机械蓄能式汽车碰撞试验台的研究

机械蓄能式汽车碰撞试验台的研究 分类号: 密级: UDC: 编号: 工学硕士学位 机械蓄能式汽车碰撞试验台的研究 硕士研究生 :姜琦 指导教师 :张旭教授 学位级别 :工学硕士 学科、专业 :车辆工程 所在单位 :机电工程学院 论文提交日期:2009年12月 论文答辩日期:2010年03月 学位授予单位:哈尔滨工程大学 ClassifiedIndex: U(D(C: forthe of ADissertation M(Eng Degree onMechanical Study EnergyStorage VehicleCrash TestingEquipment ? 一 '一 Candi Qi date:Jiang Xu Supervisor:Prof(Zhang Academic iedfor:Masterof Appl Engineering Degree Speciality:VehicleEngineering Dateof Submission:December，2009 广 DateofOral Examination:March，2010 University:HarbinEngineeringUniversity 哈尔滨工程大学 吣 学位论文原创(性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 10 1 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 ， 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。(，一 作者 签字 :嬲 日期: 扣f?? 年多月 f上日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 口 本论文 回往授予学位后即可 口在授予学位12个月后 解密后 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 乞? 翩c四:j缈 x日 之o【o年s月l 哈尔滨T程大学硕十学位论文 摘 要 汽车安全性包括主动安全性和被动安全性，相对主动安全性而言，被动 安全性对保护乘员安全具有更重要的意义，而碰撞试验又是汽车被动安全性 研究最重要的研究方法，这就需要功能齐全的碰撞试验台。 本文在对比分析国内外汽车碰撞试验台的基础上，给出了机械蓄能式汽 车碰撞试验台的总体，#设计方案#实现了整车与台车双重试验功能。试验 台的设计研究主要包括以下几个方面: 首先，设计了牵引导向机构。为了满足法规对加速度恒定的要求，设计 了恒扭矩机构，实现了将输入轴的非恒力转化为输出轴的恒力。设计了主辅 导向机构，共同保证被试车辆的运动方向。 其次，设计了脱开机构。对脱开过程进行了动力学、运动学仿真，根据 仿真结果得到了接触面上最大接触力值，同时在最大接触力状态下对挂钩机 构进行了强度校核及以质量最小为目标的拓扑优化，减少了加速过程中的能 量消耗，保证了碰撞速度。 最后，设计了碰撞缓冲吸能装置。分别对不同参数的钢管组合结构及薄 壁管结构进行数值仿真，得到了不同参数对结构吸能特性的影响规律，并在 此基础上优化各自结构参数，得到了符合法规要求的碰撞缓冲吸能装置，可 以应用于台车模拟碰撞试验。 试验台即可进行实车碰撞试验又可进行台车模拟碰撞试验，提高了实用 性，对进一步开展汽车被动安全及乘员损伤评价等方面的研究具有重要的意 k 义。 41b ? 关键词:机械蓄能;牵引导向机构;脱不机构;碰撞缓冲吸能装置 哈尔滨T程大学硕十学位论文 ABSTRACT The ofthevehicleincludesinitiative and safety safety passivesafety( in toinitiative on has Compared safety,thestudypassivesafetygreatsignificance testisoneofthemost methodsofvehicle important passengerprotection(Crash with function( needscrash passivesafetystudy,whichtestingequipmentcomplete Theoverallschemeofmechanical vehiclecrash design energystorage testing hasbeen forwardonthebasisof thedomesticand equipment put studying crashand internationalvehiclecrash finishedvehicletest testingequipment(Both sledcrashtestcanbeconductedinthis onthecrash equipment(Thestudy testing hasbeenconductedin equipment followingaspects( mechanismhasbeen ordertomeetthe Firstly,drawing designed(In ofconstant mechanismhasbeen acceleration，constanttorque requirements toobtainconstant mainand mechanisms designed torque(The auxiliaryguidance havebeen to the directionofthevehicle( guarantee designed moving imum mechanismhasbeen contact Secondly,detaching designed(The forceintheinterfacehasbeenobtained the andkinematics byanalyzingdynamics calibrationand ofthe disengagementprocess(Thestrength topologyoptimization withthe ofminimumhavebeencarriedouttoreduce target quality energy and the ofthevehicle( guarantee consumption velocity been crash has Thirdly,crashenergyabsorptionequipment designed(The h simulationsof steeltubestructureandthin―walledtubestructurehave ( composite have beenconducted(The ofdifferent