汽車碰撞測試用拉線位移傳感器研究

楊 建, 錢佳彬, 陳志龍, 王汝苗, 姜 進(jìn)

(1.杭州集普科技有限公司，浙江 杭州 311106；2. 浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310032)

0 引 言

汽車追尾事故會引起約90 %乘員的頸部損傷。因此，為了更好地保護(hù)汽車碰撞過程中乘員的頸部及生命財產(chǎn)安全，精確測量汽車碰撞過程中被測假人頭部和頸部的位移量對提高汽車安全性有著重要的意義[1～4]。汽車碰撞測試中的位移測量是在高速、高加速并存在一定沖擊條件下進(jìn)行的，且在碰撞過程中還可能存在被測假人的姿態(tài)和運(yùn)動軌跡不理想的狀況。一般的位移傳感器例如激光位移傳感器等難以在這樣的高標(biāo)準(zhǔn)條件下精確測量被測假人頭部和頸部的移動距離[5～8]。拉線位移傳感器是通過繞線輪和拉線的方式將位移量轉(zhuǎn)換成電信號的位移傳感器。當(dāng)假人的姿態(tài)和運(yùn)動軌跡不理想時，其仍能正常檢測被測假人頸部的位移量，且具有體積小、使用方便、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前，國內(nèi)市場上的拉線位移傳感器多用于如閘門開度控制、氣缸位置控制等對允許最大工作速度要求不高的場合，無法在汽車碰撞測試這樣的高速、高加速且存在一定沖擊條件下正常測量位移。

本文針對特殊場合的應(yīng)用需求，設(shè)計一種能在汽車碰撞過程中正常測量被測假人頭部和頸部位移量的拉線位移傳感器，使其線性度、重復(fù)精度、抗沖擊性、允許最大工作速度和加速度達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。

1 工作原理與技術(shù)要求

拉線位移傳感器通常由旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器、平面渦卷彈簧、鋼絲繩、轉(zhuǎn)軸、輪轂、拉線接頭和外殼等組成。如圖1所示，鋼絲繩的一端連接拉線接頭，用于與外部設(shè)備連接，根據(jù)不同的連接方式可采用不同的拉線接頭。鋼絲繩的另一端固定在輪轂上，輪轂與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器和平面渦卷彈簧安裝在同一轉(zhuǎn)軸，當(dāng)纏繞在輪轂上的鋼絲繩被拉伸或回縮時，輪轂會帶動轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器轉(zhuǎn)動端旋轉(zhuǎn)，使旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器的輸出電信號變化，即可根據(jù)輸出電信號的變化來得到鋼絲繩的運(yùn)動情況[9]。平面渦卷彈簧則主要用于鋼絲繩的復(fù)位。

圖1 拉線位移傳感器結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)能在汽車碰撞測試中精確測量被測假人頸部和頭部的位移變化量，經(jīng)調(diào)研和調(diào)查，試驗用拉線位移傳感器應(yīng)該能在20 m/s的拉線速度、60gn的拉線加速度和100gn的沖擊條件下正常工作，且滿足線性度小于0.2 %，重復(fù)精度小于0.03 %的技術(shù)指標(biāo)。由于汽車碰撞測試時的拉線速度遠(yuǎn)超正常速度(1～5 m/s)，導(dǎo)致傳感器內(nèi)部的部分零件無法在此速度下長時間使用，因此,將傳感器至少5次不損壞作為使用壽命的最低標(biāo)準(zhǔn)。拉線位移傳感器測量假人位移時，需安裝在挖去泡棉的座椅中。為了不影響座椅本身的性能，應(yīng)在方便安裝的同時，在保證其他性能參數(shù)的前提下，將傳感器的主體尺寸降至60 mm×60 mm×80 mm以內(nèi)為宜，以便獲取更加真實(shí)可靠的試驗數(shù)據(jù)。另外，拉線位移傳感器的量程需大于1 500 mm。在試驗中，若假人姿態(tài)比較理想，也即不傾倒，與汽車座椅之間一般僅500 mm的變化范圍；但如果假人姿態(tài)異常，則需要1 500 mm以上的量程才能保證拉線位移傳感器的安全。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與優(yōu)選

