车身顶部强度试验系统设计研究

庄鸿辉，王一峰

（厦门市产品质量监督检验院国家场（厂）内机动车辆质量监督检验中心，福建 厦门 361000）

车身顶部强度试验系统设计研究

庄鸿辉，王一峰

（厦门市产品质量监督检验院国家场（厂）内机动车辆质量监督检验中心，福建 厦门 361000）

本文论述了厦门市产品质量监督检验院国家场（厂）内机动车辆质量监督检验中心设计的机动车辆车身顶部强度试验 系统，可实现大型机动车辆车身顶部强度测试。描述了该测量系统的结构组成,给出了机构的测量原理、测量方法。针对顶压测量过程，提出自由度控制策略，确保了试验系统的测量精准、安全可靠性。

顶部强度；顶压试验；自由度控制

0 引言

车身顶部强度对机动车辆的安全性等都有着重要影响，是被动安全性能的重要指标之一。保证车辆顶部强度，可以有效防止车辆在翻滚事故发生时因车身结构变形引起空间侵入而造成对乘坐人员的伤害。随着2012年1月国家开始实施的GB26134—2010《乘用车顶部抗压强度》国家强制性标准[1]，车辆发生翻滚或侧翻事故时对乘坐员的保护性能也正式进入我国车辆强制性安全检验项目，为此一个精确稳定的车身顶部强度试验系统对于车身顶部强度的评估显得非常重要。文章论述了我单位研制的车顶静压试验台的总体构成及功能特性，该试验台利用电液位置伺服控制技术和传感技术，是一个自适应的易于操作与使用的对车辆顶部开展强度测试的系统，可以有效满足不断发展的各种测试的需要。该系统可以广泛应用于各个车辆企业中，对设计结果进行验证，还可以应用到国家质量监督部门之中对车辆强度进行检验。

1　系统构成

车身顶部强度试验系统主要由顶部强度试验台、分配器与油源系统、伺服控制系统、PLC油源控制器和任务管理单元如图1所示。

图1　车身顶部强度试验系统

1.1顶部强度试验台

顶部强度试 验平台结构如图2所示,主要由施力平板、铸铁平台、可调钢支撑、伺服液压作动器、固定夹具、车身以及各种测量传感器共同组成。液压泵与伺服位置控制系统两者一起对施力平板的施力操作进行控制，测力传感器测量施力平板的受力状态，用于评估车身顶部强度。

施力平板的动作通过自由度控制实现伺服液压缸位置的同步控制,控制精度高，保证了施力平板的定位精度及车身顶部压力的测量精度。此外，由于采用了闭环伺服控制,在测控软件中实现了自动化、智能化,避免了大量的人工调节,于是整个测量过程得以规范化、标准化。

图2　 顶部强度试验台示意图

1.2分配器与油源系统

液压分配器作为液压源与液压缸的接口模块，该分配器具有如下功能：（1）每个分配器为两个作动器供油；（2）具有高低压切换功能；（3）具有应急截止功能；（4）为作动器提供瞬时大流量供油。本试验系统为6个作动器配备3个100L/min的液压分配器。其结构见图3所示。

图3　液压分配器

油源系统根据系统流量和压力匹配相应的油源系统，如图4所示。

图4　油源系统

1.3伺服控制系统

本试验台架系统配备的伺服控制系统，包括1套伺服控制系统硬件和2套测试软件。伺服控制系统可以实现如下功能：（1）加载台的人机界面；（2）加载台的数字闭环控制；（3）加载台的位移和力控制；（4）系统状态显示、数据存储；（5）系统故障监测与安全保护；（6）系统故障显示、与记录；（7） 硬件看门狗，实现应急保护；（8）急停按钮，用于系统急停；（9）故障时声光报警。伺服控制系统硬件组成包括任务管理计算机和伺服控制单元，其组成结构见图5所示。