energyabsorptiondisciplines parameters been thebasisofthese havebeen acquired(On disciplines， structuralparameters obtained areasonablecrash structurehasbeen optimized，and energyabsorption whichcallmeetthe thisstructurecanbeusedinsimulationcrash regulations(And test( 哈尔滨T程大学硕十学位论文 Not finishedvehiclecrashtestbutalsosimulationcrashtestcanbe only achievedinthe has inthe onvehicle greatsignificance k testingequipment(It study passivesafety( rds: mechanical Keywo energystorage;drawing mechanism;crash energyabsorptionequipment 哈尔滨T程大学硕十学位论文 目 录 第1章绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„”1 1(1课题研究背景及意义„„„„„„„„„„„„„„„„„„”1 1(2汽车碰撞试验概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„”2 1(2(1实车碰撞试验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„??3 1(2(2模拟碰撞试验„„„„„„„„„„„„„„„„„„„??5 1(3国内外汽车碰撞试验研究现状„„„„„„„„„„„„„„??5 1(3(1 国内研究现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„??5 1(3(2国外研究现 状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„??6 1(4本文主要研究内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„”7 第2章机械蓄能式汽车碰撞试验台总体方案„„„„„„„„„„??9 2(1试验台功能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„??9 2(2试验台技术要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„??9 2(3试验台测试参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 2(4试验台系统结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„??11 2(5试验台机械系统方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„”11 2(5(1牵引导向机构设计方案„„„„„„„„„„„„„„„11 2(5(2脱开机构设计方案„„„„„„„„„„„„„„„„„13 2(5(3碰撞缓冲吸能装置设计方案„„„„„„„„„„„„„14 2(5(4总体设计方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 2(6本章„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 第3章牵引导向机构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3(1系统初始条件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17 3(2钢丝绳直径计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 3(3卷筒设计与强度分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„18 3(3(1卷筒设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 哈尔滨‘r稗大学硕十学位论文 3(3(2卷简强度分 析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3(4恒扭矩机构设 计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 , 3(4(1摩擦扭矩计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22 q 3(4(2恒扭矩机构结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„24 3(5飞轮设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 3(5(1飞轮转动惯量„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 3(5(2飞轮尺寸设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28 3(5(3飞轮模态分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29 3(6电机的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34 3(7导向机构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 3(7(1主导向机构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 3(7(2辅导向机构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„36 3(8本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„”37 第4章脱开机构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„38 4(1挂钩机构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„39 4(1(1挂钩机构尺寸初步确 定„„„„„„„„„„„„„„„??39 4(1(2释放力计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„39 4(2挂钩机构动力学运动学仿真„„„„„„„„„„„„„„”42 4(2(1仿真模型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„43 4(2(2结果分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„44 4(3挂钩机构强度分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„46 t、^ 4(4挂钩机构拓扑优化„„„„„„„„„„„„„„„„„„„48 4(4(1拓扑优化法简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„48 ? 