汽車安全帶緊急鎖止性能試驗(yàn)臺(tái)的研制

楊 梅，田春艷

（1.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院，長春130052；2.空軍航空大學(xué)，長春1300220）

0 引言

安全帶是汽車上一種典型的安全裝置，它能有效減少事故中駕乘人員的傷亡。安全帶的緊急鎖止性能，是安全帶技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)鍵性能之一［1］，而安全帶緊急鎖止性能測試設(shè)備是檢測安全帶可靠性的關(guān)鍵設(shè)備［2］。目前國內(nèi)對該設(shè)備以引進(jìn)為主，自主開發(fā)研制還比較滯后。自主研制高精度、高可靠性、高自動(dòng)化程度的安全帶試驗(yàn)臺(tái)是適應(yīng)我國汽車業(yè)高速發(fā)展的必然要求。本文所研制的汽車安全帶緊急鎖止性能試驗(yàn)臺(tái)的整體系統(tǒng)基于工控機(jī)（IPC）與DSP運(yùn)動(dòng)控制板卡的測控系統(tǒng)，采用直線電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并結(jié)合PWM調(diào)速技術(shù)和模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

1 試驗(yàn)臺(tái)功能及特點(diǎn)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)功能

本安全帶試驗(yàn)臺(tái)用于檢測各類汽車安全帶的緊急鎖止性能，可實(shí)現(xiàn)帶感和車感兩種試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)適用于國標(biāo)GB 14166—2003《機(jī)動(dòng)車成年乘員用安全帶和約束系統(tǒng)》［3］，美國聯(lián)邦法規(guī)209號(hào)，歐標(biāo)EEC指令，德國大眾TL－VW470等國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)的相應(yīng)條款。試驗(yàn)臺(tái)采用了先進(jìn)的直線電機(jī)及其伺服控制器［4］，在微機(jī)控制下可以按照各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)設(shè)定的加速度值及其斜率自動(dòng)完成對汽車安全帶緊急鎖止性能的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)［5］。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)參數(shù)

1.2.1 加速度范圍

車感分8擋即0.3g，0.45g，0.5g，0.6g，0.7g，0.8g，1.0g，1.2g；帶感分6擋即 0.3g，0.8g，1.0g，1.2g，1.5g，2.0g。

1.2.2 加速度狀態(tài)

加速度的重復(fù)性偏差 ≤0.01g；加速度的測量精度 ±10%F.S；加速度斜率在10g/s～100g/s范圍內(nèi)保證到達(dá)設(shè)定加速度時(shí)間在（25±5）ms內(nèi)，加速度的最大超調(diào)量小于設(shè)定加速度值的10%。

長征期間，中國共產(chǎn)黨通過制定有效的民族政策，爭取和團(tuán)結(jié)少數(shù)民族有識(shí)之士，組建革命武裝和地方政權(quán)，這些革命政權(quán)具有鮮明的民族自治性質(zhì)，因?yàn)樵谶@些政權(quán)當(dāng)中少數(shù)民族人民是享有選舉權(quán)和被選舉權(quán)的，而且強(qiáng)調(diào)少數(shù)民族在革命政權(quán)機(jī)關(guān)中應(yīng)當(dāng)占絕對或主要的領(lǐng)導(dǎo)地位，如川邊藏區(qū)的甘孜博巴政府就是多德任主席，達(dá)吉、孔撒、格達(dá)任副主席，均為藏族，這樣，各族人民管理自己內(nèi)政的權(quán)利就充分體現(xiàn)了，這種做法使正受苦難煎熬的各族人民看到了希望，點(diǎn)燃了各族人民的革命熱情，贏得了廣大少數(shù)民族同胞的擁護(hù)與支持，從而使播下的革命火種在廣大民族地區(qū)逐步燃燒，為推進(jìn)中國革命向前發(fā)展發(fā)揮了積極作用。

1.2.3 鎖止?fàn)顟B(tài)

系統(tǒng)主要由頻綜、發(fā)射機(jī)、收/發(fā)天線、低噪放、接收機(jī)、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理顯控終端等幾部分組成。組成框圖如圖1所示。

根據(jù)國家汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB 14166—1993《汽車安全帶性能要求和試驗(yàn)方法》，本試驗(yàn)臺(tái)能檢測各種類型汽車安全帶的緊急鎖止性能，可實(shí)現(xiàn)帶感試驗(yàn)和車感試驗(yàn)兩種。

2 試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)由主機(jī)框架、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、伺服控制卡、直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、加速度傳感器、負(fù)荷傳感器、氣動(dòng)緩沖裝置、輔助連接板、手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)及驅(qū)動(dòng)器卷收器夾持裝置、織帶夾持壓板、A/D數(shù)據(jù)采集板等構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中直線電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，安全帶總成（車感）或織帶（帶感）通過夾具固定于電機(jī)動(dòng)子上，通過改變直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)加速度模擬實(shí)際車況下安全帶的緊急鎖止性能。對應(yīng)不同的加速度值，鎖止距離、鎖止時(shí)間、織帶張力可實(shí)時(shí)得到檢測，并通過人機(jī)界面直觀顯示試驗(yàn)曲線及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用以判定檢測結(jié)果是否滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作原理

