汽车安全测试用小型电液伺服弹射系统的设计与研究

(中国汽车工程研究院股份有限公司， 重庆　401122)

引言

小型弹射系统在汽车安全测试评价中应用非常广泛，它主要用于人体模型，如头型、腿型、胸模块等的加速，使这些模型以设定速度撞击汽车不同部位，测量撞击过程中的加速度或力，以此考核当汽车发生碰撞时汽车对人体的伤害。

弹射系统按实现手段分，一般可分为机械方式、气动方式、液压方式三种[1]。机械弹射方式结构简单，但存在体积大、调节灵活性差等缺点，一般只适合于水平冲击，很难满足前面所述试验需求；气动弹射方式成本较低，但温度敏感性强，弹射器对环境温度要求较高，必须要有完善的温度补偿功能；液压弹射方式成本相对较高，但其速度控制稳定性好，冲击能量大，国外小型弹射系统多采用液压方式，本研究以电液伺服弹射系统作为研究对象。液压伺服弹射对整个系统总体设计、高速伺服缸设计制造、伺服阀选型及系统控制要求较高，国内很少有汽车测试用电液伺服弹射系统方面的技术研究，而国外试验装置价格非常昂贵，因此，本研究具有十分重要的意义。

1　系统试验能力设计

1.1　试验标准研究

小型弹射系统在汽车安全测试评价中的应用主要包括以下几大类：

(1) 行人保护类测试标准包括GTR No.9、EuroNCAP等，主要用于行人保护评价试验时行人头模型、上下腿型等的弹射。

(2) 座椅类测试标准包括ECE R17、GB15083等，主要用于座椅头枕吸能特性评价时人体头模型的弹射。

(3) 内饰类测试标准包括FMVSS201U、ECE R21、GB 11552等，主要用于车内上部凸出物、仪表盘等车内内饰件吸能特性评价时人体头模型或摆锤的弹射。

(4) 转向机构类测试标准包括ECE R12、GB_11557等，主要用于转向管柱吸能特性评价时人体胸模块或头型的弹射。

各试验项目被弹射物的形状、质量、角度及导向情况都可能不同，相关参考图如图1所示。

图1　小型弹射器的应用

1.2　系统参数设计

上述汽车安全测试评价被弹射物可能为成人头型、儿童头型、上腿型、下腿型、人体胸模块等，质量最小2.5 kg，最大36 kg，弹射角度相对于水平面可正可负，最小速度6.7 m/s，最大速度11.1 m/s。为了覆盖上述试验项目，并保证各参数具有一定余量，设计出本系统试验能力如下：

最大弹射速度：15 m/s

最大弹射质量：40 kg

最大弹射能量：1500 J(完全覆盖1.1所述所有标准规定的能量要求。)

速度控制精度：±1%(即±0.12 m/s，高于试验标准要求的±0.2 m/s)

俯仰角度方便调整。

2　系统原理及关键技术研究

2.1　系统原理

弹射系统模型如图2所示。冲击头(被弹射物)悬挂于油缸杆端，设其质量为m。当对伺服阀施加0信号时，油缸A、B腔关闭，油缸无动作；当对伺服阀施加正信号，油缸B腔进油、A腔回油，油缸往前伸出；当对伺服阀施加负信号，油缸A腔进油、B腔回油，油缸向后缩回。

图2　系统模型

在进行弹射试验时，先对伺服阀施加一定大小的正信号，使油缸迅速伸出，然后对伺服阀施加一定大小的负信号，使油缸迅速缩回，冲击头由于惯性向前飞出实现弹射。油缸伸出或缩回速度决定于伺服阀开度，而伺服阀的特性是其开度与对其施加信号的幅值成正比，本系统正是利用伺服阀这一优良特性进行准确的速度控制。

根据上述原理，设计出系统机械结构如图3所示，它包括高速伺服油缸、高速伺服阀、油缸支座、加速度传感器、磁铁等。

1.冲击头　2.角度调节支架　3.高速伺服油缸 4.油缸支座　5.高速伺服阀

高速伺服油缸为特制油缸，用于产生试验所需冲击速度，为了减小系统流量，系统压力尽量高，在此选取系统压力为31.5 MPa。

高速伺服阀选用D92系列三级电反馈伺服阀，响应时间4 ms，额定流量600 L/min，保证系统响应及流量需求。

加速度传感器安装于油缸活塞杆杆端(冲击头后方)，通过对加速度信号积分实现冲击速度测量。

油缸支座用于支撑高速伺服油缸，二者之间通过油缸两侧圆柱面配合，可实现油缸角度调节及供油。

磁铁用于吸住冲击头，防止其在弹射前滑落。

2.2　高速伺服缸设计

作用在油缸活塞上的总负载力FL主要有惯性力、黏性力和摩擦力[2]，即：

FL=Fm+FB+f

(1)

