查宏民，呂曉洲

（中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司，天津 300300）

前言

汽車的安全性，不僅體現(xiàn)在對車內乘客的保護上，同樣體現(xiàn)在對車外行人的保護方面。行人作為道路交通中的弱勢群體，其被汽車碰撞造成的傷害是相當嚴重的，圖1 所示為我國道路交通事故現(xiàn)狀。針對我國交通道路等級低、人口及自行車多、混合交通比例大的特點，開展行人安全保護至關重要。

圖1 CIDAS統(tǒng)計我國道路交通事故現(xiàn)狀

我國在行人保護碰撞方面的研究相對較少，大多數(shù)局限于計算機軟件的碰撞模擬和仿真研究，以及碰撞傷害機理的研究工作。國內的一些大學和研究機構開發(fā)出了相關的碰撞試驗臺，但在精度和可靠性等方面都存在一定的問題，仍處于試驗階段，還無法進行新車試驗。目前的行人保護測試主要依賴于進口設備，其中法國BIA 公司研制的通用沖擊模擬試驗設備是根據(jù)EEVCWG17、FMVSS201 等標準設計的，撞擊速度精度高，位置準確，已應用于國內多家檢測機構。

鑒于國內關于行人保護測試技術方面的研究現(xiàn)狀，本文對機動車行人保護發(fā)射裝置進行設計研究，以研發(fā)國產行人保護試驗設備，填補我國在此領域的空白，有利于我國汽車產品研發(fā)技術的發(fā)展，有利于制定或完善我國相關技術標準自主，有利于提高我國汽車產品的安全防護的綜合性能和我國汽車領域的檢測技術研究的發(fā)展。

1 發(fā)射裝置總體概述

基于GTR09 制定的行人保護法規(guī)《汽車對行人的碰撞保護》（GB/T 24550—2009）已于2010年7月1日正式實施，而C-NCAP（2018）對行人的頭部（包括成人和兒童）和腿部（上、下腿型）保護性都提出更為嚴格的要求。圖2 中表示行人保護試驗項目，具體試驗內容包括：

圖2 行人保護試驗項目

（1）成人頭部撞擊發(fā)動機蓋試驗，至少測試9個點；

（2）兒童頭部撞擊發(fā)動機蓋試驗，至少測試9個點；

（3）3次上腿部撞擊保險杠試驗（左、中、右）；

（4）3次下腿部撞擊保險杠試驗（左、中、右）。

標準中規(guī)定的4 種行人模塊碰撞試驗的主要技術指標如表1 所示?？梢钥闯?，標準對發(fā)射裝置的速度和角度均有較高的精度要求。

表1 行人保護測試指標

針對該測試要求，本裝置基于液壓伺服控制技術，通過高頻響伺服閥和專用高速低摩擦液壓缸，實現(xiàn)準確可靠的發(fā)射速度控制。在硬件結構上，采用蓄能器與伺服閥組合控制，蓄能器作為發(fā)射過程中加速所需的大流量動力源，伺服閥對速度進行調節(jié)，以進口數(shù)字液壓伺服控制器為控制核心，實現(xiàn)底層高速速度閉環(huán)控制。發(fā)射裝置試驗臺架在、、3 個坐標方向及角度方向全部采用伺服電機精確調整，從而滿足不同試驗沖擊位置和角度的要求。

該發(fā)射裝置集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、高速實時閉環(huán)控制為一體，實現(xiàn)了最高速度15 m/s、最大發(fā)射質量15 kg的沖擊測試，最大速度誤差小于±0.2 m/s，重復性誤差小于1%，達到了試驗法規(guī)測試精度要求。

2 發(fā)射裝置系統(tǒng)構成

發(fā)射裝置結構簡圖如圖3 所示。該系統(tǒng)按照結構和功能分為機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、傳感器及信號采集系統(tǒng)等。

2.1 機械系統(tǒng)［6］

機械系統(tǒng)主要包括焊接臺架、橫梁、導向裝置、沖擊模型、向及角度調整機構等，如圖3 所示。臺架用于支撐橫梁及發(fā)射液壓缸，具有較強的剛性和強度。橫梁移動到位后采用鎖緊機構鎖緊，以防止高速沖擊時松動變形。向調整采用滾珠絲杠結構，導向則采用直線導軌。

圖3 發(fā)射裝置系統(tǒng)整體結構示意圖

2.1.1 導向裝置

發(fā)射液壓缸整體安裝在兩條鋁型材上，為防止高速液壓缸活塞桿伸出過程中承受側向力，發(fā)射頭型、腿型均通過一個導向推架連接。導向裝置由兩條高速直線軸承導軌構成。推架前端可安裝不同的沖擊器。