4(4(2拓扑优化模型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„49 4(4(3拓扑优化结果„„„„„„„„„„„„„„„„„„„50 4(5推力小车结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5l 4(6推力小车拓扑优化„„„„„„„„„„„„„„„„„„„52 哈尔滨T稃人学硕十学位论文 ii i宣ii暑i叠;i;暑 4(6(1拓扑优化模型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„52 4(6(2拓扑优化结果„„„„„„„„„„„„„„„„„„„53 , 4(7本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„54 q 第5章碰撞缓冲吸能装置仿真研究„„„„„„„„„„„„„„55 5(1碰撞缓冲吸能装置的种类„„„„„„„„„„„„„„„„55 5(1(1液压缓冲吸能装 置„„„„„„„„„„„„„„„„„55 5(1(2塑料缓冲吸能装置„„„„„„„„„„„„„„„„„56 5(1(3金属缓冲吸能装置„„„„„„„„„„„„„„„„„56 5(2碰撞缓冲吸能装置仿真研究基础„„„„„„„„„„„„„57 5(3钢管组合结构吸能特性仿真研究„„„„„„„„„„„„„58 5(3(1钢管组合结构有限元模型„„„„„„„„„„„„„„59 5(3(2不同长度钢管组合结构吸能特性对比„„„„„„„„„61 5-3(3不同中心距钢管组合结构吸能特性对比„„„„„„„„61 5(3(4不同厚度钢管组合结构吸能特性对比„„„„„„„„„63 5(3(5不同截面尺寸钢管组合结构吸能特性对比„„„„„„„??64 5(3(6优化钢管组合结构吸能特性„„„„„„„„„„„„„65 5(4金属薄壁管结构吸能特性仿真研究„„„„„„„„„„„„67 5(4(1薄壁管结构有限元模型„„„„„„„„„„„„„„„67 5(4(1不同截面形状薄壁管结构吸能特性对比„„„„„„„„68 5(4(2不同厚度薄壁管结构吸能特性对比„„„„„„„„„„69 5(4(3有无诱导槽薄壁管结构吸能特性对比„„„„„„„„„71 h 5(4(4优化薄壁管结构吸能特性„„„„„„„„„„„„„„72 5(5本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„73 誓 论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„75 结 参考文 献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„76 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成 果„„„„„„„„„81 致 谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(82 哈尔滨T稃大学硕十学何论文 第1章 绪论 , 1(1 课题研究背景及意义 ? 自1886年德国人卡尔(本茨发明了汽车之后，汽车就随着时代的步伐而 迅速发展，汽车的安全性问题就随之产生。根据国外对大量碰撞 事故的统计 研究表明，在所有碰撞事故中，前部碰撞的比率占到50,以上，并且乘员也 大多在这一类事故中受伤或死亡，如图1(1所示。此外，受伤程度还与相对 碰撞速度有很大的关系，统计数据表明，碰撞中乘员受伤最多的速度区域为 40km,h,60km,h，这说明事故多发生在汽车高速行驶中?1。从以上分析可看 出，汽车安全性问题已成为当前一个极为重要的研究课题。 5。3, 4(7, 3(7, 0(4, n(9 36(1, 8(O 7(4,4。4, 2(4, 图1(1美国车辆碰撞发生部分统计 汽车安全性主要包括主动安全性、被动安全性、事后安全性和车外安全 性。在汽车安全性的研究中，汽车被动安全性的研究是最为重要的内容埘。 主动安全性是指汽车能够识别潜在的危险因素自动减速，或当突发的因素作 扒 用时，能够在驾驶员的操纵下避免发生碰撞事故的性能p’。汽车被动安全性 ? 是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或车外行人进行保护， 以免发生伤害或使伤害减低到最低程度的性能p1。数据表明，汽车的主动性 再好也只能避免5,的事故发生p1。因此，如何提高汽车的被动安全性，使其 在碰撞中尽可能减少伤亡是被动安全性研究的主要内容。 哈尔滨丁程人学硕十学位论文 对于汽车被动安全性的研究主要分为试验方法和计算机仿真方法两大 k 类。试验方法是与事故情况最接近，也是检验汽车被动安全性最直接最有效 的方法嘲。但因为试验方法往往需要实车作为基础，花费昂贵，所以通常通 q 过计算机仿真方法首先对车身主要吸能结构进行仿真研究，确定合理的结构 参数，并对其进行优化减少制造成本，为整车有限元模型的建立及以后的实 车碰撞试验提供依捌7。射。计算机仿真方法又分为多刚体动力学法和有限元法 等。他们共同的特点是都需要对给定的碰撞对象建立模型，并应用相关求解 器对所建立的模型求解以获得碰撞时的各个参数唧。计算机仿真研究具有周 期短、费用低、可重复、不受时间、空间、气候等条件限制的优点，但并不 是说计算机仿真可以完全脱离试验或完全代替试验。这是因为计算机仿真方 法中所建立的整车或人体模型，本身存在很多局限性，不可能完全反映真实 的碰撞过程。因此，计算机仿真结果的正确与否最终需要试验来验证p哪。这 也说明了汽车碰撞试验在被动安全性研究中占有重要地位。 为了能够对汽车被动安全性进行更为准确、深入的研究，功能完善的碰 撞试验台就显得至关重要。性能可靠、控制准确的碰撞试验台可以保证被试 车辆准确的碰撞速度;稳定的采集系统可以保证试验数据的精 确;功能完备 的碰撞试验台更可以进行汽车上某些安全部件 如保险杠、座椅等 的冲击 或碰撞试验??