弹簧蓄能式头型冲击发射机构的设计与研究

2014-02-21唐家兵

汽车实用技术 2014年6期

关键词：头型凸轮气缸

唐家兵

（中国汽车工程研究院，重庆 401122）

弹簧蓄能式头型冲击发射机构的设计与研究

唐家兵

（中国汽车工程研究院，重庆 401122）

本文介绍了一种经济实用的头型速度发生装置，同时也将开发中的失败过程也呈献给大家。

头型；速度；发射；机构

CLC NO.:U463.833Document Code:A A rticle ID: 1671-7988(2014)06-44-03

前言

在汽车测试中，按相关的法规，需要进行6.8kg（也有其它重量要求如10kg）头型冲击试验，即用一套机构将固定重量的头型以一定的速度（如7m/s）发射出去，当头型与被试件冲击时，测量头型减速度从而评价被试件的冲击吸能特性。本文介绍了一种经济实用的头型速度发生装置，同时也将开发中的失败过程也呈献给大家，供业界同行参考。

1、头型速度发生装置需要解决的问题

头型冲击试验通常是破坏性试验，也就是一次性试验后，被试件基本就破坏了。因此要求速度发生装置速度控制要有较高的精度和重复性，也就是要求产生速度一次成功，法规要求速度误差通常在±0.2m/s之内。

由于头型上要安装加速度传感器，而传感器有线束相联，这就要求头型还不能完全“自由”地飞出去，通常需要导向，否则线束极易断裂，也容易造成加速度传感器和头型本身的损坏。但是头型一旦有导向机构，摩擦损失不可避免，因此导向机构要使摩擦阻力尽可能小，测试中才对结果影响不大。

2、一种简单实用的头型发射装置

2.1 头型及导向部分设计

按上述要求，我将头型设计成带导向杆结构，头型前球冠面尺寸按相关法规要求设计。

球头部分与导杆总质量要满足法规要求的头型质量。

刚开始，我设计的导向装置采用了直线轴承，如图2。由于头型飞出去时速度高达7m/s，一般直线轴承承受不了这种高速度，结果很快轴承就坏了。

后来将导杆支撑结构改成如下图所示结构，采用轴承+导轮形式，导轮内有滚动轴承，这样即能满足高速的要求，又能解决低摩擦的问题。

2.2 发射部分设计

本发射装置采用了压缩弹簧蓄能方式来实现。由于头型受到重力影响，导向杆过长会使头型在飞行过程中弯曲下垂；为了减小摩擦力影响，尽量减小导向长度，因此在设计弹簧时，弹簧刚度要尽量大，发射行程尽量减短。我采用了气缸将弹簧拉回，受气缸拉力的影响，弹簧刚度也不能太大，否则拉不动。

最初设计的结构如图4所示时，是让气缸活塞杆与弹簧保持连接。当气缸有杆腔充入压缩空气时，弹簧便被拉回，处于蓄势待发状态，然后让有杆腔压缩气体通大气，产生发射动作。结果发现产生速度很低。分析原因主要有两个：一是压缩气体通大气时，气缸出气口通径太小，产生了较大的阻尼，二是气缸本射摩擦力很大，而且本身也不耐高速。这两个原因把弹簧蓄的能量吃掉了一大半。

现在的问题是需要将活塞杆脱开。我们设计的弹簧最大拉力达到近两吨，如果用电磁铁来分离，电磁铁需要吸附的钢件质量很大，它运动起来会消耗掉大量弹簧能量。考虑到这个因素，不能选电磁铁方式。

如是将活塞杆与弹簧拉杆之间的连接销拔掉，当然就脱开了。事实上这种方法不可取。原因有二：一是当拉力达到近两吨时，这个销子不易拔出来。更为严重的是，即使拔得出来，在拔销的过程中，由于销子作用面积越来越小，而且接近零件的边缘部分，最后拔出阶段，将局部损坏（啃掉）销子或拉耳边缘。

本人设计的脱钩机构如下：

此脱钩机构采用了凸轮机构及多连杆结构。利用凸轮稳定与非稳定之间的突变来实现脱钩，利用多连杆机构实现巧力脱钩。过程如下：

第一步，气缸将弹簧拉回，此时脱钩机构还未参与。

第二步，将脱钩机构置于图7所示的位置，然后，将气缸压缩气体放掉。此时脱钩凸轮承担了所有的弹簧拉力。整个系统已经绷紧，由于连杆之间的角度关系，系统处于安全的自锁状态。

第三步，将气缸活塞上的连接销拔掉（此时很容易拔掉），让气缸活塞缩回，此时完成了发射准备，进入一触即发的状态。

第四步，触发。由触发气缸活塞下压即完成触发。由于连杆之间的角度关系，触发气缸只用很小的力即可完成触发，如图9所示。在此过程中凸轮经过了稳定、临界、失稳的过程，整个过程干净利落，一气呵成。整个触发过程凸轮接触副没有发生边缘受力的情况，也就不会发生“啃肉”的情况。

为了对称受力，凸轮设计成双耳形式。图10所示。

整机最终图如下图所示。

本发射装置对速度的控制是通过标定得出来的，也就是试出来的，因此脱钩机构在发射方向初始位置是可调节的(即弹簧的初始压缩量是可调的)。通常在试验前需要空打一次或几次，以确认速度满足要求。从我们的使用的经验来看，只要目标速度不变，调节好后，重复性是相当高的，完全满足法规公差要求。只是由于试验通常是破坏性试验，为了保险起见，试验前最好空打一次，确认一下。