2.1.2 液壓缸防撞裝置

防撞機構通過扭轉彈簧帶動擺臂旋轉，擺臂前端安裝有緩沖器，擺臂的角度極限位置通過角度調整塊來固定。發(fā)射前防撞機構使推架與液壓缸桿接觸，發(fā)射后扭轉彈簧使擺臂向下擺動。當沖擊試驗完成后推架彈回時，推架與緩沖器接觸，防止推架撞擊液壓缸桿，從而有效保護液壓缸。

2.2 液壓系統(tǒng)

2.2.1 液壓系統(tǒng)的工作原理

高速液壓彈射采用結構簡單的用閥控缸的控制原理，由此盡量減少機械、電氣等元件的響應時間。通過大流量、高頻響伺服閥、位移傳感器、壓力變送器、蓄能器，結合先進的控制算法和高速伺服控制器，實現(xiàn)液壓缸的閉環(huán)控制。

2.2.2 高速液壓缸緩沖裝置的設計

在高速液壓系統(tǒng)中，緩沖結構是必不可少的?？紤]到發(fā)射裝置的特點，采用內部節(jié)流式緩沖結構，如圖4 所示。在活塞上設計緩沖柱塞，采用錐形凸緣，在緩沖過程中活塞上的錐面和緩沖腔體積隨位移變化，而回油腔和緩沖腔進油截面逐漸減小，形成節(jié)流緩沖效應。

圖4 高速液壓缸緩沖結構圖

2.2.3 發(fā)射裝置結構設計

在發(fā)射裝置系統(tǒng)中，發(fā)射過程時間很短，液壓缸、蓄能器、伺服閥等每個元件的響應速度對結果有重要的影響，因此液壓管路長度越短、管徑越大、拐角越少，壓降損失越小，響應速度就越快。為此伺服閥、蓄能器、液壓缸、傳感器等采用整體集中式連接，如圖5所示。

圖5 液壓發(fā)射裝置結構圖

2.3 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)主要包括油源控制、伺服電機控制、高速液壓缸控制、傳感器信號采集等系統(tǒng)。采用上、下位機控制方式，上位機采用研華工控機和數(shù)據(jù)采集卡，用于油源啟停和伺服電機定位控制以及試驗參數(shù)設置等。下位機采用進口高性能液壓伺服運動控制器，實現(xiàn)高速液壓缸的閉環(huán)控制。上、下位機之間通過工業(yè)以太網實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

高速液壓缸閉環(huán)控制是整個系統(tǒng)中的關鍵技術，對控制器要求運算速度快、控制算法全、可靠性高。選用的液壓伺服運動控制器，可提供精確的位置和速度控制，具備專為高性能電液運動控制設計的數(shù)學演算和參數(shù)設置，包括位置、速度、加速度、壓力等雙回路控制，具有PID 控制、速度前饋、加速度前饋、死區(qū)補償?shù)榷喾N控制參數(shù)。提供的配套調試軟件功能強大、易于上手、使用方便，用于設置、調整、編程、診斷及故障排除等。

2.4 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)包括液壓缸位移信號、壓力信號、加速度信號，沖擊速度等，所有信號通過控制器的模擬量輸入模塊采集，采樣頻率為4 kHz，分辨率為16位。

沖擊模型的速度采用高速光電開關測量，通過采集兩個光電開關的時間差計算出瞬時平均速度。

3 彈射控制原理

液壓缸采用位控方式，對于不同的發(fā)射速度，可采用相同的加速行程及減速行程。在加速階段，當速度達到最大時，認為加速行程結束。然后立即反向運動進行減速，在慣性作用下，沖擊頭與液壓缸活塞桿分離。當液壓缸速度降為零時，液壓缸到達最大減速行程位置，然后繼續(xù)反向運動，到達起始位置時停止運動，發(fā)射結束。通過這種方式，在伺服閥減速控制和液壓缸自身緩沖雙重減速作用下，有效提高液壓缸的降速效果，更好地達到彈射的目的。

根據(jù)上述發(fā)射原理，將液壓缸的發(fā)射過程分為加速階段、正向減速階段、反向加速階段、返回起始點等4 個階段。加速和減速均為勻加減速運動，如圖6 所示，在達到最大速度時，對應位移點記為彈射點，從該點液壓缸開始迅速減速，減速到停止時對應最大位移點，其中彈射點、最大位移點為試驗設定參數(shù)。根據(jù)勻加減速直線運動有

圖6 發(fā)射過程位移和速度曲線

式中：為加速階段加速度；為減速階段減速度。轉化后有

根據(jù)該原理，程序的運行過程為：首先初始化，計算加速度a和a；之后軸加使能，切換到位移控制模式；按絕對位置運動到最大位移點，其加速度為a，減速度為a，最大速度為；到達最大位置后按減速度返回到起始位置。