，为乘员保护装置的优化改进设计提供试验基础，也为进一步 研究汽车被动安全性提供了可能。 1(2汽车碰撞试验概述 汽车碰撞试验主要分为两大类:实车碰撞试验和模拟碰撞试验。实车碰 撞试验是指用真实汽车整体进行碰撞的，这种试验方法能真实反映汽车碰撞 的综合指标，是模拟试验不能取代的?习。从降低成本、方便对某专项进行重 复性试验、人为改变试验环境等方面出发，往往采用模拟试验方 法。例如台 车、台架试验，就是在试验台上模拟出实车碰撞来进行某些零部件的单项试 验的。 2 哈尔滨’I:稃人学硕十学位论文 1(2(1 实车碰撞试验 k 实车碰撞试验主要用来对已开发出的成品车型进行按法规要求的试验。 实车碰撞试验属破坏性试验，其试验费用是可想而知的。因此，实车碰撞试 ? 验室造价较昂贵，一般需要牵引装置、高速摄影装置、车载记录仪等设备。 实车碰撞试验按目的可以分为三大类: 208、ECE 1、由政府法规要求的强制性试验:例如FMVSS R94法规规 定的正面碰撞试验及侧面碰撞试验等。 2、由汽车制造厂自己制订的碰撞试验方法:用于提出改善汽车碰撞安全 性的新措施、用于安全气囊控制单元的设定等。 3、为消费者提供信息的试验:例如美国、德国、日本、英国等国家实施 CarAssessment 的新车评价程序 NCAP--New Program 。在充分研究并借鉴 其他国家NCAP发展经验的基础上，结合我国汽车、技术和经济发展水 平，中国汽车技术研究中心建立了C(NCAP 中国新车评价规程 。汽车安全 法规中规定了应达到的最低安全性能要求，C(NCAP通常以更高的车速进行 正面碰撞试验，以展示汽车产品的碰撞安全性能。C(NCAP将汽车的碰撞安 全性划分为五个星级，五星级的汽车具有最优秀的碰撞保护性能‘13。41。 实车碰撞试验按碰撞形式又可分为固定壁碰撞试验、移动壁碰撞试验、 翻滚试验、抗翻滚试验等。 1、固定壁碰撞试验 固定壁碰撞试验是汽车上市之前C(NCAP对被试汽车进行测试最常用的 试验方法。即把被试车辆加速到指定的碰撞速度，然后与固定壁进行碰撞。 k 通常情况下，汽车碰撞方向与固定壁垂直。由于固定壁的情况是不变的，可 以取得固定的试验特性，并且可以反复进行同样的撞车试验，因此可以用固 堑 定壁碰撞试验来评价汽车的安全性能。这也是这种试验方法的优点。 根据碰撞范围的不同可以分为全宽碰撞和偏置碰撞，如图1(2，1(3所示。 汽车碰撞方向也可以和固定壁成一角度，有时还可以在固定壁前面附加各种 形状的障碍物，以研究汽车在不同碰撞情况下的特性?卯。 3 哈尔滨一I:程人学硕十学何论文 图1(2正面100,重叠刚性壁障碰撞试验 图1(3 正面40,重叠可变形壁障碰撞试验 ( 2、移动壁碰撞试验 移动壁碰撞试验是在能行走的平台车上装有一定撞车面积的可移动壁， 加速到一定的速度后，用它来碰撞处于静止状态的试验车，如图1(4所示， 这种试验方法在检查被试车辆的侧撞和尾撞安全性时使用，可以检测碰撞后 侧门可否开启，是否有漏油现象等等。 ?一 图1(4移动壁障碰撞试验 3、翻滚试验 汽车翻滚试验是为了测试汽车在翻滚情况下对乘员的保护情况。试验 时， 车内设置模拟假人，汽车翻滚后可以测试汽车的扳金件、车身外壳、座椅、 安全带、安全气囊或气帘、翻滚护架 敞篷车 等对乘员的保护程度。 4、抗翻滚试验 汽车抗翻滚试验是为测试汽车在紧急避让情况下 如:急打方向盘，或 4 哈尔滨T程大学硕+学位论文 在高速、湿滑路面等 的抗翻滚性能。这种试验在室内进行时,般无人驾驶， 在露天路面上试验时常有人驾驶，但会对车辆进行特殊的加固。 1(2(2模拟碰撞试验 模拟碰撞试验的目的是鉴定乘员的保护装置和车内机构对惯性力的强 度 特性。实际撞车时出现的减速度波形是非常复杂的，要把它在台车上表现出 来是非常困难的。因此，在台车与刚性墙之间安装有碰撞缓冲吸能装置，台 车通过与碰撞缓冲吸能装置相撞，产生与真实碰撞近似的减速度波形。通过 台车模拟碰撞试验可以进行乘员保护装置的性能评价和零部件的耐惯性力试 验。与实车碰撞试验相比，模拟碰撞试验具有再现性好、费用低、试验工时 少等优点。根据碰撞波形的不同，台车模拟碰撞试验台有冲撞型 弹射式， 减速式 和发射型 反推式、加速式 两大类pq。 1(3 国内外汽车碰撞试验研究现状 1(3(1 国内研究现状 我国从80年代后期才开始进行系统的汽车碰撞试验，虽然起步较晚，但 己取得一定成绩。我国多家汽车研究机构及高校都成立了汽车碰撞试验室， 清华大学于1991年最早建成了台车试验台，开始了汽车被动安全性的研究。 东风汽车工程研究院于1995年建成了汽车碰撞试验室，既可进行模拟碰撞试 验又可进行实车碰撞试验，该试验室可用于汽车零部件和整车的安全性法规 认证。湖南大学汽车碰撞试验室几年前投入应用并于今年顺利通过相关部门 验收，成为国家重点实验室。目前我国现有的汽车碰撞试验台见表1(1所示。 我国于1992年5月31日进行了国内首次小客车实车碰撞试验，1998年6月 18日进行了国内第一次轿车实车碰撞试验。2000年，国家关于被动安全保护 法规强制项目一《正面碰撞法规》的出台，标志着中国汽车碰撞试验的研究 进入了一个新的阶段?”。 5 哈尔滨门掣人学硕十学位论文 表1(1国内现有汽车碰撞试验台 国家汽车质 国家汽车质 北京通县试验 中国汽车技 单位名称 清华大学 量监督检验 量监督检验 场 术研究中心 中心 K春 中心 襄樊 跑 轨 道长 400 40 43 53 120 历 100 150 70 100 180 固定壁障 f 直流电机 直流电机 牵引方式 橡皮绳 橡皮绳 橡 皮绳 开环索引 闭环索引 测量系统 拖线 拖线、车载 拖线 车载 拖线、车载 碰撞广场 无 有 无 无 有 摄影地坑 有 有 无 无 有 室内 待封 室内或室外 室内 室外 室外 室 内 闭 较短距离加 加速容易 较短距离加 较短距离加 加速容易 优点 速快 性能可靠 速快 速快 性能可靠 速度控制困 速度控制困 速度控制困 缺点 成本高 成本高 难 难 难 1(3。2国外研究现状 国外进行汽车碰撞试验比较早，在30年代即开始进行简单的实车碰撞试 验，50年代之后发展了台车模拟碰撞试验。美国Ford公司的实车碰撞 系统 能进行5f以下、车速低于200kin,h的正碰和300角的前碰撞模拟试验。英国 MIRA在欧洲最早建立了全尺寸汽车碰撞设备，其牵引动力为直线电机。法 国UTAC 尺寸的汽车碰撞系统，并能进行侧碰撞试验11?91。此外，国外已不始采用试 验时不损坏整车、重复性好的汽车模拟碰撞试验装置，如美国Bendix公司制 6 哈尔滨下稃大学硕十学何论文 造的HyGe试验系统;VIA公司、MTS公司自行研制的小型模拟碰撞系统等 等。这些装置对结构件、乘员保护系统以及假人的研究都提供了精确有价值 的数据阻211。 1(4本文主要研究内容 本文在分析国内外现有汽车碰撞试验台优缺点的基础上，提出机械蓄能 式汽车碰撞试验台的设计方案。