例如，在講解《海上日出》一課的過程中，教師就可以通過多媒體的介入，來創(chuàng)設(shè)出教學(xué)情境，增強(qiáng)學(xué)生的閱讀體驗(yàn)，使其的閱讀效果得以強(qiáng)化。比如，教師可以先利用課前導(dǎo)入這一環(huán)節(jié)，以多媒體為載體，為學(xué)生播放出海上日出的小視頻，引導(dǎo)其觀看；而在這之后，教師就可以繼續(xù)引導(dǎo)：“同學(xué)們，你們看過日出嗎？”“日出是什么樣子的呢？”“你覺得在作者的筆下海上日出會(huì)有什么不同呢？”讓學(xué)生進(jìn)行分析、闡述，使其暢所欲言，并自然而然的投入到課文閱讀中，達(dá)到強(qiáng)化其閱讀效果的目的。在此模式下，可以彰顯學(xué)生的主體地位，并深化其的閱讀體驗(yàn)等，使教學(xué)效果事半功倍。

帶感試驗(yàn)使用右側(cè)的動(dòng)頭8。試驗(yàn)前，先將安全帶卷收器固定在轉(zhuǎn)角夾具13上，通過其上的導(dǎo)輪，將安全帶水平壓附于負(fù)荷傳感器11上，并由帶感波紋夾具10夾緊，整個(gè)夾具體固定于直線導(dǎo)軌12上，在夾具座尾端串聯(lián)一緩沖汽缸9，上述總成固定于8號(hào)動(dòng)頭上。試驗(yàn)開始后，電機(jī)帶動(dòng)夾具按給定加速度運(yùn)動(dòng)，在安全帶鎖止前，在緩沖氣缸9的作用下，安全帶也按給定加速度伸出。當(dāng)安全帶鎖止后，氣缸伸出，實(shí)現(xiàn)緩沖，完成一次試驗(yàn)。

本試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)少，控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)量不大，采用研祥IPC－810工控機(jī)和PARKER1505控制卡，二者通過研華PCI－1716L采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，織帶張力負(fù)荷值經(jīng)A/D卡放大后實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。圖2為測控原理圖。

1.3 文獻(xiàn)質(zhì)量評(píng)價(jià) 由兩名研究者根據(jù)Newcastle-Ottawa Scale（NOS）評(píng)價(jià)量表對納入研究獨(dú)立進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，采用星級(jí)系統(tǒng)的半量化原則，滿分為9分，≥7分為高質(zhì)量研究［10］。如有分歧，請第三位研究者重新評(píng)價(jià)。

測試開始前首先要進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作，將直線電機(jī)的兩個(gè)動(dòng)頭運(yùn)動(dòng)到起始位置。在運(yùn)動(dòng)程序中設(shè)定動(dòng)頭運(yùn)動(dòng)的加速度、位移及判斷條件等參數(shù)。在發(fā)出運(yùn)動(dòng)開始命令后，動(dòng)頭將在伺服控制下按照其指定的加速度、位移等參數(shù)完成運(yùn)動(dòng)。而運(yùn)動(dòng)過程中通過訪問伺服控制器可以獲得直線電機(jī)動(dòng)頭運(yùn)動(dòng)的實(shí)際速度。通過安裝在動(dòng)頭上的加速度傳感器，可以獲得加速度值。通過安裝于夾具前方的負(fù)荷傳感器，可以得到負(fù)荷的數(shù)值。

車感測試中方向的改變通過手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)6來實(shí)現(xiàn)，該轉(zhuǎn)臺(tái)可以在水平面上攜帶安全帶卷收器5進(jìn)行0°、90°、180°、270°4個(gè)角度旋轉(zhuǎn)；帶感測試中，轉(zhuǎn)角夾具13可攜帶安全帶卷收器14，在垂直平面內(nèi)進(jìn)行0°～90°任意旋轉(zhuǎn)。

3 試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)組成

3.1 硬件系統(tǒng)

車感試驗(yàn)使用左側(cè)的動(dòng)頭7（圖1示所位置）。動(dòng)頭上安裝手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)6。試驗(yàn)前，先將安全帶卷收器固定在手動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)6上，然后將安全帶的拉出端通過動(dòng)頭上的轉(zhuǎn)軸，水平壓附于負(fù)荷傳感器3上，并由車感波紋夾具2夾緊，整個(gè)波紋夾具體固定于直線導(dǎo)軌4上，在夾具座尾端串聯(lián)一緩沖汽缸1。試驗(yàn)時(shí)由計(jì)算機(jī)控制直線電機(jī)帶動(dòng)動(dòng)頭7按指定加速度運(yùn)動(dòng)，由于緩沖汽缸1的作用，安全帶鎖止前，車感夾具5與直線電機(jī)一同動(dòng)作，動(dòng)頭7達(dá)到指定加速度時(shí)，如果安全帶鎖止，則汽缸伸出，實(shí)現(xiàn)緩沖，完成一次試驗(yàn)。

