机动车行人保护发射装置研究

查宏民，吕晓洲

（中汽研汽车工业工程（天津）有限公司，天津 300300）

前言

汽车的安全性，不仅体现在对车内乘客的保护上，同样体现在对车外行人的保护方面。行人作为道路交通中的弱势群体，其被汽车碰撞造成的伤害是相当严重的，图1 所示为我国道路交通事故现状。针对我国交通道路等级低、人口及自行车多、混合交通比例大的特点，开展行人安全保护至关重要。

图1 CIDAS统计我国道路交通事故现状

我国在行人保护碰撞方面的研究相对较少，大多数局限于计算机软件的碰撞模拟和仿真研究，以及碰撞伤害机理的研究工作。国内的一些大学和研究机构开发出了相关的碰撞试验台，但在精度和可靠性等方面都存在一定的问题，仍处于试验阶段，还无法进行新车试验。目前的行人保护测试主要依赖于进口设备，其中法国BIA 公司研制的通用冲击模拟试验设备是根据EEVCWG17、FMVSS201 等标准设计的，撞击速度精度高，位置准确，已应用于国内多家检测机构。

鉴于国内关于行人保护测试技术方面的研究现状，本文对机动车行人保护发射装置进行设计研究，以研发国产行人保护试验设备，填补我国在此领域的空白，有利于我国汽车产品研发技术的发展，有利于制定或完善我国相关技术标准自主，有利于提高我国汽车产品的安全防护的综合性能和我国汽车领域的检测技术研究的发展。

1 发射装置总体概述

基于GTR09 制定的行人保护法规《汽车对行人的碰撞保护》（GB/T 24550—2009）已于2010年7月1日正式实施，而C-NCAP（2018）对行人的头部（包括成人和儿童）和腿部（上、下腿型）保护性都提出更为严格的要求。图2 中表示行人保护试验项目，具体试验内容包括：

图2 行人保护试验项目

（1）成人头部撞击发动机盖试验，至少测试9个点；

（2）儿童头部撞击发动机盖试验，至少测试9个点；

（3）3次上腿部撞击保险杠试验（左、中、右）；

（4）3次下腿部撞击保险杠试验（左、中、右）。

标准中规定的4 种行人模块碰撞试验的主要技术指标如表1 所示。可以看出，标准对发射装置的速度和角度均有较高的精度要求。

表1 行人保护测试指标

针对该测试要求，本装置基于液压伺服控制技术，通过高频响伺服阀和专用高速低摩擦液压缸，实现准确可靠的发射速度控制。在硬件结构上，采用蓄能器与伺服阀组合控制，蓄能器作为发射过程中加速所需的大流量动力源，伺服阀对速度进行调节，以进口数字液压伺服控制器为控制核心，实现底层高速速度闭环控制。发射装置试验台架在、、3 个坐标方向及角度方向全部采用伺服电机精确调整，从而满足不同试验冲击位置和角度的要求。

该发射装置集数据采集、数据传输、高速实时闭环控制为一体，实现了最高速度15 m/s、最大发射质量15 kg的冲击测试，最大速度误差小于±0.2 m/s，重复性误差小于1%，达到了试验法规测试精度要求。

2 发射装置系统构成

发射装置结构简图如图3 所示。该系统按照结构和功能分为机械系统、液压系统、伺服系统、电控系统、传感器及信号采集系统等。

2.1 机械系统［6］

机械系统主要包括焊接台架、横梁、导向装置、冲击模型、向及角度调整机构等，如图3 所示。台架用于支撑横梁及发射液压缸，具有较强的刚性和强度。横梁移动到位后采用锁紧机构锁紧，以防止高速冲击时松动变形。向调整采用滚珠丝杠结构，导向则采用直线导轨。

图3 发射装置系统整体结构示意图

2.1.1 导向装置

发射液压缸整体安装在两条铝型材上，为防止高速液压缸活塞杆伸出过程中承受侧向力，发射头型、腿型均通过一个导向推架连接。导向装置由两条高速直线轴承导轨构成。推架前端可安装不同的冲击器。

