減速臺車低速碰撞試驗(yàn)用驅(qū)動裝置研究

商恩義，劉凡，胡雷,徐東陽

1.浙江省汽車安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江寧波 315336;2.吉利汽車研究院(寧波)有限公司,浙江寧波 315336

0 引言

1 雙氣缸驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

當(dāng)前，低質(zhì)量物體發(fā)射試驗(yàn)普遍采用壓縮氣體作為動力源的方法，如人體模塊沖擊試驗(yàn),行人保護(hù)腿型、頭型沖擊試驗(yàn)等。另外，一些組合式氣缸驅(qū)動的機(jī)械設(shè)計(jì)在工業(yè)設(shè)計(jì)中取得了較好的效果，因此，依據(jù)法規(guī)對臺車質(zhì)量的要求，綜合安全、易實(shí)現(xiàn)、易操作等因素，決定通過采用大壓力容器、雙氣缸同時作用提升動力方式，并借鑒管道法蘭連接機(jī)連接方式開發(fā)新型氣動驅(qū)動裝置。

1.1 驅(qū)動方案設(shè)計(jì)

1.1.1 最低驅(qū)動能量確定

按照GB 17354的要求，以臺車質(zhì)量為2 500 kg、試驗(yàn)速度為4 km/h計(jì)算驅(qū)動裝置所需提供的最低驅(qū)動能量為1.6 kJ；對于耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)所需的最低驅(qū)動能量為13 kJ。因此，所設(shè)計(jì)驅(qū)動裝置需要提供的最低驅(qū)動能量為13 kJ。

1.1.2 方案設(shè)計(jì)思路

為了使氣動驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)簡單且易加工制作，確定主要功能部件由壓力容器、電磁伺服閥、分氣盒、雙氣缸等構(gòu)成，主要部件的布置如圖1所示。由圖可知，電磁伺服閥處于壓力容器和分氣盒之間，當(dāng)向壓力容器內(nèi)充氣時，電磁伺服閥處于閉合狀態(tài)；兩個氣缸分別安裝于分氣盒前端，且氣缸前腔端蓋開出若干排氣孔，兩個氣缸活塞桿前端通過連接板相連。試驗(yàn)時，將電磁伺服閥開啟，則氣體由壓力容器通過分氣盒進(jìn)入兩個氣缸，兩個氣缸的活塞桿被推出。活塞桿在前沖過程中，缸體前腔空氣快速排出。另外，綜合設(shè)備占用空間及設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以及工作過程中希望壓力容器向兩個氣缸內(nèi)充氣后容積變化小，壓強(qiáng)近似恒定，初步確定壓力容器容積為1 m。

圖1 驅(qū)動裝置主要部件布置示意

1.2 方案實(shí)施可行性分析

計(jì)算驅(qū)動力，即負(fù)載力：驅(qū)動裝置的負(fù)載形態(tài)為水平推動可通過轉(zhuǎn)動進(jìn)行移動的目標(biāo)物，如帶4個輪子的移動壁障臺車、汽車等，由于目標(biāo)最終達(dá)到的速度較低，加速過程較慢，可按準(zhǔn)靜態(tài)推動方式考慮，則單氣缸的驅(qū)動力為：

(1)

式中:為單氣缸的驅(qū)動力;

為摩擦因數(shù)，準(zhǔn)靜態(tài)下取01～04;

為雙氣缸共同驅(qū)動目標(biāo)物質(zhì)量。

由于驅(qū)動裝置使用的工況為將目標(biāo)物推動且能達(dá)到一定的速度，有一定的加速度，故加速度應(yīng)為可變的，則公式(1)可轉(zhuǎn)換為：

(2)

式中:為目標(biāo)物加速度。

氣缸的理論輸出力計(jì)算公式為：

=π

(3)

式中:為氣缸的理論輸出力；

為氣缸作用壓力；

為活塞半徑。

氣缸的驅(qū)動力和理論輸出力之間的關(guān)系式為：

=

(4)

式中:為負(fù)載率，依據(jù)氣缸工作壓力與負(fù)載率的關(guān)系選取。當(dāng)前工作壓力較小，取10～40。

另外，試驗(yàn)中目標(biāo)物的速度、加速度和位移之間的關(guān)系式為：

(5)

式中：為目標(biāo)物速度；

為氣缸活塞桿有效作用行程。

對式(2)～(5)進(jìn)行推導(dǎo)，則有：

(6)

