陶乾，王欣

商用車駕駛室試驗系統(tǒng)撞擊能量的不確定度分析

陶乾，王欣

（重慶車輛檢測研究院國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，重慶401122）

商用車駕駛室碰撞試驗系統(tǒng)的撞擊能量是開展此項實驗的一項重要指標，但目前尚未有針對該項目不確定度評定的論述。本文按照JJF 1059.1-2012《測量不確定評定和表示》規(guī)定的評定方法，針對撞擊能量結果的不確定度進行評定，供相關人員參考。

商用車；駕駛室；撞擊能量；不確定度

在許多試驗場合中，試驗數(shù)據(jù)的測量結果都會由于各種原因的存在而或多或少地偏離被測量的真值[1]。因此，在給出測量結果的同時，還必須指出所給測量結果的可靠程度，如使用測量誤差、測量準確度或測量不確定度等術語來表示測量值質(zhì)量的好壞[2-4]。在開展商用車駕駛室的碰撞試驗過程中，撞擊能量是一項非常重要的指標，但目前尚未有針對該項指標不確定度評定的文獻。因此，研究碰撞試驗系統(tǒng)的撞擊能量不確定度的評定方法至關重要，是商用車駕駛室碰撞[5-7]安全性能測試中獲得可靠試驗結果的必要前提。本文首先構建商用車駕駛室碰撞試驗系統(tǒng)中撞擊能量的數(shù)學模型，然后對撞擊能量不確定度的來源進行分析，最后對合成標準不確定度和擴展不確定度進行評定，為相關人員提供參考。

1 數(shù)學模型

撞擊試驗擺錘系統(tǒng)幾何模型與工作原理見圖1。

根據(jù)能量守恒原理，擺錘在旋轉α角度后釋放到旋轉至最低點時的撞擊能量為：

由式（1）知，影響撞擊能量的直接分量有：m，g，l，α這4個參數(shù)，其中，重力加速度g隨緯度的變化不大，隨高度的增高而減小。本系統(tǒng)中，由于使用地點未發(fā)生變化，擺錘舉升高度相對于地球半徑來說可以忽略不計，故重力加速度g作為一個常量處理，取9.8 m/s2，l為擺臂長。

根據(jù)數(shù)學模型式（1），對不同的影響分量求偏導數(shù)，可得出該不確定度分量的靈敏度系數(shù)：

這些靈敏度系數(shù)在把具體參數(shù)帶入公式后，即可求得具體靈敏度值，在后面的合成不確定度評定時使用。

不確定度具體評定工作中，被測量的定義不完整或不完善，取樣的代表性不夠，對測量過程受環(huán)境影響的認識不足，對模擬式儀表的讀數(shù)存在人為的偏差，測量儀器的計量性能本身的局限性，引用的數(shù)據(jù)或其它參數(shù)的不確定度，都有可能是測量結果不確定度的來源，因此要充分識別，全面考慮。常用的評定方法分為A類不確定度評定和B類不確定度評定。A類不確定度對測量結果的影響通常經(jīng)過多次重復測量后計算得出，B類不確定度在具體測量時無法定量地計算出其對測量結果影響的大小和方向，但它們對測量結果不確定度的影響卻是必須考慮的。在本商用車駕駛室正面撞擊試驗系統(tǒng)中，擺臂轉軸銷子處的摩擦力矩和擺錘系統(tǒng)在下降過程中的風阻對測量結果的不確定度有較大影響，但未在數(shù)學模型中體現(xiàn)，因此在B類不確定度評定時需考慮。

2 A類不確定度評定

本系統(tǒng)由重復性測試引入的A類不確定度u1計算如下。擺錘系統(tǒng)在擺錘形心的有效質(zhì)量m=1 405 kg，擺臂旋轉中心到擺錘形心的距離l=3.505 m。為了獲得44 100 J的有效撞擊能量，由式（1）可以計算出擺錘需要在85.1°釋放，再通過W=1/2mv2（v為通過高精度激光測速儀測得的擺錘在撞擊點的速度）可以計算得到實際撞擊的有效撞擊能量，10次測量及計算結果如表1所示。

計算結果Wi的算術平均值為：

計算結果Wi的單次實驗的標準偏差

則Wi的標準不確定度分量：

3 B類不確定度評定

本試驗系統(tǒng)涉及到B類不確定度評定的主要因素有：測量撞擊有效質(zhì)量m的稱重儀器示值誤差引入的不確定度分量，測量旋轉中心到擺錘形心的鋼卷尺示值誤差引入的不確定度分量，擺臂與豎直方向夾角引入的不確定度分量，擺臂轉軸銷子處的摩擦力矩引入的不確定度分量，擺錘系統(tǒng)在下降過程中的風阻引入的不確定度分量。

1）測量撞擊有效質(zhì)量m的稱重儀器示值誤差引入的不確定度分量u2。用于測試擺錘質(zhì)量的稱重儀器的示值誤差為0.5%，可換算出質(zhì)量誤差為1 405×0.5%= 7.025 kg。由于擺錘的質(zhì)量m的測量值落在區(qū)間[1 045-1 405×0.5%，1 045+1 405×0.5%]內(nèi)的概率分布為矩形分布（因為大于0.5%誤差限的儀器屬于不合格儀器），矩形分布的包含因子因此，其引入的標準不確定度分量：