2.1.2 液压缸防撞装置

防撞机构通过扭转弹簧带动摆臂旋转，摆臂前端安装有缓冲器，摆臂的角度极限位置通过角度调整块来固定。发射前防撞机构使推架与液压缸杆接触，发射后扭转弹簧使摆臂向下摆动。当冲击试验完成后推架弹回时，推架与缓冲器接触，防止推架撞击液压缸杆，从而有效保护液压缸。

2.2 液压系统

2.2.1 液压系统的工作原理

高速液压弹射采用结构简单的用阀控缸的控制原理，由此尽量减少机械、电气等元件的响应时间。通过大流量、高频响伺服阀、位移传感器、压力变送器、蓄能器，结合先进的控制算法和高速伺服控制器，实现液压缸的闭环控制。

2.2.2 高速液压缸缓冲装置的设计

在高速液压系统中，缓冲结构是必不可少的。考虑到发射装置的特点，采用内部节流式缓冲结构，如图4 所示。在活塞上设计缓冲柱塞，采用锥形凸缘，在缓冲过程中活塞上的锥面和缓冲腔体积随位移变化，而回油腔和缓冲腔进油截面逐渐减小，形成节流缓冲效应。

图4 高速液压缸缓冲结构图

2.2.3 发射装置结构设计

在发射装置系统中，发射过程时间很短，液压缸、蓄能器、伺服阀等每个元件的响应速度对结果有重要的影响，因此液压管路长度越短、管径越大、拐角越少，压降损失越小，响应速度就越快。为此伺服阀、蓄能器、液压缸、传感器等采用整体集中式连接，如图5所示。

图5 液压发射装置结构图

2.3 电控系统

电控系统主要包括油源控制、伺服电机控制、高速液压缸控制、传感器信号采集等系统。采用上、下位机控制方式，上位机采用研华工控机和数据采集卡，用于油源启停和伺服电机定位控制以及试验参数设置等。下位机采用进口高性能液压伺服运动控制器，实现高速液压缸的闭环控制。上、下位机之间通过工业以太网实现数据交换。

高速液压缸闭环控制是整个系统中的关键技术，对控制器要求运算速度快、控制算法全、可靠性高。选用的液压伺服运动控制器，可提供精确的位置和速度控制，具备专为高性能电液运动控制设计的数学演算和参数设置，包括位置、速度、加速度、压力等双回路控制，具有PID 控制、速度前馈、加速度前馈、死区补偿等多种控制参数。提供的配套调试软件功能强大、易于上手、使用方便，用于设置、调整、编程、诊断及故障排除等。

2.4 测量系统

测量系统包括液压缸位移信号、压力信号、加速度信号，冲击速度等，所有信号通过控制器的模拟量输入模块采集，采样频率为4 kHz，分辨率为16位。

冲击模型的速度采用高速光电开关测量，通过采集两个光电开关的时间差计算出瞬时平均速度。

3 弹射控制原理

液压缸采用位控方式，对于不同的发射速度，可采用相同的加速行程及减速行程。在加速阶段，当速度达到最大时，认为加速行程结束。然后立即反向运动进行减速，在惯性作用下，冲击头与液压缸活塞杆分离。当液压缸速度降为零时，液压缸到达最大减速行程位置，然后继续反向运动，到达起始位置时停止运动，发射结束。通过这种方式，在伺服阀减速控制和液压缸自身缓冲双重减速作用下，有效提高液压缸的降速效果，更好地达到弹射的目的。

根据上述发射原理，将液压缸的发射过程分为加速阶段、正向减速阶段、反向加速阶段、返回起始点等4 个阶段。加速和减速均为匀加减速运动，如图6 所示，在达到最大速度时，对应位移点记为弹射点，从该点液压缸开始迅速减速，减速到停止时对应最大位移点，其中弹射点、最大位移点为试验设定参数。根据匀加减速直线运动有

图6 发射过程位移和速度曲线

式中：为加速阶段加速度；为减速阶段减速度。转化后有

根据该原理，程序的运行过程为：首先初始化，计算加速度a和a；之后轴加使能，切换到位移控制模式；按绝对位置运动到最大位移点，其加速度为a，减速度为a，最大速度为；到达最大位置后按减速度返回到起始位置。

