張振巖，邵帥，胡世廣

（中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司，天津 300300）

車身和車門在車輛發(fā)生側(cè)滾翻及意外擠壓時(shí)應(yīng)給駕乘人員提供有力的保護(hù)，因而必須要求其具有足夠的強(qiáng)度，為此國(guó)內(nèi)外頒布了相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如乘用車方面有中國(guó)的GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強(qiáng)度》[1]和GB 15743—1995《轎車側(cè)門強(qiáng)度》[2]、美國(guó)的FMVSS 216a《ROOF CRUSH RESISTANCE》及FMVSS 214《SIDE IMPACT PROTECTION》等；商用車方面有GB 26512—2021《商用車駕駛室乘員保護(hù)》[3]等，都對(duì)車身或車門強(qiáng)度試驗(yàn)做出明確的規(guī)定。由此可見對(duì)車身和車門進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)是車輛研發(fā)過(guò)程中必要的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)開發(fā)汽車車身強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)對(duì)汽車安全性能的驗(yàn)證具有非常重要意義。

1 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

圖1 機(jī)械系統(tǒng)示意圖

機(jī)械系統(tǒng)主要由主框架、升降機(jī)構(gòu)、X軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、Y平移機(jī)構(gòu)、Y軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)、工裝夾具等組成。主框架作為整體試驗(yàn)臺(tái)的主體支撐，提供足夠的剛度和強(qiáng)度，升降架通過(guò)三相異步電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)上下升降調(diào)整，以適應(yīng)不同的試件高度。X軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)左右方向±15°調(diào)節(jié)，通過(guò)三相異步電機(jī)控制兩級(jí)渦輪蝸桿減速機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)角度調(diào)節(jié)，配有角度傳感器精確測(cè)量角度，到位后有鎖緊機(jī)構(gòu)。Y軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)前后0～90°調(diào)節(jié)，通過(guò)2 套三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)伸縮實(shí)現(xiàn)角度調(diào)節(jié)，配有角度傳感器精確測(cè)量角度。加載機(jī)構(gòu)通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的加載，配有4 套載荷傳感器。工裝夾具通過(guò)固定車身底側(cè)的裙邊實(shí)現(xiàn)車身的支撐和固定。

2 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)相結(jié)合模式，上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)Modbus TCP 協(xié)議進(jìn)行通信，信息交互包括Modbus 通信API和數(shù)據(jù)采集API這2 種方式。其中電機(jī)使能、電缸伸出和縮回、伺服報(bào)警、限位等信息通過(guò)調(diào)用Modbus 通信API函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)寄存器的讀寫實(shí)現(xiàn)，針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的載荷、位移實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等需要高速采集，上位機(jī)軟件通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)采集API相應(yīng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)后，上位機(jī)要在下位機(jī)控制器緩存滿之前將數(shù)據(jù)讀取，否則會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失情況。

上位機(jī)選用戴爾計(jì)算機(jī)Vostro 3710、VB6.0 開發(fā)人機(jī)交互系統(tǒng)，主要包括用戶登錄及管理、系統(tǒng)標(biāo)定、手動(dòng)調(diào)試、試驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)、幫助等6 個(gè)模塊，能夠進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和傳感器反饋數(shù)據(jù)的分析處理顯示及曲線繪制，進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置并發(fā)送給下位機(jī)，測(cè)試結(jié)束后進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢。

下位機(jī)選用Leetro I5 作為主站控制器，從站包括2 套四通道模擬量輸入模塊E20H1、1 套八通道數(shù)字量混合模塊以及加載通道伺服、俯仰角度1 伺服、俯仰角度2 伺服、左右角度伺服、升降通道1 伺服、升降通道2 伺服共6 套松下A6B 驅(qū)動(dòng)器，下位機(jī)各單元之間通過(guò)以太網(wǎng)連接，基于EtherCAT[4]協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)通信和控制，同步模式選擇DC-Synchron。