试验台采用飞轮作为蓄能元件，为被试车辆 提供动力，在可以进行实车碰撞试验的基础上也可以台车代替实车，进行汽 车零部件及乘员保护装置的性能检测试验。本文以机械蓄能式汽车碰撞试验 台机械结构部分为主要研究对象，主要做了以下几方面的工作: 1、在分析对比国内外现有汽车碰撞试验台优缺点的基础上，对试验台 牵 引导向机构、脱开机构以及碰撞缓冲吸能装置给出初步设计方案。 2、依据碰撞法规对碰撞试验的要求，设计试验台牵引导向机构并进行 强 度校核，满足了法规对加速过程中加速度恒定的要求。 3、设计脱开机构。对脱开过程进行动力学及运动学仿真，得到了挂钩机 构接触面上最大接触力值，并在最大接触力状态下对挂钩机构进行强度校核， 以保证强度要求。同时，为了尽量减少脱开机构对能量的消耗，对挂钩机构 及推力小车在满足强度的前提下进行以质量最小为目标的拓扑优化，得到优 化结构。 4、对碰撞缓冲吸能装置进行数值仿真，建立钢管组合结构以及薄壁管结 构有限元模型，在LS(DYNA中分别改变模型的几何参数分析不同参数对减 速度曲线的影响规律。并根据仿真结果优化结构参数，得到符合法规要求的 碰撞缓冲吸能装置结构。 本文的主要研究内容及逻辑关系如图1(5所示。 7 哈尔滨‘r稗人学硕十学位论文 , 一谏题甬旃兔背氯 国内外汽车碰撞试验台的研究现状 q 第一章 装置的仿真研究 k 石 机械蓄能式汽车碰撞试验台机械系统 图1(5本文的主要内容及逻辑关系 8 哈尔滨T程大学硕十学何论文 第2章机械蓄能式汽车碰撞试验台总体方案 试验台的方案设计必须满足法规对碰撞试验的要求。本章依据碰撞法规 的内容给出试验台的功能、技术要求以及测试参数等，并在对国内外现有汽 车碰撞试验台优缺点对比分析的基础上对试验台进行总体方案设计。 2(1 试验台功能 机械蓄能式汽车碰撞试验台主要功能可以概况为以下三点阎: 1、运动学方面，可以进行实车与固定壁的碰撞试验，检测汽车在不同 碰 撞速度下的碰撞特性;同时为了增加试验台的使用范围，可以以台车代替实 车与碰撞缓冲吸能装置碰撞以模拟出实车碰撞时的减速度波形，使其可以进 行汽车上某些零部件的碰撞检测试验，如保险杠、座椅、安全气囊、安全带 以及汽车内饰物等。 2、控制方面，可以精确控制加速机构、脱开机构的动作进程，准确的实 现被试车辆的加速及脱开。 3、数据采集，通过对被试车辆上安装的传感器进行检测，准确记录被试 车辆在碰撞过程中各种测试参数的变化情况。 2(2试验台技术要求 碰撞试验台无论是进行实车碰撞试验或是台车模拟碰撞试验，都需要严 格遵守碰撞法规的要求，以保证测试数据的准确性。碰撞法规中对试验条件 的具体要求如下: 1、碰撞速度为50km,h 60km,h 试验速度不得低于48km,h ，车速 的测量应该在被试车辆撞击固定壁之前进行l咎241。 2、在进行乘员保护装置测试时必须保证被试车辆在加速过程中加速度恒 出122l ^匕0 3、汽车碰撞固定壁之前的路线上横向任何一个方向偏离理论轨迹不得超 9 哈尔滨丁稃人学硕+学位论文 过15cm‘251。 4、固定壁至少宽3m，高1(5m，必须能覆盖被试车辆前部。固定壁表 面垂直于车辆运行的方向，碰撞时固定壁的运动不能大于车辆永久变形的 l,闭。 5、当试验台以台车代替实车进行汽车零部件试验时，台车碰撞后的减 速 度波形需在如下曲线范围内，如图2(1所示防281。 30 3 20 蜊 型 10 -#? 0 213 40 60 80 时N ms 图2(1台车试验要求的减速度波形范围 2(3试验台测试参数 碰撞试验的时间非常短暂，通常只有0(1--一0(2s，这个过程很难用 一两个 简单的参数指标进行全面的评价，试验中测量的参数按测试目标可分为被试 车辆以及假人两大类四。 对被试车辆主要测量的有以下参数四: 1、汽车的行驶速度，以检测碰撞速度是否符合法规的要求。 2、速度变化差，汽车碰撞开始与终结时速度的差值。 3、碰撞中汽车的减速度，通常以重力加速度g的倍数来表示此值大小， 以最大减速度值作为衡量碰撞剧烈程度的重要指标。 假人通常是对身体各个部位的加速度值与位移变形量进行测量，通过在 仿真假人上安装加速度计、负载传感器、运动传感器等来测量头部、颈部、 10 哈尔滨T稃大学硕十学何论文 胸部、大腿、膝盖、小腿及脚踝部位的加速度值、所受作用力的大小以及被 压缩量等‘”,。 通过试验中测得的数据对车身结构及乘员保护装置做出评价，并为以后 对汽车结构耐撞性分析以及乘员保护装置的改进优化设计提供基础。 2(4试验台系统结构 机械蓄能式汽车碰撞试验台主要包括以下几个部分:机械系统、电测量 系统、序列图像运动分析系统，如图2(2所示。本文中只针对试验台的机械 结构部分进行具体设计。 机械蓄能式汽车碰撞试验台 序列图像运动分析系统 电测营系统 机械系统 I l l I 碰 (毫 图 图 撞 数 像 缓 像 引 据 采 处 导 冲 处 集 理 吸 向 理 系 能 系 机 器 统 统 装 构 置 图2(2机械蓄能式汽车碰撞试验台系统结构图 2(5试验台机械系统方案 试验台机械系统部分共分三部分:牵引导向机构、脱歼机构、碰撞缓冲 吸能装置。每一部分机构的工作状态都影响着碰撞试验是否符合法规要求， 试验数据是否真实可信。本节根据法规对于上述机构工作状态的要求对其进 行初步方案设计，以得到试验台机械系统部分的总体方案。 2(5(1 牵引导向机构设计方案 哈尔滨。l:稃人学硕十学位论文 1、牵引机构设计方案 目前国内外碰撞试验台主要采用以下几种牵引方法: ’ 1 牵引式 使用牵引车。其特点是需要大型牵引车，动力损失较大，需要较长的加 速距离，撞车速度要靠司机调整。优点是试验容易、成本低。 使用驱动转毂。其特点是驱动转毂尺寸小，节省动力，牵引钢丝绳可循 环使用，但钢丝绳必须张紧，使用过程中振动较大。 使用直线电机。其特点是可以在较短距离中达到较高的速度，控制精度 高。因为直接牵引试验车，故不会发生由于钢索等原因而产生的故障，适合 于室内试验。缺点是成本高。 2 重力式 重锤下落。其特点是如果提高可动滑轮的速比，在短的行程中可以达到 较高的速度。缺点是在重锤、钢索、滑轮和试验车的连接中产生的动力损失 较多，速度精度不高。 3 下坡行驶。 其特点是不需要特殊的加速装置，为了达到撞车速度，行驶距离要长， 并且试验车的姿态不是水平的。速度调节比较困难。 4 发射式 橡皮绳弹射式。其特点是可以在较短的加速距离内产生较高的碰撞速 度。 缺点是速度控制较为困难，被试车辆起步时的牵引加速度很大。 5 液压马达牵引式 这种方式在国外先进的碰撞试验室普遍采用，如美国的VRC。其特点是 与电机相比，更节省电力，且不受电压波动的影响。缺点是整套设备价格昂 虫 贝o 6 自动行驶式 遥控驾驶。其特点是需要在试验车上安装特殊的自动驾驶设备，成本较 高，但速度控制容易‘3蜩。 12 哈尔滨’I:程人学硕十学位论文 在分析目前普遍采用的牵引方式优缺点的基础上，本试验台采用机械蓄 能式牵引方式，将飞轮作为蓄能元件为被试车辆提供动力，降低了动力机的 功率。