正面碰撞滑车试验

系统性能测试最常用的设备是滑车系统。滑车试验可以综合考察安全带、安全气囊、座椅、仪表板、方向盘、转向柱等子系统的联合作用效应，可用于子系统的匹配和认证。滑车试验系统见图6.7和图6.8。

图6.7　正面滑车试验系统

（由一汽技术中心安全研究室提供）

图6.8　正面台车弹射系统

（由一汽技术中心安全研究室提供）

滑车试验的前提是：车体结构已经完成一轮碰撞试验；已经测得各种工况下的碰撞波形；已经完成生物力学伤害灰区策略定义；假设气囊控制器能正常检测伤害灰区并能及时点爆安全气囊。滑车系统着重解决各个子系统之间的动力学耦合关系。动力学耦合包含两方面的含义：一方面是时间上的耦合，如安全气囊、安全带预紧器、转向柱等功能部件的动作时间；另一方面是子系统外特性在量值上的匹配，如各个子系统之间的刚度匹配。最佳耦合匹配的结果是最大化利用叠加吸能效应、最大化发挥子系统吸能容量、在正确的时间启动子系统的动作，使乘员始终保持正确的姿态和被约束状态。

滑车试验通过再现实车碰撞中试验车辆的碰撞过程，对不同碰撞工况下的约束系统性能进行快速评估。与实车障碍壁碰撞试验相比，滑车试验具有成本低、重复性好等特点，可以用于对众多的约束系统设计方案进行筛选优化，是替代实车碰撞、降低实车碰撞成本、加快研制周期的重要手段。

滑车试验的目的在于重现实车碰撞的动力学过程，用滑车与实车加速度时间历程曲线（a−t波形）的重合性来评价滑车模拟的精度。控制滑台碰撞波形的装置称为波形控制器，是滑车系统的核心技术。波形控制器按结构原理和控制原理可分为节流控制式、液压伺服控制式和吸能材料式，每种结构都具有其固有的局限性，可根据自己的使用目的选择最适合于其特定要求的结构形式。

按使用方法又可将台车试验设备分为制动式和发射式两种类型。发射式滑车用瞬态的推动力配合恒定的制动力实现滑车的瞬态加速度控制，制动式滑车采用瞬态的制动力对台车的减速度波形进行控制。加速滑车（发射式）的试验段是滑车由静止到运动的加速阶段，加速方向朝向乘员的背后。减速滑车（制动式）的试验段是滑车由运动到静止的减速阶段，运动过程与实车碰撞一样。

HYGE［2］是汽车行业早期最常用的典型发射式试验台，是有代表性的节流控制类滑车系统，采用高压气体作为动力源，通过调整计量芯针外形轮廓对流体阻力进行瞬态控制，从而实现滑动平台加速度波形的模拟。HYGE式脉冲波形是试验行程的函数，对高速波形的控制效果较好，但对起始波形的控制较难。

液压伺服式控制器也常用于弹射系统。液压伺服滑车波形控制器的伺服阀活塞与滑台的运动同步，采用微机控制伺服阀的瞬态开度，调整背压油腔的压力，即可控制活塞的运动规律，液压伺服系统对碰撞速度不敏感，波形精度较高，只是在非常高的速度下才会出现部分波形失控的情况。

加速滑车占地空间较小，由伺服系统控制时可以达到很高的波形精度。加速滑车的局限是不能用来进行结构撞击试验，只能应用于约束系统试验。另外，进行侧撞保护系统模拟时，系统附加机构复杂，必须采用“台上台”结构［3］～［8］，尤其是进行侧气帘系统性能模拟时不十分便利。一种伺服弹射原理的台车系统外观及重复精度见图6.9和图6.10。

图6.9　Seattlesafety加速滑车系统

（由一汽技术中心安全研究室提供）

图6.10　Seattlesafety加速滑车系统曲线重复精度（由一汽安全研究室提供）

减速滑车试验的原理是先让滑台达到规定的碰撞速度后对滑台制动，制动的减速阶段是试验段。减速的动态过程是由起制动器作用的碰撞吸能器来控制的。减速滑车原理比较直观，易于理解，试验的物理过程与实车方向相同。试验时将局部车身、乘员约束系统按实车状态固定在一个在滑轨上滑动的平台上，在座椅与约束系统中安放与实车碰撞试验中相同的假人，见图6.11。吸能器是一个碰撞能量瞬态过程控制器，通过编程，可以使滑车的碰撞过程模拟出任何一个实车碰撞方式下的减速度过程。

