直線電機技術(shù)在童車碰撞試驗機中的應用研究

0 引言

車輛作為交通和休閑工具，在使用過程中受到撞擊在所難免。因此，碰撞試驗被汽車列為重要的安全性能指標。在非機動車類產(chǎn)品標準中，碰撞沖擊試驗也是一項重要的技術(shù)要求，如童車產(chǎn)品中的嬰兒學步車、兒童三輪車和滑板車等。由于該項目直接關(guān)乎騎行兒童的安全，一直為業(yè)界所重視。

1 童車碰撞試驗介紹

在早期的標準中，碰撞沖擊的試驗方法基本都用跌落（試件負載后自一定高度垂直落下）來考核。隨著研究的深入，大家越來越重視水平方向的沖擊，畢竟這種以一定速度水平撞擊擋板最接近實際。

嬰兒學步車作為約1周歲以下兒童使用的產(chǎn)品，為兒童由爬到獨立行走，提供了很好的適應工具，受到家長歡迎。為了保證學步車框架的可靠性，國標GB14749—2006《嬰兒學步車安全要求》，要求學步車水平置放，放置測試砝碼[（直徑160±5 mm，高280±5 mm，重心在幾何重心，質(zhì)量（重量）為12 ±0.05 kg）]，使學步車以2 ±0.2 m/s的速度碰撞壁厚20 mm的膠合板或同等材料的剛性墻，墻的高度高于學步車，測試進行一次。學步車不得破損、脫落、變形，以及應符合GB 6675中的A4.4、A4.6、A4.7條的規(guī)定。

美國國家標準學會制定的ANSI Z315.1—2006《三輪車 安全性要求》中，只有垂直跌落試驗，即在座位和車把上施加合適的載荷，三輪車自一定高度自由落在水泥地面上3次。GB 14747—2006《兒童三輪車安全要求》修改采用了此標準內(nèi)容。但是修訂的ANSI Z315.1—2012版中，增加了水平碰撞的試驗要求，方法為在三輪車座椅正常使用位置上施加規(guī)定負載[依兒童體質(zhì)量（體重）為10.9 ～33.8 kg]。測試人員操作三輪車以2 ±0.2 m/s速度撞向固定、堅固并且豎直的擋塊，擋塊高度應當?shù)扔诨虼笥谇拜啺霃?。如果三輪車同時將承受多于一個兒童的體質(zhì)量（體重），則同時測試每個乘坐和站立區(qū)域。如果三輪車包含了將要裝載一些重物（儲物箱、袋子等），則在這些東西中按照制造商推薦質(zhì)量（重量）施加負載。如果制造商沒有給出最大質(zhì)量（重量），使用4.5 kg。

滑板車歐盟標準是近些年出現(xiàn)的，歐盟標準EN 14619：2015《帶輪運動裝置-滑板車-安全要求與測試方法》中前輪碰撞沖擊試驗，規(guī)定了兩種方法：重物垂直高度落下沖擊滑板車前輪和水平碰撞。但隨后的修訂版EN 14619：2019刪除了重物垂直高度落下沖擊試驗的方法，只允許采用水平碰撞。其具體方法為：滑板車應以[4.5±0.5m/s的沖擊速度、135 J能量（換算后，滑板車和配重應為13.33 kg）]，用前輪前進方向撞擊到堅固鋼制部件上。

目前，我國機構(gòu)和企業(yè)實驗室在進行童車碰撞試驗時，對跌落試驗研究比較多，測試設備也比較完善，但對水平碰撞試驗研究很少，尤其通用的檢測手段非常缺乏，影響了我們的檢測水平。

2 傳統(tǒng)童車碰撞試驗機簡介

目前，國內(nèi)各機構(gòu)和企業(yè)在進行童車碰撞試驗時，試驗方案基本是將童車產(chǎn)品安裝在滑車平臺上，利用斜坡產(chǎn)生加速度，滑行一定距離達到所需速度后進行沖擊測試，這個方案的缺點是撞擊瞬間有速度分量：水平和垂直速度分量，不能實現(xiàn)嚴格意義上的水平撞擊；而且，該設備占地非常大，以實現(xiàn)2 m/s速度的撞擊試驗為例，試驗機需要4 m長，如果做滑板車4.5 m/s速度撞擊，斜坡自然需要更長。另外，該設備在使用過程中，滑臺的摩擦力是變化的，要經(jīng)常進行速度校正，增加了試驗的繁瑣性，也影響了試驗的可靠性。

