乘用车前后端保护装置测试设备的开发

赵学美 姜祖啸 朱春嵩 褚万刚

（1.上海机动车检测中心；2.上海大众汽车有限公司；3.中国重汽集团进出口有限公司）

乘用车前后端保护装置是汽车被动安全的关键部分，在低速碰撞方面起着决定性的作用，为此世界各国均制定了相关的低速碰撞标准及其试验方法，我国参照欧洲ECE-R42 法规颁布了GB 17354—1998《汽车前后端保护装置》。由于碰撞摆锤驱动（活动屏障或摆锤）形式不同，汽车研发机构和检测中心的前后端保护装置测试设备成多样化，导致碰撞结果存在一定的差异性，本研究以国标要求为基准，采用平行四边形刚性悬吊摆锤驱动，开发了一款既符合标准要求，又安全可靠且性价比高的前后端保护装置测试设备。

1 低速碰撞试验规范

美国的强制性标准CFR Part 581 和非强制性标准Consunertest，IIHS-Test，加拿大的CFVSS215，德国的AZT Crash Reparatur Test，欧洲的ECE-R42 等法规都详尽描述了低速时汽车前后端保护装置的试验文本和试验规范[1]。

GB 17354—1998 要求汽车生产厂家和相关的机动车检测机构，使用乘用车前后端保护装置测试设备模拟汽车低速碰撞，通过与实车碰撞来评价乘用车前后端保护装置在低速碰撞时的缓冲性能和安全保护性能。同时要求试验车纵向对称面分别与碰撞摆锤的中垂面成0，±60°角，依次进行纵向碰撞试验和对“车角”的碰撞试验，共碰撞8 次[2]。碰撞摆锤机构的有效加载质量与试验车的“整车整备质量”相等，安装时要求碰撞摆锤与地面垂直，撞击面至基准高度（地面）距离为445 mm，如图1所示，以确保撞击高度的一致性。

纵向碰撞试验包括汽车正前方的2 次碰撞和正后方的2 次碰撞试验。在每一方向的2 次碰撞中，一次是汽车质量为“整车整备质量”时进行的，另一次是汽车质量为“加载试验车质量”时进行的。在每一方向的2 次碰撞中，第1 次碰撞对碰撞摆锤的位置没有严格的限制，只需要保证碰撞摆锤的外廓不超越“车角”所限定的区域即可。而第2 次碰撞要求碰撞摆锤的中垂面与乘用车外轮廓线的交点应与第1 次碰撞时的交点相距≥300 mm，同样保证碰撞摆锤的外廓不超越“车角”所限定的2 个平面区域，汽车碰撞速度控制在

“车角”碰撞试验包括汽车质量为“整车整备质量”时对一个前“车角”和一个后“车角”的各一次碰撞，以及在汽车质量为“加载试验车质量”时对另一前“车角”和另一后“车角”的各一次碰撞。调整汽车位置，使碰撞摆锤A 平面与汽车中垂面成60°，保证与汽车最先接触的碰撞点在碰撞摆锤的中垂面上，且机构在碰撞时不发生晃动，碰撞接触点的速度控制在

碰撞试验开始前，需配重测试设备，标定碰撞摆锤的碰撞速度，以确保碰撞试验的有效性，准确评价试验车是否达标。

2 前后端保护装置测试设备开发

欧美和日本对前后端保护装置的试验已经比较成熟，仪器设备试验精确度高[3]，而国内试验标准制定得相对较晚，相应的试验设备开发经验不足。根据国标对碰撞仪器结构的要求，并结合多年实车碰撞的试验经验，设备最终采用摆锤作为驱动核心，设计前后端保护装置测试设备，如图2 所示，测速设备在图2 中未显示。

2.1 桁架机构

桁架机构作为测试设备的支撑机构，主要由矩形钢管、方管、螺栓及连接紧固等部件组成。高强度的桁架加斜撑结构设计可满足撞击时整体碰撞动能稳定的要求，而螺栓连接便于安装移动。调研和走访中发现，一些汽车厂商和检测机构为了忽略摆臂质量而采用柔性摆臂结构，在实际碰撞中柔性摆臂易产生晃动，影响碰撞速度的精确度。本设计选用刚性摆臂，以提供稳定的碰撞动能和足够的受力强度，同时考虑增加刚性摆臂的有效质量。

2.2 碰撞摆锤机构

碰撞摆锤机构的有效质量由摆锤、箱体、刚性摆臂、配重块和锁止机构等组成，根据试验车的整车整备质量选取相应的配重块来匹配。

碰撞摆锤机构与试验车直接碰撞接触，其结构示意图，如图3 所示，图3 中未示出压紧锁止机构。碰撞摆锤与配重箱刚性连接，撞击头部表面进行淬火处理；刚性摆臂则采用平行四边形悬吊配置箱体，摆锤转动轴至基准线的距离（3.5 m）大于要求的3.3 m，确保摆锤与试验车在撞击时发生水平碰撞。

