一種基于氣動(dòng)的FMH 試驗(yàn)裝置研究

商恩義，李月明，宋明勇，周揚(yáng)

（1.315336 浙江省 寧波市 浙江省汽車(chē)安全技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.315336 浙江省 寧波市 吉利汽車(chē)研究院（寧波）有限公司）

0 引言

在FMVSS No.201U[1]中，指定有自由運(yùn)動(dòng)頭型(Free Motion Headform，F(xiàn)MH)沖擊試驗(yàn)，即分布在測(cè)試車(chē)輛上部空間的所有目標(biāo)位置在FMH以23.7±0.3 km/h 或18.7±0.3 km/h 速度沖擊時(shí)，都應(yīng)符合相關(guān)性能要求。在中保研的《側(cè)面頭部保護(hù)安全氣囊防拋性能試驗(yàn)規(guī)程》[2]中，有頭型沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)中頭型沖擊器的質(zhì)量為18.00±0.05 kg，在側(cè)面頭部保護(hù)氣囊點(diǎn)爆1.5±0.1 s后，沖擊器沖擊目標(biāo)點(diǎn)，沖擊速度為20.0±0.5 km/h。當(dāng)前國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室發(fā)射頭型等小型沖擊物的試驗(yàn)裝置普遍是基于行人保護(hù)試驗(yàn)需求采購(gòu)的行人保護(hù)試驗(yàn)裝置，而FMH 試驗(yàn)近兩年才引起關(guān)注，因此行人保護(hù)試驗(yàn)裝置用在FMH 試驗(yàn)中時(shí)，因其發(fā)射端過(guò)長(zhǎng)，在開(kāi)展某些垂直接近角較大目標(biāo)點(diǎn)的沖擊試驗(yàn)時(shí)，對(duì)點(diǎn)完成之后無(wú)法后退至發(fā)射位置（與車(chē)輛內(nèi)部干涉），即所能沖擊的點(diǎn)有限，而重新采購(gòu)一套FMH 試驗(yàn)裝置價(jià)格達(dá)數(shù)百萬(wàn)元，且相關(guān)試驗(yàn)量較少，利用率低，導(dǎo)致使用成本較高。

1 簡(jiǎn)易FMH 試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

如圖1 所示，目前行人保護(hù)發(fā)射裝置普遍以氣動(dòng)作為動(dòng)力源，穩(wěn)定性好，速度精度高，但是因?yàn)閷鈩?dòng)控制開(kāi)關(guān)及活塞回收機(jī)構(gòu)等集成于氣缸前端和后端，導(dǎo)致整個(gè)發(fā)射端較長(zhǎng)。圖1 中，裝置發(fā)射端長(zhǎng)度達(dá)800 mm，在車(chē)內(nèi)移動(dòng)極易發(fā)生干涉。本文設(shè)計(jì)的FMH 裝置依然采用氣動(dòng)作為動(dòng)力源，解決現(xiàn)在行人保護(hù)裝置發(fā)射端偏長(zhǎng)問(wèn)題，即改變當(dāng)前氣動(dòng)觸發(fā)方案和活塞機(jī)構(gòu)回收方案。

圖1 當(dāng)前頭型發(fā)射裝置發(fā)射端Fig.1 Launching end of current headform launcher

2.1 氣動(dòng)觸發(fā)方案設(shè)計(jì)

牛皮紙?jiān)谕暾麜r(shí)具有較高撕裂強(qiáng)度，但中間出現(xiàn)破損撕裂強(qiáng)度基本全無(wú)，因此利用牛皮紙和小氣缸設(shè)計(jì)氣動(dòng)觸發(fā)開(kāi)關(guān)，該方案設(shè)計(jì)的觸發(fā)開(kāi)關(guān)一旦啟動(dòng)，則因牛皮紙的撕裂強(qiáng)度瞬間消失可確保整個(gè)開(kāi)關(guān)完全打開(kāi)迅速，將有效地保證試驗(yàn)的一致性[4]。此設(shè)計(jì)方案不但使觸發(fā)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且與發(fā)射氣缸可以形成角度，如成“L”形，縮短發(fā)射端長(zhǎng)度。為了降低試驗(yàn)所需壓強(qiáng)，避免采用增壓泵等零部件，各氣體流動(dòng)路徑將均采用大口徑，確保氣體流動(dòng)順暢，驅(qū)動(dòng)壓力上升快。