為了提高試驗準確性，國外機構(gòu)和企業(yè)很多采用快速油缸驅(qū)動試驗滑車，童車安置于滑車上，利用油缸拉動產(chǎn)生一定速度后再進行撞擊試驗。該方案可實現(xiàn)真正意義的水平撞擊，速度精度也可以保證，但設備體積龐大、價格高。像德國麥斯睿恩（MESSRING）公司生產(chǎn)的兒童座椅撞擊試驗機要1 000多萬元人民幣，即使做沖擊速度低的試驗，所需的快速油缸系統(tǒng)的售價也要20多萬元人民幣，令眾多企業(yè)和檢測機構(gòu)望而卻步。

3 直線電機原理和性能簡介

直線電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置。直線電機的工作原理與旋轉(zhuǎn)電機相同，當給直線電機通電后，它的初級和次級之間同樣產(chǎn)生氣隙磁場，由于氣隙磁場的作用，直線電機的初級和次級之間產(chǎn)生相對運動。在旋轉(zhuǎn)電機內(nèi)部產(chǎn)生的磁場叫作旋轉(zhuǎn)磁場，在直線電機的初級和次級之間產(chǎn)生的磁場叫作行波磁場。直線電機通入三相交流電后，根據(jù)楞次定律，在初級線圈中產(chǎn)生磁通，次級金屬板上感應出電流，最后轉(zhuǎn)變成電磁推力，這樣直線電機的初級和次級之間就會產(chǎn)生相對直線運動。設直線電機次級金屬板上有電阻和電感，引起渦流的感應電壓為，渦流電流和磁通密度按照弗來明右手定則在次級上產(chǎn)生連續(xù)的推力。

直線電機輸入三相交流電，通過電流大小變化來控制直線電機的速度、位置等參數(shù)，也就是由輸入動子繞組線圈的電壓（t）會在繞組線圈回路中產(chǎn)生電流（t），根據(jù)弗來明右手定則，電流（t）與磁場之間相互作用產(chǎn)生動子的電磁推力，這樣電機就可以進行直線運動。

直線電機采用直接驅(qū)動的方式：1.直線電機可以減少定位系統(tǒng)的零件數(shù)量，降低機械復雜度，提高可靠度；2.直線電機的運動速度除了受行程的影響之外，負載、電機推力所造成的加減速都是關(guān)鍵，據(jù)報道，直線運動速度可以做到7 m/s以上；3.目前，直線電機的加速度需要較大推力的工況下，最大可以做到30～50 m/s，在小推力工況下，甚至可以做到100 m/s；4.位置反饋裝置的分辨率，1 μm的數(shù)位式光學尺最為常用，一般定位精度在±0.05 mm以內(nèi)，重復定位精度在±0.01 mm以內(nèi)；5.行程理論上不受限制，定子通過模組拼接的方式可以無限延長，但實際應用受線纜、信號反饋裝置等其他因素的限制；6.電機在定位系統(tǒng)中提供推力來源，搭載質(zhì)量（重量）主要依存加速度的需求，根據(jù)可知道，推力一定時，所需加速度越大，加載的質(zhì)量（重量）就必須越小，反之則越大，很多直線電機都可以做到連續(xù)推力大于4 000 N，峰值超過10 000 N。

總之，直線電機可以快速加速到4.5 m/s以上，自帶的光學尺可以精準測定和維持速度。普通的直線電機都可以在1 m行程內(nèi)帶動童車產(chǎn)品和負載，實現(xiàn)試件碰撞前的速度要求。直線電機非常適合用作童車碰撞試驗機中試件的載體，使試驗機具有結(jié)構(gòu)緊湊、高精度、經(jīng)濟性好等優(yōu)良特性。

4 基于直線電機技術(shù)的童車碰撞試驗機的結(jié)構(gòu)

4.1 直線電機的選型

直線電機的選型應根據(jù)速度、加速度、行程來進行。

根據(jù)標準要求，理想的碰撞試驗運動規(guī)劃為：試件快速加速到規(guī)定的速度，保持勻速運行一段時間后，試件碰撞時，電機停止輸入電流。但是，電機在試件碰撞的瞬間，實施斷電，有可能存在極短時間內(nèi)試件碰撞上了，電機還帶動試件向前驅(qū)動的現(xiàn)象，從而影響試驗精度，也會給電機造成使用風險。所以，建議在試件離碰撞擋板極短距離時，例如10 mm或更小值，停止輸入電流，利用電機滑塊和試件系統(tǒng)的慣性完成規(guī)定速度的碰撞。具體速度規(guī)劃見圖1，圖中V為碰撞時的實際速度。

