查宏民，呂曉洲

（中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司，天津 300300）

前言

汽車的安全性，不僅體現(xiàn)在對車內(nèi)乘客的保護(hù)上，同樣體現(xiàn)在對車外行人的保護(hù)方面。行人作為道路交通中的弱勢群體，其被汽車碰撞造成的傷害是相當(dāng)嚴(yán)重的，圖1 所示為我國道路交通事故現(xiàn)狀。針對我國交通道路等級低、人口及自行車多、混合交通比例大的特點，開展行人安全保護(hù)至關(guān)重要。

圖1 CIDAS統(tǒng)計我國道路交通事故現(xiàn)狀

我國在行人保護(hù)碰撞方面的研究相對較少，大多數(shù)局限于計算機(jī)軟件的碰撞模擬和仿真研究，以及碰撞傷害機(jī)理的研究工作。國內(nèi)的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開發(fā)出了相關(guān)的碰撞試驗臺，但在精度和可靠性等方面都存在一定的問題，仍處于試驗階段，還無法進(jìn)行新車試驗。目前的行人保護(hù)測試主要依賴于進(jìn)口設(shè)備，其中法國BIA 公司研制的通用沖擊模擬試驗設(shè)備是根據(jù)EEVCWG17、FMVSS201 等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的，撞擊速度精度高，位置準(zhǔn)確，已應(yīng)用于國內(nèi)多家檢測機(jī)構(gòu)。

鑒于國內(nèi)關(guān)于行人保護(hù)測試技術(shù)方面的研究現(xiàn)狀，本文對機(jī)動車行人保護(hù)發(fā)射裝置進(jìn)行設(shè)計研究，以研發(fā)國產(chǎn)行人保護(hù)試驗設(shè)備，填補我國在此領(lǐng)域的空白，有利于我國汽車產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)的發(fā)展，有利于制定或完善我國相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)自主，有利于提高我國汽車產(chǎn)品的安全防護(hù)的綜合性能和我國汽車領(lǐng)域的檢測技術(shù)研究的發(fā)展。

1 發(fā)射裝置總體概述

基于GTR09 制定的行人保護(hù)法規(guī)《汽車對行人的碰撞保護(hù)》（GB/T 24550—2009）已于2010年7月1日正式實施，而C-NCAP（2018）對行人的頭部（包括成人和兒童）和腿部（上、下腿型）保護(hù)性都提出更為嚴(yán)格的要求。圖2 中表示行人保護(hù)試驗項目，具體試驗內(nèi)容包括：

圖2 行人保護(hù)試驗項目

（1）成人頭部撞擊發(fā)動機(jī)蓋試驗，至少測試9個點；

（2）兒童頭部撞擊發(fā)動機(jī)蓋試驗，至少測試9個點；

（3）3次上腿部撞擊保險杠試驗（左、中、右）；

（4）3次下腿部撞擊保險杠試驗（左、中、右）。

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的4 種行人模塊碰撞試驗的主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。可以看出，標(biāo)準(zhǔn)對發(fā)射裝置的速度和角度均有較高的精度要求。

表1 行人保護(hù)測試指標(biāo)

針對該測試要求，本裝置基于液壓伺服控制技術(shù)，通過高頻響伺服閥和專用高速低摩擦液壓缸，實現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的發(fā)射速度控制。在硬件結(jié)構(gòu)上，采用蓄能器與伺服閥組合控制，蓄能器作為發(fā)射過程中加速所需的大流量動力源，伺服閥對速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以進(jìn)口數(shù)字液壓伺服控制器為控制核心，實現(xiàn)底層高速速度閉環(huán)控制。發(fā)射裝置試驗臺架在、、3 個坐標(biāo)方向及角度方向全部采用伺服電機(jī)精確調(diào)整，從而滿足不同試驗沖擊位置和角度的要求。

該發(fā)射裝置集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、高速實時閉環(huán)控制為一體，實現(xiàn)了最高速度15 m/s、最大發(fā)射質(zhì)量15 kg的沖擊測試，最大速度誤差小于±0.2 m/s，重復(fù)性誤差小于1%，達(dá)到了試驗法規(guī)測試精度要求。