图6.11　液压节流式吸能制动器

减速吸能制动器可以用材料的塑性变形来控制，常见方式有用横向阵列钢筋组模拟车体前端的刚度分布特性，用纵向管件组的轴向压溃变形吸能过程模拟实车碰撞，也有用尼龙套筒与撞头之间的摩擦力进行制动的。在试验过程的结束段，由于碰撞能量的衰减，吸能控制器对波形尾部的控制有些难度。但是吸能材料式有一个独到的特性，即可以模拟双峰甚至三峰脉冲波形；对于节流控制式，由于制动或加速推杆始终与滑台保持接触，故很难取得这种波形形态。材料变形吸能式减速制动器造价低廉，使用费用较低，重复性较好，但是对整车碰撞波形模拟再现的精度很低，用于子总成（座椅靠背与头枕强度、儿童座椅、安全带）动态冲击试验还是可以的，如果用于多子系统之间的耦合联调，使用精度就不能满足要求了。

为了提高波形模拟精度，液压节流制动器是比较常用的技术。液压节流制动器的价格高于变形吸能制动器，但是远低于HYGE类的高压弹射设备。节流制动器使用时没有材料消耗，使用费用要比材料变形吸能控制器低，在专门开发的节流控制程序计算下，节流调整与部件制备也很简单。

根据原理和用途的组合，滑车系统的形式包括以下5种：节流弹射式［2］、伺服弹射式、节流制动式［9］、伺服制动式［10］和塑性变形制动式等。

文献［9］、［21］介绍了一种成本很低、精度较高的液压节流式吸能制动器（见图6.11），图6.12所示制动吸能工作原理图［21］。

吸能器采用液压节制杆式结构。当滑台撞击套筒活塞时，活塞杆挤压腔内的液体，液体经活塞口流入低压腔；通过改变节制杆的截面形状，控制漏口的面积来控制液体压力。液体压力作用在活塞端面形成液压阻力。控制阻力的变化规律主要依靠节制杆的截面积变化来实现。节制杆是根据实车碰撞波形来设计外形的。节制杆的外形设计采用专门开发的软件，根据目标减速度波形计算节制杆的波纹母线外廓，再将外廓数据文件输入数控车床进行节制杆加工。对于不同的模拟对象采用不同的节制杆。

图6.12　FAW DSS（Decelerating Sled System）波形控制器原理

为了提高系统响应，工作介质的黏性应当尽量小，因此采用炮膛驻退器的工作介质（驻退液）。

在碰撞起始段，滑车以v0的速度与吸能器碰撞杆碰撞，则碰撞杆有极短的加速过程，最终与滑车以共同的速度v运动。按理想状态，对不同的碰撞速度，应给定碰撞杆加速时间Δ和相应的加速度规律，认为在Δ时间内，碰撞杆获得和滑车一样的运动速度，该方法比较符合实际情况，但Δ必须事先确定。

如果把滑车和碰撞杆作为一个整体，取碰撞结合为一体来研究，主要的受力［22］有：

重力　　　　　　　　　　　　　

重力的摩擦力　　　　　　　　　

缓冲阻力　　　　　　　　　　　　　　R

其中，R是液压阻力和摩擦力的合力。

由达朗贝尔原理，连同惯性力，系统处于平衡状态，则有：

在碰撞杆的质量远小于滑车质量时，可近似地认为滑车的质心加速度为实车数据，则：

1）缓冲阻力R的计算

液流的流动与碰撞杆受力分析如图6.13所示。假设滑车和碰撞杆碰撞结合后，在t时刻的速度为v，单位时间dt内，活塞的行程为dx，驻退液的重度为γ，则根据质量守恒，在主流液：

活塞排出的液体质量为：

节制杆排出的液体质量为：

由连续方程得：

图6.13　液流的流动与碰撞杆受力分析

绝对速度：

式中，ax为环行漏口面积；ω′2为液流经过主漏口时的速度；Ah为活塞面积，Ah=Π/4；Aj为节制环面积，Aj=Π/4。

在1—1，2—2截面上，由伯努利方程：

式中，P1为高压腔压力；P2为低压腔压力；ω1为高压腔液体初速度；H1为考虑液体流动的损失量。

一般认为，，且可假设ω1=0，P2=0。

则高压腔压力：

同理，在次液流上：

式中，af为次液流口面积；ω3为液体经过次流液口时的速度；

Afj=Π——内腔截面积。

在3—3、4—4截面上：

式中，P3为高压腔压力；P2为低压腔压力；H2为考虑次液体流动的损失量。

一般认为，且可假设P2=0，则第三腔内的压力为：

以滑车和碰撞杆为受力体，其所受合力为两个腔的液压阻力和紧塞具摩擦力之和：

式中，Fc为紧塞具摩擦力。

令K1=1+ξ1：主液流液压损失系数；K2=1+ξ2：次液流液压损失系数。

2）流液口面积和节制杆直径的计算

由达朗贝尔原理，认为碰撞杆运动不存在变形，是刚性的，则其惯性力R可由实车碰撞加速度和质量确定，代入式（6.16）可得到主流液孔面积：

则节制杆直径为：

由于滑车质量和对应的实车碰撞数据已给定，且惯性力R可计算出，因此不同的加速度波形对应着不同的节制杆直径（外形）。

3）对于次液流的考虑

在数学模型中，次液流方程的建立是以次液流的最小截面为基准的，在碰撞杆运动中，必须事先确定次液流的最小流液口位置。由于不考虑复位，一般应将其设计为定值，且其面积应大于主漏口的最小值，这样可方便主漏口的调节。在结构设计中，要考虑次流液口的实现和安装。

