CN101078670A - 加速度模拟台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种加速度模拟台。加速度模拟台，包括：气缸、机械传动装置和支架，气缸通过机械传动装置带动被测模块进行变速运动，所述机械传动装置和被测模块置于支架上。本发明所提供的加速度模拟台，具有操作简单，成本低等特点，很好的解决了现有的相关设备成本高、操作繁琐等缺点。

Description

加速度模拟台

【技术领域】

本发明涉及一种加速度模拟台，尤其涉及一种用于汽车安全气囊电子控制单元的碰撞性能检测等的加速度模拟台。

【背景技术】

随着安全气囊在汽车中的广泛应用，对其电子控制单元进行产品性能的检测也变得越来越重要。安全气囊的电子控制单元在出厂前都需要对其性能进行检测，检测在汽车发生碰撞时电子控制单元能否发出控制信号，控制安全气囊及时打开保护驾驶员，这就需要对汽车碰撞中产生的加速度进行模拟。这种检测也能应用在其它产品上，比如某些电子产品需要对其承受加速度能力进行测试，以判断其能否满足工作要求；还有一些产品测试对加速度的大小和产生的时间都有明确的要求，所以对加速度模拟台的需求不断增大。

加速度模拟台是模拟汽车在碰撞时的对汽车产生的加速度值，安全气囊电子控制单元(简称ECU)的内部加速度传感器感应这个模拟的加速度值，就发出电信号给ECU内部的单片机，单片机根据这个电信号进行判断，是否需要发出点火控制信号。采用加速度模拟方式，不需要进行真车碰撞，就能产生所需的加速度，其实，对每个产品进行真车碰撞试验也是不可能的。

现有的测试装置一般采用的是由液压伺服系统构成的加速度模拟台。采用液压伺服系统，其缺点是成本高、控制复杂、没有办法对产生目标加速度的时间进行控制。伺服缸、液压泵、伺服电磁阀这些器件都比较昂贵而且控制复杂，一般采用液压伺服系统的测试装置的成本大约在10万元左右，所以现有的加速度模块测试装置都非常昂贵。

【发明内容】

本发明就是为了解决上述成本高、控制复杂的问题，提出了一种加速度模拟台。

为实现上述目的，本发明提供了一种加速度模拟台，其特征在于，包括：气缸、机械传动装置和支架，气缸通过机械传动装置带动被测模块进行变速运动，所述机械传动装置和被测模块置于支架上。

优选的是，机械传动装置包括：连杆和滑块，被测模块与滑块相连，连杆和滑块相连，气缸与连杆动力相连。

进一步优选的是，机械传动装置还包括：齿条，齿条气缸连接块，用于支撑齿条的滚动导轨，轴承座，与齿条啮合并由支架上的轴承座支起的齿轮轴，固定在齿轮轴的一端并通过销子连接连杆的曲柄，用于支撑滑块的直线轴承，齿条通过齿条气缸连接块同气缸的气缸活塞杆相连。

加速度模拟台，还包括：缓冲机构，缓冲机构包括：直线轴承、导向杆、弹簧、外壳和活塞，直线轴承套在导向杆上，并与弹簧一端相连，弹簧的另一端与活塞相连，活塞在外壳内部滑动，外壳与直线轴承套相连并固定在支架上。

另一种优选的是，加速度模拟台还包括：缓冲机构，缓冲机构包括：支撑座、弹簧、橡胶棒和橡胶柱，橡胶柱通过支撑座固定于支架上，橡胶柱与弹簧一端相连，弹簧的另一端与橡胶棒相连，橡胶棒在橡胶柱的凹腔内。

机械传动装置还包括：返回缓冲弹簧，返回缓冲弹簧套在气缸活塞杆上，一端与齿条气缸连接块相连，另一端与气缸的活塞相连。

曲柄圆心到滑块和直线轴承所在直线的距离e、曲柄的半径长度l₁和连杆的长度l₂，根据加速度值a_c和所用时间T确定，并满足如下关系：

$a_c=-w_1^2{l}_1[1+{\tan }^2\left(\arcsin \frac{e}{l_1+l_2}\right)+\frac{1}{5}{\sec }^2\left(\arcsin \frac{e}{l_1+l_2}\right)]$