2 發(fā)射裝置系統(tǒng)構(gòu)成

發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖3 所示。該系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)和功能分為機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、傳感器及信號采集系統(tǒng)等。

2.1 機(jī)械系統(tǒng)［6］

機(jī)械系統(tǒng)主要包括焊接臺架、橫梁、導(dǎo)向裝置、沖擊模型、向及角度調(diào)整機(jī)構(gòu)等，如圖3 所示。臺架用于支撐橫梁及發(fā)射液壓缸，具有較強的剛性和強度。橫梁移動到位后采用鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊，以防止高速沖擊時松動變形。向調(diào)整采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向則采用直線導(dǎo)軌。

圖3 發(fā)射裝置系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 導(dǎo)向裝置

發(fā)射液壓缸整體安裝在兩條鋁型材上，為防止高速液壓缸活塞桿伸出過程中承受側(cè)向力，發(fā)射頭型、腿型均通過一個導(dǎo)向推架連接。導(dǎo)向裝置由兩條高速直線軸承導(dǎo)軌構(gòu)成。推架前端可安裝不同的沖擊器。

2.1.2 液壓缸防撞裝置

防撞機(jī)構(gòu)通過扭轉(zhuǎn)彈簧帶動擺臂旋轉(zhuǎn)，擺臂前端安裝有緩沖器，擺臂的角度極限位置通過角度調(diào)整塊來固定。發(fā)射前防撞機(jī)構(gòu)使推架與液壓缸桿接觸，發(fā)射后扭轉(zhuǎn)彈簧使擺臂向下擺動。當(dāng)沖擊試驗完成后推架彈回時，推架與緩沖器接觸，防止推架撞擊液壓缸桿，從而有效保護(hù)液壓缸。

2.2 液壓系統(tǒng)

2.2.1 液壓系統(tǒng)的工作原理

高速液壓彈射采用結(jié)構(gòu)簡單的用閥控缸的控制原理，由此盡量減少機(jī)械、電氣等元件的響應(yīng)時間。通過大流量、高頻響伺服閥、位移傳感器、壓力變送器、蓄能器，結(jié)合先進(jìn)的控制算法和高速伺服控制器，實現(xiàn)液壓缸的閉環(huán)控制。

2.2.2 高速液壓缸緩沖裝置的設(shè)計

在高速液壓系統(tǒng)中，緩沖結(jié)構(gòu)是必不可少的?？紤]到發(fā)射裝置的特點，采用內(nèi)部節(jié)流式緩沖結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。在活塞上設(shè)計緩沖柱塞，采用錐形凸緣，在緩沖過程中活塞上的錐面和緩沖腔體積隨位移變化，而回油腔和緩沖腔進(jìn)油截面逐漸減小，形成節(jié)流緩沖效應(yīng)。

圖4 高速液壓缸緩沖結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

在發(fā)射裝置系統(tǒng)中，發(fā)射過程時間很短，液壓缸、蓄能器、伺服閥等每個元件的響應(yīng)速度對結(jié)果有重要的影響，因此液壓管路長度越短、管徑越大、拐角越少，壓降損失越小，響應(yīng)速度就越快。為此伺服閥、蓄能器、液壓缸、傳感器等采用整體集中式連接，如圖5所示。

圖5 液壓發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)主要包括油源控制、伺服電機(jī)控制、高速液壓缸控制、傳感器信號采集等系統(tǒng)。采用上、下位機(jī)控制方式，上位機(jī)采用研華工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡，用于油源啟停和伺服電機(jī)定位控制以及試驗參數(shù)設(shè)置等。下位機(jī)采用進(jìn)口高性能液壓伺服運動控制器，實現(xiàn)高速液壓缸的閉環(huán)控制。上、下位機(jī)之間通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

