液壓加載系統(tǒng)在汽車座椅性能檢測中的應(yīng)用

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(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 上?！?01418)

引言

至2014年底，我國汽車保有量已經(jīng)達(dá)到了1.54億輛，汽車的安全性能日益得到重視。汽車座椅作為車身內(nèi)直接與人體接觸的零部件，在對駕乘人員的安全保護(hù)中起著重要作用。

汽車座椅安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度是汽車被動安全的重要組成部分，在汽車運(yùn)行中既能使乘員處在自身的安全空間內(nèi)，也使乘員在遇事故發(fā)生過程中保持一定的姿勢，以便其他約束系統(tǒng)能充分發(fā)揮各自相應(yīng)的保護(hù)功能。因此，對座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度的檢測非常重要，安全帶固定點(diǎn)足夠的強(qiáng)度可以降低汽車發(fā)生事故時對人體的傷害，各國對汽車座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度檢測都有規(guī)定的檢測指標(biāo)要求。

1　加載方式與基本要求

1.1　加載方式選擇

作為汽車座椅性能檢測設(shè)備整體的重要組成部分，設(shè)備的加載系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要，它既需要體現(xiàn)座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗標(biāo)準(zhǔn)要求的加載方法，又需要確保對加載過程及載荷值的準(zhǔn)確控制，而選擇怎樣的主體方式來完成對被檢測對象實施加載無疑是重要的，常采用的加載方式有機(jī)械式加載、電氣加載和液壓加載等。

機(jī)械式加載方式通常是在電動機(jī)等原動機(jī)驅(qū)動下，通過齒輪、凸輪、連桿等各類機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動和動力，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)(元件)完成規(guī)定動作，對物體進(jìn)行加載，機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動可靠性、穩(wěn)定性高，但在不同工作要求下運(yùn)動鏈較長會使機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸較大，有的結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)無級平滑調(diào)整或有振動噪音等。電氣加載常采用電機(jī)為執(zhí)行元件，由計算機(jī)、控制器、傳感系統(tǒng)、各類電機(jī)組成，主運(yùn)動為電機(jī)轉(zhuǎn)動，可用于力矩加載，加載分辨率高，適用于小載荷加載情況，系統(tǒng)穩(wěn)定；電力驅(qū)動元件主要類型有兩種，回轉(zhuǎn)運(yùn)動型和直線運(yùn)動型，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，輸出回轉(zhuǎn)運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩或直線運(yùn)動和力，如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，但伺服電機(jī)輸出力矩小，無法模擬大載荷加載情況，且易產(chǎn)生多余力矩[1，2]。

基于流體力學(xué)、工程力學(xué)等學(xué)科理論的液壓傳動，是以液體壓力能進(jìn)行傳遞和轉(zhuǎn)換能量的液體傳動[3]，同樣可以實施對物體的加載，液體壓力的大小取決于負(fù)載，廣泛應(yīng)用于各種機(jī)械設(shè)備中。液壓加載相對于其他加載方式，傳動裝置體積小，慣性小，功率質(zhì)量比大，較小的執(zhí)行器能輸出很大的載荷，響應(yīng)速度快，能夠進(jìn)行大范圍無級調(diào)速，具有過載保護(hù)能力?；谝簤簜鲃优c控制系統(tǒng)的應(yīng)用特性和汽車座椅性能檢測標(biāo)準(zhǔn)中載荷大、加載迅速等要求，在本座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度檢測設(shè)備中選用液壓系統(tǒng)完成加載目標(biāo)要求。

1.2　加載基本要求

按照汽車座椅安全帶固定點(diǎn)檢測標(biāo)準(zhǔn)的要求，模擬座椅安全帶在汽車運(yùn)行時的實際工況，將座椅安裝在滑軌上，在座椅上放置上、下人體模塊，固定試驗安全帶，通過液壓加載系統(tǒng)的拉力作用于座椅安全帶，從而對安全帶固定點(diǎn)實施加載，以檢測安全帶固定點(diǎn)的強(qiáng)度。我國試驗標(biāo)準(zhǔn)中要求檢測設(shè)備在規(guī)定時間內(nèi)所施加載荷達(dá)到13500 N的規(guī)定值，座椅安全帶固定點(diǎn)加載受力狀態(tài)見圖1。