在驅(qū)動過程中，目標(biāo)物滾動摩擦，能量損耗少，取為0.4；在活塞壓縮過程中氣缸前腔氣體持續(xù)排出，取為40%。初定為80 mm，初定為1 m，取1 400 kg，取15 km/h，將各值代入式(6)，估算得所需最小壓力為324 kPa。作為壓力，該值較小，即使實(shí)際所需最小壓力比估算值略有偏大也不影響實(shí)現(xiàn)。因此，當(dāng)前方案滿足要求，可確定當(dāng)前驅(qū)動方式為最終方案。

1.3 活塞桿制動方案設(shè)計(jì)

雙缸推氣動驅(qū)動裝置，其驅(qū)動過程中的運(yùn)動部件包括兩套活塞與活塞桿機(jī)構(gòu)，以及兩缸前端連接板。發(fā)射行程結(jié)束時，所有運(yùn)動部件需要被制動，以避免活塞與缸體前端蓋發(fā)生剛性碰撞，缸體前端結(jié)構(gòu)受損及飛出。鑒于試驗(yàn)所需速度較低，所需要制動部件總體質(zhì)量估算僅僅約為40 kg，故決定通過活塞運(yùn)行至氣缸前腔端部壓縮氣體方式將活塞等運(yùn)動部件制動。具體制動方案如圖2所示，將前期方案中氣缸前腔端蓋所開排氣孔改為開在氣缸前端缸體上，在活塞沖過排氣口位置后形成密閉空間，令活塞等部件隨著密閉空間不斷減小、壓力不斷增大而減速直至停止。

圖2 活塞機(jī)構(gòu)局部壓縮氣體制動方案

1.4 驅(qū)動裝置制作

依據(jù)設(shè)計(jì)方案，按氣動系統(tǒng)的安裝與調(diào)試要求，對管道及元器件進(jìn)行了安裝，分別在空載、負(fù)載等工況下對氣動系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。制作、調(diào)試后的雙缸驅(qū)動裝置如圖3所示。

圖3 雙缸驅(qū)動裝置示意

2 設(shè)備能力驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)?zāi)芰z驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)芰徒Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度可通過檢測設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)。將容器壓力從15 kPa起步，不斷提升壓力來一次次驅(qū)動1 200 kg臺車，記錄臺車脫離驅(qū)動部件時的試驗(yàn)速度。調(diào)試試驗(yàn)共進(jìn)行14次，當(dāng)容器內(nèi)壓力為15 kPa時，試驗(yàn)速度為1.16 km/h；當(dāng)容器內(nèi)壓力為350 kPa時，試驗(yàn)速度為16.62 km/h。調(diào)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)速度要求。另外，設(shè)備無異常發(fā)生，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也滿足要求。

2.2 試驗(yàn)精度確認(rèn)

當(dāng)容器內(nèi)壓力為30 kPa時，試驗(yàn)速度為2.71 km/h，與法規(guī)要求最低速度2.5 km/h比較接近；當(dāng)容器內(nèi)壓力為50 kPa時，試驗(yàn)速度為3.95 km/h，與法規(guī)要求的4 km/h比較接近。因此，在此基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)節(jié)壓力設(shè)置，確認(rèn)速度的調(diào)節(jié)能力。當(dāng)將壓力設(shè)定為27 kPa時，試驗(yàn)速度為2.53 km/h；當(dāng)將壓力設(shè)定為51 kPa時，試驗(yàn)速度為4.02 km/h，均滿足法規(guī)要求，設(shè)備具備較好調(diào)節(jié)能力。

在壓力分別為27 kPa和51 kPa下各重復(fù)試驗(yàn)兩次，試驗(yàn)精度驗(yàn)證結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)精度驗(yàn)證結(jié)果

由表1可知，兩組速度波動范圍均較小，最大偏差均在法規(guī)允許上限的50%以內(nèi)，完全滿足法規(guī)最嚴(yán)格要求。

3 驅(qū)動裝置應(yīng)用

氣動執(zhí)行器控制算法比較復(fù)雜，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動裝置因追求結(jié)構(gòu)簡單，造成不確定的影響因素較多，如壓力的衰減變化、氣缸前腔氣體排出快慢的變化、和的選擇變化、發(fā)射物和活塞桿加速度產(chǎn)生的慣性等。因此，進(jìn)行正向分析計(jì)算及推導(dǎo)操作系統(tǒng)控制函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高精度氣動控制比較困難。綜上，此設(shè)備在試驗(yàn)過程中，其輸入壓力、臺車質(zhì)量(發(fā)射物)及碰撞速度是每次試驗(yàn)中可能存在的變量，故決定通過試驗(yàn)結(jié)果逆向推導(dǎo)出、和之間的函數(shù)關(guān)系，基于該函數(shù)關(guān)系編制系統(tǒng)控制程序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的便捷操作。

