0 引言

車輛作為交通和休閑工具，在使用過程中受到撞擊在所難免。因此，碰撞試驗(yàn)被汽車列為重要的安全性能指標(biāo)。在非機(jī)動(dòng)車類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，碰撞沖擊試驗(yàn)也是一項(xiàng)重要的技術(shù)要求，如童車產(chǎn)品中的嬰兒學(xué)步車、兒童三輪車和滑板車等。由于該項(xiàng)目直接關(guān)乎騎行兒童的安全，一直為業(yè)界所重視。

1 童車碰撞試驗(yàn)介紹

在早期的標(biāo)準(zhǔn)中，碰撞沖擊的試驗(yàn)方法基本都用跌落（試件負(fù)載后自一定高度垂直落下）來考核。隨著研究的深入，大家越來越重視水平方向的沖擊，畢竟這種以一定速度水平撞擊擋板最接近實(shí)際。

嬰兒學(xué)步車作為約1周歲以下兒童使用的產(chǎn)品，為兒童由爬到獨(dú)立行走，提供了很好的適應(yīng)工具，受到家長歡迎。為了保證學(xué)步車框架的可靠性，國標(biāo)GB14749—2006《嬰兒學(xué)步車安全要求》，要求學(xué)步車水平置放，放置測(cè)試砝碼[（直徑160±5 mm，高280±5 mm，重心在幾何重心，質(zhì)量（重量）為12 ±0.05 kg）]，使學(xué)步車以2 ±0.2 m/s的速度碰撞壁厚20 mm的膠合板或同等材料的剛性墻，墻的高度高于學(xué)步車，測(cè)試進(jìn)行一次。學(xué)步車不得破損、脫落、變形，以及應(yīng)符合GB 6675中的A4.4、A4.6、A4.7條的規(guī)定。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)制定的ANSI Z315.1—2006《三輪車 安全性要求》中，只有垂直跌落試驗(yàn)，即在座位和車把上施加合適的載荷，三輪車自一定高度自由落在水泥地面上3次。GB 14747—2006《兒童三輪車安全要求》修改采用了此標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。但是修訂的ANSI Z315.1—2012版中，增加了水平碰撞的試驗(yàn)要求，方法為在三輪車座椅正常使用位置上施加規(guī)定負(fù)載[依兒童體質(zhì)量（體重）為10.9 ～33.8 kg]。測(cè)試人員操作三輪車以2 ±0.2 m/s速度撞向固定、堅(jiān)固并且豎直的擋塊，擋塊高度應(yīng)當(dāng)?shù)扔诨虼笥谇拜啺霃?。如果三輪車同時(shí)將承受多于一個(gè)兒童的體質(zhì)量（體重），則同時(shí)測(cè)試每個(gè)乘坐和站立區(qū)域。如果三輪車包含了將要裝載一些重物（儲(chǔ)物箱、袋子等），則在這些東西中按照制造商推薦質(zhì)量（重量）施加負(fù)載。如果制造商沒有給出最大質(zhì)量（重量），使用4.5 kg。

滑板車歐盟標(biāo)準(zhǔn)是近些年出現(xiàn)的，歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN 14619：2015《帶輪運(yùn)動(dòng)裝置-滑板車-安全要求與測(cè)試方法》中前輪碰撞沖擊試驗(yàn)，規(guī)定了兩種方法：重物垂直高度落下沖擊滑板車前輪和水平碰撞。但隨后的修訂版EN 14619：2019刪除了重物垂直高度落下沖擊試驗(yàn)的方法，只允許采用水平碰撞。其具體方法為：滑板車應(yīng)以[4.5±0.5m/s的沖擊速度、135 J能量（換算后，滑板車和配重應(yīng)為13.33 kg）]，用前輪前進(jìn)方向撞擊到堅(jiān)固鋼制部件上。