圖1　安全帶固定點(diǎn)加載受力簡圖

2　液壓加載系統(tǒng)設(shè)計

2.1　液壓傳動與控制基本原理

液壓傳動是依靠在封閉管路中受壓流體為工作介質(zhì)進(jìn)行能量交換、傳遞、控制和分配的傳動方式[4]。液壓傳動系統(tǒng)一般由動力、執(zhí)行、控制、輔助元件和工作介質(zhì)五部分組成。

動力元件是將原動機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體壓力能的裝置，依靠液壓能來傳遞動力和信號，通常稱為液壓泵。執(zhí)行元件是把輸入的液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置，分為液壓缸和液壓馬達(dá)。而控制元件的作用是控制液壓傳動系統(tǒng)中的壓力、流量、液流方向，以改變執(zhí)行元件的作用力、運(yùn)動速度和運(yùn)動方向等。而濾油器、油箱等是確保液壓系統(tǒng)工作不可缺少的輔助元件，液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)通常采用液壓油，它是系統(tǒng)的傳遞介質(zhì)。

液壓傳動系統(tǒng)的控制方式一般有泵控和閥控，泵控加載難度大、成本高，因此常采用閥控的方式對工作液體的壓力、流量和方向等輸出量進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)，控制閥的性能將直接影響到傳動系統(tǒng)的工作過程及其特性。

2.2　液壓加載系統(tǒng)設(shè)計

基于液壓傳動與控制基本原理，本液壓加載系統(tǒng)主要由電機(jī)、葉片泵、電磁換向閥、比例溢流閥、溢流閥、單向閥、高壓濾油器、油缸、油路閥塊、油箱及管接頭、壓力表等輔助元件組成。

根據(jù)座椅性能試驗標(biāo)準(zhǔn)要求，沿如圖1所示的加載方向即為連接上、下人體模塊的牽引繩方向，為實施檢測，將牽引繩安裝固定于一雙滑輪裝置上，雙滑輪裝置直接與液壓缸活塞桿相連，通過液壓缸活塞桿的伸縮運(yùn)動實現(xiàn)對安全帶施載以測試座椅固定點(diǎn)強(qiáng)度。安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度檢測正式加載前，液壓缸活塞桿首先外伸，以便于安全帶、人體模塊等零部件的安裝連接，而后活塞桿退回進(jìn)行預(yù)拉操作，使系統(tǒng)處于加載準(zhǔn)備狀態(tài)；完成預(yù)拉后進(jìn)入座椅性能的實際試驗檢測階段，液壓系統(tǒng)對座椅實施加載，在規(guī)定時間內(nèi)載荷達(dá)到拉力峰值13500 N，而后為保載和卸載過程，最后液壓缸活塞桿再次外伸放松安全帶并拆解后返回原位停止，檢測試驗過程由計算機(jī)系統(tǒng)控制。

液壓加載系統(tǒng)完成一次加載的整體動作循環(huán)過程為：預(yù)拉—加載—保載—卸載—松帶—返回—停止。圖2為液壓加載系統(tǒng)原理圖。

按照加載壓力控制連續(xù)性要求，本液壓系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵之一是系統(tǒng)工作過程中如何對載荷進(jìn)行有效控制?；陔娨罕壤刂萍夹g(shù)[5]能夠?qū)崿F(xiàn)對液壓系統(tǒng)的壓力、流量和運(yùn)動狀態(tài)等工作參數(shù)的連續(xù)、精確控制，并能防止壓力或速度變化及換向時的沖擊，使液壓系統(tǒng)的構(gòu)成得到簡化，所以在本液壓系統(tǒng)中采用比例溢流閥對被控參數(shù)進(jìn)行連續(xù)控制，由此來控制執(zhí)行元件液壓缸的壓力變化。在標(biāo)準(zhǔn)試驗狀態(tài)下工作時，由計算機(jī)控制換向閥動作，電機(jī)驅(qū)動液壓泵輸出的液壓油經(jīng)過三位四通電磁換向閥、二位三通電磁換向閥、單

1.過濾器　2.液壓泵　3.高壓濾油器　4.電機(jī)　5.壓力表 6.油標(biāo)　7.空氣濾清器　8.溢流閥　9.三位換向閥 10.二位換向閥　11.壓力傳感器　12.液壓缸 13.單向閥　14.比例溢流閥圖2　液壓加載系統(tǒng)原理圖