这种方式能量损失较小，加速路程较短，相比于橡皮绳弹射式，机械 蓄能式可以更精确的控制被试车辆的碰撞速度，并且结构相对简单。 2、导向机构设计方案 我国最新的碰撞法规CMVDR294中规定，碰撞试验中汽车达到固定壁 之前的路线在横向任何一方向偏离理论轨迹均不得超过15cm。被试车辆在 达 到碰撞速度后处于自由滑行状态，运动方向处于不稳定的状态中，因此导向 机构必须准确、可靠，并适合应用不同车辆进行碰撞试验。对导向机构有两 种设计方案: 方案一:试验前在被试车辆地盘上焊接导向轴承，通过导向轴承与轨道 的配合来限制被试车辆的运动方向。 方案二:不对被试车辆直接安装导向机构，在跑道两旁布置钢管，钢管 外套有塑料管，当被试车辆跑偏碰撞到钢管后，塑料管在钢管上滑转，避免 了纯滚动摩擦。同时，对推力小车与释放小车设置辅导向机构，通过对其导 向来间接保证被试车辆运动方向的准确性。 对比上述两种方案，方案一优点是导向精确，被试车辆的运动轨迹准确。 缺点是一方面每次试验前都要焊接导向轴承，增加了准备工作，也容易破坏 车辆的底盘结构，有可能对试验结果造成影响。另一方面，导轨必须通到固 定壁，其宽度会影响地沟中的摄像角度。方案二优点是不需另加导轨及减少 了试验前准备时间，结构相对简单，但缺点是被试车辆的运动轨迹不如方案 一准确。对比分析以上两种方案，虽然方案二中被试车辆运动方向不如方案 一准确，但可以通过辅导向机构间接修正被试车辆的运动轨迹，并且导轨两 旁的钢管装置可以根据不同被试车辆的车宽调节，应用相对更加广泛。因此 导向机构采用方案二。 2(5(2脱开机构设计方案 13 哈尔滨-r程大学硕十学何论文 在进行碰撞试验时，当被试车辆达到碰撞速度后要瞬间卸载驱动力使 其 在自由滑行状态与固定壁碰撞。这就需要脱开机构动作准确、可靠。依此， 提出两种设计方案: 方案一:不安装脱开机构，在被试车辆上安装钢丝绳固定装置，钢丝绳 直接牵引被试车辆，达到预定速度后卸载牵引力。 方案二:设计脱开机构，当被试车辆达到预定速度后，直接由程序控制 实现脱开。脱开机构分别安装在推力小车与释放小车上，一同运动在特定的 轨道上。 对比以上两种脱开方案，方案一优点是不需要另加脱开机构，被试车辆 在加速过程中处于稳定状态，导向机构受力较小。但缺点是不同的被试车辆 要采用不同的安装方法，大大增加了试验前的准备工作。方案二虽然增加了 试验台结构的复杂性，但保证了碰撞速度的准确性，同时减少了试验前的准 备工作。因此采用方案二，设计挂钩组合机构来实现脱开动作，移动挂钩安 装在释放小车上，固定挂钩安装在推力小车上，通过程序控制挡板的运动实 现脱开。这种脱开方式安全准确，挂钩机构只能按预定的动作方式实现脱开， 不会出现意外。 2(5(3碰撞缓冲吸能装置设计方案 在进行台车模拟碰撞试验时，国内外目前普遍采用的碰撞缓冲吸能装 置 有以下几种:液压缓冲吸能装置、塑料缓冲吸能装置，机械式缓冲吸能装置。 液压缓冲吸能装置对减速度波形控制精确，但研制比较困难，价格昂贵;塑 料缓冲吸能装置耐磨性好、可重复使用，但对温度要求比较严格。在综合对 比分析后，试验台选用机械式缓冲吸能装置。机械式价格相对较低，并可通 过数值仿真方法根据特定的减速度波形设计出相应的组合结构形式，研制较 为容易。 2(5(4总体设计方案 试验台机械系统部分主要包括牵引导向机构、脱不机构以及碰撞缓冲吸 14 哈尔滨‘『:稃大学硕十学何论文 能装置。机械蓄能式汽车碰撞试验台工作原理如图2(3所示。 试验台的工作原理如下:首先由电机1通过减速器2将飞轮3(加速到 220r,min。由于飞轮具有足够大的转动惯量，当转速达到预定值时，即可储 存足够的能量，当飞轮的转速达到预定的转速后，按程序控制，此时，制动 器5得电解除制动，电磁离合器4吸合，飞轮将能量传递到恒扭矩制机构6 上。在保证飞轮传递给恒扭矩机构的驱动力矩始终大于其产生的摩擦力矩的 条件下，恒扭矩机构传递给卷筒7的扭矩是恒定的 此扭矩值可以通过改变 恒扭矩机构中弹簧的压缩量，即改变正压力来调节 ，即可以保证对被试车 辆 的牵引力是恒定的，满足法规中对加速过程加速度恒定的要求。当被试车辆 加速到碰撞速度时，由程序控制，释放小车9上的丝杠机构运动将挡板抽出， 同时制动器制动，卸载牵引力，挂钩机构完成脱开动作，被试车辆以自由滑 行状态碰撞固定壁。整个碰撞过程保证了被试车辆加速度恒定的要求。其中 脱开装置为可拆卸机构，便于试验台进行台车模拟碰撞试验。 图2(3机械蓄能式汽车碰撞试验台原理 15 哈尔滨T程大学硕十学位论文 2(6 本章小结 本章主要依据碰撞法规的要求对机械蓄能式汽车碰撞试验台机械结构部 分进行方案设计。 1、依据碰撞法规的要求确定了机械蓄能式汽车碰撞试验台实现的功能、 需满足的技术要求以及试验中需要测试的参数等。 2、在满足法规要求的基础上，通过对国内外现有碰撞试验台对比分析， 给出了机械蓄能式汽车碰撞试验台机械结构部分的设计方案，即采用飞轮蓄 能作为动力源，牵引机构中设计恒扭矩机构以保证输出恒定的牵引力，采用 后推式对试验车加速，脱开动作由安装在推力小车及释放小车上的挂钩机构 共同完成，试验台初步设计方案基本满足了法规对于碰撞试验的要求。 16 哈尔滨-T程大学硕十学11c7:论文 第3章 牵引导向机构设计 汽车被动安全性的研究离不开实车碰撞试验，而实车碰撞试验又是一种 高速、大冲击、花费巨大且不可多次重复性的试验。因此牵引机构必须安全、 准确、可靠、控制精度高，能将被试车辆准确加速到碰撞速度，并可以根据 不同碰撞试验要求提供不同的碰撞速度。因此，牵引机构的设计是汽车碰撞 试验台的关键。 目前国内外现有碰撞试验台常用的牵引机构有:电力牵引、橡皮绳牵引 和弹射式牵引等几种方式。电力牵引具有控制精度高、适应性强等特点，但 电控系统结构复杂;橡皮绳牵引式结构简单、价格便宜，但控制精度低，对 碰撞速度的调节很困难。弹射牵引式加速距离较短、但不能实现恒定加速度 加速，不符合法规中对乘员保护装置检测试验的要求，有一定的局限性。通 过上文对以上几种牵引方式的对比分析，试验台设计为机械蓄能式牵引机 构， 这种机构具有能量损失小、控制精度高、适应性强、可以保证加速过程中加 速度基本恒定的优点。 3(1 系统初始条件 碰撞试验初始条件:轿车以福特皮卡车型为例，车重为1(5吨。考虑到 碰撞试验台的占地，设定试验前轿车与固定壁的距离为13m，其中加速距离 为lOre，碰撞速度为50kin,h，由于汽车是以滚动的方式加速的，所以摩擦 阻力忽略不计。 轿车在轨道上从静止开始以恒定加速度加速到50kin,h，根据运动学位 移和速度的基本方程: 。3(1 Js vot+j1口r2:争Js;三口r2 y;at I'， Vo+atI 由式 3-1 可得: 17 哈尔滨rr程人学硕十学何论文 tS44(1:01―x2―:S―2―: ―― ―― (44s ’， 13(89 s2S― a,m6(9:011x―2―;s_2―。z―?。