其中，w₁＝Δφ/T，Δφ为预定曲柄要摆过的角度。

本发明的有益效果是：

1)本发明采用气缸作为动力装置，相对于现有的液压系统，材料和加工费用只有液压伺服模拟系统的十分之一，所以本发明的成本低。而且气缸的控制相比于液压伺服模拟系统的控制要简单。

2)本发明是由齿条、齿轮轴、曲柄、连杆和滑块等组成机械传动装置，通过齿条和齿轮轴，气缸的匀速运动转化为曲柄的匀速转动，再通过连杆和滑块，被测模块实现了由零到目标加速度的加速运动过程，而且这个加速过程的时间和目标加速度的大小都可以通过控制气缸的速度来调整。

3)本发明提供了两种可用的缓冲机构，可以使被测模块在达到目标加速度后快速地停下来，有效地减少了测试所需时间。

4)本发明还在气缸活塞杆上套上返回缓冲弹簧，使被测模块在做完一次测试后返回原状态时，运动平缓，而且还可以改善气缸工作速度不稳的情况。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1为本发明实施例一的总体正面视图；

图2为本发明实施例一的总体结构右视图；

图3为本发明实施例一的总体结构立体图；

图4为本发明实施例一的曲柄运动示意图；

图5为本发明实施例一的滑块加速度变化示意图；

图6为本发明实施例一的检测信号连接示意图；

图7为本发明实施例二的总体正面视图；

图8为本发明实施例二中缓冲机构的结构图；

图9为本发明实施例三中缓冲机构的结构图；

图10为本发明实施例四中返回缓冲弹簧的结构图。

图中1.齿条气缸连接块，2.齿条，3.滚动导轨，4.齿轮轴，5.轴承座，6.曲柄，7.连杆，8.特制销子，9.滑块，10.铝板，11.垫块，12.直线轴承，13.气缸，14.气缸座，21.电子控制单元，22.电控调理箱，23.工控机，31.直线轴承，32.导向杆，33.弹簧，34.外壳，35.活塞，41.支撑座，42.橡胶柱，43.弹簧，44.橡胶棒，60.返回缓冲弹簧，100.支架。

【具体实施方式】

实施例一、如图1和图2所示，加速度模拟台包括：支架100、气缸13、气缸座14、齿条气缸连接块1、齿条2、滚动导轨3、垫块11、轴承座5、齿轮轴4、曲柄6、连杆7、滑块9、特制销子8、铝板10和直线轴承12。如图3所示，气缸13和气缸座14一起固定在支架100上，气缸13通过齿条气缸连接块1和齿条2连接，带动齿条2在滚动导轨3上滑动，齿条2通过垫块11和滚动导轨3刚性接触，齿条2和齿轮轴4啮合，齿条2位于齿轮轴4的正下方，带动齿轮轴4转动，齿轮轴由两个固定在支架上的轴承座5支起，曲柄6这里采用圆盘，固定在齿轮轴4的一端，连杆7通过特制销子8、轴承和曲柄6连接，连杆7的另一端通过轴承连接到滑块9上，滑块9固定在铝板10上，铝板10和直线轴承12的两个滑块固定，这样，滑块9就能在直线轴承12上自由的滑动。

为了使加速度模拟台满足试验要求，需要根据加速度值a_c和所用时间T，对曲柄圆心到滑块和直线轴承所在直线的距离e、曲柄6的半径长度l₁和连杆7的长度l₂进行合理的设计。具体设计过程如下：x_c为滑块运动的距离，v_c为滑块运动速度，w₁为曲柄角速度，w₁＝Δφ/T，如图4所示，OA与水平线的夹角为φ1，AC与水平线的夹角φ2，ε₁为曲柄的角加速度，由运动原理得到：