3.1 操作系統(tǒng)控制函數(shù)的推導(dǎo)

低速臺車碰撞試驗(yàn)中，臺車質(zhì)量和碰撞速度為試驗(yàn)變量，而氣缸直徑、有效行程等參數(shù)不再發(fā)生變化，因此，可推導(dǎo)出試驗(yàn)所需壓力和臺車質(zhì)量、碰撞速度之間的關(guān)系式。

=

(7)

可得：

(8)

已知臺車質(zhì)量為1 200 kg,容器壓力和對應(yīng)的試驗(yàn)速度，則求得對應(yīng)值計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)k值計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，繪出與速度之間的曲線如圖4所示，并建立乘冪趨勢線、多項(xiàng)式趨勢線、指數(shù)趨勢線，顯示出各趨勢線對應(yīng)公式及如下。

冪函數(shù)為：

(9)

多項(xiàng)式函數(shù)為：

(10)

指數(shù)函數(shù)為：

(11)

是趨勢線擬合度指標(biāo)，稱為決定系數(shù)，數(shù)值大小反映了趨勢線的估計(jì)值與對應(yīng)實(shí)際數(shù)據(jù)之間的擬合程度。的取值范圍為0～1，越接近1，擬合程度越好，趨勢線可靠性越高。由圖4可知，冪函數(shù)的值為0970 3，最接近1，擬合度最好，因此，選擇冪函數(shù)作為與速度之間的函數(shù)。

圖4 k與速度v之間的曲線

圖4中冪函數(shù)在4 km/h前后擬合度較差，其主要原因是2 km/h以下設(shè)備抗干擾能力差，速度比較離散，鑒于該范圍速度沒有試驗(yàn)需求。因此，在原有曲線上剔除該范圍數(shù)據(jù)，得到優(yōu)化后的冪函數(shù)為：

(12)

優(yōu)化后的冪函數(shù)曲線如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后的冪函數(shù)曲線

由圖5可知，優(yōu)化后的的冪函數(shù)趨勢線的值為0996，相較圖4中的0970 3，更加接近1，因此，確定的函數(shù)為：

=0006 5-0639

(13)

將式(13)代入式(7)，則:

=0006 51361

(14)

3.2 操作軟件編寫

試驗(yàn)時，先確定臺車質(zhì)量及目標(biāo)速度，再依據(jù)式(10)計(jì)算出試驗(yàn)壓力，因此，可將式(14)作為操作系統(tǒng)的控制函數(shù)進(jìn)行編程。試驗(yàn)前，首先錄入試驗(yàn)速度、臺車質(zhì)量，而后點(diǎn)擊“計(jì)算試驗(yàn)壓力”，則會生成“試驗(yàn)壓力”。如需將試驗(yàn)時間及各參數(shù)信息做好記錄，則點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”，相關(guān)信息則會被記錄在其后的表單中。

3.3 操作軟件驗(yàn)證

當(dāng)試驗(yàn)臺車質(zhì)量為1 400 kg，試驗(yàn)速度為15 km/h時，如圖6所示，試驗(yàn)壓力為356 kPa。給壓力容器充氣至壓力為356 kPa進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)測得的速度為15.04 km/h，結(jié)果滿足《耐撞性與維修經(jīng)濟(jì)性指數(shù)試驗(yàn)規(guī)程》的要求，軟件輸出結(jié)果有效。

圖6 試驗(yàn)壓力求解過程

4 結(jié)束語

以氣體作為動力源，設(shè)計(jì)了雙缸驅(qū)動氣動裝置，并編寫了操作軟件，形成了操作界面。該裝置不但結(jié)構(gòu)簡單、易制造、易操作，而且試驗(yàn)精度高，可以取代牽引系統(tǒng)進(jìn)行臺車質(zhì)量達(dá)到1 000 kg以上的臺車低速碰撞試驗(yàn)。另外，通過試驗(yàn)結(jié)果利用趨勢線逆向推導(dǎo)控制系統(tǒng)控制函數(shù)的方法在氣動沖擊試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)過程中值得推廣。