乘用車前后端保護(hù)裝置測試設(shè)備的開發(fā)

趙學(xué)美 姜祖嘯 朱春嵩 褚萬剛

（1.上海機(jī)動車檢測中心；2.上海大眾汽車有限公司；3.中國重汽集團(tuán)進(jìn)出口有限公司）

乘用車前后端保護(hù)裝置是汽車被動安全的關(guān)鍵部分，在低速碰撞方面起著決定性的作用，為此世界各國均制定了相關(guān)的低速碰撞標(biāo)準(zhǔn)及其試驗(yàn)方法，我國參照歐洲ECE-R42 法規(guī)頒布了GB 17354—1998《汽車前后端保護(hù)裝置》。由于碰撞擺錘驅(qū)動（活動屏障或擺錘）形式不同，汽車研發(fā)機(jī)構(gòu)和檢測中心的前后端保護(hù)裝置測試設(shè)備成多樣化，導(dǎo)致碰撞結(jié)果存在一定的差異性，本研究以國標(biāo)要求為基準(zhǔn)，采用平行四邊形剛性懸吊擺錘驅(qū)動，開發(fā)了一款既符合標(biāo)準(zhǔn)要求，又安全可靠且性價(jià)比高的前后端保護(hù)裝置測試設(shè)備。

1 低速碰撞試驗(yàn)規(guī)范

美國的強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)CFR Part 581 和非強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)Consunertest，IIHS-Test，加拿大的CFVSS215，德國的AZT Crash Reparatur Test，歐洲的ECE-R42 等法規(guī)都詳盡描述了低速時汽車前后端保護(hù)裝置的試驗(yàn)文本和試驗(yàn)規(guī)范[1]。

GB 17354—1998 要求汽車生產(chǎn)廠家和相關(guān)的機(jī)動車檢測機(jī)構(gòu)，使用乘用車前后端保護(hù)裝置測試設(shè)備模擬汽車低速碰撞，通過與實(shí)車碰撞來評價(jià)乘用車前后端保護(hù)裝置在低速碰撞時的緩沖性能和安全保護(hù)性能。同時要求試驗(yàn)車縱向?qū)ΨQ面分別與碰撞擺錘的中垂面成0，±60°角，依次進(jìn)行縱向碰撞試驗(yàn)和對“車角”的碰撞試驗(yàn)，共碰撞8 次[2]。碰撞擺錘機(jī)構(gòu)的有效加載質(zhì)量與試驗(yàn)車的“整車整備質(zhì)量”相等，安裝時要求碰撞擺錘與地面垂直，撞擊面至基準(zhǔn)高度（地面）距離為445 mm，如圖1所示，以確保撞擊高度的一致性。

縱向碰撞試驗(yàn)包括汽車正前方的2 次碰撞和正后方的2 次碰撞試驗(yàn)。在每一方向的2 次碰撞中，一次是汽車質(zhì)量為“整車整備質(zhì)量”時進(jìn)行的，另一次是汽車質(zhì)量為“加載試驗(yàn)車質(zhì)量”時進(jìn)行的。在每一方向的2 次碰撞中，第1 次碰撞對碰撞擺錘的位置沒有嚴(yán)格的限制，只需要保證碰撞擺錘的外廓不超越“車角”所限定的區(qū)域即可。而第2 次碰撞要求碰撞擺錘的中垂面與乘用車外輪廓線的交點(diǎn)應(yīng)與第1 次碰撞時的交點(diǎn)相距≥300 mm，同樣保證碰撞擺錘的外廓不超越“車角”所限定的2 個平面區(qū)域，汽車碰撞速度控制在

“車角”碰撞試驗(yàn)包括汽車質(zhì)量為“整車整備質(zhì)量”時對一個前“車角”和一個后“車角”的各一次碰撞，以及在汽車質(zhì)量為“加載試驗(yàn)車質(zhì)量”時對另一前“車角”和另一后“車角”的各一次碰撞。調(diào)整汽車位置，使碰撞擺錘A 平面與汽車中垂面成60°，保證與汽車最先接觸的碰撞點(diǎn)在碰撞擺錘的中垂面上，且機(jī)構(gòu)在碰撞時不發(fā)生晃動，碰撞接觸點(diǎn)的速度控制在

碰撞試驗(yàn)開始前，需配重測試設(shè)備，標(biāo)定碰撞擺錘的碰撞速度，以確保碰撞試驗(yàn)的有效性，準(zhǔn)確評價(jià)試驗(yàn)車是否達(dá)標(biāo)。

2 前后端保護(hù)裝置測試設(shè)備開發(fā)