向閥流入液壓缸有桿腔驅(qū)動活塞桿向左運(yùn)動，有桿腔工作壓力由比例溢流閥控制，對座椅安全帶實施加載。液壓系統(tǒng)電磁鐵動作見表1，1DT，2DT為三位四通換向閥的兩個電磁鐵，3DT為二位三通換向閥的電磁鐵，“+”、“-”號分別表示電磁鐵通電和電磁鐵斷電。

液壓系統(tǒng)工作時，當(dāng)電磁鐵1DT“-”，2DT“+”，3DT“+”時，液壓油經(jīng)三位換向閥、二位換向閥、單向閥后進(jìn)入液壓缸有桿腔，回油經(jīng)三位換向閥回到油箱；調(diào)整比例溢流閥的放大器使其處于“零”電壓信號輸入時，為“預(yù)拉”狀態(tài)；當(dāng)比例溢流閥放大器處于“加載速率”信號輸入時，則液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)為“加載”狀態(tài)，由比例溢流閥控制液壓缸有桿腔壓力，即控制試驗設(shè)備檢測工作時液壓系統(tǒng)的加載壓力。加載要求按試驗規(guī)范分別設(shè)定為10 s、30 s、60 s，控制系統(tǒng)按設(shè)定的加載速率增加拉力值。在規(guī)定加載時間內(nèi)，當(dāng)反饋拉力信號達(dá)到設(shè)定值后，計算機(jī)控制系統(tǒng)立即停止加載，并保持狀態(tài)到該時段結(jié)束。當(dāng)電磁鐵動作切換至“停止”狀態(tài)，即1DT、2DT、3DT均為“-”，此時油路全封閉，液壓泵卸荷，液壓缸有桿腔保持壓力，亦即拉力保持狀態(tài)；油路中可能會因微量泄漏等因素而使拉力載荷值有緩慢微量下降，為避免這種現(xiàn)象對液壓加載系統(tǒng)的保載過程帶來影響，系統(tǒng)特別設(shè)置了微小的加載載荷增量，當(dāng)給比例溢流閥放大器輸入該增量信號時，液壓系統(tǒng)可增加微量壓力，以補(bǔ)償負(fù)載隨時間而產(chǎn)生的松懈。

當(dāng)電磁鐵處于1DT“+”，2DT“-”，3DT“-”時，油液經(jīng)三位換向閥進(jìn)入液壓缸無桿腔，有桿腔回油依次經(jīng)二個換向閥流入回油箱，實施卸載；安全帶拆卸后，當(dāng)點(diǎn)動控制電磁鐵為1DT“-”，2DT“+”，3DT“-”時，油缸實現(xiàn)返回動作；點(diǎn)動返回完成后，電磁鐵處于“停止”狀態(tài)，即1DT、2DT、3DT均為“-”，此時液壓缸內(nèi)無壓力，液壓系統(tǒng)原位停止。

表1　液壓系統(tǒng)電磁鐵動作表

液壓系統(tǒng)中的力傳感器測量并反饋拉力信號，檢測系統(tǒng)作用力加載值是否達(dá)到設(shè)定值；壓力表用于調(diào)試時觀察液壓工作壓力值。為了對系統(tǒng)的總體壓力作有效控制，在油泵出口并聯(lián)一個主溢流閥，以限定液壓系統(tǒng)的最高壓力；系統(tǒng)中的單向閥用于控制油液的單向流動。

2.3　主要參數(shù)及設(shè)計計算

由座椅性能檢測試驗標(biāo)準(zhǔn)，液壓系統(tǒng)選用電機(jī)型號QA2.2-4B5，功率2.2 kW，轉(zhuǎn)速1450 r/min；葉片泵型號PUL1-6-F-IR-U，排量6 mL/r；EBG-03-C比例溢流閥最高工作壓力24.5 MPa，壓力調(diào)整范圍1.5～15.7 MPa。 比例溢流閥主要用于座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度試驗中對壓力等液壓參數(shù)進(jìn)行連續(xù)程序控制，并應(yīng)用其定壓特性進(jìn)行加載壓力控制。電磁換向閥型號為DFA-3C6-02G-D24-35和DFA-2B2-02G-D24-35，單向閥型號CV-03T，高壓濾油器型號為ZUI-H25×10DBP。

葉片泵輸出實際流量：

Q=qnηv=7.83 L/min

(1)

式中，q—— 泵排量

n—— 電機(jī)轉(zhuǎn)速

ηv—— 泵容積效率

由電機(jī)功率p=2.2 kW，得葉片泵最大工作壓力：

pmax=60pηm/qn=13.66 MPa

(2)