目前，我國機(jī)構(gòu)和企業(yè)實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行童車碰撞試驗(yàn)時(shí)，對(duì)跌落試驗(yàn)研究比較多，測(cè)試設(shè)備也比較完善，但對(duì)水平碰撞試驗(yàn)研究很少，尤其通用的檢測(cè)手段非常缺乏，影響了我們的檢測(cè)水平。

2 傳統(tǒng)童車碰撞試驗(yàn)機(jī)簡介

目前，國內(nèi)各機(jī)構(gòu)和企業(yè)在進(jìn)行童車碰撞試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)方案基本是將童車產(chǎn)品安裝在滑車平臺(tái)上，利用斜坡產(chǎn)生加速度，滑行一定距離達(dá)到所需速度后進(jìn)行沖擊測(cè)試，這個(gè)方案的缺點(diǎn)是撞擊瞬間有速度分量：水平和垂直速度分量，不能實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格意義上的水平撞擊；而且，該設(shè)備占地非常大，以實(shí)現(xiàn)2 m/s速度的撞擊試驗(yàn)為例，試驗(yàn)機(jī)需要4 m長，如果做滑板車4.5 m/s速度撞擊，斜坡自然需要更長。另外，該設(shè)備在使用過程中，滑臺(tái)的摩擦力是變化的，要經(jīng)常進(jìn)行速度校正，增加了試驗(yàn)的繁瑣性，也影響了試驗(yàn)的可靠性。

為了提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性，國外機(jī)構(gòu)和企業(yè)很多采用快速油缸驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)滑車，童車安置于滑車上，利用油缸拉動(dòng)產(chǎn)生一定速度后再進(jìn)行撞擊試驗(yàn)。該方案可實(shí)現(xiàn)真正意義的水平撞擊，速度精度也可以保證，但設(shè)備體積龐大、價(jià)格高。像德國麥斯睿恩（MESSRING）公司生產(chǎn)的兒童座椅撞擊試驗(yàn)機(jī)要1 000多萬元人民幣，即使做沖擊速度低的試驗(yàn)，所需的快速油缸系統(tǒng)的售價(jià)也要20多萬元人民幣，令眾多企業(yè)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)望而卻步。

3 直線電機(jī)原理和性能簡介

直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。直線電機(jī)的工作原理與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相同，當(dāng)給直線電機(jī)通電后，它的初級(jí)和次級(jí)之間同樣產(chǎn)生氣隙磁場，由于氣隙磁場的作用，直線電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在旋轉(zhuǎn)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的磁場叫作旋轉(zhuǎn)磁場，在直線電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)之間產(chǎn)生的磁場叫作行波磁場。直線電機(jī)通入三相交流電后，根據(jù)楞次定律，在初級(jí)線圈中產(chǎn)生磁通，次級(jí)金屬板上感應(yīng)出電流，最后轉(zhuǎn)變成電磁推力，這樣直線電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)之間就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)。設(shè)直線電機(jī)次級(jí)金屬板上有電阻和電感，引起渦流的感應(yīng)電壓為，渦流電流和磁通密度按照弗來明右手定則在次級(jí)上產(chǎn)生連續(xù)的推力。

直線電機(jī)輸入三相交流電，通過電流大小變化來控制直線電機(jī)的速度、位置等參數(shù)，也就是由輸入動(dòng)子繞組線圈的電壓（t）會(huì)在繞組線圈回路中產(chǎn)生電流（t），根據(jù)弗來明右手定則，電流（t）與磁場之間相互作用產(chǎn)生動(dòng)子的電磁推力，這樣電機(jī)就可以進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。