如果在结构上不需要次液流（用密封件密封），则P3腔压力不存在，计算时可取Afj=0，次液流液压损失系数K2=0，则上述模型中可取K2=0、P3=0，即主流液孔面积为：

则节制杆直径：

4）液体排出量的分析

建模时，假设在运动中内腔始终充满液体，而碰撞杆是挤进内腔的，易满足；但由于高压腔和低压腔在开始都充满液体，活塞排出的液体比后腔空间的增大量要多，因此，必须增加辅助空间来容纳后腔多余的液体。如果开始时不装满液体，则必须重新计算液体充满内腔的行程和时间，才可适用于数学模型。

5）液压损失系数的确定

内腔液体的流动十分复杂，除液体黏性造成的流动沿程损失和局部损失外，还有液体流经小孔的收缩现象，以及湍流流动造成的能量消耗等。因此，模型中的液压损失系数K1、K2实际上是包含内腔液体真实流动的折合系数，认为所有未考虑的因素都与流过流液孔截面的流速平方成正比。这些因素主要有：流动的沿程损失、流动的局部损失、在流液孔处液流截面的收缩、液体的可压缩性、流动的非定常性等。因此，液压损失系数实际上是与运动行程、速度有关的变量。

在节制杆的第一次设计时，由于没有具体的实验数据，可参考相应结构的缓冲器，并取为常数。在节制杆完成后必须进行试验，检验流液孔的合理性，并做出调整，这时由实测的压力行程P1→x和速度行程v→x可拟合实际的液压损失系数，即

并将它作为以后计算的依据。

6）碰撞起始段的说明

由于吸能器固定于壁上，滑车以一定的速度撞击碰撞杆，碰撞杆实际上有极短的加速过程，最终与滑车共同作用在吸能器上。由实车碰撞数据可知，在该阶段滑车减加速度很小而速度很大，若代入式（6.19），必然ax很大，在结构上是很难满足的，故在该段设计及计算时要注意：

（1）对不同的碰撞速度，给定碰撞杆加速时间Δ。认为在Δ时间内，碰撞杆获得和滑车一样的运动速度。该方法比较符合实际情况，但Δ必须事先确定。

（2）由式（6.17）计算，用最小节制杆直径进行约束。由于活塞上液流口的面积是一定的，节制环和节制杆所形成的主流液孔的最大面积要受该面积的限制，它决定了主流液孔的最大面积，即节制杆的实际最小直径（比该值小时，活塞上的斜孔成为了主流液孔）。

7）模型的求解

由实车碰撞数据计算吸能器节制杆和行程的方法，称为正面设计。可采用实车的加速度—时间数据，通过积分计算碰撞杆的速度、位移和时间曲线，其模型为：

由节制杆计算碰撞杆的运动状态和滑车的波形（速度、加速度曲线）是反面问题，也是验证节制是否可行的方法，一般要调整节制杆。在对碰撞起始段进行处理后，可求解运动方程得到滑车和碰撞杆的速度、加速度波形，其模型为：

节流加速系统的试验精度见图6.14。从试验效果来看，该系统的波形模拟精度与HYGE相当，比伺服控制式系统要低，但成本远远低于HYGE和伺服控制式台车。该系统实际外观见图6.15，吸能减速器的外观见图6.16。与弹射类节流控制系统（如HYGE）不同，节流制动系统波形发生的动力来源于滑车的动能，而不要求配置昂贵而复杂的高压驱动设备，因此整体结构可以设计成自封闭型，这样就降低了制造成本和复杂程度，并易于维护且使用简单。各种滑车系统综合性能对比见表6.5。

图6.14　FAW DSS系统试验精度

与整车障碍墙碰撞试验室共用轨道时，减速滑车可以采用整车碰撞牵引系统驱动。当单独建立滑车试验室时，气动驱动系统性能比较高。柔性牵引索采用凯芙拉材料，因此能同时保证气缸密封、强度、柔性等多项性能要求。凯芙拉牵引可免除气缸的活塞杆结构，其系统原理见图6.17［11］。

图6.15　FAW DSS系统外观（由一汽技术中心安全研究室提供）

图6.16　FAW DSS吸能减速器外观（由一汽技术中心安全研究室提供）

表6.5　各种滑车系统综合性能对比

如图6.17所示的牵引系统，由于活塞的启动质量较大，因此响应频率没有伺服式弹射系统高。为了增加波形的再现精度，减速系统也可以采用液压伺服制动式减速滑车方案（见图6.18），可以综合伺服系统的精度和减速系统的低成本等优势。

图6.17　凯芙拉牵引系统原理

图6.18　液压伺服制动式减速滑车方案