$v_c=\frac{{\mathrm{dx}}_c}{\mathrm{dt}}=w_1{l}_1\cos \mathrm{\φ}1(\tan \mathrm{\φ}2-\tan \mathrm{\φ}1)---\left(1\right)$

$a_c=\frac{{\mathrm{dv}}_c}{\mathrm{dt}}=-w_1^2{l}_1[1+\tan \mathrm{\φ}1\tan \mathrm{\φ}2+\frac{l_1\cos \mathrm{\φ}1}{l_2\cos \mathrm{\φ}2}{\sec }^2\mathrm{\φ}2+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1}{w_1^2}(\tan \mathrm{\φ}1-\tan \mathrm{\φ}2)]---\left(2\right)$

根据曲柄滑块结构，加速度在曲柄的中心点O、连接销轴A和滑块C在一条直线上时最大。此时φ1＝φ2，代入公式2中可得

$a_c=\frac{{\mathrm{dv}}_c}{\mathrm{dt}}=-w_1^2{l}_1[1+\mathrm{ta}{n}^2\mathrm{\φ}1+\frac{l_1}{l_2}{\sec }^2\mathrm{\φ}1]---\left(3\right)$

由几何关系可知 $\mathrm{\φ}1=\arcsin \frac{e}{l_1+l_2},$ 得到

$a_c=-w_1^2{l}_1[1+{\tan }^2\left(\arcsin \frac{e}{l_1+l_2}\right)+\frac{1}{5}{\sec }^2\left(\arcsin \frac{e}{l_1+l_2}\right)]---\left(4\right)$

如果选择偏心距e＝0，则由公式3得到 $w_1=\sqrt{\frac{a_c}{l_1}},$ 如果设置选择e＝l₁，l₂＝5l₁，则 $w_1=\sqrt{\frac{a_c}{l_1*1.25}},$ 可以看出e对角速度w₁的影响并不大，再由于如果偏心距e≠0，这时候的加速度曲线并不是严格如图5曲线图所示，而且加速度等于0的时候也不是严格的在OA位置(只有偏心距e＝0时，这点才成立)的时候，故而为了简化计算，可以根据偏心距e＝0来计算角速度w₁，由于这种选择导致的计算误差，可以在实际操作中通过改变曲柄的角速度来补偿。

试验所需的达到目标加速度a_c＝400m/s^2，所用时间T近似在30-35ms之间，即从A点到B点所用时间为30-35ms。假如曲柄在运动中为匀速，则按照前面的分析，转动Δφ＝90度所需的时间为T＝30-35ms，取T＝30ms，角速度w₁＝Δφ/T＝52.3rad/s，根据 $w_1=\sqrt{\frac{a_c}{l_1}},$ 则l₁＝150mm左右，故而在实施例中，曲柄长度l₁＝150mm，根据设备实际空间大小选用连杆长度偏心距e＝200mm，由公式(4)计算得到l₂＝400mm。

加速度模拟台的工作原理为：气缸13的速度和方向由多个气动回路来控制，在设备成型后可以根据不同的产品需要实现不同的加速度值。气缸13，通过齿条气缸连接块1，推动齿条2在滚动导轨3上匀速运动，由于齿条2和齿轮轴4啮合，所以推动齿条2的运动带动了齿轮轴4的匀速转动，固定在齿轮轴4的一端的曲柄6也随之匀速转动，通过特制销子8一端固定于曲柄6的连杆7也随之运动，连杆7的另一端带动了滑块9的水平加速运动。通过这样的方法，气缸13的匀速运动最终转化为滑块9的水平加速运动。

加速度模块的测试过程为：如图4所示，特制销子8与曲柄6的圆心O的连线，在运动初始时位置为OA，即垂直于齿条2和气缸13的方向。气缸13开始匀速运动，带动曲柄6转动，到达OB位置时，即曲柄6的圆心O与特制销子8、滑块9的中心在一条直线上，滑块9达到目标加速度。如图5所示，滑块9达到目标加速度后，上面的电子控制单元21发出信号，通过含有变送器的电控调理箱22，传送到工控机23的数据采集卡中，工控机根据这个信号来判断，电子控制单元是否可以正常工作。