直線電機(jī)采用直接驅(qū)動(dòng)的方式：1.直線電機(jī)可以減少定位系統(tǒng)的零件數(shù)量，降低機(jī)械復(fù)雜度，提高可靠度；2.直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度除了受行程的影響之外，負(fù)載、電機(jī)推力所造成的加減速都是關(guān)鍵，據(jù)報(bào)道，直線運(yùn)動(dòng)速度可以做到7 m/s以上；3.目前，直線電機(jī)的加速度需要較大推力的工況下，最大可以做到30～50 m/s，在小推力工況下，甚至可以做到100 m/s；4.位置反饋裝置的分辨率，1 μm的數(shù)位式光學(xué)尺最為常用，一般定位精度在±0.05 mm以內(nèi)，重復(fù)定位精度在±0.01 mm以內(nèi)；5.行程理論上不受限制，定子通過模組拼接的方式可以無限延長，但實(shí)際應(yīng)用受線纜、信號(hào)反饋裝置等其他因素的限制；6.電機(jī)在定位系統(tǒng)中提供推力來源，搭載質(zhì)量（重量）主要依存加速度的需求，根據(jù)可知道，推力一定時(shí)，所需加速度越大，加載的質(zhì)量（重量）就必須越小，反之則越大，很多直線電機(jī)都可以做到連續(xù)推力大于4 000 N，峰值超過10 000 N。

總之，直線電機(jī)可以快速加速到4.5 m/s以上，自帶的光學(xué)尺可以精準(zhǔn)測(cè)定和維持速度。普通的直線電機(jī)都可以在1 m行程內(nèi)帶動(dòng)童車產(chǎn)品和負(fù)載，實(shí)現(xiàn)試件碰撞前的速度要求。直線電機(jī)非常適合用作童車碰撞試驗(yàn)機(jī)中試件的載體，使試驗(yàn)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、高精度、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)良特性。

4 基于直線電機(jī)技術(shù)的童車碰撞試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)

4.1 直線電機(jī)的選型

直線電機(jī)的選型應(yīng)根據(jù)速度、加速度、行程來進(jìn)行。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，理想的碰撞試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃為：試件快速加速到規(guī)定的速度，保持勻速運(yùn)行一段時(shí)間后，試件碰撞時(shí)，電機(jī)停止輸入電流。但是，電機(jī)在試件碰撞的瞬間，實(shí)施斷電，有可能存在極短時(shí)間內(nèi)試件碰撞上了，電機(jī)還帶動(dòng)試件向前驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)象，從而影響試驗(yàn)精度，也會(huì)給電機(jī)造成使用風(fēng)險(xiǎn)。所以，建議在試件離碰撞擋板極短距離時(shí)，例如10 mm或更小值，停止輸入電流，利用電機(jī)滑塊和試件系統(tǒng)的慣性完成規(guī)定速度的碰撞。具體速度規(guī)劃見圖1，圖中V為碰撞時(shí)的實(shí)際速度。

圖1 碰撞試驗(yàn)機(jī)用直線電機(jī)典型速度規(guī)劃圖

直線電機(jī)運(yùn)行時(shí)，受到推力和系統(tǒng)阻力，通過輸入一定的電流，即可實(shí)現(xiàn)勻加速運(yùn)動(dòng)。根據(jù)經(jīng)典運(yùn)動(dòng)學(xué)，勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)速度=V+，行程=V+1/2。

碰撞試驗(yàn)時(shí)，一般自靜止開始啟動(dòng)，即V=0，如果最大速度V要達(dá)到碰撞前的要求，則：

由最大速度，考慮到試件的尺寸和試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等因素，初步確定直線電機(jī)行程，然后進(jìn)行加速度的選型。

瞬時(shí)推力的計(jì)算如下：F=M×a+(M×+F)×μ=F+F ,其中：

M為負(fù)載，F為初次級(jí)間吸引力，μ為摩擦系數(shù)，F為慣性力，F為摩擦力。

考慮到碰撞試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)方式為間斷式的運(yùn)行(t階段不輸入電流)，一個(gè)周期內(nèi)等效推力計(jì)算如下：

對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)電流I與等效電流I可由電機(jī)推力常數(shù)代入下式計(jì)算得知：

通過直線電機(jī)供應(yīng)商提供的電機(jī)規(guī)格表，使用者可以根據(jù)瞬時(shí)推力需求選擇合適的電機(jī)，之后使用者可以計(jì)算確認(rèn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃后所需供應(yīng)電流是否在規(guī)格限制內(nèi)。