式中，ηm—— 泵機(jī)械效率

所以，系統(tǒng)工作壓力控制低于13. 5 MPa，比例溢流閥的實際工作壓力一般控制在13 MPa以下。

液壓缸的缸徑為80 mm，桿徑為55 mm，行程為400 mm，設(shè)液壓缸機(jī)械效率η=0.9，油缸能達(dá)到最大拉力值：

F=p(D2-d2)πη/4=30997 N

(3)

F試驗man=30000 N

(4)

則Fman>F試驗man，滿足試驗要求。

液壓缸工作速度：

v進(jìn)=Q/A1=0.026 m/s

(5)

v退=Q/A2=0.049 m/s

(6)

式中，v進(jìn)—— 無桿腔進(jìn)油時的運(yùn)動速度

v退—— 有桿腔進(jìn)油時的運(yùn)動速度

A1—— 液壓缸無桿腔面積

A2—— 液壓缸有桿腔面積

2.4　液壓泵站設(shè)計

液壓泵站按泵的布置方式可分為立式、臥式、旁置式及下置式等四種型式[6]。設(shè)計中考慮到試驗設(shè)備的工作要求和結(jié)構(gòu)緊湊要求，以及減少油箱發(fā)熱等對試驗設(shè)備的影響，在整體布局中將液壓泵站獨(dú)立安置于試驗設(shè)備之外，將泵、閥、儀表、過濾器等放于油箱之上，設(shè)計成立式液壓泵站。電動機(jī)安裝在油箱蓋上方，通過聯(lián)軸器與泵連接安裝。液壓泵站結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，這樣設(shè)計使得泵站結(jié)構(gòu)緊湊, 占用空間小，液壓站油箱由鋼板焊接而成，容積100 L，有效容積70～80 L，整體作鍍鎳磷處理，以達(dá)到美觀和防銹之效果。

圖3　液壓站結(jié)構(gòu)圖

3　結(jié)論

針對汽車座椅安全帶固定點(diǎn)強(qiáng)度檢測試驗的標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計了液壓加載系統(tǒng)，加載準(zhǔn)確，操作方便，運(yùn)行平穩(wěn)可靠，已在某企業(yè)的生產(chǎn)實際中得到應(yīng)用。提高了企業(yè)自主檢測能力和檢測自動化水平，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

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中國機(jī)械工程學(xué)會流控分會與國家氣動產(chǎn)品質(zhì)檢中心共建奉化服務(wù)站

2015年10月11日，中國機(jī)械工程學(xué)會流體傳動與控制分會主任委員孔祥東校長、副主任委員兼總干事李永順主任以及副總干事趙曼琳主編代表學(xué)會，與寧波市政府、組織部相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)完成了奉化服務(wù)站的簽約和授牌儀式。流控分會將與國家氣動產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心共建奉化服務(wù)站。

氣動液壓產(chǎn)業(yè)在寧波市的工業(yè)中具有重要的地位，奉化市更是我國氣動產(chǎn)業(yè)集群示范基地和最主要的氣動元件出口基地。在寧波市“機(jī)器換人”、“創(chuàng)新驅(qū)動”等政策的推動下，奉化市的氣動液壓企業(yè)在近些年取得了長足的進(jìn)步，發(fā)展迅速。但同時，也暴露出高層次人才引進(jìn)困難、新產(chǎn)品研發(fā)方向不明確、部分技術(shù)難題長期難以解決等問題，制約了企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。此次流控分會和國家氣動產(chǎn)品質(zhì)檢中心在奉化共建服務(wù)站，將緊密圍繞企業(yè)需求，搭建引智、融智、提智平臺，更好地為地方氣動液壓產(chǎn)業(yè)服務(wù)。奉化服務(wù)站不僅是一座聯(lián)系高校和企業(yè)合作的橋梁，也是能夠幫助企業(yè)解決難題的智慧平臺。

目前，針對浙江億日、佳爾靈、索諾等企業(yè)提出的氣動產(chǎn)品金屬表面氧化處理的技術(shù)難題，服務(wù)站已經(jīng)積極安排武漢材料保護(hù)研究所的幾位專家與企業(yè)進(jìn)行對接。在今后，服務(wù)站將積極借助流體傳動與控制分會的技術(shù)和人才資源，推動地方氣動液壓產(chǎn)業(yè)借力提升。