2.1 旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器的優(yōu)選

拉線位移傳感器常用的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器主要有編碼器和電位器。編碼器的線性度和重復(fù)精度一般比電位器要高，但編碼器的允許最大轉(zhuǎn)速通常在6 000 r/min左右，且編碼器在接近允許最大轉(zhuǎn)速的情況下工作易產(chǎn)生丟脈沖的情況，超過允許最大轉(zhuǎn)速則會導(dǎo)致編碼器損壞。由于主體尺寸的限制，當(dāng)鋼絲繩拉出速度達(dá)到20 m/s時，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速至少要達(dá)到7 650 r/min。因此，本文采用日本公司的電位器作為傳感器的旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器，其線性度為0.1 %，最多可旋轉(zhuǎn)10圈。

2.2 輪轂的設(shè)計

輪轂是拉線位移傳感器中用于纏繞鋼絲繩的部件，其與電位器安裝在同一轉(zhuǎn)軸上。由于電位器最多只能旋轉(zhuǎn)10圈，若傳感器需滿足大于1 500 mm的量程，則存在一個理論最小的輪轂直徑47.8 mm。為了保證量程一定大于1 500 mm，并且需滿足傳感器主體尺寸在60 mm×60 mm×80 mm內(nèi)的要求，將輪轂的繞線直徑定為50 mm，其理論量程為1 570 mm，滿足設(shè)計指標(biāo)。

為了縮小輪轂的尺寸，拉線位移傳感器會在輪轂上繞多圈一定直徑的鋼絲繩，但鋼絲繩的出口只有一個且位置固定，因此必定會存在繞線誤差[10]。如圖2所示，繞線誤差主要分為兩部分：1)在拉鋼絲繩的過程中，邊緣的鋼絲繩會與出線口存在一個擺角，由不同擺角變化引起繞線的擺角誤差；2)在鋼絲繩每次繞輪轂時，鋼絲繩之間由于纏繞緊密程度不同、相互疊加而產(chǎn)生繞線誤差。

圖2 鋼絲繩繞線時的繞線誤差

由輪轂這類繞線機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的擺角誤差屬于固有誤差，也即系統(tǒng)誤差，且在尺寸受限的情況下無法完全消除，但可以通過調(diào)整繞鋼絲繩的初始位置和傳感器出線口位置使得擺角誤差達(dá)到盡可能的最小值。而鋼絲繩之間由于緊密程度不同和相互疊加所產(chǎn)生的誤差是可以通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計解決的，本文將采用螺旋槽式輪轂配合輔助凸臺的結(jié)構(gòu)方案來改善拉線位移傳感器中的繞線誤差。

選用螺旋槽式輪轂考慮的是：若鋼絲繩能沿著螺旋槽纏繞，就能解決鋼絲繩繞輪轂時由于緊密程度不同導(dǎo)致的誤差，也不會存在鋼絲繩相互疊加的問題。為探究螺旋槽尺寸參數(shù)和鋼絲繩出線口位置對鋼絲繩沿螺旋槽纏繞的影響效果，本文采用三角形、梯形和矩形三種不同的截面形狀，并將其螺旋螺距固定為1.25 mm螺旋槽式輪轂，與具有20個出線口的輪轂外殼進(jìn)行試驗，如圖3所示。為了更好的顯示試驗用拉線位移傳感器的具體結(jié)構(gòu)和觀察鋼絲繩繞線情況，圖3中除去了部分輪轂外殼。

圖3 試驗傳感器

試驗時，將3個不同的輪轂分別與20個出線口進(jìn)行反復(fù)拉繩和收繩測試，但在沒有其他輔助機(jī)構(gòu)的前提下，出現(xiàn)口編號15能順利繞進(jìn)所有類型的螺旋槽，但并不是每次都能成功。因此，為了保證鋼絲繩每次都能繞進(jìn)所有的螺旋槽中，在輪轂外殼上添加了一個輔助凸臺，使其與輪轂之間存在一個小于鋼絲繩直徑的間隙，防止鋼絲繩產(chǎn)生越槽纏繞和相互疊加的現(xiàn)象，迫使鋼絲繩只能沿著螺旋槽纏繞在輪轂上。以至少連續(xù)10次繞進(jìn)所有螺旋槽的編號判定為能順利繞進(jìn)螺旋槽的編號，針對三種類型螺旋槽，在有無凸臺情況下的試驗結(jié)果如表1所示。