依據(jù)上述設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)觸發(fā)方案簡(jiǎn)圖如圖2 所示。觸發(fā)機(jī)構(gòu)由上下兩腔組成，試驗(yàn)前中間安裝牛皮紙后連接[5]。上腔通過(guò)進(jìn)氣管與壓力容器相連，且內(nèi)置有觸發(fā)小氣缸，下腔通過(guò)發(fā)射氣缸接口與發(fā)射氣缸相連，且保證進(jìn)氣口直徑與發(fā)射氣缸直徑相同。

圖2 觸發(fā)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案圖Fig.2 Trigger mechanism design scheme diagram

2.2 活塞回收方案設(shè)計(jì)

在發(fā)射氣缸發(fā)射后，活塞與活塞桿等運(yùn)動(dòng)部件在達(dá)到發(fā)射行程時(shí)應(yīng)被制動(dòng)，以避免活塞與缸體前端蓋發(fā)生剛性碰撞，導(dǎo)致缸體前端結(jié)構(gòu)受損。鑒于試驗(yàn)所需速度不高，且所需要制動(dòng)部件總體質(zhì)量估算僅0.5 kg 左右，可以通過(guò)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(dòng)部件制動(dòng)，即發(fā)射氣缸前腔應(yīng)完全封閉。但在活塞被向前推動(dòng)發(fā)射時(shí)，為了降低活塞前沖過(guò)程中氣缸前腔內(nèi)壓力產(chǎn)生的阻力，在發(fā)射氣缸前部需要開(kāi)若干排氣孔。綜合考慮兩方面需求，決定將排氣口開(kāi)在發(fā)射氣缸前端的缸體上，距離端蓋有一定距離。具體制動(dòng)方案如圖3 所示。圖3 中，當(dāng)活塞由缸底向前發(fā)射時(shí)，前腔氣體被壓縮，排氣孔向外排氣。當(dāng)活塞運(yùn)行至排氣孔后，活塞與前腔形成密閉空間。隨著活塞的繼續(xù)向前推進(jìn)，發(fā)射氣缸后腔氣體由排氣孔排出，活塞所受推力下降?；钊岸怂纬傻拿荛]空間不斷減小、壓強(qiáng)不斷增大，導(dǎo)致對(duì)活塞產(chǎn)生的阻力不斷增大，最終活塞等運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將持續(xù)減速直至停止。

圖3 活塞回收設(shè)計(jì)方案圖Fig.3 Piston recovery design scheme diagram

2.3 發(fā)射氣缸的選擇

計(jì)算驅(qū)動(dòng)力，即負(fù)載力。本裝置的負(fù)載形態(tài)為水平發(fā)射目標(biāo)物，按準(zhǔn)靜態(tài)推動(dòng)方式考慮，氣缸的驅(qū)動(dòng)力[3]有

式中：F——?dú)飧椎尿?qū)動(dòng)力；μ取0.1～0.4；m為發(fā)射目標(biāo)物和推動(dòng)機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量，此處主要用來(lái)發(fā)射頭型。頭型質(zhì)量為4.5 kg，則m約為5 kg。

由于本驅(qū)動(dòng)裝置使用的工況為將目標(biāo)物發(fā)射出去且能達(dá)到一定的速度，故式（1）可轉(zhuǎn)換為

式中：a——目標(biāo)物加速度。由于少了目標(biāo)物與地面間的摩擦力，此處μ可適當(dāng)放大。

計(jì)算氣缸的理論輸出力：

式中：F0——?dú)飧椎睦碚撦敵隽?；p——?dú)飧鬃饔脡毫?。由于發(fā)射過(guò)程中容積增大有限，應(yīng)近似等于試驗(yàn)前壓力容器內(nèi)壓力；r——活塞半徑。

氣缸的驅(qū)動(dòng)力和理論輸出力之間有

式中：η——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，η取10%～40%。

另外，試驗(yàn)中目標(biāo)物的速度、加速度和位移之間有

式中：v——目標(biāo)物速度；s——?dú)飧谆钊麠U有效作用行程。

對(duì)式（2）—式（5）進(jìn)行推導(dǎo)，則有

估算方案可行性。在發(fā)射過(guò)程中，目標(biāo)物無(wú)摩擦，只有推動(dòng)機(jī)構(gòu)與氣缸間會(huì)產(chǎn)生小摩擦，總體能量損耗少，故取μ=0.6；在活塞壓縮過(guò)程中氣缸前腔氣體持續(xù)排出，前腔產(chǎn)生的阻力小，故取η=40%。

初步設(shè)定氣缸長(zhǎng)度為200 mm，其有效行程為140 mm；氣缸直徑為60 mm，則取r=30 mm。取試驗(yàn)速度v=24 km/h，m=5 kg，將各值代入式（7），計(jì)算壓強(qiáng)P=420 kPa，為常壓，滿足設(shè)計(jì)要求，因此確定發(fā)射氣缸尺寸為：長(zhǎng)度為200 mm，有效行程為140 mm，直徑為60 mm。