下位機(jī)基于IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行實(shí)時(shí)控制程序的開發(fā)，分為優(yōu)先權(quán)0 和1 這2 個(gè)任務(wù)等級(jí)，其中任務(wù)優(yōu)先權(quán)0 為高速采集任務(wù)，該任務(wù)進(jìn)行載荷、位移、角度等變量數(shù)據(jù)的濾波和分析處理，并存儲(chǔ)到連續(xù)的寄存器地址中，方便上位機(jī)的讀取。任務(wù)優(yōu)先權(quán)1包括基本功能函數(shù)、PID 控制模塊、手動(dòng)調(diào)試模塊和試驗(yàn)?zāi)K，其中基本功能函數(shù)包括伺服電機(jī)的使能、傳感器過(guò)載和伺服過(guò)載報(bào)警及處理、報(bào)警清除等，PID控制模塊包括力控、位控等控制模式之間的切換初始化、PID 控制參數(shù)自整定[5]、PID 計(jì)算、電機(jī)指令處理和輸出等，手動(dòng)調(diào)試模塊只有在上位機(jī)切換到手動(dòng)調(diào)試界面后執(zhí)行，包括系統(tǒng)各個(gè)作動(dòng)器單元和指令信號(hào)的控制輸出、傳感器和開關(guān)反饋的顯示，能夠進(jìn)行試驗(yàn)前加載位置的調(diào)整和系統(tǒng)各單元狀況的查看和檢修，試驗(yàn)?zāi)K包括乘用車車頂靜壓、側(cè)門侵入和商用車車頂靜壓3 項(xiàng)內(nèi)容，能夠根據(jù)上位機(jī)設(shè)置的試驗(yàn)參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)加載及清零、加載、保持和卸載。

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置界面如圖2 所示，首先根據(jù)需求從乘用車車頂靜壓、側(cè)門侵入和商用車車頂靜壓中選擇試驗(yàn)項(xiàng)目，控制方式從力控加載、位控加載和交變加載中選擇，然后設(shè)置預(yù)載載荷及預(yù)載速度，預(yù)載載荷用于加載壓板和車輛接觸的載荷判定。通過(guò)“添加新值”或“插入新值”可增加試驗(yàn)加載段數(shù)，最多可設(shè)置10段，選中右上方表格中需要編輯的行然后點(diǎn)擊“更新波形”，可將左邊設(shè)定點(diǎn)加載幅值、加載時(shí)間和保持時(shí)間刷新到右上方表格；選中右上方表格中指定行，然后點(diǎn)擊“刪除”按鈕可將該段加載參數(shù)從表格中刪除。右下方顯示加載曲線預(yù)覽，當(dāng)試驗(yàn)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，曲線自動(dòng)刷新。點(diǎn)擊開始按鈕時(shí)，上位機(jī)將把表格中試驗(yàn)參數(shù)寫到下位機(jī)控制器中并自動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置界面

3 主要試驗(yàn)項(xiàng)目

試驗(yàn)主界面上面部分顯示實(shí)時(shí)載荷、實(shí)時(shí)位移和整個(gè)加載過(guò)程中的載荷、位移最大值，側(cè)門試驗(yàn)時(shí)還要顯示初始耐擠壓力、中間耐擠壓力和整個(gè)過(guò)程中的最大耐擠壓力。運(yùn)行指示燈用于顯示當(dāng)前試驗(yàn)狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)報(bào)警指示燈閃亮提示。左下方為加載過(guò)程曲線繪制部分，包括載荷位移實(shí)時(shí)曲線和載荷位移曲線。右方表格顯示每段試驗(yàn)加載的載荷峰谷值和位移峰谷值。右下方為試驗(yàn)操作按鈕，包括試驗(yàn)啟動(dòng)、載荷清零、位移清零、報(bào)警清除、保存數(shù)據(jù)、試驗(yàn)打包等。

試驗(yàn)流程圖如圖3 所示。在點(diǎn)擊“試驗(yàn)啟動(dòng)”按鈕后，上位機(jī)將試驗(yàn)參數(shù)寫到下位機(jī)控制器，下位機(jī)根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)自動(dòng)完成整個(gè)試驗(yàn)的預(yù)加載以及預(yù)加載結(jié)束時(shí)的自動(dòng)清零、加載、保持，直至完成所有設(shè)置段數(shù)的加載過(guò)程，然后卸載至載荷接近為零或位移為零后結(jié)束試驗(yàn)。加載過(guò)程中如若出現(xiàn)超載、超位移、伺服報(bào)警等異常情況時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)并聲光報(bào)警提示。試驗(yàn)過(guò)程中上位機(jī)實(shí)時(shí)讀取下位機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)，并在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理顯示和曲線繪制，試驗(yàn)結(jié)束后可進(jìn)行數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢和生成試驗(yàn)報(bào)告等，此外上位機(jī)還可進(jìn)行查看故障記錄、中止試驗(yàn)等操作。

圖3 試驗(yàn)流程圖

3.1 乘用車車頂靜壓試驗(yàn)