表1 順利繞進(jìn)螺旋槽的出線口編號統(tǒng)計

由表1可知，三種截面形狀的試驗結(jié)果差距不大，矩形截面槽的輪轂損傷情況較小。因此，可得出如下結(jié)論：不同截面形狀的螺旋槽對鋼絲繩能否順利繞進(jìn)所有螺旋槽的影響不大，但矩形截面螺旋槽式輪轂更耐用。在不添加輔助凸臺的試驗中，輪轂的15號出線口能成功繞進(jìn)所有螺旋槽，說明鋼絲繩出線口位置對鋼絲繩沿槽纏繞有一定影響。兩次試驗中，沒有添加輔助凸臺的試驗雖存在成功纏繞的編號，但還是存在失敗次數(shù)，而添加輔助凸臺的試驗在輔助凸臺沒有出現(xiàn)特別嚴(yán)重的磨損之前，無失敗次數(shù)。因此，螺旋槽輪轂配合輔助凸臺的結(jié)構(gòu)方案能使鋼絲繩順利的沿螺旋槽纏繞，從而有效解決了鋼絲繩之間因相互疊加和間隙過大而產(chǎn)生的繞線誤差。

根據(jù)劉建平等人[11]的研究結(jié)果可知，當(dāng)出線口位于繞線中心時，繞線的擺角誤差達(dá)到最小值。因此，本文將矩形截面且螺距為1的輪旋槽式輪轂作為最終的輪轂，并將其與添加了輔助凸臺和出線口位置位于繞線中心的輪轂外殼作為后續(xù)各個試驗的輪轂和輪轂外殼使用。

2.3 外殼設(shè)計

為了避免單獨(dú)加工輔助凸臺導(dǎo)致輔助凸臺安裝要求過高而難以達(dá)到預(yù)期效果，故將輔助凸臺與輪轂外殼設(shè)計成一體，如圖4所示。在輪轂外殼裝上轉(zhuǎn)軸、電位器固定板和螺旋槽式輪轂后，輔助凸臺與輪轂外徑間存在的間隙僅由輪轂外殼和螺旋槽輪轂外徑的加工精度決定。

圖4 帶有輔助凸臺的輪轂外殼

3 試驗結(jié)果

3.1 允許最大工作速度、加速度和抗沖擊檢測試驗

允許最大工作速度和加速度測試裝置采用了伺服電機(jī)配合轉(zhuǎn)盤的方式來實(shí)現(xiàn)將鋼絲繩以至少20 m/s的速度拉出，并利用電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測軟件間接檢測鋼絲繩被拉出時的瞬時速度，最后通過檢查拉線位移傳感器是否損壞得到設(shè)計的拉線位移傳感器的允許最大工作速度和加速度。允許最大工作速度和加速度測試裝置如圖5所示。該裝置主要由伺服電機(jī)、驅(qū)動器、顯示器、電機(jī)安裝座、電機(jī)支撐座、轉(zhuǎn)盤、傳感器夾具、細(xì)繩、橡皮筋和底板等組成。

圖5 允許最大工作速度和加速度測試裝置

試驗從伺服電機(jī)100 r/min的設(shè)定轉(zhuǎn)速開始，每隔100 r/min為一組，每組檢測至少10次，每次試驗結(jié)束后檢查拉線位移傳感器能否正常工作，電位器、平面渦卷彈簧和其他零件是否損壞。若被測的拉線位移傳感器能在同一轉(zhuǎn)速下連續(xù)10次被測出無明顯損壞，且能正常工作，則在本文中定義為拉線位移傳感器能在此轉(zhuǎn)速下正常工作。設(shè)定轉(zhuǎn)速在100～900 r/min范圍時，伺服電機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速變化如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速100～900 r/min時電機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速變化

可以看出，當(dāng)伺服電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速在100～300 r/min范圍時，電機(jī)從零加速到設(shè)定轉(zhuǎn)速后，其轉(zhuǎn)速變化很小。而當(dāng)電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速大于300 r/min時，當(dāng)電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速后，會先產(chǎn)生一小段減速再加速再減速到設(shè)定轉(zhuǎn)速的過程。此過程是預(yù)留的細(xì)繩繞完后開始拉鋼絲繩的過程，在拉鋼絲繩時由于鋼絲繩的拉力導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降，后經(jīng)過伺服電機(jī)的調(diào)整將轉(zhuǎn)速恢復(fù)到設(shè)定轉(zhuǎn)速。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 500 r/min之后，細(xì)繩和橡皮筋開始出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象。為了保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性，設(shè)定轉(zhuǎn)度在2 500 r/min以上的組，每一次試驗都更換新的的細(xì)繩和橡皮筋。設(shè)定轉(zhuǎn)速在2 500～3 000 r/min范圍時，電機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速變化圖如7所示。當(dāng)電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速大于2 800 r/min時，平面渦卷彈簧與轉(zhuǎn)軸連接處的彈簧開始變形；當(dāng)電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速大于2 900 r/min時，電位器轉(zhuǎn)動端旋轉(zhuǎn)出線卡頓，電位器損壞。在電機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速為2 700 r/min時，設(shè)計的拉線位移傳感器能在鋼絲繩以20.66 m/s的速度拉出時不損壞，且從電機(jī)檢測軟件可知，鋼絲繩從被拉出到最大轉(zhuǎn)速僅用了32 ms，其平均加速度達(dá)到了62.5gn。試驗結(jié)果表明：拉線位移傳感器的允許最大工作速度大于20 m/s，加速度大于60gn，滿足技要求，且除了電位器和平面渦卷彈簧，其他零件并不會因鋼絲繩被快速拉出而損壞。

