徐浩，孫偉東，吳剛

上海機(jī)動(dòng)車檢測認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805

0 引言

隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，汽車的安全性更是成為當(dāng)下的熱門話題，而乘用車頂部抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)就是汽車安全試驗(yàn)體系中的重要一環(huán)，該試驗(yàn)的目的在于檢測當(dāng)汽車遭受到側(cè)翻以及翻滾時(shí)車體對(duì)前排乘員的保護(hù)能力，具體指標(biāo)就體現(xiàn)于車體在某一特殊工況下車頂所能承受壓力與位移的關(guān)系。

該類型試驗(yàn)最早是由美國高速公路安全管理局(national highway traffic safety administration，NHTSA)提出，經(jīng)歷多年標(biāo)準(zhǔn)變更，自2009年開始正式實(shí)施現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)FMVSS216a。另一方面，在國內(nèi)乘用車車頂強(qiáng)度屬于強(qiáng)制性法規(guī)試驗(yàn)，法規(guī)號(hào)為GB 26134—2010，現(xiàn)行的國內(nèi)法規(guī)參考標(biāo)準(zhǔn)FMVSS216。除此之外，在國內(nèi)外也有相應(yīng)的第三方檢測機(jī)構(gòu)的汽車安全評(píng)價(jià)體系中也包含車頂強(qiáng)度試驗(yàn)，例如美國公路安全保險(xiǎn)協(xié)會(huì)(insurance institute for highway safety，IIHS)與中國保險(xiǎn)汽車安全指數(shù)(C-IASI)。

綜合以上各種法規(guī)以及評(píng)價(jià)體系，再加上試驗(yàn)對(duì)象是汽車不規(guī)則的車體，需要開發(fā)專門的乘用車車頂壓機(jī)來滿足該試驗(yàn)要求。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 乘用車車頂壓機(jī)及夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合所有標(biāo)準(zhǔn)與評(píng)價(jià)體系，對(duì)乘用車車頂壓機(jī)及其夾具提出以下技術(shù)方案。

(1)在所有相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中，壓機(jī)壓板的尺寸以及角度都是一樣的，如圖1所示，壓機(jī)壓板的長寬為1 829 mm×762 mm，與汽車縱向與橫向平面的夾角分別為25°±5°。其中雖然現(xiàn)行GB 26134標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于中心對(duì)稱的車體，主副駕兩側(cè)選擇一側(cè)進(jìn)行試驗(yàn)即可，但在FMVSS216a中主副駕兩側(cè)都需進(jìn)行試驗(yàn)，所以壓機(jī)壓頭與橫向平面必須有±5°的調(diào)節(jié)功能來滿足主副駕兩側(cè)的加載功能，而25°的傾角考慮到整體結(jié)構(gòu)的剛性，可以做出固定角度。

圖1 壓機(jī)壓板尺寸及角度

(2)在所有標(biāo)準(zhǔn)以及評(píng)價(jià)體系中，壓機(jī)壓板的最大位移均為127 mm，但考慮到不同車輛的車體高度都不相同，所以必須確定液壓缸的行程以及壓機(jī)底座的高度，如圖2所示。為了使壓機(jī)的體積盡可能的小，以滿足一些小試驗(yàn)場地的環(huán)境，在保證整體高度4 m、底座長寬1.3 m×1.8 m、液壓缸行程1 100 mm的條件下，壓板最低與最高分別為1 487 mm與2 394 mm，經(jīng)過調(diào)研，乘用車白車身車體高度通常為1 100～2 000 mm，加上300～600 mm的可調(diào)白車身固定夾具，可滿足大部分試驗(yàn)要求。

圖2 壓機(jī)整體尺寸示意

(3)整個(gè)壓機(jī)的結(jié)構(gòu)分為壓機(jī)底座與壓頭兩部分。壓機(jī)底座部分后方需要有臺(tái)階設(shè)計(jì)，以保證人員維修以及更換壓頭角度；壓頭部分設(shè)計(jì)為在液壓缸兩側(cè)安裝兩根導(dǎo)向來保護(hù)液壓缸。在壓機(jī)底座與壓頭上都開有±5°的定位孔，使得壓頭可以在壓機(jī)底座上進(jìn)行定位旋轉(zhuǎn)。

(4)在進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí)，由于需將整車完全抬離地面，所以需要制作整車的專用夾具，考慮到傳統(tǒng)燃油車車底兩側(cè)基本都有裙邊而新能源車則是一整塊厚度不定的底座，所以設(shè)計(jì)寬度可調(diào)的夾具。車體夾具如圖3所示，一邊角鋼有螺紋孔，而另一邊角鋼通孔，通過螺栓將車輛裙邊或其他形式底部夾緊連接，保證車輛在整個(gè)試驗(yàn)中保持固定狀態(tài)。

圖3 車體夾具

1.2 乘用車車頂壓機(jī)的有限元分析

使用SolidWorks Simulation進(jìn)行有限元分析，分別對(duì)壓機(jī)底座以及壓頭油缸固定座進(jìn)行靜應(yīng)力分析。

靜應(yīng)力分析如圖4所示。由圖4a可以看到，將壓機(jī)底座下安裝平面設(shè)置為固定平面，對(duì)油缸固定座以及壓機(jī)底座轉(zhuǎn)動(dòng)連接處施加向上的160 kN應(yīng)力載荷，壓機(jī)底座最小安全系數(shù)為6.496 2；由圖4b可以看到，將液壓缸固定處設(shè)備為固定平面，在中間孔處施加向下的160 kN均布載荷，油缸固定座最小安全系數(shù)為5.931 2。有限元分析結(jié)果表明在最大承受160 kN的情況下，壓機(jī)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖4 靜應(yīng)力分析

