CN111982447A - 一种高g值半正弦加速度碰撞试验台和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高G值半正弦加速度碰撞试验台和试验方法，包括框架、试验台面、安装在试验台面上的配重块、安装在框架上且用于举升试验台面的举升托盘、安装在试验台面正下方的弹簧组支座，试验样品安装在试验台面上；所述弹簧组支座的顶面设有一个以上的用于安装试验弹簧的弹簧安装位；所述框架上还安装有用于测量到试验台面距离的测距传感器；所述测距传感器连接控制系统。本发明一种高G值半正弦加速度碰撞试验台和试验方法采用重力作为碰撞能量的来源，简化了试验台结构，降低了设备开发和安装成本。

Description

一种高G值半正弦加速度碰撞试验台和试验方法

技术领域

本发明属于汽车零部件碰撞试验技术领域，尤其是涉及一种高G值半正弦加速度碰撞试验台和试验方法。

背景技术

汽车安全性开发和验证过程中，台车碰撞试验是一种常用的、高效的试验手段，其能够模拟汽车在碰撞事故中，车内部件在碰撞加速度冲击下的安全性能表现。其工作原理在于，在车辆碰撞过程中，整个车身由运动状态在短时间内变为静止状态，车体及车内部件承受相应的加速度冲击；而台架模拟碰撞中，将试验样品安装在碰撞滑台上，直接通过设备对滑台施加加速度或减速度，替代车辆碰撞产生的加速度，加速度通过滑台传递至试验样品。目前主流的模拟碰撞滑台设备，其最大加速度通常在80～90G的加速度水平。

然而，随着汽车碰撞性能的不断提高，试验验证所需的碰撞强度也随之增大。特别是目前新能源汽车飞速发展的大背景下，其中一些高压电子元件具有更高加速度碰撞冲击的试验需求，最高可达200G加速度。因此目前主流的模拟碰撞滑台设备无法满足试验需求。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种高G值半正弦加速度碰撞试验台和试验方法，以解决目前主流的模拟碰撞滑台设备无法满足试验需求的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种高G值半正弦加速度碰撞试验台和试验方法，包括框架、试验台面、安装在试验台面上的配重块、安装在框架上且用于举升试验台面的举升托盘、安装在试验台面正下方的弹簧组支座，试验样品安装在试验台面上；