4 发射速度软件补偿

图7 为腿型冲击过程示意图，当发射头型、腿型脱开液压缸活塞杆后按照自由落体运动，在飞行过程中受重力、空气阻力作用，最终撞击速度有一定损失，在软件中需要进行适当补偿。根据自由落体运动规律，在忽略空气阻力情况下，最终撞击点的速度、自由水平飞行距离、下落高度、发射角度以及液压缸发射速度在不同发射情况下的理论补偿计算公式如表2 所示。此外，在实际发射时还需根据实际结果进行相应的修正。

图7 腿型冲击过程示意图

表2 下落高度、飞行距离与发射角度补偿计算公式

5 实际验证分析

5.1 闭环特性分析

图8 为系统在位控闭环模式下速度和位移的响应曲线。从图中可以看出，在启动加速阶段，速度出现了滞后和超调，这主要是因为在伺服阀打开瞬间，无杆腔压力突然升高，液压缸从静摩擦转化为动摩擦，阻力变小，再加上系统响应滞后，启动过程时间又很短，无法及时调节。在后半程的加速过程中，速度曲线均能够得到很好的跟踪控制。在整个过程中，除启动和停止时刻位移稍有偏差外，位移控制曲线精度良好。

图8 闭环特性曲线

5.2 行人模块碰撞试验［11］

进行行人头部模块的试验时，设计了满足标准形状和质量的头型。头型中部设有安装轴，与液压缸活塞杆连接。未发射时头型通过卡珠固定在安装轴上，发射后由于惯性作用，头型脱开，完成冲击试验，图9表示头型模块冲击试验前后状态。

图9 头型模块冲击高速摄像截图

图10 所示为上腿型模块冲击试验台，上腿型冲击器由上腿型、导向部件和推进部件组成。上腿型由尼龙加工而成，安装在推进部件上，通过导向部件安装在导杆上。试验时整套装置被液压缸推动前进，然后和液压缸分离，整体沿导向杆前进冲击试验车辆。

图10 上腿型模块冲击试验台

下腿型标准中要求质量为13.4 kg，考虑到成本因素，下腿型采用圆管简化设计，外部包裹橡胶，外形尺寸和质量与标准相近，实际质量为13.9 kg，如图11所示。

图11 下腿型实物参考图

5.3 发射质量

设备设计阶段已按照最大发射质量15 kg设计，并预留一定余量。实际测量证明，设备可将13.9 kg的下腿型模块加速到15 m/s，满足行人模块发射质量的要求。

5.4 发射速度精度

这里以腿型模块试验测试结果为例，对发射装置的发射速度精度进行了重复性试验。表3 所示为6次重复测试结果，表明最大误差为0.14 m/s。

表3 下腿型冲击速度测试结果

5.5 发射角度控制

调节发射装置初始角度时，采用伺服电机控制，角度可实现连续调节，控制误差不超过±0.05°。在头型冲击试验时要求最终冲击角度误差小于2°。在实际测试过程中，头型脱离瞬间，由于脱离瞬间摩擦力不均匀导致头型发生微量偏转，加上撞击表面距离较远，最终撞击角度过大，可通过缩短飞行距离、调整头型安装预紧力加以改善。上腿型冲击时由于腿型完全固定在导向架上，冲击前只须将导轨调整到冲击角度即可。下腿型在发射过程中，通过高速摄像进行了分析，结果如图12 所示，腿型在飞行过程中未发生偏转，角度和位置满足试验要求。

图12 下腿型模块冲击高速摄像截图

6 结束语

以行人保护测试系统为研究对象，基于液压伺服控制技术，采用高压蓄能器作为动力源，高速液压缸为执行机构，大流量伺服阀为控制元件，进口液压伺服控制器为控制核心，研究开发出一套冲击速度准确、温度可控、执行可靠的发射装置，并进行了头部和上下肢模块冲击试验。结果表明，虽有部分细节有待进一步完善，但已基本上满足试验要求，部分指标可与国外进口设备媲美。通过后期的改进，可以利用该装置开展行人碰撞保护研究。

本研究成果，还可应用于汽车零部件等快速冲击测试中，如头枕吸能、转向盘冲击等，对于提高我国汽车产品的安全防护的综合性能、推动我国汽车领域的检测技术的国产化，降低相关测试设备的成本具有重要意义。