测试设备采用刚性摆臂，需考虑其有效质量对碰撞摆锤机构的影响。任意时刻，任一摆臂（摆臂i，i=1，2，3，…）的动能与角动能相等，即:

式中:mi有效——摆臂i 的有效质量，kg；

vi——摆臂i 末端的速度，m/s；

Ji——摆臂i 的转动惯量，kg·m2；

ωi——摆臂i 末端的角速度，rad/s；

li——摆臂i 的有效长度，m；

mi——摆臂i 的质量，kg。

迭代，得到摆臂的有效质量（m有效/kg）:

最终碰撞摆锤机构的有效质量（m/kg）:

式中:m1——箱体和与其刚性连接的周边机构质量，kg；

m2——前后刚性摆臂总质量，kg；

m3——配重块质量，kg。

测试设备加载质量区间为1 030～3 100 kg。配重块采用压紧锁止装置紧固在箱体上，防止碰撞时各部分发生相对移动而造成动能损失。

2.3 执行机构

执行机构通过控制机构输出指令提升碰撞摆锤高度，可实现变速提升和任意位置锁止，根据气动插拔[4]原理释放摆锤。该机构主要包括伺服电机、固定锁止器及释放装置等。伺服电机驱动采用涡轮丝杆传递牵引力，通过三点位置传感器保证提升摆锤的精度。采用气动插拔工作原理设计出的锁止器和释放机构，能确保锁止和释放碰撞摆锤的可靠性。

执行机构同时具备多种安全控制，如气动插销位置报警、拉索起始/极限位置报警及气压过载/过低报警等，在保证试验检测设备满足标准要求的同时具有良好的试验安全性。

2.4 测速机构

测速机构包括:激光发射器和支架等机构。在桁架机构底部撞击点附近安装2 组激光发射器与2 组接收信号单元，通过碰撞小车切割激光时间脉冲计算速度，获取摆锤的碰撞初速度。碰撞摆锤与汽车碰撞时的速度（v（/m/s））为:

式中:S——2 组光栅间距，m；

t——碰撞摆锤切割2 组光栅的时间差，s。

采用激光信号通断方式，可以满足碰撞摆锤碰撞速度的测量精度要求。

2.5 控制机构

采用PLC 控制器和便携式计算机作为外接数据处理分析终端的控制模式，包括位置控制传感器、电子计时器及计时信号逻辑电路等电器元件。

控制机构利用PLC 实现设备的数据信号采集，监控报警信号实现安全控制，同时向执行机构输出提升和释放碰撞摆锤信息。碰撞摆锤配重后进入速度调试阶段，通过PLC 与外接计算机通过硬件在环的方式一起完成碰撞初速度的调试，修正摆锤提升高度值，使碰撞速度达到试验要求的精度控制在0.1 km/h 内。

3 碰撞试验分析

文章所用试验车型为某A 级轿车，整车整备质量1 519 kg。利用自主开发的乘用车前后端保护装置设备进行前后端保护装置碰撞试验。

试验条件:试验场地具有足够的面积，地面水平、硬实且平整；碰撞时试验车前轮处于直线位置，制动器松开，变速器挂空挡。试验流程，如图4 所示。

纵向碰撞试验碰撞速度为4 km/h，“对角”碰撞试验碰撞速度为2.5 km/h。试验车分别处于整车整备质量和加载试验质量，乘用车碰撞试验示意图，如图5 所示。

试验车每次碰撞后需对车身、发动机供油系统、排气系统、冷却系统以及灯具等进行检查。同时要求试验车碰撞后的照明和信号装置能正常工作并清晰可见；发动机罩、行李箱盖及车门能正常开启，侧门在碰撞时没有自行开启；汽车燃料系统和冷却系统无泄漏，密封装置和油/水箱盖能正常工作；排气系统无妨碍正常工作的错位和损坏；传动系和悬架系统，转向和制动系统能够保持良好的调整状态并能正常工作。如果试验车满足上述要求，则该车符合GB 17354—1998 的要求。

4 结论

文章开发的乘用车前后端保护装置测试设备采用高强度桁架加斜撑结构设计，满足碰撞动能的稳定；采用气动插拔工作原理释放摆锤，满足提升和释放动作的可靠性；采用硬件在环和激光信号控制撞击点的速度，满足碰撞速度的测试精度；采用多种安全控制，满足试验检测设备具有良好的试验安全性。设备试验重复性好，可确保试验数据的准确、有效及客观公正。

研发中与主机厂开展技术交流，对试验方法和计算方式达成统一认识。试验证明:该设备具备评估乘用车前后端在发生轻度碰撞时汽车损伤程度的能力，能够判断是否满足国家法规的要求。试验结果可用来指导检测汽车的结构设计、空间布置及材料选取。

测试设备虽然目前只能进行乘用车前后端保护装置的碰撞试验，但具备验证待检车是否满足3C 实施规则的扩展内容及ECE29 法规的相关要求的能力，今后可结合客户委托需求，完成检测任务，为乘用车前后端保护装置的检测研究积累经验。