汽車安全測試用小型電液伺服彈射系統的設計與研究

(中國汽車工程研究院股份有限公司， 重慶　401122)

引言

小型彈射系統在汽車安全測試評價中應用非常廣泛，它主要用于人體模型，如頭型、腿型、胸模塊等的加速，使這些模型以設定速度撞擊汽車不同部位，測量撞擊過程中的加速度或力，以此考核當汽車發生碰撞時汽車對人體的傷害。

彈射系統按實現手段分，一般可分為機械方式、氣動方式、液壓方式三種[1]。機械彈射方式結構簡單，但存在體積大、調節靈活性差等缺點，一般只適合于水平沖擊，很難滿足前面所述試驗需求；氣動彈射方式成本較低，但溫度敏感性強，彈射器對環境溫度要求較高，必須要有完善的溫度補償功能；液壓彈射方式成本相對較高，但其速度控制穩定性好，沖擊能量大，國外小型彈射系統多采用液壓方式，本研究以電液伺服彈射系統作為研究對象。液壓伺服彈射對整個系統總體設計、高速伺服缸設計制造、伺服閥選型及系統控制要求較高，國內很少有汽車測試用電液伺服彈射系統方面的技術研究，而國外試驗裝置價格非常昂貴，因此，本研究具有十分重要的意義。

1　系統試驗能力設計

1.1　試驗標準研究

小型彈射系統在汽車安全測試評價中的應用主要包括以下幾大類：

(1) 行人保護類測試標準包括GTR No.9、EuroNCAP等，主要用于行人保護評價試驗時行人頭模型、上下腿型等的彈射。

(2) 座椅類測試標準包括ECE R17、GB15083等，主要用于座椅頭枕吸能特性評價時人體頭模型的彈射。

(3) 內飾類測試標準包括FMVSS201U、ECE R21、GB 11552等，主要用于車內上部凸出物、儀表盤等車內內飾件吸能特性評價時人體頭模型或擺錘的彈射。

(4) 轉向機構類測試標準包括ECE R12、GB_11557等，主要用于轉向管柱吸能特性評價時人體胸模塊或頭型的彈射。

各試驗項目被彈射物的形狀、質量、角度及導向情況都可能不同，相關參考圖如圖1所示。

圖1　小型彈射器的應用

1.2　系統參數設計

上述汽車安全測試評價被彈射物可能為成人頭型、兒童頭型、上腿型、下腿型、人體胸模塊等，質量最小2.5 kg，最大36 kg，彈射角度相對于水平面可正可負，最小速度6.7 m/s，最大速度11.1 m/s。為了覆蓋上述試驗項目，并保證各參數具有一定余量，設計出本系統試驗能力如下：

最大彈射速度：15 m/s

最大彈射質量：40 kg

最大彈射能量：1500 J(完全覆蓋1.1所述所有標準規定的能量要求。)

速度控制精度：±1%(即±0.12 m/s，高于試驗標準要求的±0.2 m/s)

俯仰角度方便調整。

2　系統原理及關鍵技術研究

2.1　系統原理

彈射系統模型如圖2所示。沖擊頭(被彈射物)懸掛于油缸桿端，設其質量為m。當對伺服閥施加0信號時，油缸A、B腔關閉，油缸無動作；當對伺服閥施加正信號，油缸B腔進油、A腔回油，油缸往前伸出；當對伺服閥施加負信號，油缸A腔進油、B腔回油，油缸向后縮回。

圖2　系統模型

在進行彈射試驗時，先對伺服閥施加一定大小的正信號，使油缸迅速伸出，然后對伺服閥施加一定大小的負信號，使油缸迅速縮回，沖擊頭由于慣性向前飛出實現彈射。油缸伸出或縮回速度決定于伺服閥開度，而伺服閥的特性是其開度與對其施加信號的幅值成正比，本系統正是利用伺服閥這一優良特性進行準確的速度控制。

根據上述原理，設計出系統機械結構如圖3所示，它包括高速伺服油缸、高速伺服閥、油缸支座、加速度傳感器、磁鐵等。

1.沖擊頭　2.角度調節支架　3.高速伺服油缸 4.油缸支座　5.高速伺服閥

高速伺服油缸為特制油缸，用于產生試驗所需沖擊速度，為了減小系統流量，系統壓力盡量高，在此選取系統壓力為31.5 MPa。

高速伺服閥選用D92系列三級電反饋伺服閥，響應時間4 ms，額定流量600 L/min，保證系統響應及流量需求。

加速度傳感器安裝于油缸活塞桿桿端(沖擊頭后方)，通過對加速度信號積分實現沖擊速度測量。

油缸支座用于支撐高速伺服油缸，二者之間通過油缸兩側圓柱面配合，可實現油缸角度調節及供油。

磁鐵用于吸住沖擊頭，防止其在彈射前滑落。

2.2　高速伺服缸設計

作用在油缸活塞上的總負載力FL主要有慣性力、黏性力和摩擦力[2]，即：

FL=Fm+FB+f

(1)