圖1 碰撞試驗機用直線電機典型速度規(guī)劃圖

直線電機運行時，受到推力和系統(tǒng)阻力，通過輸入一定的電流，即可實現(xiàn)勻加速運動。根據(jù)經(jīng)典運動學，勻加速運動時，物體運動速度=V+，行程=V+1/2。

碰撞試驗時，一般自靜止開始啟動，即V=0，如果最大速度V要達到碰撞前的要求，則：

由最大速度，考慮到試件的尺寸和試驗機結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等因素，初步確定直線電機行程，然后進行加速度的選型。

瞬時推力的計算如下：F=M×a+(M×+F)×μ=F+F ,其中：

M為負載，F為初次級間吸引力，μ為摩擦系數(shù)，F為慣性力，F為摩擦力。

考慮到碰撞試驗運動方式為間斷式的運行(t階段不輸入電流)，一個周期內(nèi)等效推力計算如下：

對應的瞬時電流I與等效電流I可由電機推力常數(shù)代入下式計算得知：

通過直線電機供應商提供的電機規(guī)格表，使用者可以根據(jù)瞬時推力需求選擇合適的電機，之后使用者可以計算確認運動規(guī)劃后所需供應電流是否在規(guī)格限制內(nèi)。

I=F /K，該值應小于供應商電機規(guī)格表I,其中：I為瞬間電流，F為瞬間推力，K為推力常數(shù)。

使用者還應考量等效電流I與連續(xù)電流I的比值，通常規(guī)劃后其比值（I/I）建議設計在0.7以內(nèi)比較安全。

4.2 電機和試件的連接

根據(jù)不同產(chǎn)品碰撞試驗標準的要求，有些試驗是以沖擊能量為要素，例如滑板車，沖擊時只要滿足試件加配重為13.33 kg即可，此時電機的滑塊部分可以當作配重的一部分處理，即將試件剛性固定在電機滑塊上，成為試件的一部分。沖擊時，滑塊和試件一起撞擊擋板，利用滑塊本身的滑動性，碰撞后向后反彈。

有些產(chǎn)品只要求試件本身部位上加負載，僅對樣品實施沖擊，如三輪車和嬰兒學步車。此時，電機滑塊就不能參與撞擊，即撞擊時，必須將電機滑塊和試件脫離。為此，需要設計卡緊裝置，啟動時，將試件和電機滑塊卡緊在一起，撞擊前的瞬間，卡緊裝置松開，實現(xiàn)試件本身對擋板的撞擊。為了確保試驗的可靠性，建議用機械裝置實現(xiàn)卡緊，卡緊裝置頭部比試件先接觸擋板，接觸擋板時即松脫開卡緊機構(gòu)。

4.3 系統(tǒng)裝置穩(wěn)定性的處理

碰撞試驗機使用直線電機目的之一就是為了減少設備的空間。為此，定子（滑軌）可以根據(jù)需要選擇長度，但不可能采用特別長的動子（滑塊），因為同樣的定子長度，動子長，則有效行程就會縮小。一般電機的動子長為300 mm，同試驗樣品相比，明顯短。碰撞試驗時，長度方向可能會對滑塊產(chǎn)生額外的扭轉(zhuǎn)，從而影響電機滑動順暢性和壽命。為此，建議試驗前，先確定好負載下的試件前后方向的重心位置（試件左右方向一般都是對稱的，故側(cè)向不需要確定重心），做好標示，將其重心同動子的重心基本保持一致，以便碰撞時，保證系統(tǒng)裝置的穩(wěn)定。

4.4 碰撞試驗機的控制系統(tǒng)

為了得到撞擊前的規(guī)定速度，試驗機必須能夠偵測到直線電機本身數(shù)位式光學尺的信號，經(jīng)過運算可以顯示出動子的實時運行速度。另外，為了得到需要的加速度，還應控制輸入電流。保持速度時，也需要控制輸入電流。這些都需要由計算機采集放大信號后，經(jīng)過計算機計算后，控制電流輸入和直線電機的運作，因此，需要進行計算機閉環(huán)控制。

5 結(jié)論

直線電機具有結(jié)構(gòu)緊湊、位置精度高、加速快等顯著優(yōu)勢，非常適合作為童車水平碰撞試驗機試件的載體使用。同時，這也為研制普通自行車和電動自行車等水平碰撞試驗機提供了一種更先進的思路。