所述弹簧组支座的顶面设有一个以上的用于安装试验弹簧的弹簧安装位；

所述框架上还安装有用于测量到试验台面距离的测距传感器；所述测距传感器连接控制系统。

进一步的，还包括底板，所述底板为钢板或者铁板，框架和弹簧组支座都安装在底板上；

所述试验台面上还安装有加速度传感器，所述加速度传感器连接控制系统。

进一步的，所述框架为门形框架，包括设置在两侧的侧支架、以及架设在两根侧支架之间的横梁；

所述测距传感器安装在横梁上；

所述测距传感器采用但不局限于激光测距传感器。

进一步的，每个所述侧支架内侧设有一根竖向设置的直线导轨，所述举升托板两端通过滑块与直线导轨滑动连接；

所述举升托盘对应设有驱动其升降的牵引链，所述牵引链的动力源为电机。

进一步的，所述试验台面的两端也通过滑块与直线导轨滑动连接；

所述试验台面与直线导轨之间还设有制动器，所述制动器连接控制系统，通过制动器实现试验台面与直线导轨间的抱死或者滑动。

进一步的，所述弹簧组支座上设有9个弹簧安装位，9个弹簧安装位按照3X3的布局分布；

所述弹簧组支座安装的试验弹簧数量为1-9个；安装任意数量的试验弹簧均围绕中心对称分布。

进一步的，所述弹簧安装位为圆形凹槽，所述试验弹簧安装在圆形凹槽内；

所述圆形凹槽的深度为试验弹簧长度的1/3-2/3；

所述试验弹簧的刚度系数k在2kN/mm～5kN/mm之间。

一种高G值半正弦加速度碰撞试验台的试验方法，包括：

S1、根据试验所需加速度波形，确定试验参数；

S2、根据试验参数，安装试验弹簧，组成弹簧组；

S3、在试验台面上安装试验样品以及必要的配重块；

S4、试验台面与试验弹簧组接触，测距传感器的读数置零，即以此位置为高度0；

S5、举升托盘推动试验台面上升，上升高度为H，并使制动器钳制，将试验台面抱死在轨道上；

S6、将举升托盘下降至低于试验弹簧支座的顶面，以确保试验台面下落并压缩试验弹簧后不会撞击举升托盘；

S7、释放试验台面的制动器，使其沿直线轨道自由下落，并与弹簧组碰撞产生所需加速度波形；

S8、试验台面反弹并再次升高，由控制系统判定测距传感器的实时数据，当高度>0且0<速度<0.01m/s时，控制制动器再次钳制，使得试验台面悬停在半空中，防止其再次下落发生二次碰撞。

进一步的，所述步骤S1中，确定试验参数的方法如下：

设滑动部分质量M₁、单根试验弹簧质量M₂、单根试验弹簧刚度系数k为试验台固有参数，其中，M₁为试验台面及其滑块、制动器的质量总和；

试验样品质量m₁，由直接称量获得；

试验波形峰值A、试验波形脉宽T，根据试验需求指定的半正弦加速度波形确定，加速度竖直向上为正方向，则A、T均为正值，该波形加速度时间函数为：

令试验台面下滑至与弹簧组接触瞬间为0时刻(t＝0)，此时台面速度为初始碰撞速度V₀，位移量为0，则试验台面的运动微分方程和边界条件如下：

式中，m₂为试验配重块质量，n为使用弹簧的数量；求解微分方程可得：

其二阶导数即为加速度时间函数：

对比(1)式和(2)式可知相关变量具有如下关系式：

由(3)式可知，V₀＝-AT/π，又因为碰撞速度为试验台面自由下落加速而得，根据能量守恒，台面举升高度H为

同样根据(3)式，因为配重块质量m₂≥0，所以弹簧数量n可取满足下式的最小整数，

配重块质量m₂为：

至此，台面高度H、弹簧组弹簧数量n、试验配重块质量m₂，可由(4)(5)(6)计算而得，完成全部试验参数的确定。

相对于现有技术，本发明一种高G值半正弦加速度碰撞试验台和试验方法，具有以下优势：

本发明一种高G值半正弦加速度碰撞试验台和试验方法采用重力作为碰撞能量的来源，简化了试验台结构，降低了设备开发和安装成本。采用多个大刚度弹簧并联，组成刚度更大的弹簧组，能够满足高G值加速度的碰撞波形需求。同时采用弹簧作为波形发生器，一方面其可以反复使用，降低设备使用过程中的试验成本；另一方面，由于弹簧的反弹作用，使碰撞后的反弹速度与初始碰撞速度大小相等方向相反，在相同速度变化量的加速度波形前提下，弹簧波形发生器可以使用更低的初始碰撞速度，降低试验台面的举升高度，避免了由于厂房高度的限制而无法达到所需的碰撞强度。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

在附图中：

图1为本发明实施例所述的试验台结构示意图；

图2为本发明实施例所述的弹簧安装位编号示意图；

图3为本发明实施例所述的加速度波形对比示意图。

附图标记说明：

1、底板；2、弹簧组支座；3、试验弹簧；4、框架；5、直线导轨；6、测距传感器；7、举升托盘；8、滑块；9、制动器；10、试验台面；11、试验样品；12、配重块。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种高G值半正弦加速度碰撞试验台和试验方法，利用重力对试验台面10和样品进行加速，利用大刚度弹簧组作为碰撞加速度的波形发生器，并在碰撞后的反弹阶段进行制动防止二次碰撞的发生。试验方法中的参数包括滑动部分质量M_1、单根弹簧质量M_2、单根弹簧刚度系数k、弹簧组弹簧数量n、试验波形峰值A、试验波形脉宽T、试验样品11质量m_1、试验配重块12质量m_2、台面高度H，以上参数的获取及计算关系由本发明述所试验方法确定。其中M_1、M_2、k为试验台固有参数；A、T为试验条件固有参数，由试验需求决定；m_1为试验样品11固有参数，可直接测得，n、m_2、H为试验调节变量，由本发明提出的试验方法计算而得。

