汽车模拟碰撞用液压缓冲器的动态特性分析 - 文章

汽车模拟碰撞用液压缓冲器的动态特性分析

作者：清华大学胡敬文张金换黄世霖

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摘要：汽车模拟碰撞试验是汽车被动安全试验的一个重要分支，而缓冲减速装置是其中的核心部件。本文分析了汽车被动安全研究对液压缓冲器提出的不同要求。在试验、理论分析和模拟计算的基础上，详细的分析了多孔式液压缓冲器的三种动态特性。同时根据这些特性，总结了控制碰撞波形的四种方法。这些控制方法在新研制的可调液压缓冲器上都得到了很好的应用。
关键词：汽车模拟碰撞试验液压缓冲器动态特性

Dynamic Characteristic Analysis of
the Hydraulic Shock Absorber for Sled Impact Test
Hu Jingwen, Zhang Jinhuan, Huang Shilin
State Key Lab of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University
[Abstract] Sled impact test is one of the most important branches in the field of automotive passive safety,
and the shock absorber is the key device of it. This paper analyzed a variety of requirements presented by the
diverse purposes. Basing on the impact tests and simulation, three dynamic characteristics of hydraulic shock
absorber were analyzed, and some methods for controlling the deceleration wave of sled impact tests were
enumerated as well. These methods were well applied to the new adjustable hydraulic shock absorber of our lab.
Key words: sled impact test hydraulic shock absorber dynamic characteristic

1 前言

汽车模拟碰撞试验是汽车座椅、安全带、仪表板、安全气袋等零部件研究、开发、生产过程中重要的试验手段。与实车碰撞试验相比，它具有试验费用低、碰撞波形可以控制、重复性好等优点，现已普遍为国内外汽车厂家和科研机构采用。汽车模拟碰撞试验中缓冲减速装置是一个十分关键的设备，它决定了台车在碰撞中的减速度、脉冲时间等一系列重要参数。本文将在试验和模拟计算的基础上，对多孔式液压缓冲器的动态特性进行具体分析，并对控制碰撞波形的几种方法进行介绍。

2 汽车安全性研究对液压缓冲器提出的要求

2.1 法规要求

世界各国关于汽车模拟碰撞试验环境都有明确的法规规定，如：欧洲的ECE—R16（安全带和乘员约束系统的统一规定）和ECE—R80（座椅及固定装置强度的统一规定）、美国的FMVSS—207（座椅系统）、日本的JIS D 4604 和11-4-44 （安全带动态试验标准）、澳大利亚的ADR4D（安全带动态试验标准），以及我国的QC 244－1997（汽车安全带动态性能要求和试验方法）等。其中有两种典型的碰撞加速度波形，如图1 所示。从图中可以看出，虽然不同的法规对碰撞波形的要求不同，但只要达到一定的缓冲效率，就可以实现。

图1 法规对碰撞波形的要求

2.2 实车碰撞的要求

为了汽车各种零部件的试验研究，缓冲器应能模拟汽车在不同速度下实车碰撞的波形。多孔式液压缓冲器由于结构的原因，很难把某次实车的碰撞波形模拟的非常精确。从统计学的观点来讲，模拟某次实车碰撞波形其实是没有意义的，缓冲器能模拟出碰撞过程中的加速度峰值和脉宽等重要参数就足够了。但由于实车碰撞的速度特性和液压缓冲器的速度特性存在本质不同，这就需要一套调节缓冲器的方法，以适应在不同速度下的碰撞试验的需要。

2.3 气袋试验的要求

在气袋试验中，由于ECU 要判断碰撞的剧烈程度，进而决定是否点爆气袋，因此碰撞的初始阶段的波形应该和实车的碰撞波形相似。但是液压缓冲器产生的加速度波形相对于理想状况有一定的滞后性，碰撞第一峰并不完全由液压油的节流特性决定，因此这个问题给液压缓冲器的研究提出了控制碰撞第一峰的要求。

3 液压缓冲器力学模型的简化

在文献[2]中，曾详细的介绍了液压缓冲器的理论模型的建立过程。该模型可以对缓冲器的碰撞波形进行准确的预测，但是由于采用了数值计算的方法，我们很难从计算中对缓冲器的动态特性作直观的分析。

因此，为了能找出一种更直观的分析方法，对该模型进行如下的简化：

考虑到在碰撞过程中小孔节流吸能占缓冲器吸能的90％以上，起到了核心的作用，因此忽略偏心环缝节流、漏油和液压油的压缩性。由于碰撞过程中的缓冲力很大，所以忽略各个部件之间的摩擦力。由于碰撞中高压腔的压力将达到几十兆帕，因此忽略低压腔的压力（一个大气压左右）。同时把台车和活塞考虑成一个整体，不考虑活塞加速的过程。通过上面的简化，节流面积曲线可以用很明确的公式来表示，具体的模型如下：