式中，Fm—— 慣性力，N

FB—— 黏性阻尼力，N

f—— 外部導向裝置摩擦力，N

(1) 慣性力Fm

Fm=ma

(2)

式中，m—— 負載的總質量，kg

a—— 負載的加速度，m/s2

系統設計彈射能量1500 J，相當于將13 kg的物體加速到15 m/s，為了得到合適的油缸行程，沖擊最大加速度可取50 g，由此得到慣性力為6500 N。

(2) 黏性阻尼力FB

FB=Bv

(3)

式中，B—— 活塞黏性阻尼系數，N/(m/s)

v—— 活塞速度，m/s

由公式(3)可以看出，油缸阻尼力與速度成正比，本系統為高速系統，油缸速度比普通伺服缸速度高出上10倍。如果采用普通伺服液壓缸結構形式，油缸阻尼力將很大，嚴重影響系統速度的提高及速度一致性。本系統油缸活塞桿采用靜壓軸承支撐，活塞桿與油缸端蓋之間通過高壓液壓油支撐，避免了金屬直接接觸，二者之間幾乎沒有摩擦[2]。靜壓軸承結構見圖4所示。

圖4　靜壓軸承

(3) 外部導向裝置摩擦力f

外部導向裝置一般采用滾動摩擦，其摩擦力f可以忽略。

由上述分析，油缸受力僅考慮慣性力即可。根據系統壓力ps與負載壓力pL的選取原則pL=2/3ps[3,4]，可以確定負載壓力為21 MPa。由油缸受力及負載壓力可計算出油缸活塞面積A=309 mm2。

為了方便角度調節，伺服缸采用兩端耳軸的安裝形式。

2.3　系統液壓原理

系統液壓原理如圖5所示。液壓系統包括油箱、油泵、比例溢流閥、濾油器、泄壓閥、蓄能器等。泵站設計流量14 L/min，彈射瞬間供油主要由蓄能器提供，蓄能器與伺服閥之間應保證足夠通徑以減小油液阻力。

1.高速伺服油缸　2.伺服閥　3.進油蓄能器　4.回油蓄能器 5.泄壓閥　6.濾油器　7.比例溢流閥　8.油泵電機　9.油箱

2.4　速度影響因素分析

本系統速度采用開環控制，具有系統簡潔、穩定的特點。系統伺服閥控制信號如圖6所示，該信號由三部分組成，第一個半正弦波的前半部分伺服閥開度逐漸增加并達到最大值，該過程伺服缸活塞桿帶動沖擊頭一起加速并達到最大速度，第一個半正弦波的后半部分伺服閥由最大開度逐漸減小并最終關閉，該過程伺服缸活塞桿由最大速度開始減速并停止，沖擊頭由于慣性與活塞桿分離并飛出；第二個半正弦波為活塞桿由最前端位置退回到初始位置。

圖6　伺服閥控制信號

本系統速度控制方法是：找出彈射速度v與所有速度影響因素之間的對應關系，并進行相應標定工作，確定各影響因素的影響系數；然后根據彈射速度要求，計算出以上影響因素的參數值進行控制，由此得到目標速度。

根據理論分析及大量基礎試驗，沖擊頭飛出的速度v與以下因素相關：

沖擊頭質量m；液壓系統壓力p;液壓油溫度T;伺服閥控制信號幅值Sv;伺服閥控制信號時間t;沖擊方向與水平面夾角α。

(1) 沖擊頭質量m彈射試驗對于沖擊頭質量都有明確規定，因此可以針對每一種沖擊頭質量，標定出對應的一組試驗系數并保存在計算機中，需要時調用該系數進行試驗。

(2) 液壓系統壓力p試驗證明，其他條件不變的情況下，如果液壓系統壓力保持恒定，彈射速度具有極高的重復性，本系統通過比例溢流閥對系統壓力進行閉環控制，使系統壓力保持恒定，從而保證彈射速度一致性。

(3) 液壓油溫度T液壓油溫度改變將引起液壓油黏度改變，由此對伺服閥流量將會有少許影響。在此可通過控制泵站溫度使其穩定在一定溫度區間予以解決。這也是液壓系統相對氣動系統的優勢之一。

(4) 伺服閥控制信號幅值Sv大量驗證試驗表明，在沖擊頭質量、伺服閥控制信號時間、系統油溫及系統壓力一定的情況下，彈射速度與伺服閥控制信號幅值在一定范圍內成正比。即沖擊頭速度增量Δv與伺服閥控制信號幅值增量ΔSv成正比，通過試驗可得到其比例系數：

式中，Csv—— 伺服閥控制信號幅值比例系數，m/(s·v)