歐美和日本對前后端保護(hù)裝置的試驗(yàn)已經(jīng)比較成熟，儀器設(shè)備試驗(yàn)精確度高[3]，而國內(nèi)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制定得相對較晚，相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備開發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足。根據(jù)國標(biāo)對碰撞儀器結(jié)構(gòu)的要求，并結(jié)合多年實(shí)車碰撞的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備最終采用擺錘作為驅(qū)動核心，設(shè)計(jì)前后端保護(hù)裝置測試設(shè)備，如圖2 所示，測速設(shè)備在圖2 中未顯示。

2.1 桁架機(jī)構(gòu)

桁架機(jī)構(gòu)作為測試設(shè)備的支撐機(jī)構(gòu)，主要由矩形鋼管、方管、螺栓及連接緊固等部件組成。高強(qiáng)度的桁架加斜撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可滿足撞擊時整體碰撞動能穩(wěn)定的要求，而螺栓連接便于安裝移動。調(diào)研和走訪中發(fā)現(xiàn)，一些汽車廠商和檢測機(jī)構(gòu)為了忽略擺臂質(zhì)量而采用柔性擺臂結(jié)構(gòu)，在實(shí)際碰撞中柔性擺臂易產(chǎn)生晃動，影響碰撞速度的精確度。本設(shè)計(jì)選用剛性擺臂，以提供穩(wěn)定的碰撞動能和足夠的受力強(qiáng)度，同時考慮增加剛性擺臂的有效質(zhì)量。

2.2 碰撞擺錘機(jī)構(gòu)

碰撞擺錘機(jī)構(gòu)的有效質(zhì)量由擺錘、箱體、剛性擺臂、配重塊和鎖止機(jī)構(gòu)等組成，根據(jù)試驗(yàn)車的整車整備質(zhì)量選取相應(yīng)的配重塊來匹配。

碰撞擺錘機(jī)構(gòu)與試驗(yàn)車直接碰撞接觸，其結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3 所示，圖3 中未示出壓緊鎖止機(jī)構(gòu)。碰撞擺錘與配重箱剛性連接，撞擊頭部表面進(jìn)行淬火處理；剛性擺臂則采用平行四邊形懸吊配置箱體，擺錘轉(zhuǎn)動軸至基準(zhǔn)線的距離（3.5 m）大于要求的3.3 m，確保擺錘與試驗(yàn)車在撞擊時發(fā)生水平碰撞。

測試設(shè)備采用剛性擺臂，需考慮其有效質(zhì)量對碰撞擺錘機(jī)構(gòu)的影響。任意時刻，任一擺臂（擺臂i，i=1，2，3，…）的動能與角動能相等，即:

式中:mi有效——擺臂i 的有效質(zhì)量，kg；

vi——擺臂i 末端的速度，m/s；

Ji——擺臂i 的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；

ωi——擺臂i 末端的角速度，rad/s；

li——擺臂i 的有效長度，m；

mi——擺臂i 的質(zhì)量，kg。

迭代，得到擺臂的有效質(zhì)量（m有效/kg）:

最終碰撞擺錘機(jī)構(gòu)的有效質(zhì)量（m/kg）:

式中:m1——箱體和與其剛性連接的周邊機(jī)構(gòu)質(zhì)量，kg；

m2——前后剛性擺臂總質(zhì)量，kg；

m3——配重塊質(zhì)量，kg。

測試設(shè)備加載質(zhì)量區(qū)間為1 030～3 100 kg。配重塊采用壓緊鎖止裝置緊固在箱體上，防止碰撞時各部分發(fā)生相對移動而造成動能損失。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過控制機(jī)構(gòu)輸出指令提升碰撞擺錘高度，可實(shí)現(xiàn)變速提升和任意位置鎖止，根據(jù)氣動插拔[4]原理釋放擺錘。該機(jī)構(gòu)主要包括伺服電機(jī)、固定鎖止器及釋放裝置等。伺服電機(jī)驅(qū)動采用渦輪絲桿傳遞牽引力，通過三點(diǎn)位置傳感器保證提升擺錘的精度。采用氣動插拔工作原理設(shè)計(jì)出的鎖止器和釋放機(jī)構(gòu)，能確保鎖止和釋放碰撞擺錘的可靠性。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)同時具備多種安全控制，如氣動插銷位置報(bào)警、拉索起始/極限位置報(bào)警及氣壓過載/過低報(bào)警等，在保證試驗(yàn)檢測設(shè)備滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的同時具有良好的試驗(yàn)安全性。

2.4 測速機(jī)構(gòu)