I=F /K，該值應(yīng)小于供應(yīng)商電機(jī)規(guī)格表I,其中：I為瞬間電流，F為瞬間推力，K為推力常數(shù)。

使用者還應(yīng)考量等效電流I與連續(xù)電流I的比值，通常規(guī)劃后其比值（I/I）建議設(shè)計(jì)在0.7以內(nèi)比較安全。

4.2 電機(jī)和試件的連接

根據(jù)不同產(chǎn)品碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，有些試驗(yàn)是以沖擊能量為要素，例如滑板車，沖擊時(shí)只要滿足試件加配重為13.33 kg即可，此時(shí)電機(jī)的滑塊部分可以當(dāng)作配重的一部分處理，即將試件剛性固定在電機(jī)滑塊上，成為試件的一部分。沖擊時(shí)，滑塊和試件一起撞擊擋板，利用滑塊本身的滑動(dòng)性，碰撞后向后反彈。

有些產(chǎn)品只要求試件本身部位上加負(fù)載，僅對(duì)樣品實(shí)施沖擊，如三輪車和嬰兒學(xué)步車。此時(shí)，電機(jī)滑塊就不能參與撞擊，即撞擊時(shí)，必須將電機(jī)滑塊和試件脫離。為此，需要設(shè)計(jì)卡緊裝置，啟動(dòng)時(shí)，將試件和電機(jī)滑塊卡緊在一起，撞擊前的瞬間，卡緊裝置松開，實(shí)現(xiàn)試件本身對(duì)擋板的撞擊。為了確保試驗(yàn)的可靠性，建議用機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)卡緊，卡緊裝置頭部比試件先接觸擋板，接觸擋板時(shí)即松脫開卡緊機(jī)構(gòu)。

4.3 系統(tǒng)裝置穩(wěn)定性的處理

碰撞試驗(yàn)機(jī)使用直線電機(jī)目的之一就是為了減少設(shè)備的空間。為此，定子（滑軌）可以根據(jù)需要選擇長度，但不可能采用特別長的動(dòng)子（滑塊），因?yàn)橥瑯拥亩ㄗ娱L度，動(dòng)子長，則有效行程就會(huì)縮小。一般電機(jī)的動(dòng)子長為300 mm，同試驗(yàn)樣品相比，明顯短。碰撞試驗(yàn)時(shí)，長度方向可能會(huì)對(duì)滑塊產(chǎn)生額外的扭轉(zhuǎn)，從而影響電機(jī)滑動(dòng)順暢性和壽命。為此，建議試驗(yàn)前，先確定好負(fù)載下的試件前后方向的重心位置（試件左右方向一般都是對(duì)稱的，故側(cè)向不需要確定重心），做好標(biāo)示，將其重心同動(dòng)子的重心基本保持一致，以便碰撞時(shí)，保證系統(tǒng)裝置的穩(wěn)定。

4.4 碰撞試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)

為了得到撞擊前的規(guī)定速度，試驗(yàn)機(jī)必須能夠偵測(cè)到直線電機(jī)本身數(shù)位式光學(xué)尺的信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算可以顯示出動(dòng)子的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度。另外，為了得到需要的加速度，還應(yīng)控制輸入電流。保持速度時(shí)，也需要控制輸入電流。這些都需要由計(jì)算機(jī)采集放大信號(hào)后，經(jīng)過計(jì)算機(jī)計(jì)算后，控制電流輸入和直線電機(jī)的運(yùn)作，因此，需要進(jìn)行計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制。

5 結(jié)論

直線電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、位置精度高、加速快等顯著優(yōu)勢(shì)，非常適合作為童車水平碰撞試驗(yàn)機(jī)試件的載體使用。同時(shí)，這也為研制普通自行車和電動(dòng)自行車等水平碰撞試驗(yàn)機(jī)提供了一種更先進(jìn)的思路。