2）測量旋轉中心到擺錘形心的鋼卷尺示值誤差引入的不確定度分量u3。用于測試由擺臂旋轉中心到擺錘形心的距離的鋼卷尺為2級，即示值誤差△=（0.3+0.2 l），其中l(wèi)為測量長度，本次測量中l(wèi)=3.505 m，故△=（0.3+0.2l）=（0.3+0.2×3.505）=1.001m。根據(jù)JJF1059.1《測量不確定度評定與表示》規(guī)范，若以“級”表示儀器特性，則測量結果服從均勻分布，即包含因子故由于鋼卷尺示值誤差引起的標準不確定度分量：

3）由擺臂與豎直方向夾角引入的不確定度分量u4。用于測量角度的傳感器與顯示器組成的角度測量系統(tǒng)分辨率為δx=0.1，其量化誤差是一個寬度為δx的矩形分布，區(qū)間半寬為δx/2，其引入的不確定分量u4=0.29δx≈0.03°。

4）由擺臂轉軸銷子處的摩擦力矩引入的不確定度分量u5。旋轉軸銷子處產(chǎn)生的摩擦力矩M可按下式計算：

式中：u為鋼和鋼之間的滑動摩擦系數(shù)，在此取0.05；P為轉軸銷子上的支撐負荷（在此選擇P為擺錘處于最低位置時的最大值），單位N；d為銷子直徑，值為60 mm。當擺錘處于最低位置時，擺錘系統(tǒng)的受力P=mv2/l+mg，代入相關數(shù)據(jù)得P=28 942.59N，則擺錘釋放對應的摩擦力矩消耗的能量：

5）由擺錘系統(tǒng)在下降過程中的風阻引入的不確定度分量u6。由參考文獻[7]得知擺錘試驗系統(tǒng)風阻引起的能耗， 式中s為擺錘行程。換算為本系統(tǒng)后，

式中：Cd為風阻系數(shù)，在此取1；A為擺錘迎風面積，為2.5×0.8=2 m2；代入其他相關參數(shù)值后，由上式可以得到風阻消耗的能量為：

即u6=Ww=38.5 J。

4 合成標準不確定度及擴展不確定度的評定

通過對撞擊能量的A類和B類不確定度評定可知，其不確定度來源主要有6個，如表2所示。

根據(jù)數(shù)學模型和以上分析可以看出，影響測量結果不確定度的6個分量彼此獨立，互不相關，因此合成標準不確定度Uc可通過以下公式算出：

擴展不確定度U是將合成標準不確定度擴展了k倍得到的，即U=k×UC，這里k值稱為包含因子，一般取2，有時也取3，這取決于被測量的重要性、效益和風險。如果希望撞擊能量W有95%的概率包含在所確定的置信區(qū)間內(nèi)，則k取2，即U=k×Uc=2×434.1=868 J。

即在本系統(tǒng)撞擊能量為44 100 J時，實際測量結果在（44 058±868）J的區(qū)間內(nèi)的概率為95%。k取3時，實際測量結果在對應的區(qū)間內(nèi)的概率為99%。

5 結束語

在實際工作中，由于檢測結果的不確定度往往由多種因素引起，人們對客觀事物的認識還存在一定的局限性，對檢測結果有影響的分量分析還不全面、不徹底，因此，還需要在日常工作過程中不斷總結積累經(jīng)驗，盡可能充分分析和識別其它對檢測結果有重要影響的不確定度分量，從而保證測量不確定度評定的質(zhì)量。

[1]陶乾.車輛徑向載荷疲勞試驗機徑向加載力示值誤差的不確定度評定[J].客車技術與研究，2009，31（3）：50-52.

[2]全國法制計量管理計量技術委員會.測量不確定度評定與表示：JJF 1059.1-2012[S].北京：中國標準出版社，2012：12.

[3]倪育才.實用測量不確定度評定[M].北京：中國計量出版社，2009.

[4]陳奕欽.測量不確定度"'93國際指南"應用實例[M].北京：中國計量出版社，1998.

[5]張健紅.商用車駕駛室正面擺錘碰撞試驗機研究[D].長春：吉林大學，2007.

[6]王登峰，劉麗亞，董學鋒，等.商用車駕駛室碰撞安全性的研究與改進[J].汽車工程，2011，33（1）：2-5.

[7]夏源明，袁建明.擺錘式塊桿型沖擊拉伸試驗裝置的動力學系統(tǒng)簡化分析[J].力學學報，1991，23（2）：217-224.

修改稿日期：2017-01-05

Uncertainty Analysis of Impact Energy of Commercial Vehicle Cab Test System

TaoQian，WangXin
（ChongqingVehicle Test&Research Institute National Coach QualitySupervision&TestingCenter,Chongqing401122,China)

The impact energyofcommercial vehicle cab crash test system is an important indextocarryout this experiment,but until nowthere is no discourse about this project uncertainty evaluation.This paper,according to the evaluation method of JJF 1059.1-2012"Measurement Uncertainty Evaluation and Representation",evaluates the uncertaintyofthe impact energyresult in order toprovide the reference for related persons.

commercial vehicle;cab;impact energy;uncertainty

U463.81；U467.1+4

A

1006-3331（2017）02-0050-03

2008年度重慶市技術創(chuàng)新項目指導性計劃（第二批）項目；2009年重慶市財政局和重慶市經(jīng)信委工業(yè)發(fā)展資金（產(chǎn)研專項）項目。項目編號為08-2-192。

陶乾（1982-），男，工程師；主要從事設備量值溯源、數(shù)據(jù)誤差分析等方面的研究工作。