―― 12( t2 1(442 推力小车与释放小车在加速过程中加速度与被试车辆相同，牵引小车与 释放小车质量定为0(5吨，由牛顿第二定律可得作用在释放小车上的牵引力 即钢丝绳上的拉力为: F ma 1(5×103+o(5×103 ×9(6 1(92×104N 3(2钢丝绳直径计算 由机械设计手册得: d;C石 3(2 式中:d――钥丝绳最小直径，mm; C――选择系数: S――钢丝绳最大工作静拉力，?; 式 3(2 得: d:c?i;0(1×圻(92×104:14mm 取工作安全系数1(3 查机械设计手册，钢丝绳的选型为: ―1770―IGBll02--74阳。 3(3卷筒设计与强度分析 在汽车碰撞试验的加速阶段，卷筒是牵引机构中主要承载部件。通过卷 筒缠绕钢丝绳牵引释放小车及推力小车从而使被试车辆达到碰撞速度，它在 试验过程中承担全部的牵引力，它的强度及可靠性影响着碰撞试验的准确性 及试验台的使用寿命，因此在对卷筒进行结构设计的基础上，有必要对卷筒 18 哈尔滨一啊窜大学硕十学位论文 强度进行校核，保证试验台安全可靠。 3(3(1 卷筒设计 试验台中的卷筒选用单层单联卷筒，钢丝绳的一端用压块固定在卷筒的 一端。卷筒直径大小由钢丝绳直径决定。因为钢丝绳是挠性件，当缠绕在卷 筒上时，若卷简直径太小则钢丝绳可能因弯曲过大而影响其机械性能。通常 卷筒的直径为20倍钢丝绳直径。 1、卷简基本尺寸计算 卷筒名义直径: 3―3 Dl hd 20x18 360mm 绳槽节距: 3-4 P---d+ 2"-'4 21mm 卷筒的长度: 乙 厶+2厶+厶 3(5 卷筒的长度包括有螺纹槽部分即缠绕钢丝绳部分?、无绳槽部分厶以及 固定钢丝绳所需的长度即挡边部分,:。其中厶，乞都是根据实际工作条件 给 出的，螺纹槽部分的计算公式由式 3(6 给出 协 6， 厶2 等蝎 P 式中:H。。――缠绕在卷筒上钢丝绳的最大长度，mm; D'――卷简的名义直径，mm; Z1――钢丝绳的安全圈数; P――节距，mm; 取H,一lOre，Zl 1(8，P 21mm，计算得k一225mm 19 哈尔滨’I:程人学硕十学位论文 L2―3P 63ram 厶一50ram Ld Lo+2厶+L2 387mm 卷筒长度取L 400ram 卷筒厚度: 3-7 6―0(02D+ 6,10 一20ram 在UG中建立卷筒模型，测得卷筒的转动惯量为: J 16(85kg。，珂2 2、卷简所受力矩估算: 卷简直径360mm，卷筒长400mm。钢丝绳缠绕在卷筒上，其线速度与 轿车碰撞固定壁时的速度相同，所以卷筒的角速度为: 3(8 ?。旦:婴:77(2rdzra,s R ?z一 一 (，S0(18 3(9 转速:，l;60旦:60×旦:738r,min 2at 2×3(14 角加速度为:,;―to,-―too。―77―(2:53(6rad,s2 3(10 t 1(44 卷筒自身转动所需转矩: M le一16(85×53(6 904???m 3(11 3(3(2卷筒强度分析 卷筒在缠绕钢丝绳的过程中主要受到钢丝绳对其的两个作用力:1、未缠 绕到卷筒上的钢丝绳对卷筒的剪力，主要对卷筒造成弯曲和扭转;2、已缠绕 在卷筒上的钢丝绳对卷筒的径向压力。因为卷筒的直径远远大于其厚度，其 截面惯性矩很大，所以一般忽略未缠绕到卷筒上的钢丝绳对卷筒造成的剪应 力和弯曲应力影响p7一。 l、有限元模型建立 因为卷筒的结构、约束、载荷都是对称的，为了节省计算时间，取卷筒 的四分之一模型进行分析嗍。卷筒材料参数如下:P 7800kg,m3， 哈尔滨+l:程大学硕十学位论文 E 210GPa，钢丝绳最大拉力:S。。-1(92x104N。 将建立好的三维模型在HyperMesh中以六面体单元对模型进行网格划 分，忽略卷筒上用于装配的螺纹孔，全部以实体单元代替，以避免出现过多 的畸形单元。卷筒表面的绳槽忽略，同样以实体单元代替，以减少网格数量。 2、边界条件及载荷定义 通过对卷筒工作情况以及装配条件的分析，约束卷筒与轴装配孔表面节 点的所有自由度。由于只取四分之一模型进行分析，在截面处施加对称约束， 认为卷筒只绕对称轴旋转，只在径向上产生位移，轴向上没有位移。 缠绕在卷筒上的钢丝绳对筒壁的压力为: 3(12 P:坠:―2x1(92―x104。6MPa 360x20 Dp 即卷筒缠绕钢丝绳的表面受到6MPa的压力，划分网格并定义完边界条件的 卷筒有限元模型如图3(1所示 图3(1四分之一卷筒有限元模型 3、结果分析 计算后得到的卷筒等效应力云图，如图3(2所示，以及卷筒的受力变形 图，如图3(3所示。从图中可以看出卷筒在缠绕其上钢丝绳压力的作用下有 小幅度的变形，相比于侧板，筒壁变形比较明显，最大变形量出现在筒壁中 部。筒壁中部因为受到缠绕在上面钢丝绳的压力作用，等效应力也比较大， 为105MPa左右，但远远小于材料的屈服极限，强度可以满足要求。通过等 哈尔滨-r程人学硕十学位论文 效应力云图还可以看出，卷筒筒壁的内表面应力值要大于外表面的应力值， 这是因为在筒壁的内表面存在着应力集中的原因。 在实际设计生产中可考虑减小壁厚以减小牵引机构的质量，但为了保证 卷筒的强度及寿命可使用高强度材料。 图3(2卷筒的等效应力云图 图3(3 卷筒的受力变形图 3(4恒扭矩机构设计 碰撞法规规定在进行台车模拟碰撞试验时，试验车加速过程必须是一个 匀加速的过程，即要求被试车辆受到的牵引力是恒定的。若在牵引机构中直 接通过离合器连接飞轮与卷筒，因为离合器的吸合是个瞬时完成的动作，其 结果会导致卷简加速度瞬时增大，不能提供恒定的牵引力，被试车辆的加速 过程就不是个匀加速的过程，这是碰撞法规中不允许的。因此在离合器和卷 筒之间设计了恒扭矩机构，保证扭矩的恒定传递四。 3(4(1摩擦扭矩计算 恒扭矩机构输出的扭矩是由主动摩擦片与被动摩擦片之间的摩擦扭矩提 供的。摩擦片结构如图3(4所示，为一环形摩擦片，外圆半径为R，内圆半 径为r。 摩擦片上受到的压强为: 哈尔滨。f:稃人学硕十学位论文 “ 3(13 胪桐P 在半径为t，厚度为dt的圆面积上的压力为: 3(14 dP叩加茄与何肌器出 摩擦扭矩为: 跏lf(dP 3(15 z R丝2丝-r:2 出 整个摩擦片受到的摩擦扭矩为: 3(16 „卷彩尚饥掣 式中:‖――摩擦片的摩擦系数 P――弹簧受到的正压力，N 尺――摩擦片外径，mm ，――摩擦片内径，mm 当有以对摩擦面互相接触时，将式 3(16 乘以，z 图3(4摩擦片结构图 根据上一节中卷筒的设计计算可得到卷筒自身转动所需的扭矩，则恒扭 哈尔滨一1:稃大学硕十学何论文 矩机构需要输出的扭矩: F 4360N’m M M毪+M 摩擦片，代入式 3(16 ，得到需要给摩擦片施加的正压力为: ?一一三掣里?一(( 8‖ 尺2+R，(+，(2 N。1(5×104N 3(4(2恒扭矩机构结构设计 恒扭矩机构的结构如图3(5所示 1、输出轴2、壳体3、被动摩擦片4、主动摩擦片5、输入轴 6、弹簧7、端盖8、预紧弹簧凋整环9、调整盖 图3(5恒圭H矩机构结构图 24 哈尔滨T稃大学硕十学何论文 恒扭矩机构的工作原理如下:输入轴5的一端与离合器相连，当离合器 吸合，飞轮带动输入轴5旋转。