雙動(dòng)頭行程為300mm，可按用戶要求設(shè)定各自行程，鎖止距離測量精度±0.01mm。鎖止?fàn)顟B(tài)由負(fù)荷傳感器判定，負(fù)荷傳感器量程≤200N，精度為0.5%。

圖2 測控系統(tǒng)原理圖

謝瑞天有些慌張，用一種很復(fù)雜的眼神望著我。男人就是這樣，喜歡在外面搞些小動(dòng)作，卻又擔(dān)心家里搞出什么大動(dòng)作。

直線電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選用進(jìn)口美國PARKER產(chǎn)品，該驅(qū)動(dòng)器具有驅(qū)動(dòng)功率大、安全、可靠的特點(diǎn)。為了提高直線電機(jī)的響應(yīng)速度，有效抑制系統(tǒng)的擾動(dòng)，采用模糊PID控制算法，經(jīng)試驗(yàn)：其效果比經(jīng)典PID控制更好，降低了超調(diào)量，有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)性，提高了檢測精度與檢測效率。

3.2 軟件系統(tǒng)

測控軟件系統(tǒng)采用VC＋＋6.0軟件編制的人機(jī)交互界面。該軟件系統(tǒng)具有專用性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，可以直觀地觀察加速度—時(shí)間、負(fù)荷—時(shí)間、位移—時(shí)間等測試曲線及各項(xiàng)測量參數(shù)的實(shí)時(shí)值，還可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)重現(xiàn)，隨機(jī)調(diào)用某一次測試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可以用圖線形式和Excel數(shù)據(jù)形式輸出試驗(yàn)結(jié)果。

4 試驗(yàn)情況介紹

按照該型號(hào)安全帶使用性能要求：車感加速度小于等于0.3g時(shí)，安全帶無鎖止；帶感加速度小于等于1.0g時(shí)，安全帶無鎖止。即安全帶加速度臨界值分別是車感0.3g、帶感1.0g。加速度超過臨界值時(shí)安全帶應(yīng)是鎖止的。以下是安全帶緊急鎖止性能測試過程的截屏圖，其中圖3是車感0.3g時(shí)的加速度顯示，此時(shí)加速度保持0.3g，負(fù)荷值不上升，安全帶無鎖止；圖4是車感0.45g時(shí)的加速度顯示，此時(shí)在110ms處，負(fù)荷值陡然上升，安全帶鎖止；圖5是車感曲線0.7g時(shí)的加速度示值，此時(shí)在90ms處，負(fù)荷值上升，安全帶鎖止；圖6是帶感曲線1g時(shí)的加速度示值，加速度保持1.0g，負(fù)荷值不上升，安全帶無鎖止；圖7是帶感曲線2.0g時(shí)的加速度示值，此時(shí)，在50ms處，負(fù)荷值陡然上升，安全帶鎖止。

圖3 車感0.3g時(shí)的加速度顯示

圖4 車感0.45g時(shí)的加速度顯示

圖5 車感曲線0.7g時(shí)的加速度顯示

圖6 帶感曲線1.0g時(shí)的加速度顯示

圖7 帶感曲線2.0g時(shí)的加速度顯示

上述試驗(yàn)檢測經(jīng)多個(gè)樣品的抽樣試驗(yàn)結(jié)果一致，曲線重復(fù)性高，滿足性能使用要求。

5 結(jié)語

本文研制的安全帶緊急鎖止性能試驗(yàn)臺(tái)，可進(jìn)行各種型號(hào)汽車安全帶包括帶感式、車感式和復(fù)合敏感式緊急鎖止性能測試。其特點(diǎn)是：加速度由微機(jī)閉環(huán)伺服控制，測控精度高，重復(fù)性良好；對復(fù)合敏感式安全帶首次實(shí)現(xiàn)一次裝卡自動(dòng)完成全部檢測；對帶感式和車感式安全帶具有靈活的多功能組合檢測。該試驗(yàn)臺(tái)具有美觀、友好、快捷，方便的人機(jī)對話測控界面，可完成全自動(dòng)或組合檢測，實(shí)時(shí)顯示加速度曲線，加速度峰值及其斜率，鎖止?fàn)顟B(tài)和距離等參數(shù)，可存儲(chǔ)打印輸出標(biāo)準(zhǔn)檢測報(bào)告。經(jīng)實(shí)際使用驗(yàn)證該試驗(yàn)臺(tái)性能達(dá)到相應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際中有較好的應(yīng)用價(jià)值。目前該試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)在一汽技術(shù)中心車身部使用了3年，運(yùn)行良好、工作可靠，成為該中心承擔(dān)各類汽車安全帶的送檢平臺(tái)。

［1］孫永芳.TD2001型汽車安全帶緊急鎖止性能試驗(yàn)臺(tái)［J］.天津汽車，2002（4）：8－10.

［2］趙曉昱，邢彥鋒，吳錚.基于ADAMS的汽車安全帶卷收器鎖止性能的研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（12）：220－221.

［3］GB 14166—2003，機(jī)動(dòng)車成年乘員用安全帶和約束系統(tǒng)［S］.

［4］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［5］葛如海，劉志強(qiáng)，陳曉東.汽車安全工程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.