4 發(fā)射速度軟件補償

圖7 為腿型沖擊過程示意圖，當發(fā)射頭型、腿型脫開液壓缸活塞桿后按照自由落體運動，在飛行過程中受重力、空氣阻力作用，最終撞擊速度有一定損失，在軟件中需要進行適當補償。根據(jù)自由落體運動規(guī)律，在忽略空氣阻力情況下，最終撞擊點的速度、自由水平飛行距離、下落高度、發(fā)射角度以及液壓缸發(fā)射速度在不同發(fā)射情況下的理論補償計算公式如表2 所示。此外，在實際發(fā)射時還需根據(jù)實際結果進行相應的修正。

圖7 腿型沖擊過程示意圖

表2 下落高度、飛行距離與發(fā)射角度補償計算公式

5 實際驗證分析

5.1 閉環(huán)特性分析

圖8 為系統(tǒng)在位控閉環(huán)模式下速度和位移的響應曲線。從圖中可以看出，在啟動加速階段，速度出現(xiàn)了滯后和超調，這主要是因為在伺服閥打開瞬間，無桿腔壓力突然升高，液壓缸從靜摩擦轉化為動摩擦，阻力變小，再加上系統(tǒng)響應滯后，啟動過程時間又很短，無法及時調節(jié)。在后半程的加速過程中，速度曲線均能夠得到很好的跟蹤控制。在整個過程中，除啟動和停止時刻位移稍有偏差外，位移控制曲線精度良好。

圖8 閉環(huán)特性曲線

5.2 行人模塊碰撞試驗［11］

進行行人頭部模塊的試驗時，設計了滿足標準形狀和質量的頭型。頭型中部設有安裝軸，與液壓缸活塞桿連接。未發(fā)射時頭型通過卡珠固定在安裝軸上，發(fā)射后由于慣性作用，頭型脫開，完成沖擊試驗，圖9表示頭型模塊沖擊試驗前后狀態(tài)。

圖9 頭型模塊沖擊高速攝像截圖

圖10 所示為上腿型模塊沖擊試驗臺，上腿型沖擊器由上腿型、導向部件和推進部件組成。上腿型由尼龍加工而成，安裝在推進部件上，通過導向部件安裝在導桿上。試驗時整套裝置被液壓缸推動前進，然后和液壓缸分離，整體沿導向桿前進沖擊試驗車輛。

圖10 上腿型模塊沖擊試驗臺

下腿型標準中要求質量為13.4 kg，考慮到成本因素，下腿型采用圓管簡化設計，外部包裹橡膠，外形尺寸和質量與標準相近，實際質量為13.9 kg，如圖11所示。

圖11 下腿型實物參考圖

5.3 發(fā)射質量

設備設計階段已按照最大發(fā)射質量15 kg設計，并預留一定余量。實際測量證明，設備可將13.9 kg的下腿型模塊加速到15 m/s，滿足行人模塊發(fā)射質量的要求。

5.4 發(fā)射速度精度

這里以腿型模塊試驗測試結果為例，對發(fā)射裝置的發(fā)射速度精度進行了重復性試驗。表3 所示為6次重復測試結果，表明最大誤差為0.14 m/s。

表3 下腿型沖擊速度測試結果

5.5 發(fā)射角度控制

調節(jié)發(fā)射裝置初始角度時，采用伺服電機控制，角度可實現(xiàn)連續(xù)調節(jié)，控制誤差不超過±0.05°。在頭型沖擊試驗時要求最終沖擊角度誤差小于2°。在實際測試過程中，頭型脫離瞬間，由于脫離瞬間摩擦力不均勻導致頭型發(fā)生微量偏轉，加上撞擊表面距離較遠，最終撞擊角度過大，可通過縮短飛行距離、調整頭型安裝預緊力加以改善。上腿型沖擊時由于腿型完全固定在導向架上，沖擊前只須將導軌調整到沖擊角度即可。下腿型在發(fā)射過程中，通過高速攝像進行了分析，結果如圖12 所示，腿型在飛行過程中未發(fā)生偏轉，角度和位置滿足試驗要求。

圖12 下腿型模塊沖擊高速攝像截圖

6 結束語

以行人保護測試系統(tǒng)為研究對象，基于液壓伺服控制技術，采用高壓蓄能器作為動力源，高速液壓缸為執(zhí)行機構，大流量伺服閥為控制元件，進口液壓伺服控制器為控制核心，研究開發(fā)出一套沖擊速度準確、溫度可控、執(zhí)行可靠的發(fā)射裝置，并進行了頭部和上下肢模塊沖擊試驗。結果表明，雖有部分細節(jié)有待進一步完善，但已基本上滿足試驗要求，部分指標可與國外進口設備媲美。通過后期的改進，可以利用該裝置開展行人碰撞保護研究。

本研究成果，還可應用于汽車零部件等快速沖擊測試中，如頭枕吸能、轉向盤沖擊等，對于提高我國汽車產品的安全防護的綜合性能、推動我國汽車領域的檢測技術的國產化，降低相關測試設備的成本具有重要意義。