便高速攝像機(jī)與線束的隨動(dòng)。

4.5 燈光系統(tǒng)布設(shè)

箱內(nèi)燈光選用IP68以上防護(hù)等級(jí)的LED光源，能夠耐受-40℃～+90℃的環(huán)境溫度，并至少能穩(wěn)定工作5 min，6 m長的箱內(nèi)兩側(cè)各布置8盞燈，分上下兩層安裝，前后各2盞。箱外燈光可選用IP65以上防護(hù)等級(jí)的LED光源，前后左右各布置6盞，這樣載物平臺(tái)區(qū)域的光照強(qiáng)度可達(dá)到60 000 lm左右。為了能夠清晰拍攝不同角度的錄像，還需準(zhǔn)備2組移動(dòng)補(bǔ)光燈（每組4盞LED燈）。

4.6 高速數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)安裝及布線

完成以上硬件安裝后，最后布置控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主機(jī)安裝在控制室內(nèi)，需要連接T0觸發(fā)輸出BNC線3條（后端分成16條），I/O控制屏蔽信號(hào)線束6條，點(diǎn)爆回路用耐高低溫4芯線3對(duì)，外接溫度傳感器耐高低溫屏蔽兩芯線6條，高速攝像機(jī)數(shù)據(jù)傳輸線3條（后端分成16條），視頻輸出線1條，電源線1條。這些線束全部通過相機(jī)定位系統(tǒng)進(jìn)行走線，使試驗(yàn)場(chǎng)地地面簡潔干凈。

5 結(jié)語

整車點(diǎn)爆試驗(yàn)系統(tǒng)安裝完成后，地面沒有繁雜的走線，復(fù)雜的操作流程，雙人就能夠進(jìn)行整車或白車身的安裝定位，無須任何鏟車操作，保證試驗(yàn)操作人員的安全，并易于5S管理。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)既能夠自動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)爆系統(tǒng)、滑軌系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、環(huán)境艙門、高速相機(jī)等的聯(lián)動(dòng)，也可以在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上手動(dòng)進(jìn)行LED光源開啟、艙門打開平臺(tái)滑出、相機(jī)觸發(fā)和點(diǎn)爆報(bào)警等操作。整車點(diǎn)爆試驗(yàn)系統(tǒng)集成特點(diǎn)是簡潔快速，既提高了點(diǎn)爆試驗(yàn)的準(zhǔn)確度，又節(jié)省了操作時(shí)間。整車點(diǎn)爆試驗(yàn)系統(tǒng)集成能夠幫助客戶模擬氣囊在各種溫度和各種點(diǎn)爆方式下的工作情況，滿足客戶對(duì)氣囊產(chǎn)品安全測(cè)試的需求。

參考文獻(xiàn)

[1]嚴(yán)飛燕，王書文.某汽車乘客安全氣囊殼體的點(diǎn)爆強(qiáng)度仿真分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2017，55（6）：63-66，75.

[2]石洋洋，霍長宏，湯艷.儀表板頭碰和氣囊點(diǎn)爆試驗(yàn)部件分離問題研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2016（4）：112-117.