式中，Fm—— 惯性力，N

FB—— 黏性阻尼力，N

f—— 外部导向装置摩擦力，N

(1) 惯性力Fm

Fm=ma

(2)

式中，m—— 负载的总质量，kg

a—— 负载的加速度，m/s2

系统设计弹射能量1500 J，相当于将13 kg的物体加速到15 m/s，为了得到合适的油缸行程，冲击最大加速度可取50 g，由此得到惯性力为6500 N。

(2) 黏性阻尼力FB

FB=Bv

(3)

式中，B—— 活塞黏性阻尼系数，N/(m/s)

v—— 活塞速度，m/s

由公式(3)可以看出，油缸阻尼力与速度成正比，本系统为高速系统，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压缸结构形式，油缸阻尼力将很大，严重影响系统速度的提高及速度一致性。本系统油缸活塞杆采用静压轴承支撑，活塞杆与油缸端盖之间通过高压液压油支撑，避免了金属直接接触，二者之间几乎没有摩擦[2]。静压轴承结构见图4所示。

图4　静压轴承

(3) 外部导向装置摩擦力f

外部导向装置一般采用滚动摩擦，其摩擦力f可以忽略。

由上述分析，油缸受力仅考虑惯性力即可。根据系统压力ps与负载压力pL的选取原则pL=2/3ps[3,4]，可以确定负载压力为21 MPa。由油缸受力及负载压力可计算出油缸活塞面积A=309 mm2。

为了方便角度调节，伺服缸采用两端耳轴的安装形式。

2.3　系统液压原理

系统液压原理如图5所示。液压系统包括油箱、油泵、比例溢流阀、滤油器、泄压阀、蓄能器等。泵站设计流量14 L/min，弹射瞬间供油主要由蓄能器提供，蓄能器与伺服阀之间应保证足够通径以减小油液阻力。

1.高速伺服油缸　2.伺服阀　3.进油蓄能器　4.回油蓄能器 5.泄压阀　6.滤油器　7.比例溢流阀　8.油泵电机　9.油箱

2.4　速度影响因素分析

本系统速度采用开环控制，具有系统简洁、稳定的特点。系统伺服阀控制信号如图6所示，该信号由三部分组成，第一个半正弦波的前半部分伺服阀开度逐渐增加并达到最大值，该过程伺服缸活塞杆带动冲击头一起加速并达到最大速度，第一个半正弦波的后半部分伺服阀由最大开度逐渐减小并最终关闭，该过程伺服缸活塞杆由最大速度开始减速并停止，冲击头由于惯性与活塞杆分离并飞出；第二个半正弦波为活塞杆由最前端位置退回到初始位置。

图6　伺服阀控制信号

本系统速度控制方法是：找出弹射速度v与所有速度影响因素之间的对应关系，并进行相应标定工作，确定各影响因素的影响系数；然后根据弹射速度要求，计算出以上影响因素的参数值进行控制，由此得到目标速度。

根据理论分析及大量基础试验，冲击头飞出的速度v与以下因素相关：

冲击头质量m；液压系统压力p;液压油温度T;伺服阀控制信号幅值Sv;伺服阀控制信号时间t;冲击方向与水平面夹角α。

(1) 冲击头质量m弹射试验对于冲击头质量都有明确规定，因此可以针对每一种冲击头质量，标定出对应的一组试验系数并保存在计算机中，需要时调用该系数进行试验。

(2) 液压系统压力p试验证明，其他条件不变的情况下，如果液压系统压力保持恒定，弹射速度具有极高的重复性，本系统通过比例溢流阀对系统压力进行闭环控制，使系统压力保持恒定，从而保证弹射速度一致性。

(3) 液压油温度T液压油温度改变将引起液压油黏度改变，由此对伺服阀流量将会有少许影响。在此可通过控制泵站温度使其稳定在一定温度区间予以解决。这也是液压系统相对气动系统的优势之一。

(4) 伺服阀控制信号幅值Sv大量验证试验表明，在冲击头质量、伺服阀控制信号时间、系统油温及系统压力一定的情况下，弹射速度与伺服阀控制信号幅值在一定范围内成正比。即冲击头速度增量Δv与伺服阀控制信号幅值增量ΔSv成正比，通过试验可得到其比例系数：

式中，Csv—— 伺服阀控制信号幅值比例系数，m/(s·v)

Δv—— 冲击头速度增量，m/s

ΔSv—— 伺服阀控制信号幅值增量，v

对不同的冲击头质量可以标定出一个对应的系数Csv，在弹射时再根据冲击头质量选择相应的系数。

(5) 伺服阀控制信号时间t大量试验证明，在冲击头质量、系统油温、系统压力及伺服阀控制信号幅值Sv一定的情况下，冲击头速度增量Δv与伺服阀控制信号时间增量Δt在一定范围内成正比，通过试验可得到时间比例系数：

