頭部模塊碰撞試驗(yàn)發(fā)射裝置蓄能機(jī)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)

白建坤，林小鳳，徐成亮，臧孟炎

（1.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510470；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641）

頭部模塊碰撞試驗(yàn)發(fā)射裝置蓄能機(jī)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)

白建坤1，林小鳳1，徐成亮2，臧孟炎2

（1.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510470；2.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510641）

本文基于J-NCAP和Euro-NCAP規(guī)定的頭部模塊碰撞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)研發(fā)一套頭部模塊碰撞試驗(yàn)發(fā)射裝置的蓄能機(jī)構(gòu)，用以開展行人頭部模塊與汽車風(fēng)擋玻璃及發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋的碰撞沖擊試驗(yàn)，為行人保護(hù)頭部模塊碰撞試驗(yàn)發(fā)射裝置的研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

頭部模塊；碰撞；發(fā)射裝置；蓄能機(jī)構(gòu)

據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，2015年我國道路交通死亡人數(shù)約為4.2萬人，其中大約有60%為行人等弱勢(shì)道路使用者，行人等弱勢(shì)群體的高傷亡比例促使各國都加強(qiáng)了汽車行人保護(hù)的研究和立法工作。研究表明，頭部是行人最容易受到致命傷害的部位，是造成交通事故人員傷亡的重大誘因。目前，用于開展行人保護(hù)研究的試驗(yàn)裝置基本由國外制造商壟斷，且產(chǎn)品價(jià)格昂貴，對(duì)于研究行人頭部保護(hù)碰撞成本較高。本課題設(shè)計(jì)的頭部模塊碰撞試驗(yàn)發(fā)射裝置的蓄能機(jī)構(gòu)，完全符合歐洲和日本的碰撞試驗(yàn)發(fā)射裝置的基本要求，而且還具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、制造維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 蓄能機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)

蓄能機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、滑動(dòng)平臺(tái)、拉伸彈簧三部分組成，蓄能機(jī)構(gòu)所儲(chǔ)備的能量，必須要滿足發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)。考慮到國內(nèi)外行人保護(hù)法規(guī)的日趨完善，發(fā)射裝置參照J(rèn)-NCAP和Euro-NCAP規(guī)定的頭部模塊碰撞標(biāo)準(zhǔn)，確定裝置的基本設(shè)計(jì)參數(shù)，具體見表1。

表1 發(fā)射裝置設(shè)計(jì)的參數(shù)目標(biāo)

2 蓄能機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)

2.1 步進(jìn)電機(jī)的選用

步進(jìn)電機(jī)作為蓄能機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。步進(jìn)電機(jī)通過輸入相應(yīng)的程序，可以控制其轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。根據(jù)發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本機(jī)構(gòu)選用57減速步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)具有1.5/N·m的轉(zhuǎn)矩，行星減速器的減速比為1：10，最大輸出轉(zhuǎn)矩為12/N·m，完全符合發(fā)射裝置蓄能機(jī)構(gòu)的要求。

2.2 滑動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

蓄能機(jī)構(gòu)的滑動(dòng)平臺(tái)主要有滑塊、夾緊臂、楔形塊、滾子螺栓、壓片彈簧、驅(qū)動(dòng)氣缸等組成，夾緊臂前端力臂小于末端力臂起到增力作用；楔形塊與夾緊臂之間由滾子配合，減小氣缸動(dòng)作時(shí)的摩擦阻力；同時(shí)，楔形塊可使氣缸以較小的驅(qū)動(dòng)力獲得較大的楔形面輸出壓力。拉伸行程中兩夾緊臂前端嵌入滑塊伸出槽內(nèi)，通過止動(dòng)螺栓固定在滑動(dòng)平臺(tái)上。滑塊下加工出牽引機(jī)構(gòu)的絲杠螺母，與螺桿配合組成螺旋副。夾緊臂在兩側(cè)壓片彈簧作用下自動(dòng)加緊，其末端安裝滾子螺栓，滾子與安裝在驅(qū)動(dòng)氣缸活塞頭上的楔形塊相切。氣缸形式為單作用彈簧回位伸出型，當(dāng)蓄能機(jī)構(gòu)需要釋放能量時(shí)，觸發(fā)氣缸，活塞頭伸出驅(qū)動(dòng)夾緊臂張開，從而將滑塊釋放，彈簧恢復(fù)原長使頭部模塊加速運(yùn)動(dòng)。

2.3 拉伸彈簧的設(shè)計(jì)