2.4 瞬時(shí)蓄能器的選擇

發(fā)射氣缸尺寸確定后，計(jì)算其容積為0.4 L。由于提供發(fā)射壓力的壓力容器處于發(fā)射氣缸后端且與發(fā)射氣缸相通，則發(fā)射過(guò)程中，壓力容器實(shí)時(shí)容積不斷增大，內(nèi)部壓力持續(xù)減小。為了后期設(shè)備使用方便，壓力容器內(nèi)壓強(qiáng)應(yīng)近似于恒壓，則壓力容器容積應(yīng)達(dá)到30 L 以上，如此，觸發(fā)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟后，壓力容器內(nèi)氣體容積變化僅僅在2%左右，活塞推進(jìn)過(guò)程中的壓強(qiáng)波動(dòng)很小，也在2%左右。

所設(shè)計(jì)的FMH 試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)流程為：在確定開(kāi)始試驗(yàn)后，先向壓力容器內(nèi)充氣，充氣至指定壓力后，啟動(dòng)觸發(fā)開(kāi)關(guān)進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)。30 L的壓力容器較小，所充氣體為常壓，且充氣完成即釋放，不存放氣體。另外，充氣過(guò)程中一旦壓力過(guò)大，牛皮紙封口處為其薄弱環(huán)節(jié)，牛皮紙撕裂后氣體可將發(fā)射氣缸內(nèi)活塞推出，打開(kāi)缸體上的排氣口泄壓。綜合前述分析，此處所用壓力容器實(shí)為瞬時(shí)蓄能器，非為傳統(tǒng)意義上的壓力容器，可以考慮自制。

現(xiàn)在行人保護(hù)試驗(yàn)裝置，只是發(fā)射端不能滿足試驗(yàn)要求，因此新設(shè)計(jì)的FMH 試驗(yàn)裝置可以利用原設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝，即設(shè)計(jì)一個(gè)新的連接臂將新設(shè)計(jì)的FMH 裝置和現(xiàn)有行人保護(hù)主體相連。為了簡(jiǎn)化整套設(shè)備結(jié)構(gòu)，則將連接臂與壓力容器設(shè)計(jì)為一體，即柱形連接臂內(nèi)為空腔結(jié)構(gòu)。由于所需壓力容器容積要大于30 L，及考慮發(fā)射端在測(cè)試車(chē)內(nèi)操作的方便性，采用長(zhǎng)1 m，內(nèi)腔直徑為100 mm 的鋼管制作成連接臂。

2.5 樣機(jī)制作

所設(shè)計(jì)的新FMH 試驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此采購(gòu)了氣缸等零部件后，利用現(xiàn)有一些材料自行制作了樣機(jī)。所作樣機(jī)如圖4 所示。另外，為了保證發(fā)射端操作的靈活性，在連接臂前端設(shè)計(jì)了軸向轉(zhuǎn)軸，在z向通過(guò)連接螺栓也設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)[6]。雖然所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)操作略顯粗糙，但保證了發(fā)射端整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

圖4 FMH 試驗(yàn)裝置樣機(jī)Fig.4 Prototype of FMH test device

3 設(shè)備能力驗(yàn)證

樣機(jī)制作完成后，對(duì)FMH 試驗(yàn)?zāi)芰M(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證試驗(yàn)過(guò)程中采集頭型質(zhì)心位置3 個(gè)方向加速度。指定頭型前后方向?yàn)閤向，向前為正；左右方向?yàn)閥向，向右為正；上下方向?yàn)閦向，向下為正。其中頭部x向加速度反映了假人頭部的加速過(guò)程，其積分結(jié)果作為試驗(yàn)速度，y向和z向加速度反映了頭型在加速及釋放過(guò)程中的振蕩情況。當(dāng)試驗(yàn)壓強(qiáng)P設(shè)定為417 kPa 時(shí)，x向加速度積分后的試驗(yàn)速度為23.64 km/h，滿足試驗(yàn)要求。同等條件試驗(yàn)重復(fù)2 次，試驗(yàn)速度分別為23.49，23.63 km/h，也均滿足法規(guī)要求，且3次試驗(yàn)的最大速度與最小速度之間的差值僅僅為0.15 km/h，一致性較好。3 次試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比如圖5 所示。

圖5 新FMH 設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of test results of the new FMH equipment