一种高G值半正弦加速度碰撞试验台主要包括：如图1，质量和刚度足够大的铁地板，其上安装弹簧组支座2。弹簧组支座2可安装多个大刚度试验弹簧3，构成弹簧组。试验台框架4龙门式跨越在弹簧组正上方，并于铁地板连接。框架4两侧立柱具有竖直安装的直线导轨5。框架4上方横梁处安装激光测距传感器6。举升托盘7通过滑块8连接在直线导轨5上，其具有牵引链条能够自主地沿直线导轨5上下移动,举升托盘7与牵引链条的配合的技术方案及方法采用现有技术，这里不再赘述。试验台面10通过滑块8和制动器9连接在直线导轨5上，制动器9释放状态时，试验台面10可沿直线导轨5自由地上下移动；制动器9牵制状态时，可抱死直线导轨5，使试验台面10悬停在直线导轨5的任意位置。试验台面10上安装试验样品11和试验配重块12。

所述弹簧组支座2，其特征还包括，可半下沉的方式安装多个试验弹簧3，安装槽对弹簧有导向作用，防止试验弹簧3在压缩过程中失稳。9个安装槽采用3×3的布局方式(如图2)，可保证在使用1～9任意数量的弹簧组成弹簧组时，可使布局方式为中心对称，以使得试验台面10的受力无偏心，如下表。

弹簧数量	使用位置编号
		1	⑤
2	④⑥或②⑧
		3	④⑤⑥或②⑤⑧
4	①③⑦⑨或②④⑥⑧
		5	①③⑤⑦⑨或②④⑤⑥⑧
6	①②③⑦⑧⑨或①③④⑥⑦⑨
		7	①②③⑤⑦⑧⑨或①③④⑤⑥⑦⑨
8	①②③④⑥⑦⑧⑨
		9	①③④⑤⑥⑦⑧⑨

所述的弹簧组，其中单根弹簧的刚度系数k在2kN/mm～5kN/mm之间，优选的选择3kN/mm～4kN/mm之间。

所述的测距传感器6，测量传感器与试验台面10之间的距离，其可在台面任意高度处置零，当台面升高，即靠近传感器时距离为正值，反之为负值。

一种高G值半正弦加速度碰撞试验台的试验方法，包括：

S1、根据试验所需加速度波形，确定试验参数；

S2、根据试验参数，安装试验弹簧3，组成弹簧组；

S3、在试验台面10上安装试验样品11以及必要的配重块12；

S4、试验台面10与试验弹簧3组接触，测距传感器6的读数置零，即以此位置为高度0；

S5、举升托盘7推动试验台面10上升，上升高度为H，并使制动器9钳制，将试验台面10抱死在轨道上；

S6、将举升托盘7下降至低于弹簧组支座2的顶面，以确保试验台面10下落并压缩试验弹簧3后不会撞击举升托盘7；

S7、释放试验台面10的制动器9，使其沿直线轨道自由下落，并与弹簧组碰撞产生所需加速度波形；

S8、试验台面10反弹并再次升高，由控制系统判定测距传感器6的实时数据，“当高度>0(S4定义的零位之上为正)且0<速度<0.01m/s(竖直向上为正)时，控制制动器9再次钳制，使得试验台面10悬停在半空中，防止其再次下落发生二次碰撞，控制系统可以采用PLC或者工控机来实现最主要的控制、处理分析的作用。