根據(jù)GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強(qiáng)度》，按照標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)裝置定位示意圖進(jìn)行試驗(yàn)車輛的裝卡固定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)方法5.5 部分所述“使加載裝置沿垂直于下表面的方向向下移動(dòng)，不應(yīng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，加載速度不超過(guò)13 mm/s，直至載荷的大小達(dá)到第3 章的要求，整個(gè)試驗(yàn)在120 s 內(nèi)完成”可以看出，加載過(guò)程要求位移勻速而加載目標(biāo)為載荷，這種情況下選擇交變加載模式。

選擇交變加載模式，啟動(dòng)試驗(yàn)后，加載板按照設(shè)定的位移速度進(jìn)行加載，當(dāng)達(dá)到目標(biāo)載荷時(shí)自動(dòng)切換到力控模式進(jìn)入保持階段，保持時(shí)間到達(dá)后再次自動(dòng)切換到位控，判定是否完成所有設(shè)定加載段數(shù)，如果未完成則繼續(xù)進(jìn)行下一段加載，否則進(jìn)入卸載階段。

3.2 側(cè)門侵入試驗(yàn)

根據(jù)GB 15743—1995《轎車側(cè)門強(qiáng)度》，按照標(biāo)準(zhǔn)中加載示意圖進(jìn)行試驗(yàn)車輛的裝卡固定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)方法4.4 所述“連續(xù)加載時(shí)，加載裝置的移動(dòng)速度不得大于12.7 mm/s，必須在120 s 內(nèi)完成”可以看出，加載過(guò)程要求位移勻速且加載目標(biāo)為位移，這種情況下選擇位控加載模式。

選擇位控加載模式，啟動(dòng)試驗(yàn)后，加載板按照設(shè)定的位移速度進(jìn)行加載，當(dāng)加載到設(shè)定位移目標(biāo)值457 mm 自動(dòng)進(jìn)行卸載至位移零位。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中4.5 部分“求得施加載荷相對(duì)擠壓距離的積分，以該積分值除以相應(yīng)的擠壓距離，其結(jié)果即為在這個(gè)距離上使車門變形所需要的平均力”，分別計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)中2 部分要求的0～152 mm 擠壓距離上的初始耐擠壓力、0～305 mm 擠壓距離上的中間耐擠壓力和457 mm 整個(gè)擠壓距離上的最大耐擠壓力。

3.3 商用車車頂靜壓試驗(yàn)

根據(jù)GB 26512—2021《商用車駕駛室乘員保護(hù)》5.7.3 部分所述“通過(guò)加載裝置向駕駛室頂部施加靜態(tài)載荷（如標(biāo)準(zhǔn)中加載示意圖），該靜態(tài)載荷相當(dāng)于車輛前軸或多根前軸的最大允許軸荷，最大值為98 kN”可以看出，加載目標(biāo)為載荷，這種情況下選擇力控加載模式。

選擇力控加載模式，啟動(dòng)試驗(yàn)后，加載板按照設(shè)定的載荷加載速度進(jìn)行加載，當(dāng)加載到設(shè)定載荷目標(biāo)值后進(jìn)入載荷保持階段，完成后自動(dòng)進(jìn)行卸載至位移零位或載荷較小值。試驗(yàn)后按照標(biāo)準(zhǔn)中4.2 部分進(jìn)行試驗(yàn)后駕駛室內(nèi)每個(gè)乘坐位置生存空間的檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

本文針對(duì)乘用車和商用車車身強(qiáng)度多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的需求設(shè)計(jì)開發(fā)了綜合靜強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)調(diào)整該試驗(yàn)臺(tái)加載裝置的豎直高度、左右位置、俯仰旋轉(zhuǎn)角度、左右旋轉(zhuǎn)角度，可滿足乘用車車頂靜壓、乘用車側(cè)門侵入和商用車車頂靜壓3 個(gè)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試需求。設(shè)備控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)相結(jié)合的模式，下位機(jī)基于EtherCAT 開發(fā)實(shí)時(shí)控制軟件進(jìn)行模糊PID 閉環(huán)控制、電動(dòng)伺服運(yùn)動(dòng)控制、PLC 邏輯控制和高速采集，上位機(jī)基于Windows 系統(tǒng)開發(fā)人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)顯示、測(cè)試曲線繪制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢。經(jīng)測(cè)試使用表明，系統(tǒng)操作調(diào)整便捷、控制精度高，很好地滿足了車身強(qiáng)度測(cè)試需求，而且系統(tǒng)集成度高減少占地面積，能夠?yàn)橛脩艄?jié)省很多成本。