測速機(jī)構(gòu)包括:激光發(fā)射器和支架等機(jī)構(gòu)。在桁架機(jī)構(gòu)底部撞擊點(diǎn)附近安裝2 組激光發(fā)射器與2 組接收信號單元，通過碰撞小車切割激光時間脈沖計(jì)算速度，獲取擺錘的碰撞初速度。碰撞擺錘與汽車碰撞時的速度（v（/m/s））為:

式中:S——2 組光柵間距，m；

t——碰撞擺錘切割2 組光柵的時間差，s。

采用激光信號通斷方式，可以滿足碰撞擺錘碰撞速度的測量精度要求。

2.5 控制機(jī)構(gòu)

采用PLC 控制器和便攜式計(jì)算機(jī)作為外接數(shù)據(jù)處理分析終端的控制模式，包括位置控制傳感器、電子計(jì)時器及計(jì)時信號邏輯電路等電器元件。

控制機(jī)構(gòu)利用PLC 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)據(jù)信號采集，監(jiān)控報(bào)警信號實(shí)現(xiàn)安全控制，同時向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出提升和釋放碰撞擺錘信息。碰撞擺錘配重后進(jìn)入速度調(diào)試階段，通過PLC 與外接計(jì)算機(jī)通過硬件在環(huán)的方式一起完成碰撞初速度的調(diào)試，修正擺錘提升高度值，使碰撞速度達(dá)到試驗(yàn)要求的精度控制在0.1 km/h 內(nèi)。

3 碰撞試驗(yàn)分析

文章所用試驗(yàn)車型為某A 級轎車，整車整備質(zhì)量1 519 kg。利用自主開發(fā)的乘用車前后端保護(hù)裝置設(shè)備進(jìn)行前后端保護(hù)裝置碰撞試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件:試驗(yàn)場地具有足夠的面積，地面水平、硬實(shí)且平整；碰撞時試驗(yàn)車前輪處于直線位置，制動器松開，變速器掛空擋。試驗(yàn)流程，如圖4 所示。

縱向碰撞試驗(yàn)碰撞速度為4 km/h，“對角”碰撞試驗(yàn)碰撞速度為2.5 km/h。試驗(yàn)車分別處于整車整備質(zhì)量和加載試驗(yàn)質(zhì)量，乘用車碰撞試驗(yàn)示意圖，如圖5 所示。

試驗(yàn)車每次碰撞后需對車身、發(fā)動機(jī)供油系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及燈具等進(jìn)行檢查。同時要求試驗(yàn)車碰撞后的照明和信號裝置能正常工作并清晰可見；發(fā)動機(jī)罩、行李箱蓋及車門能正常開啟，側(cè)門在碰撞時沒有自行開啟；汽車燃料系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)無泄漏，密封裝置和油/水箱蓋能正常工作；排氣系統(tǒng)無妨礙正常工作的錯位和損壞；傳動系和懸架系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向和制動系統(tǒng)能夠保持良好的調(diào)整狀態(tài)并能正常工作。如果試驗(yàn)車滿足上述要求，則該車符合GB 17354—1998 的要求。

4 結(jié)論

文章開發(fā)的乘用車前后端保護(hù)裝置測試設(shè)備采用高強(qiáng)度桁架加斜撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足碰撞動能的穩(wěn)定；采用氣動插拔工作原理釋放擺錘，滿足提升和釋放動作的可靠性；采用硬件在環(huán)和激光信號控制撞擊點(diǎn)的速度，滿足碰撞速度的測試精度；采用多種安全控制，滿足試驗(yàn)檢測設(shè)備具有良好的試驗(yàn)安全性。設(shè)備試驗(yàn)重復(fù)性好，可確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、有效及客觀公正。

研發(fā)中與主機(jī)廠開展技術(shù)交流，對試驗(yàn)方法和計(jì)算方式達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識。試驗(yàn)證明:該設(shè)備具備評估乘用車前后端在發(fā)生輕度碰撞時汽車損傷程度的能力，能夠判斷是否滿足國家法規(guī)的要求。試驗(yàn)結(jié)果可用來指導(dǎo)檢測汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、空間布置及材料選取。

測試設(shè)備雖然目前只能進(jìn)行乘用車前后端保護(hù)裝置的碰撞試驗(yàn)，但具備驗(yàn)證待檢車是否滿足3C 實(shí)施規(guī)則的擴(kuò)展內(nèi)容及ECE29 法規(guī)的相關(guān)要求的能力，今后可結(jié)合客戶委托需求，完成檢測任務(wù)，為乘用車前后端保護(hù)裝置的檢測研究積累經(jīng)驗(yàn)。