头部模块碰撞试验发射装置蓄能机构的研究与设计

白建坤，林小凤，徐成亮，臧孟炎

（1.广州民航职业技术学院，广东 广州 510470；2.华南理工大学，广东 广州 510641）

头部模块碰撞试验发射装置蓄能机构的研究与设计

白建坤1，林小凤1，徐成亮2，臧孟炎2

（1.广州民航职业技术学院，广东 广州 510470；2.华南理工大学，广东 广州 510641）

本文基于J-NCAP和Euro-NCAP规定的头部模块碰撞试验标准，设计研发一套头部模块碰撞试验发射装置的蓄能机构，用以开展行人头部模块与汽车风挡玻璃及发动机罩盖的碰撞冲击试验，为行人保护头部模块碰撞试验发射装置的研发奠定基础。

头部模块；碰撞；发射装置；蓄能机构

据统计资料显示，2015年我国道路交通死亡人数约为4.2万人，其中大约有60%为行人等弱势道路使用者，行人等弱势群体的高伤亡比例促使各国都加强了汽车行人保护的研究和立法工作。研究表明，头部是行人最容易受到致命伤害的部位，是造成交通事故人员伤亡的重大诱因。目前，用于开展行人保护研究的试验装置基本由国外制造商垄断，且产品价格昂贵，对于研究行人头部保护碰撞成本较高。本课题设计的头部模块碰撞试验发射装置的蓄能机构，完全符合欧洲和日本的碰撞试验发射装置的基本要求，而且还具有结构紧凑、成本低廉、制造维护方便等优点。

1 蓄能机构的总体设计目标

蓄能机构主要由步进电机、滑动平台、拉伸弹簧三部分组成，蓄能机构所储备的能量，必须要满足发射装置的设计目标。考虑到国内外行人保护法规的日趋完善，发射装置参照J-NCAP和Euro-NCAP规定的头部模块碰撞标准，确定装置的基本设计参数，具体见表1。

表1 发射装置设计的参数目标

2 蓄能机构的整体设计

2.1 步进电机的选用

步进电机作为蓄能机构的动力源，将电能转变为机械能。步进电机通过输入相应的程序，可以控制其转速和转动方向。根据发射装置的设计目标，本机构选用57减速步进电机，该电机具有1.5/N·m的转矩，行星减速器的减速比为1：10，最大输出转矩为12/N·m，完全符合发射装置蓄能机构的要求。

2.2 滑动平台的设计

蓄能机构的滑动平台主要有滑块、夹紧臂、楔形块、滚子螺栓、压片弹簧、驱动气缸等组成，夹紧臂前端力臂小于末端力臂起到增力作用；楔形块与夹紧臂之间由滚子配合，减小气缸动作时的摩擦阻力；同时，楔形块可使气缸以较小的驱动力获得较大的楔形面输出压力。拉伸行程中两夹紧臂前端嵌入滑块伸出槽内，通过止动螺栓固定在滑动平台上。滑块下加工出牵引机构的丝杠螺母，与螺杆配合组成螺旋副。夹紧臂在两侧压片弹簧作用下自动加紧，其末端安装滚子螺栓，滚子与安装在驱动气缸活塞头上的楔形块相切。气缸形式为单作用弹簧回位伸出型，当蓄能机构需要释放能量时，触发气缸，活塞头伸出驱动夹紧臂张开，从而将滑块释放，弹簧恢复原长使头部模块加速运动。

2.3 拉伸弹簧的设计

拉伸弹簧是蓄能机构的重要组成部分，通过拉伸弹簧将步进电机输出的机械能转化为弹性势能。蓄能机构的弹簧输出力和位移之间必须具有良好的线性关系，故采用圆柱螺旋弹簧。考虑到发射能量大，弹簧最大形变时作用力较大，若采用压缩弹簧容易出现受压失稳现象需另外设计稳定性装置，且压缩弹簧的受力形式要求其安装在滑动平台同侧，容易使装置零部件布置困难，所以设计采用圆柱螺旋拉伸弹簧。弹簧一端与发射装置外壳固定，另一端固定在滑块上，弹簧需要对称布置。

根据表1中发射装置的设计参数目标，取最大发射速度12m/s；表中头部模块质量为4.5kg，考虑到发射伸缩杆、连接释放机构等其他随动部件的质量，试取弹簧总共要推进的质量为6kg；由于各零部件之间的摩擦、碰撞等能量损失，将这些因素以机械效率η计入，取η=0.85。由能量守恒定律得出，以最大发射速度发射成人头部模块所需弹簧提供的能量为

式（1）中，Ek为推进质量获得的动能（J）。

弹簧材料选取冷拉碳素弹簧钢丝（GB/ T4357-2009）DH型；设计弹簧最大拉伸距离ΔLmax=200mm，弹簧数量Z=2，则由弹簧势能公式：

得单个弹簧试算刚度kt=12.71N/mm。

初选弹簧有效圈数35圈，由

计算得：0.045mm。

式（3）中，k为拉伸弹簧刚度（N/mm），此处以kt代入；G为材料切变模量（MPa），根据材料取78500MPa；D为弹簧中径（mm）；d为弹簧材料直径（mm）；Fmax为弹簧最大载荷（N）；ΔLmax为弹簧最大拉伸距离（mm）；nz为弹簧有效圈数。

根据普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列（GB/T1358-2009）试算，选取8mm，D=45mm，代入（3）得修正后的弹簧刚度12.60181N/mm=12601.81N/m，代入式（2）得修正弹簧拉伸距离200.82mm。拉伸弹簧的相关设计参数见表2。

表2 拉伸弹簧的相关设计参数

3 蓄能机构的主要零部件的校核

3.1 夹紧臂的强度校核

将夹紧臂的几何模型保存成IGS文件格式，导入Hypermesh前处理软件进行网格划分，定义材料和属性，运用LS-DYNA对夹紧臂进行加载受力分析，如图1所示，夹紧臂满足设计要求。

图1 夹紧臂应力分布

3.2 拉伸弹簧静强度校核

拉伸弹簧的设计模型如图2所示，按式（4）对拉伸弹簧进行静强度校核。

式（4）中，τmax为弹簧最大切应力（MPa）；[τ]为弹簧许用应力（MPa）；K为曲度系数，静载荷时可取值1；D为弹簧中径（mm）；d为弹簧材料直径（mm）；Fmax为弹簧最大载荷（N）。根据表1中拉伸弹簧的设计参数，计算得出τmax=566.41MPa≤[τ]，故弹簧设计满足要求。

图2 拉伸弹簧

4 结论

蓄能机构首先采用步进电机将电能转化为机械能，电机通过滑动平台牵引拉伸弹簧储备能量，储备的能量作为头部模块发射装置的动力源。由于弹簧拉伸量和对外作用力具有良好的线性关系，根据弹簧势能定理和能量守恒定律建立弹簧拉伸量和行人头部模块发射速度的对应关系，可实现不同的发射速度，达到蓄能机构的设计要求。

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