高速液壓缸閉環(huán)控制是整個系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，對控制器要求運算速度快、控制算法全、可靠性高。選用的液壓伺服運動控制器，可提供精確的位置和速度控制，具備專為高性能電液運動控制設(shè)計的數(shù)學(xué)演算和參數(shù)設(shè)置，包括位置、速度、加速度、壓力等雙回路控制，具有PID 控制、速度前饋、加速度前饋、死區(qū)補償?shù)榷喾N控制參數(shù)。提供的配套調(diào)試軟件功能強大、易于上手、使用方便，用于設(shè)置、調(diào)整、編程、診斷及故障排除等。

2.4 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)包括液壓缸位移信號、壓力信號、加速度信號，沖擊速度等，所有信號通過控制器的模擬量輸入模塊采集，采樣頻率為4 kHz，分辨率為16位。

沖擊模型的速度采用高速光電開關(guān)測量，通過采集兩個光電開關(guān)的時間差計算出瞬時平均速度。

3 彈射控制原理

液壓缸采用位控方式，對于不同的發(fā)射速度，可采用相同的加速行程及減速行程。在加速階段，當(dāng)速度達(dá)到最大時，認(rèn)為加速行程結(jié)束。然后立即反向運動進(jìn)行減速，在慣性作用下，沖擊頭與液壓缸活塞桿分離。當(dāng)液壓缸速度降為零時，液壓缸到達(dá)最大減速行程位置，然后繼續(xù)反向運動，到達(dá)起始位置時停止運動，發(fā)射結(jié)束。通過這種方式，在伺服閥減速控制和液壓缸自身緩沖雙重減速作用下，有效提高液壓缸的降速效果，更好地達(dá)到彈射的目的。

根據(jù)上述發(fā)射原理，將液壓缸的發(fā)射過程分為加速階段、正向減速階段、反向加速階段、返回起始點等4 個階段。加速和減速均為勻加減速運動，如圖6 所示，在達(dá)到最大速度時，對應(yīng)位移點記為彈射點，從該點液壓缸開始迅速減速，減速到停止時對應(yīng)最大位移點，其中彈射點、最大位移點為試驗設(shè)定參數(shù)。根據(jù)勻加減速直線運動有

圖6 發(fā)射過程位移和速度曲線

式中：為加速階段加速度；為減速階段減速度。轉(zhuǎn)化后有

根據(jù)該原理，程序的運行過程為：首先初始化，計算加速度a和a；之后軸加使能，切換到位移控制模式；按絕對位置運動到最大位移點，其加速度為a，減速度為a，最大速度為；到達(dá)最大位置后按減速度返回到起始位置。

4 發(fā)射速度軟件補償

圖7 為腿型沖擊過程示意圖，當(dāng)發(fā)射頭型、腿型脫開液壓缸活塞桿后按照自由落體運動，在飛行過程中受重力、空氣阻力作用，最終撞擊速度有一定損失，在軟件中需要進(jìn)行適當(dāng)補償。根據(jù)自由落體運動規(guī)律，在忽略空氣阻力情況下，最終撞擊點的速度、自由水平飛行距離、下落高度、發(fā)射角度以及液壓缸發(fā)射速度在不同發(fā)射情況下的理論補償計算公式如表2 所示。此外，在實際發(fā)射時還需根據(jù)實際結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的修正。

圖7 腿型沖擊過程示意圖

表2 下落高度、飛行距離與發(fā)射角度補償計算公式

5 實際驗證分析

5.1 閉環(huán)特性分析

圖8 為系統(tǒng)在位控閉環(huán)模式下速度和位移的響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，在啟動加速階段，速度出現(xiàn)了滯后和超調(diào)，這主要是因為在伺服閥打開瞬間，無桿腔壓力突然升高，液壓缸從靜摩擦轉(zhuǎn)化為動摩擦，阻力變小，再加上系統(tǒng)響應(yīng)滯后，啟動過程時間又很短，無法及時調(diào)節(jié)。在后半程的加速過程中，速度曲線均能夠得到很好的跟蹤控制。在整個過程中，除啟動和停止時刻位移稍有偏差外，位移控制曲線精度良好。