Δv—— 沖擊頭速度增量，m/s

ΔSv—— 伺服閥控制信號幅值增量，v

對不同的沖擊頭質量可以標定出一個對應的系數Csv，在彈射時再根據沖擊頭質量選擇相應的系數。

(5) 伺服閥控制信號時間t大量試驗證明，在沖擊頭質量、系統油溫、系統壓力及伺服閥控制信號幅值Sv一定的情況下，沖擊頭速度增量Δv與伺服閥控制信號時間增量Δt在一定范圍內成正比，通過試驗可得到時間比例系數：

式中，Ct—— 伺服閥控制信號時間比例系數，m/(s·ms)

Δv—— 沖擊頭速度增量，m/s

Δt—— 伺服閥控制信號時間增量，ms

對不同的沖擊頭質量可以標定出一個對應的系數Ct，在彈射時再根據沖擊頭質量選擇相應系數。

(6) 沖擊方向與水平面夾角α試驗表明，在沖擊頭脫離油缸活塞桿前，沖擊方向與水平面的夾角α對沖擊速度的影響很小，可以忽略。

2.5　速度控制過程分析

根據2.4分析，在沖擊頭質量m、系統壓力p、系統油溫T不變的情況下，沖擊頭彈射速度決定于伺服閥控制信號幅值Sv及伺服閥控制信號時間t。速度控制過程如下：

(1) 根據沖擊頭質量m選擇對應比例系數Csv及Ct；

(2) 對系統油溫T進行閉環控制使其保持恒定，系統油溫調節過程中伺服缸來回伸縮，使整個系統液壓油處于流動狀態；

(3) 彈射前對系統壓力p進行閉環控制使其保持恒定；

(4) 根據設定速度v計算出合適的伺服閥控制信號幅值Sv及伺服閥控制信號時間t；

(5) 開始彈射Sv及t確定方法及原則：根據沖擊頭質量選擇相應的系數Csv及Ct，再根據不同目標速度v計算出合理的伺服閥控制信號幅值Sv及伺服閥控制信號時間t。為了充分利用油缸行程，應盡量增加伺服閥控制信號時間t，減小彈射加速度，即減小伺服閥控制信號幅值Sv。同時，t值選擇不能過大，如果過大則油缸行程將不足。試驗表明，t取值在35～60 ms內是比較合適的。

3　試驗驗證及結果分析

根據上述原理，研發生產出了該系統，并以該系統進行了相關驗證試驗。

3.1　彈射曲線分析

彈射曲線如圖7所示。三條曲線分別為伺服閥給定信號曲線、加速度曲線、速度曲線。沖擊頭彈射速度即為速度曲線最大值，該點橫坐標對應于加速度信號反向過零點時的時間點,設該點為t1，則：

式中，vmax—— 沖擊頭彈射速度，m/s

a—— 沖擊加速度，m/s2

圖7　彈射曲線

3.2　速度測量精度驗證試驗

由圖7可以看出，每次試驗完畢系統可以直接給出彈射速度值。為驗證該速度的準確性，以進口“高精度速度測試儀”對6～11 m/s的速度值進行了標定，試驗結果如表1所示。可以看出，本系統速度測量誤差可控制在±0.3%以內(以12 m/s作為滿度值，以下同)，可以準確地反映實際彈射速度。現有彈射系統一般采用外部速度測量，本系統可非常方便地直接得到彈射速度值，利用該值可隨時進行速度精度監測及系統系數修正。

圖8　速度測量精度驗證

表1　速度標定試驗數據

3.3　彈射穩定性驗證試驗

為了驗證不同環境溫度、不同沖擊角度下速度變化情況，設計了表2所示對比驗證試驗。試驗條件為：沖擊頭質量6.8 kg，設定沖擊速度8 m/s，系統壓力p、Sv及t保持不變，每種條件進行3次彈射。可以看出，環境溫度、沖擊角度對沖擊速度沒有明顯影響，系統具有較高穩定性。

表2　速度穩定性驗證試驗

3.4　6.8 kg沖擊頭彈射試驗

6.8 kg為常用沖擊頭質量，利用本系統對6.8 kg沖擊頭進行了不同速度下的彈射試驗，每種速度進行3次彈射，試驗結果如表3。可以看出，彈射速度與目標速度最大差值0.11 m/s，換算成誤差為0.92%，滿足±1%的設計精度要求。

表3　6.8 kg沖擊頭彈射試驗

4　結論

小型彈射系統在汽車安全測試評價中應用廣泛，液壓彈射是其中一種重要形式。本研究以電液伺服彈射系統作為研究對象，對該系統的適用標準、設計能力及相關關鍵技術進行了詳細研究。高速伺服油缸采用了靜壓支撐技術，保證了油缸高速性能及速度一致性；提出了彈射速度開環控制方法，系統控制穩定可靠；對加速度信號進行積分直接得到準確的彈射速度，可實現速度控制精度監測及系統參數修正。對系統進行了相關驗證，試驗表明，環境溫度、彈射角度對彈射速度幾乎沒有影響，系統速度具有較高穩定性；同一沖擊頭在不同速度下速度控制精度優于1%，完全滿足國內外試驗標準要求。

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