所述步骤S1中，确定试验参数的方法如下：

设滑动部分质量M₁、单根试验弹簧3质量M₂、单根试验弹簧3刚度系数k为试验台固有参数，其中，M₁为试验台面10及其滑块、制动器9的质量总和；

试验样品11质量m₁，由直接称量获得；

试验波形峰值A、试验波形脉宽T，根据试验需求指定的半正弦加速度波形确定，加速度竖直向上为正方向，则A、T均为正值，该波形加速度时间函数为：

令试验台面10下滑至与弹簧组接触瞬间为0时刻(t＝0)，此时台面速度为初始碰撞速度V₀，位移量为0，则试验台面的运动微分方程和边界条件如下：

式中，m₂为试验配重块12质量，n为使用试验弹簧3的数量；求解微分方程可得：

其二阶导数即为加速度时间函数：

对比(1)式和(2)式可知相关变量具有如下关系式：

由(3)式可知，V₀＝-AT/π，又因为碰撞速度为试验台面自由下落加速而得，根据能量守恒，台面举升高度H为

同样根据(3)式，因为配重块12质量m₂≥0，所以试验弹簧数量n可取满足下式的最小整数，

配重块12质量m₂为：

至此，台面高度H、弹簧组弹簧数量n、试验配重块12质量m₂，可由(4)(5)(6)计算而得，完成全部试验参数的确定。

下面结合具体示例进一步解释说明该试验方法：

本例中，采用了上述的一种高G值半正弦加速度碰撞试验台和试验方法。

步骤一：根据试验台实际情况，试验台面10及其滑块8、制动器9的总质量M₁＝204kg，单根试验弹簧3质量M₂＝19kg，单根试验弹簧3刚度系数k＝3.6×10⁶N/m。目标加速度波形为峰值200g，脉宽10ms的半正弦波，即A＝1962m/s²，T＝0.01s。验证试验中未安装试验样品11，故m₁＝0。

根据(4)式，求得台面举升高度

根据(5)式，求得

因此取n＝7。

根据(6)式，求得

步骤二：在弹簧组支座2的①③④⑤⑥⑦⑨位置安装7根弹簧。

步骤三：在试验台面10上安装7.3kg的试验配重块12。

步骤四：试验台面10与弹簧组接触并将激光测距传感器读数清零。

步骤五：利用举升托盘7，将试验台面10升高至1.990m高度。并将其钳制在该位置。

步骤六：下降举升托盘7至最低位置，其托举面比弹簧组支座2顶面略低。

步骤七：释放制动器9，试验台面10自由下落，完成碰撞过程。

步骤八：在反弹至最高点附近时，由控制系统内根据预设逻辑将制动器9钳制，使试验台面10悬停；预设逻辑就是S8中记载的，监控试验台面10高度和速度两个物理量，当高度>0(S4定义的零位之上为正)且0<速度<0.01m/s(竖直向上为正)时，控制制动器9再次钳制。

碰撞过程中，试验台面10上的加速度传感器采集的加速度波形为图3中的实线，加速度峰值为200.7g，波形脉宽为11.4ms。图3中虚线为目标加速度波形，直观可见二者拟合程度较高，符合试验需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高G值半正弦加速度碰撞试验台，其特征在于：包括框架、试验台面、安装在试验台面上的配重块、安装在框架上且用于举升试验台面的举升托盘、安装在试验台面正下方的弹簧组支座，试验样品安装在试验台面上；

所述弹簧组支座的顶面设有一个以上的用于安装试验弹簧的弹簧安装位；

所述框架上还安装有用于测量到试验台面距离的测距传感器；所述测距传感器连接控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种高G值半正弦加速度碰撞试验台，其特征在于：还包括底板，所述底板为钢板或者铁板，框架和弹簧组支座都安装在底板上；