图5　伺服控制系统硬件组成示意图

伺服控制单元由控制机柜、伺服控制计算机、信号调理单元、直流稳压电源以及UPS不间断电源等组成，如图6所示。

2　测量原理

通过这个试验平台，可以对车辆顶部强度进行准确测量。系统的测量原理以及具体测量步骤如下：

被试车身通过专用夹具固定于铸铁平台上，施力平板置于车身顶部，通过分布于四个角的四个200 kN加载作动器向下拉对车身顶部加载。可调钢支撑高度可调，在试验时撤走，在不进行试验时可对施力平板进行支撑。

试验样品安装应保证车架固定牢固，当试验样品为整车时，为了消除试验过程中车辆的悬架和轮胎变形，可通过在试验台架上架设多处刚性支撑于车辆车架下的平面。

图6　伺服控制单元

施力平板为高刚性平板，且保证其长度和宽度都大于试验车身的长度和宽度。试验时，将施力平板放置在车顶上，让其刚性面和垂直纵平面相互垂直，并确保和车顶的接触点至少有两处，从车顶位置向下进行投影观察，当纵向中心线和车辆纵向中心线相互重合时，确保施力板投影能够对所有成员区进行覆盖。

在进行试验的时候，加载时加速度不超过13 mm/s，方向垂直向下，并达到车辆整备质量1.5倍的试验载荷，并保持时间不少于5 s，直到变形稳定位置[1]。加载液压杆配备力传感器和位移传感器，从而能实时控制试验过程中的加载力和加载速度，同时控制系统对施力平板重量进行 补偿。

3　测试平台自由度控制策略

在车顶强度测量过程中，力、位移传感器测量和施力平台升降的前提条件是保证举升施力平台的四个液压油缸工作时一定要保持同步，施力平板应当只有垂直方向上的平动，并对其余各个自由度上的运动进行抑制，只有这样才能够消除其他自由度所带来的误差，并确保测力传感器测量顶部压力的准确性。

因此，从控制策略上来说，采用基于自由度的位置前馈控制策略，保证四个液压油缸中任意两个都满足协调同步运动，减少牵连运动，避免试验平台产品其他自由度方向的倾斜和扭转。下面以其中的两个液压油缸的自由度位置同步控制为例，论述施力平台各个液压油缸间的同步控制策略。

自由度控制策略原理如下。

顶压升降平台运动系统可以视同为能产品多个自由度运动的并联机构，其中任意两个驱动缸的作用下能实现两个自由度的运动。

自由度控制策略，目的在于保证该并联机构的自由度输出，在减少自由度输出误差的基础上，来完成对各个单通道液压驱动系统的协调同步控制，进而保证该施力平台的自由度输出特性满足试验要求。

自由度控制策略的原理如图7所示。在自由度独立控制方法中两个自由度［］Tqθφ=：

式中：φ——平台横摇角(rad)；

θ——平台前倾角(rad)；

l1——1#液压油缸位移(m)；

l2——2#液压油缸位移(m)。

图7　自由度控制策略

实际上，以上公式也正是顶部强度试验平台中任意两个液压油缸之间的正解关系式。通过液压油缸位移与自由度之间的位置关系，可以计算得到两者的微分关系（或称为位置输出误差传递关系）如下：

式中：H——雅可比矩阵。

同时可以得到旋转自由度到液压油缸位移的微分关系：

4　结论

车身顶压试验作为国家强制检验项目，是新车型车身设计开发及验证的重要环节，也是评定车辆被动安全性能的重要试验。基于这个出发点，我中心设计研制的车顶静压试验台不仅完善了我中心的车辆安全相关检测能力，也为车辆企业针对车身安全的研发创新提供了良好的平台支撑。针对大型机动车辆质量大、体积大和的特点，本试验台最大加载面积达到了10 m×4 m，并应用自由度控制策略，可实现各类车辆车身顶部强度的精确测量。目前，本文论述的该套试验装备即将通过验收并投入使用，为客车、小汽车、工程机械等各类产品的产品研发和技术改进提供试验支撑。通过各类车辆试验验证，该车身顶部强度试验系统在测量一致性、精确性、便捷性等各个方面都已达到国内一流的水准。

[1] GB26134—2010，乘用车顶部抗压强度[S].

TP271.4

A

1671-0711（2016）09（下）-0093-03