输入轴5与主动摩擦片4为花键联接，被动 摩擦片与壳体之间也为花键联接。当输入轴5上的驱动力矩始终大于恒扭矩 机构产生的摩擦力矩时，机构输出的扭矩与输入轴的输入是无关的，其大小 只与弹簧对摩擦片的J下压力以及摩擦片的摩擦系数有关。这样就实现了将输 入轴5的非恒扭矩转化为输出轴1的恒扭矩。摩擦片上的正压力可通过调节 调整盖5改变弹簧压缩量来改变。预紧弹簧调整环8，使轴承获得稳定的预 紧力。 在碰撞试验中，只要保证正压力、摩擦系数及摩擦片半径不变，即可输 出恒定扭矩，也就保证了卷筒提供给被试车辆的牵引力是一个恒力，并不会 因为离合器的瞬时吸合而发生突变，满足碰撞法规对加速度恒定的要求。此 外，恒扭矩机构输出轴输出的扭矩大小可调，可以根据被试车辆不同的碰撞 速度通过改变弹簧的压缩量即改变正压力来得到特定的扭矩，从而使被试车 辆完成不同速度下的碰撞试验。 3(5 飞轮设计 飞轮的作用有两个:一是通过飞轮储存多余的和补充欠缺的能量以保持 工作机的转速平稳，并改进动力机的工作状况和工作质量。二是通过让飞轮 转速有较大的升降来存储和释放能量，其实质是一个能量储存器，并以此降 低动力机所需的功率。 汽车碰撞试验台的试验过程是一个瞬时且需要巨大能量的过程，寻找合 适的原动机非常困难并且价格昂贵，因此采用飞轮蓄能形式。机械蓄能式汽 车碰撞试验台中飞轮的运用J下是依据飞轮的第二个作用一储能再瞬时释放能 量。 3(5(1 飞轮转动惯量 对于飞轮的设计，最为关键的是确定飞轮的转动惯量。对于降低动力 机 所需功率的飞轮，转动惯量可由下式计算: 25 哈尔滨’r:稗人学硕十学位论文 式中:，，――飞轮转动惯量，船。m2; ?彬。――飞轮最大盈亏功，，; 6’――速度不均匀系数，由式 3(21 确定; ?。――一个周期内飞轮最大角速度，rad,s; ‘――其他运动件等效转动惯量，姆??m2; 由于在牵引机构中，其他运动件等效转动惯量相对飞轮很小，所以可以 略去，。，则式 3(17 变为?1: 1、最大盈亏功?彬。计算 最大盈亏功是指当原动机输出功率有周期波动时，在一个周期内等效构 件最大能量与最小能量的差值。牵引机构中，最大盈亏功就等于飞轮降速前 后其动能的变化，即外界从飞轮所获得的能量。 3-19 ?? -Em,一kin-"111， 吒一《。 ?+,+职+暇 式中:，，――飞轮转动惯量，姆??m2; ?。――飞轮释放能量前的角速度，rad,s; ?。――飞轮释放能量后的角速度，rad,s; ,――被试车辆获得的动能，J; ,――卷筒获得的动能，(，; 暇―恒扭矩机构获得的动能，J; 睨――-恒扭矩机构摩擦损失的热量，J; 彬;一1胁1，2。一1×1(5×103x13(892;1(45×lOSJ 哈尔滨T稃人学硕十学何论文 ,:昙，卷筒?2:i1×16(85×772 4(99×104J 比 丢J扭?2 i1×9(57×772 2(83×104J x x 10 6(2103J 哌 Q币 615 ?? ,+,+嵫+呢一2(25xlO’J 2、速度不均匀系数6确定 速度不均匀系数6是衡量机械速度波动的程度，定义公式如下: ? ,。+?。 ,2 式中:?――一个周期内等效构件最大角速度，rad,s; ?;。――一个周期内等效构件最小角速度，tad,s; ?――一个周期内等效构件最大角速度与最小角速度平均值， rad|S; 7 汽车碰撞试验台中的飞轮用于降低动力机功率时速度不均匀系数为6 3-21 6’; ?--09。i。 ,? 因为要实现被试车辆加速过程中加速度恒定，所以要求牵引力即卷筒提 供的扭矩波动尽量小，但速度不均匀系数很小时，会造成飞轮转动惯量过大， 综合考虑比较，选取速度不均匀系数d O(1。 3、试验周期内飞轮最大角速度q。及最小角速度?细确定 根据计算得到了卷筒自身转动所需扭矩以及对被试车辆及推力小车的牵 引力大小，设定飞轮与电机的接合时间3s，计算得到飞轮的转速: 刀。;。一110r,min，为保证飞轮传递给恒扭矩机构的驱动转矩始终大于摩 擦力 产生的摩擦扭矩，同时又考虑到飞轮的线速度不易过大，飞轮的最小转速定 ’ 为甩。i。 200r,min，刀。。 230r,min 。”‘ 2一。 V 0 6’ 2―67 五o(一( p碱2AWmH一意等氅瑚46k91 21 x24 哈尔滨T挥人学硕十学位论文 飞轮加速度为:,。竺二笪。―23-―20(9;0(2加d,s2 t 10 飞轮加速所需扭矩为:M―lie 3746x0(21-790N’m 3(5(2飞轮尺寸设计 根据转动惯量的计算公式可知，飞轮的转动惯量与飞轮半径的四次方成 正比，起主要作用的是轮缘部分。飞轮直径的确定要考虑加工工艺的难易程 度以及安装时是否简单易操作，同时又要满足飞轮的线速度不能超过材料允 许的许用值。不同材料飞轮允许的最大线速度见表3(1所示。 表3(1不同材料飞轮允许的最大线速度 材料 线速度 聊,s m0―40 30,50 HT25_47 45,50 30,60 铸钢 轧材 100,120 以铸钢为材料，取最大线速度y,一60mIs，取飞轮半径R 600ram。 对于直径过大的飞轮，加工中铸造很困难，因此采用多块板材相叠而成。圆 柱体的转动惯量为: 3(22 ，，。p丝尺4 。 Z 式中:，，――飞轮的转动惯量，堙??m2; p――飞轮材料的密度，堙,m3: h――飞轮的厚度，tn; 尺――飞轮的半径，m; 由式 3-22 可得: 哈尔滨下稃人学硕十学位论文 ―士一 (h 羔一360ram 氕pKj 取飞轮的厚度h 400mm 3(5(3飞轮模态分析 飞轮在碰撞试验台中起到蓄能作用，是牵引机构的动力源，是试验台中 的重要部件。飞轮又是一个边缘质量很大的圆盘部件，它不仅和连接轴一起 振动，而且自身也表现出独立的振动特性。假若飞轮在工作中发生共振，会 导致飞轮转速的不稳定，直接影响其输出的能量，进而影响碰撞速度的准确 性。因此，避免飞轮在工作中发生共振是十分必要的。本节通过对飞轮进行 模态分析，提取飞轮的固有频率，判断其在工作中是否能避开工作载荷的频 率;同时查看各阶振型图，以得到飞轮各部分的位移情况，判断其薄弱部位 及判断结构振型是否光滑，以避免发生振型突变。为以后试验台的改进和优 化飞轮结构形式奠定基础。 l、Lanczos法 Lanczos法主要用于求解大型特征值问题。飞轮的振动特性求解只分析 其最低阶特征值，没有必要计算出其全部的特征值，目前针对此类问题最有 效的方法就是Lanczos法。该方法将标准特征方程中的矩阵fMl经过相似变 换成对角矩阵，通过求解对角矩阵的特征值来得到原来方程的解。 标准特征方程为: 3―23 [M]纠 A纠 [如] 【klk:„kJ 【zMz„M州zJ，则式 3-23 变为: 3―24 [M][《]恸;州‘]协 将式 3(24 两边同乘以[K]r，得到: 哈尔滨r稃大等:硕十学何论文 3―25 [kr阻][疋? 一A[kr[k?