拉伸彈簧是蓄能機(jī)構(gòu)的重要組成部分，通過拉伸彈簧將步進(jìn)電機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能。蓄能機(jī)構(gòu)的彈簧輸出力和位移之間必須具有良好的線性關(guān)系，故采用圓柱螺旋彈簧。考慮到發(fā)射能量大，彈簧最大形變時(shí)作用力較大，若采用壓縮彈簧容易出現(xiàn)受壓失穩(wěn)現(xiàn)象需另外設(shè)計(jì)穩(wěn)定性裝置，且壓縮彈簧的受力形式要求其安裝在滑動(dòng)平臺(tái)同側(cè)，容易使裝置零部件布置困難，所以設(shè)計(jì)采用圓柱螺旋拉伸彈簧。彈簧一端與發(fā)射裝置外殼固定，另一端固定在滑塊上，彈簧需要對(duì)稱布置。

根據(jù)表1中發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)目標(biāo)，取最大發(fā)射速度12m/s；表中頭部模塊質(zhì)量為4.5kg，考慮到發(fā)射伸縮桿、連接釋放機(jī)構(gòu)等其他隨動(dòng)部件的質(zhì)量，試取彈簧總共要推進(jìn)的質(zhì)量為6kg；由于各零部件之間的摩擦、碰撞等能量損失，將這些因素以機(jī)械效率η計(jì)入，取η=0.85。由能量守恒定律得出，以最大發(fā)射速度發(fā)射成人頭部模塊所需彈簧提供的能量為

式（1）中，Ek為推進(jìn)質(zhì)量獲得的動(dòng)能（J）。

彈簧材料選取冷拉碳素彈簧鋼絲（GB/ T4357-2009）DH型；設(shè)計(jì)彈簧最大拉伸距離ΔLmax=200mm，彈簧數(shù)量Z=2，則由彈簧勢(shì)能公式：

得單個(gè)彈簧試算剛度kt=12.71N/mm。

初選彈簧有效圈數(shù)35圈，由

計(jì)算得：0.045mm。

式（3）中，k為拉伸彈簧剛度（N/mm），此處以kt代入；G為材料切變模量（MPa），根據(jù)材料取78500MPa；D為彈簧中徑（mm）；d為彈簧材料直徑（mm）；Fmax為彈簧最大載荷（N）；ΔLmax為彈簧最大拉伸距離（mm）；nz為彈簧有效圈數(shù)。

根據(jù)普通圓柱螺旋彈簧尺寸系列（GB/T1358-2009）試算，選取8mm，D=45mm，代入（3）得修正后的彈簧剛度12.60181N/mm=12601.81N/m，代入式（2）得修正彈簧拉伸距離200.82mm。拉伸彈簧的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 拉伸彈簧的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 蓄能機(jī)構(gòu)的主要零部件的校核

3.1 夾緊臂的強(qiáng)度校核

將夾緊臂的幾何模型保存成IGS文件格式，導(dǎo)入Hypermesh前處理軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義材料和屬性，運(yùn)用LS-DYNA對(duì)夾緊臂進(jìn)行加載受力分析，如圖1所示，夾緊臂滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1 夾緊臂應(yīng)力分布

3.2 拉伸彈簧靜強(qiáng)度校核

拉伸彈簧的設(shè)計(jì)模型如圖2所示，按式（4）對(duì)拉伸彈簧進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。

式（4）中，τmax為彈簧最大切應(yīng)力（MPa）；[τ]為彈簧許用應(yīng)力（MPa）；K為曲度系數(shù)，靜載荷時(shí)可取值1；D為彈簧中徑（mm）；d為彈簧材料直徑（mm）；Fmax為彈簧最大載荷（N）。根據(jù)表1中拉伸彈簧的設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算得出τmax=566.41MPa≤[τ]，故彈簧設(shè)計(jì)滿足要求。

圖2 拉伸彈簧

4 結(jié)論

蓄能機(jī)構(gòu)首先采用步進(jìn)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，電機(jī)通過滑動(dòng)平臺(tái)牽引拉伸彈簧儲(chǔ)備能量，儲(chǔ)備的能量作為頭部模塊發(fā)射裝置的動(dòng)力源。由于彈簧拉伸量和對(duì)外作用力具有良好的線性關(guān)系，根據(jù)彈簧勢(shì)能定理和能量守恒定律建立彈簧拉伸量和行人頭部模塊發(fā)射速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)不同的發(fā)射速度，達(dá)到蓄能機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

[1]劉博涵.汽車風(fēng)擋玻璃夾層材料的力學(xué)特性與吸能機(jī)理研究[D].北京：清華大學(xué)，2014.

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