所述试验台面上还安装有加速度传感器，所述加速度传感器连接控制系统。

3.根据权利要求1所述的一种高G值半正弦加速度碰撞试验台，其特征在于：所述框架为门形框架，包括设置在两侧的侧支架、以及架设在两根侧支架之间的横梁；

所述测距传感器安装在横梁上；

所述测距传感器采用但不局限于激光测距传感器。

4.根据权利要求2所述的一种高G值半正弦加速度碰撞试验台，其特征在于：每个所述侧支架内侧设有一根竖向设置的直线导轨，所述举升托板两端通过滑块与直线导轨滑动连接；

所述举升托盘对应设有驱动其升降的牵引链，所述牵引链的动力源为电机。

5.根据权利要求4所述的一种高G值半正弦加速度碰撞试验台，其特征在于：所述试验台面的两端也通过滑块与直线导轨滑动连接；

所述试验台面与直线导轨之间还设有制动器，所述制动器连接控制系统，通过制动器实现试验台面与直线导轨间的抱死或者滑动。

6.根据权利要求1所述的一种高G值半正弦加速度碰撞试验台，其特征在于：所述弹簧组支座上设有9个弹簧安装位，9个弹簧安装位按照3X3的布局分布；

所述弹簧组支座安装的试验弹簧数量为1-9个；安装任意数量的试验弹簧均围绕中心对称分布。

7.根据权利要求1所述的一种高G值半正弦加速度碰撞试验台和试验方法，其特征在于：所述弹簧安装位为圆形凹槽，所述试验弹簧安装在圆形凹槽内；

所述圆形凹槽的深度为试验弹簧长度的1/3-2/3；

所述试验弹簧的刚度系数k在2kN/mm～5kN/mm之间。

8.一种基于权利要求1所述的高G值半正弦加速度碰撞试验台的试验方法，其特征在于，包括：

S1、根据试验所需加速度波形，确定试验参数；

S2、根据试验参数，安装试验弹簧，组成弹簧组；

S3、在试验台面上安装试验样品以及必要的配重块；

S4、试验台面与试验弹簧组接触，测距传感器的读数置零，即以此位置为高度0；

S5、举升托盘推动试验台面上升，上升高度为H，并使制动器钳制，将试验台面抱死在轨道上；

S6、将举升托盘下降至低于试验弹簧支座的顶面，以确保试验台面下落并压缩试验弹簧后不会撞击举升托盘；

S7、释放试验台面的制动器，使其沿直线轨道自由下落，并与弹簧组碰撞产生所需加速度波形；

S8、试验台面反弹并再次升高，由控制系统判定测距传感器的实时数据，当高度>0且0<速度<0.01m/s时，控制制动器再次钳制，使得试验台面悬停在半空中，防止其再次下落发生二次碰撞。

9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，所述步骤S1中，确定试验参数的方法如下：

设滑动部分质量M₁、单根试验弹簧质量M₂、单根试验弹簧刚度系数k为试验台固有参数，其中，M₁为试验台面及其滑块、制动器的质量总和；

试验样品质量m₁，由直接称量获得；

试验波形峰值A、试验波形脉宽T，根据试验需求指定的半正弦加速度波形确定，加速度竖直向上为正方向，则A、T均为正值，该波形加速度时间函数为：

令试验台面下滑至与弹簧组接触瞬间为0时刻(t＝0)，此时台面速度为初始碰撞速度V₀，位移量为0，则试验台面的运动微分方程和边界条件如下：

式中，m₂为试验配重块质量，n为使用弹簧的数量；求解微分方程可得：

其二阶导数即为加速度时间函数：

对比(1)式和(2)式可知相关变量具有如下关系式：

由(3)式可知，V₀＝-AT/π，又因为碰撞速度为试验台面自由下落加速而得，根据能量守恒，台面举升高度H为

同样根据(3)式，因为配重块质量m₂≥0，所以弹簧数量n可取满足下式的最小整数，

配重块质量m₂为：

至此，台面高度H、弹簧组弹簧数量n、试验配重块质量m₂，可由(4)(5)(6)计算而得，完成全部试验参数的确定。

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