圖8 閉環(huán)特性曲線

5.2 行人模塊碰撞試驗［11］

進(jìn)行行人頭部模塊的試驗時，設(shè)計了滿足標(biāo)準(zhǔn)形狀和質(zhì)量的頭型。頭型中部設(shè)有安裝軸，與液壓缸活塞桿連接。未發(fā)射時頭型通過卡珠固定在安裝軸上，發(fā)射后由于慣性作用，頭型脫開，完成沖擊試驗，圖9表示頭型模塊沖擊試驗前后狀態(tài)。

圖9 頭型模塊沖擊高速攝像截圖

圖10 所示為上腿型模塊沖擊試驗臺，上腿型沖擊器由上腿型、導(dǎo)向部件和推進(jìn)部件組成。上腿型由尼龍加工而成，安裝在推進(jìn)部件上，通過導(dǎo)向部件安裝在導(dǎo)桿上。試驗時整套裝置被液壓缸推動前進(jìn)，然后和液壓缸分離，整體沿導(dǎo)向桿前進(jìn)沖擊試驗車輛。

圖10 上腿型模塊沖擊試驗臺

下腿型標(biāo)準(zhǔn)中要求質(zhì)量為13.4 kg，考慮到成本因素，下腿型采用圓管簡化設(shè)計，外部包裹橡膠，外形尺寸和質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)相近，實際質(zhì)量為13.9 kg，如圖11所示。

圖11 下腿型實物參考圖

5.3 發(fā)射質(zhì)量

設(shè)備設(shè)計階段已按照最大發(fā)射質(zhì)量15 kg設(shè)計，并預(yù)留一定余量。實際測量證明，設(shè)備可將13.9 kg的下腿型模塊加速到15 m/s，滿足行人模塊發(fā)射質(zhì)量的要求。

5.4 發(fā)射速度精度

這里以腿型模塊試驗測試結(jié)果為例，對發(fā)射裝置的發(fā)射速度精度進(jìn)行了重復(fù)性試驗。表3 所示為6次重復(fù)測試結(jié)果，表明最大誤差為0.14 m/s。

表3 下腿型沖擊速度測試結(jié)果

5.5 發(fā)射角度控制

調(diào)節(jié)發(fā)射裝置初始角度時，采用伺服電機(jī)控制，角度可實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，控制誤差不超過±0.05°。在頭型沖擊試驗時要求最終沖擊角度誤差小于2°。在實際測試過程中，頭型脫離瞬間，由于脫離瞬間摩擦力不均勻?qū)е骂^型發(fā)生微量偏轉(zhuǎn)，加上撞擊表面距離較遠(yuǎn)，最終撞擊角度過大，可通過縮短飛行距離、調(diào)整頭型安裝預(yù)緊力加以改善。上腿型沖擊時由于腿型完全固定在導(dǎo)向架上，沖擊前只須將導(dǎo)軌調(diào)整到?jīng)_擊角度即可。下腿型在發(fā)射過程中，通過高速攝像進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖12 所示，腿型在飛行過程中未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，角度和位置滿足試驗要求。

圖12 下腿型模塊沖擊高速攝像截圖

6 結(jié)束語

以行人保護(hù)測試系統(tǒng)為研究對象，基于液壓伺服控制技術(shù)，采用高壓蓄能器作為動力源，高速液壓缸為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，大流量伺服閥為控制元件，進(jìn)口液壓伺服控制器為控制核心，研究開發(fā)出一套沖擊速度準(zhǔn)確、溫度可控、執(zhí)行可靠的發(fā)射裝置，并進(jìn)行了頭部和上下肢模塊沖擊試驗。結(jié)果表明，雖有部分細(xì)節(jié)有待進(jìn)一步完善，但已基本上滿足試驗要求，部分指標(biāo)可與國外進(jìn)口設(shè)備媲美。通過后期的改進(jìn)，可以利用該裝置開展行人碰撞保護(hù)研究。

本研究成果，還可應(yīng)用于汽車零部件等快速沖擊測試中，如頭枕吸能、轉(zhuǎn)向盤沖擊等，對于提高我國汽車產(chǎn)品的安全防護(hù)的綜合性能、推動我國汽車領(lǐng)域的檢測技術(shù)的國產(chǎn)化，降低相關(guān)測試設(shè)備的成本具有重要意義。