圖7 轉(zhuǎn)速2 500～3 000 r/min時電機(jī)瞬時轉(zhuǎn)速變化

同時，采用擺錘式?jīng)_擊試驗機(jī)對研制的拉線位移傳感器進(jìn)行抗沖擊能力檢測。在100gn沖擊下，檢測拉線位移傳感器三個互相垂直的方向，每個方向沖擊3次，共計9次。試驗后拉線位移傳感器的外觀結(jié)構(gòu)完好且上電后能正常工作，證明其能在至少100gn的沖擊下正常工作。

3.2 線性度和重復(fù)精度檢測試驗

采用拉線位移傳感器標(biāo)定系統(tǒng)對傳感器進(jìn)行線性度和重復(fù)精度的檢測[12,13]。本文采用自行設(shè)計的拉線位移傳感器標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)測試試驗，該標(biāo)定系統(tǒng)主要由圓環(huán)固定桿、固定塊、底板、滑塊導(dǎo)軌、直線模組、光柵尺、傳感器安裝板和電機(jī)等組成，如圖8所示。

圖8 標(biāo)定系統(tǒng)測試試驗

使用精度已經(jīng)確定并且遠(yuǎn)高于拉線位移傳感器的光柵尺作為測量標(biāo)準(zhǔn)元件，在外部條件相同的情況下，和待檢測的拉線位移傳感器按線位移傳感器校準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行檢測。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時采集光柵尺和被標(biāo)定拉線位移傳感器的測量數(shù)據(jù)，通過計算機(jī)軟件進(jìn)行比較、處理和計算。

線性度和重復(fù)精度檢測試驗根據(jù)JJF 1305—2011《線位移傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》進(jìn)行。在0～1 000 mm的范圍內(nèi)均勻分布11個校準(zhǔn)點(diǎn)，以進(jìn)、回兩個行程為一個測量組，至少測量3組。通過計算機(jī)軟件采集光柵尺和拉線位移傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和處理，從而達(dá)到檢測被測拉線位移傳感器線性度和重復(fù)精度的目的。根據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范計算出各校準(zhǔn)點(diǎn)的擬合輸出值與平均輸出量的最大差值，再根據(jù)公式計算傳感器的線性度為0.035 %。

根據(jù)3組實(shí)驗各個校準(zhǔn)點(diǎn)的輸出值，求出同向行程中互相間的最大差值并計算其重復(fù)精度如表2所示。從表2中可知，拉線位移傳感器在3次檢測試驗中的最大差值為0.72 mV，最大重復(fù)精度為0.014 %。

表2 不同試驗組的重復(fù)精度

將拉線位移傳感器的螺旋槽輪轂更換成普通輪轂并去除輪轂外殼的輔助凸臺進(jìn)行相同的試驗，測出傳感器的線性度和重復(fù)精度分別為0.25 %和0.05 %。因此，線性度和重復(fù)精度試驗證明了輪轂的優(yōu)化設(shè)計方案能有效減少鋼絲繩繞線時產(chǎn)生的繞線誤差，從而提高拉線位移傳感器的線性度和重復(fù)精度。

4 結(jié) 論

1)提出了螺旋槽式輪轂與輔助凸臺相配合的結(jié)構(gòu)，以減少鋼絲繩繞線產(chǎn)生的誤差，使拉線位移傳感器的線性度小于0.2 %，重復(fù)精度小于0.02 %。

2)對電位器、平面渦卷彈簧等進(jìn)行了優(yōu)選和性能測試，并在整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，使拉線位移傳感器的允許最大工作速度大于20 m/s，加速度大于60gn，且能在大于100gn的沖擊下正常工作。