圖5（a）中，x向加速度曲線上升速度較快，約1.5 ms 就達(dá)到平均幅值125 m/s2。整個(gè)加速過(guò)程波動(dòng)較小，近似恒定。圖5（d）中的速度曲線近似線性上升反映了該加速過(guò)程的穩(wěn)定性。圖5（b）和圖5（c）中，加速前20 ms 波動(dòng)較大，但均低于20%，整個(gè)加速過(guò)程能量損耗，結(jié)合錄像分析其加速過(guò)程無(wú)抖動(dòng)。綜合分析3 個(gè)方向加速度曲線的對(duì)比結(jié)果，3 次試驗(yàn)中各個(gè)方向加速度曲線走勢(shì)、波動(dòng)具有較好的一致性，該結(jié)果表明以牛皮紙為材料設(shè)計(jì)的觸發(fā)開(kāi)關(guān)打開(kāi)的快速性能夠保證試驗(yàn)的穩(wěn)定性，同時(shí)，y向和z向加速度曲線偏向一側(cè)的一致性較好也說(shuō)明樣機(jī)在加工過(guò)程中存在一些問(wèn)題，如觸發(fā)機(jī)構(gòu)下腔與發(fā)射氣缸連接口的對(duì)接形式、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生有摩擦沖擊，在后期正式制造設(shè)備時(shí)需要進(jìn)行改進(jìn)。

4 對(duì)標(biāo)驗(yàn)證

現(xiàn)有行人保護(hù)設(shè)備價(jià)值上千萬(wàn)元，試驗(yàn)精度高，新做的FMH 試驗(yàn)樣機(jī)造價(jià)不足千元，為了確認(rèn)FMH 試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)精度，利用行人保護(hù)設(shè)備也進(jìn)行了3 次頭型發(fā)射試驗(yàn)，而后將兩套設(shè)備的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)標(biāo)分析。

4.1 發(fā)射過(guò)程對(duì)標(biāo)

對(duì)標(biāo)發(fā)射過(guò)程的穩(wěn)定性，通過(guò)行人保護(hù)設(shè)備進(jìn)行的3 次試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 與行人保護(hù)設(shè)備試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of test results with pedestrian protection equipment

圖6（a）中，x向加速度曲線為三角形，反映了加速過(guò)程壓力由高壓向下的下降過(guò)程，但一致性也較好。圖6（d）中的速度曲線弧形上升反映了該加速過(guò)程中加速度逐漸衰減過(guò)程。圖6（b）和圖6（c）中，整個(gè)加速過(guò)程均存在上下振蕩波動(dòng)，且振蕩幅值達(dá)到60 m/s2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于FMH 裝置的20 m/s2。行人保護(hù)設(shè)備發(fā)射過(guò)程中出現(xiàn)的上下振蕩是發(fā)射初始高壓的工作方式所致，非制造過(guò)程問(wèn)題，因此應(yīng)無(wú)法消除。

從加速度曲線對(duì)比來(lái)看，F(xiàn)MH 試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)穩(wěn)定性和精度是較好的。

4.3 錄像截屏對(duì)比

為了進(jìn)一步確認(rèn)所設(shè)計(jì)FMH 試驗(yàn)裝置在發(fā)射頭型過(guò)程中的穩(wěn)定性，通過(guò)高速攝像結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析。錄像截屏對(duì)比如圖7、圖8 所示。

圖7（a）—圖7（c）和圖8（a）—圖8（c）的對(duì)比表明，兩設(shè)備發(fā)射頭型試驗(yàn)時(shí)穩(wěn)定性均較好；圖7（d）和圖8（d）對(duì)比，新設(shè)備在試驗(yàn)后期活塞桿不回收，并在排氣孔有碎紙屑飛出，而原行人保護(hù)設(shè)備的活塞桿會(huì)復(fù)位，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)整潔。

圖7 FMH 設(shè)備頭型發(fā)射過(guò)程Fig.7 Headform emission process of FMH equipment

圖8 行人保護(hù)設(shè)備頭型發(fā)射過(guò)程Fig.8 Headform emission process of pedestrian protection equipment

5 結(jié)論

以牛皮紙和小型氣缸為主要材料設(shè)計(jì)的FMH 試驗(yàn)裝置，能夠進(jìn)行全套FMH 試驗(yàn)，以及其它小型發(fā)射類(lèi)試驗(yàn)，其試驗(yàn)精度可控制在±0.3 km/h 之內(nèi)。與當(dāng)前發(fā)射類(lèi)設(shè)備相比，所設(shè)計(jì)的FMH 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、造價(jià)低，方便各小型實(shí)驗(yàn)室建立相關(guān)試驗(yàn)?zāi)芰蛟诂F(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上完善相關(guān)試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>