2 電液控制系統(tǒng)及上位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 電液伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電液伺服控制系統(tǒng)采用國產(chǎn)DMC-340控制器作為主控單元，由主控單元實(shí)時(shí)采集壓機(jī)力值以及位移傳感器信號(hào)，同時(shí)通過伺服電磁閥控制液壓缸，通過繼電器控制液壓站。上位機(jī)與控制器相互連接，可以控制執(zhí)行液壓站與液壓缸的操作，同時(shí)將控制器讀取的傳感器模擬量信號(hào)采集到上位機(jī)中。

控制系統(tǒng)示意如圖5所示。DMC-340控制器內(nèi)置擁有1個(gè)模擬量輸入輸出采集卡，可以實(shí)時(shí)采集壓機(jī)力值信號(hào)，采用4個(gè)50 kN的力傳感器，通過接線盒匯成1路輸入控制器；控制器內(nèi)置1個(gè)位移計(jì)數(shù)接口，選用1 500 mm的拉線式位移編碼器；控制器內(nèi)置高速控制卡，該控制卡支持位移與力值兩種閉環(huán)控制，支持PID自整定功能，控制液壓缸伺服比例控制閥；內(nèi)置2套數(shù)字量輸入輸出接口，可控制液壓站啟停。

圖5 控制系統(tǒng)示意

液壓系統(tǒng)方面，液壓站由30 L/min日本Nachi液壓泵、YUKEN電磁閥和溢流閥，以及我國臺(tái)灣波英特油冷卻器與蓄能器組成。選用MOOG比例伺服閥和行程1 100 mm、缸徑150 mm以及桿徑80 mm的液壓缸，經(jīng)計(jì)算，滿足最大速度13 mm/s、最大力值160 kN的要求。

2.2 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選用國產(chǎn)TesXpart Ⅱ組態(tài)軟件，該組態(tài)軟件擁有特定為液壓機(jī)所設(shè)計(jì)的通用試驗(yàn)可編輯模塊，模塊內(nèi)具有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制功能，具有極限保護(hù)功能;可自行設(shè)計(jì)非標(biāo)壓機(jī)標(biāo)定程序，具有位移以及力值兩種控制的PID調(diào)節(jié)模塊，可以大大節(jié)省上位機(jī)的開發(fā)時(shí)間，如圖6所示。

圖6 乘用車車頂壓機(jī)人機(jī)界面

在手動(dòng)操作界面中，可以手動(dòng)開啟或關(guān)閉油泵，設(shè)置液壓缸的手動(dòng)移動(dòng)速度，系統(tǒng)默認(rèn)在手動(dòng)模式下采用的是位移控制模式，界面中可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的位移值以及力值，都具有清零的功能，正式試驗(yàn)開始前必須清零。每次試驗(yàn)都需在樣品中輸入樣品編號(hào)才能開始試驗(yàn)。

在自動(dòng)控制界面中可以設(shè)置試驗(yàn)程序，通過下方添加指令添加試驗(yàn)程序，每一個(gè)指令都可以選擇指令類型、控制通道、速度、目標(biāo)通道、目標(biāo)值以及限制值。指令類型中可選擇定位移動(dòng)、延時(shí)或保持、循環(huán)開始、循環(huán)結(jié)束、提示信息以及試驗(yàn)暫停等功能，除了強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)之外，可以滿足各種企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的需求；在控制通道中可以選擇每一個(gè)指令是位移控制還是力值控制，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)采用的目標(biāo)控制通道都是位移控制；在目標(biāo)通道中可選擇是目標(biāo)位移還是目標(biāo)載荷，對(duì)于不同的標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)通道往往不同，如果是127 mm全行程試驗(yàn)，目標(biāo)通道即為位移，如果是對(duì)施加載荷有要求，目標(biāo)通道則要選擇載荷；每一步驟都要進(jìn)行限制值的設(shè)定，限制值是根據(jù)目標(biāo)通道來選定的，可以有效防止意外事件的發(fā)生。

試驗(yàn)后點(diǎn)擊生成報(bào)告可以自動(dòng)生成Word版報(bào)告，具體數(shù)據(jù)會(huì)以Excel的形式自動(dòng)存儲(chǔ)在上位機(jī)中。

3 系統(tǒng)運(yùn)行

圖7為某白車身車頂強(qiáng)度試驗(yàn)，在整個(gè)過程中系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，無任何異常。

圖7 某白車身車頂強(qiáng)度試驗(yàn)

4 結(jié)束語

本文首先對(duì)國內(nèi)外強(qiáng)制性以及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究，總結(jié)了不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)乘用車車頂壓機(jī)的所有技術(shù)要求，研制出一種可實(shí)現(xiàn)壓頭角度可調(diào)的乘用車頂壓設(shè)備，配以乘用車通用安裝夾具，能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)燃油汽車以及新能源汽車的乘用車的裝夾，能連續(xù)完成乘用車主副駕兩側(cè)的車頂強(qiáng)度試驗(yàn)。該設(shè)備控制系統(tǒng)支持位移和力兩種控制模式，且可自由編輯試驗(yàn)程序，滿足了強(qiáng)制性法規(guī)以及客戶研發(fā)試驗(yàn)特別需求；機(jī)械結(jié)構(gòu)方面采用壓頭與底座分體式設(shè)計(jì)，經(jīng)過CAE分析表面該結(jié)構(gòu)擁有可承載能力大、機(jī)械穩(wěn)定性高等特點(diǎn)；上位機(jī)人機(jī)界面可實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)數(shù)值以及曲線，并擁有數(shù)據(jù)庫保存功能。目前，該設(shè)備已完成多個(gè)樣車的頂部抗壓研發(fā)試驗(yàn)，得到了整車廠商的一致認(rèn)可。