实施例二，相比于实施例一中加速度模拟台增加了缓冲机构，如图6所示，缓冲机构包括：直线轴承31，导向杆32，弹簧33，外壳34和活塞35，直线轴承31套在导向杆32上，并与弹簧33一端相连，弹簧34的另一端与活塞35相连，活塞35在外壳34内部滑动，外壳34与直线轴承31套相连，并通过滚动导轨3固定在支架100上。增加缓冲机构的主要效果是：使被测模块在达到目标加速度后快速地停下来，有效地减少了测试所需时间。

实施例三，与实施例二中的加速度模拟台的不同之处在于，缓冲机构包括：支撑座41，弹簧43，橡胶棒44和橡胶柱42，支撑座41通过滚动导轨3固定在支架100上，橡胶柱42与弹簧43一端相连，弹簧43的另一端与橡胶棒44相连，橡胶棒44在橡胶柱42的凹腔内滑动。缓冲机构的主要效果是：使被测模块在达到目标加速度后快速地停下来，有效地减少了测试所需时间。

实施例四，相比于以上中的加速度模拟台增加了返回缓冲弹簧60，如图7所示，返回缓冲弹簧60套在气缸的气缸活塞杆上，一端与齿条气缸连接块1相连，另一端与气缸13的活塞相连，让气缸13在测试完毕返回时，压缩弹簧60，从而使运动平缓。这种方法不仅能够使气缸13收缩时平缓，而且经试验证明，这种结构还能改善在工作时气缸由于气体膨胀、气压变小，而造成的速度不稳的情况。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (7)

1.一种加速度模拟台，其特征在于，包括：气缸、机械传动装置和支架，气缸通过机械传动装置带动被测模块进行变速运动，所述机械传动装置和被测模块置于支架上。

2.如权利要求1所述的加速度模拟台，其特征在于，机械传动装置包括：连杆和滑块，被测模块与滑块相连，连杆和滑块相连，气缸与连杆动力相连。

3.如权利要求2所述的加速度模拟台，其特征在于，机械传动装置还包括：齿条，齿条气缸连接块，用于支撑齿条的滚动导轨，轴承座，与齿条啮合并由支架上的轴承座支起的齿轮轴，固定在齿轮轴的一端并通过销子连接连杆的曲柄，用于支撑滑块的直线轴承，齿条通过齿条气缸连接块同气缸的气缸活塞杆相连。

4.如权利要求1或2或3所述的加速度模拟台，其特征在于，还包括：缓冲机构，缓冲机构包括：直线轴承、导向杆、弹簧、外壳和活塞，直线轴承套在导向杆上，并与弹簧一端相连，弹簧的另一端与活塞相连，活塞在外壳内部滑动，外壳与直线轴承套相连并固定在支架上。

5.如权利要求1或2或3所述的加速度模拟台，其特征在于，还包括：缓冲机构，缓冲机构包括：支撑座、弹簧、橡胶棒和橡胶柱，橡胶柱通过支撑座固定于支架上，橡胶柱与弹簧一端相连，弹簧的另一端与橡胶棒相连，橡胶棒在橡胶柱的凹腔内。

6.如权利要求3所述的加速度模拟台，其特征在于，机械传动装置还包括：返回缓冲弹簧，返回缓冲弹簧套在气缸活塞杆上，一端与齿条气缸连接块相连，另一端与气缸的活塞相连。

7.如权利要求3所述的加速度模拟台，其特征在于，曲柄圆心到滑块和直线轴承所在直线的距离e、曲柄的半径长度l₁和连杆的长度l₂，根据加速度值a_c和所用时间T确定，并满足如下关系：

$a_c=-w_1^2{l}_1[1+{\tan }^2\left(\arcsin \frac{e}{l_1+l_2}\right)+\frac{1}{5}{\sec }^2\left(\arcsin \frac{e}{l_1+l_2}\right)]$

其中，w₁＝Δφ/T，Δφ为预定曲柄要摆过的角度。

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