式中，Ct—— 伺服阀控制信号时间比例系数，m/(s·ms)

Δv—— 冲击头速度增量，m/s

Δt—— 伺服阀控制信号时间增量，ms

对不同的冲击头质量可以标定出一个对应的系数Ct，在弹射时再根据冲击头质量选择相应系数。

(6) 冲击方向与水平面夹角α试验表明，在冲击头脱离油缸活塞杆前，冲击方向与水平面的夹角α对冲击速度的影响很小，可以忽略。

2.5　速度控制过程分析

根据2.4分析，在冲击头质量m、系统压力p、系统油温T不变的情况下，冲击头弹射速度决定于伺服阀控制信号幅值Sv及伺服阀控制信号时间t。速度控制过程如下：

(1) 根据冲击头质量m选择对应比例系数Csv及Ct；

(2) 对系统油温T进行闭环控制使其保持恒定，系统油温调节过程中伺服缸来回伸缩，使整个系统液压油处于流动状态；

(3) 弹射前对系统压力p进行闭环控制使其保持恒定；

(4) 根据设定速度v计算出合适的伺服阀控制信号幅值Sv及伺服阀控制信号时间t；

(5) 开始弹射Sv及t确定方法及原则：根据冲击头质量选择相应的系数Csv及Ct，再根据不同目标速度v计算出合理的伺服阀控制信号幅值Sv及伺服阀控制信号时间t。为了充分利用油缸行程，应尽量增加伺服阀控制信号时间t，减小弹射加速度，即减小伺服阀控制信号幅值Sv。同时，t值选择不能过大，如果过大则油缸行程将不足。试验表明，t取值在35～60 ms内是比较合适的。

3　试验验证及结果分析

根据上述原理，研发生产出了该系统，并以该系统进行了相关验证试验。

3.1　弹射曲线分析

弹射曲线如图7所示。三条曲线分别为伺服阀给定信号曲线、加速度曲线、速度曲线。冲击头弹射速度即为速度曲线最大值，该点横坐标对应于加速度信号反向过零点时的时间点,设该点为t1，则：

式中，vmax—— 冲击头弹射速度，m/s

a—— 冲击加速度，m/s2

图7　弹射曲线

3.2　速度测量精度验证试验

由图7可以看出，每次试验完毕系统可以直接给出弹射速度值。为验证该速度的准确性，以进口“高精度速度测试仪”对6～11 m/s的速度值进行了标定，试验结果如表1所示。可以看出，本系统速度测量误差可控制在±0.3%以内(以12 m/s作为满度值，以下同)，可以准确地反映实际弹射速度。现有弹射系统一般采用外部速度测量，本系统可非常方便地直接得到弹射速度值，利用该值可随时进行速度精度监测及系统系数修正。

图8　速度测量精度验证

表1　速度标定试验数据

3.3　弹射稳定性验证试验

为了验证不同环境温度、不同冲击角度下速度变化情况，设计了表2所示对比验证试验。试验条件为：冲击头质量6.8 kg，设定冲击速度8 m/s，系统压力p、Sv及t保持不变，每种条件进行3次弹射。可以看出，环境温度、冲击角度对冲击速度没有明显影响，系统具有较高稳定性。

表2　速度稳定性验证试验

3.4　6.8 kg冲击头弹射试验

6.8 kg为常用冲击头质量，利用本系统对6.8 kg冲击头进行了不同速度下的弹射试验，每种速度进行3次弹射，试验结果如表3。可以看出，弹射速度与目标速度最大差值0.11 m/s，换算成误差为0.92%，满足±1%的设计精度要求。

表3　6.8 kg冲击头弹射试验

4　结论

小型弹射系统在汽车安全测试评价中应用广泛，液压弹射是其中一种重要形式。本研究以电液伺服弹射系统作为研究对象，对该系统的适用标准、设计能力及相关关键技术进行了详细研究。高速伺服油缸采用了静压支撑技术，保证了油缸高速性能及速度一致性；提出了弹射速度开环控制方法，系统控制稳定可靠；对加速度信号进行积分直接得到准确的弹射速度，可实现速度控制精度监测及系统参数修正。对系统进行了相关验证，试验表明，环境温度、弹射角度对弹射速度几乎没有影响，系统速度具有较高稳定性；同一冲击头在不同速度下速度控制精度优于1%，完全满足国内外试验标准要求。

参考文献：

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[2]王媛媛.液压伺服弹射式碰撞模拟系统的仿真研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学，2008.

[3]肖金陵，周华，李壮云,等.液体静压技术在伺服油缸中的作用[J].机床与液压，1994,(1):43-47.

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