根据动能定理有如下公式：

(1)

式中 m——台车和活塞质量和；
v0——碰撞初速度；
F(x)——碰撞缓冲力；
s——缓冲行程。

把式(1)代入式(2)，可以得到：

力平衡方程为：

式中 A——活塞面积。
液压油的连续性方程：

式中 Ac(x)——节流面积曲线；
Cq——流量系数；
p(x)——高压腔压力；
ρ——液压油密度。

进而得到：

把式(3)和式(4)代入式(6)，可以得到节流面积曲线为：

(7)

令：

则： Ac = Ca×Ia (8)

由上式可以看出，CA 对于一个固定的缓冲器而言是一个常数，而IA 只和碰撞缓冲力波形有关。下面就几种典型的碰撞缓冲力波形对节流面积曲线的影响进行讨论。

(1) 碰撞缓冲力为矩形波。当碰撞缓冲力波形为矩形时，碰撞缓冲力和缓冲力做功为：F(X)=F0

(9)

将式(9)代入式(7)，可以得到：

(10)

(2) 碰撞缓冲力为半正弦波

当碰撞缓冲力波形为半正弦波时，碰撞缓冲力和缓冲力做功为：

(11)

将式(11)代入式(7)，可以得到：

(3) 碰撞缓冲力为三角波

当碰撞缓冲力波形为三角波时，碰撞缓冲力和缓冲力做功为：

将(13)式代入(7)式，可以得到：

由式(10)、(12)、(14)可以看出，对于同一个液压缓冲器，节流面积是CA 和IA 的乘积。其中CA 对于一个缓冲器是一个固定的数值，它和缓冲器的活塞面积、台车和活塞的总质量、液压油的密度以及小孔节流流量系数有关；而IA 在通常情况下只和缓冲器的行程和活塞每时刻的位置有关。这个结论对于分析液压缓冲器的动态特性是十分有意义的，同时对于通过改变节流面积曲线控制碰撞波形也有很强的实用价值。

4 液压缓冲器的动态特性

多孔式液压缓冲器由于受小孔节流特性的影响，台车质量对于碰撞波形的影响很大，同时带有很强的速度敏感性。另外，由于是撞击式的试验台，因此加速度也有滞后性。下面就在试验和模拟计算的基础上对这三种特性分别进行具体的分析。

4.1 质量匹配特性

汽车模拟碰撞试验虽然碰撞波形主要由缓冲器产生，但是由于台车的质量对波形的影响很大，因此在设计台车试验时，必须把缓冲器和台车考虑为一个统一的系统。根据碰撞波形的要求，缓冲器的每一种节流面积要对应一个固定的台车质量，这就是所谓的质量匹配特性。换句话讲，在节流面积不变的情况下，碰撞时的台车质量不同，产生的碰撞波形形状会有很大的差别。

上文中关于节流面积公式的推导可以很清楚的说明这个问题。在碰撞波形为矩形波、正弦波和三角波三种情况下，节流面积都和m的平方根（这里的m 是台车和活塞的质量和）成反比。这就说明，不同的台车质量对应着不同的节流面积曲线；而节流面积曲线不变的情况下，台车的质量不同，碰撞波形一定不同。

如图2 所示，缓冲器的匹配质量为1000kg，台车质量分别增加或减小30％，产生的波形差别很大。虽然这三次试验的碰撞速度不同，但是下文对碰撞速度的讨论中可以得到，在极限碰撞速度内，碰撞速度是不影响碰撞波形的形状的。因此，在台车质量不同时，碰撞波形的形状有很大的差别。表1 列举了这三次试验的试验条件。

表1 质量匹配试验试验条件

图2 台车质量不同时的碰撞波形

由图2 的碰撞波形可以发现，在台车质量大于匹配质量时，加速度波形初始值较低，但结束时峰值很高，形成梯形形状；当台车质量等于匹配质量时，加速度波形平稳，近似为矩形；而当台车质量小于匹配质量时，加速度波形初始值较高，但以后就逐渐降低，形成三角形形状。因此，只有在试验质量与匹配质量相等时，碰撞波形才能达到一般法规和实车碰撞的要求，这时的缓冲效率通常为80％～90％。

同时应当指出的是，液压缓冲器的质量匹配特性和碰撞速度无关，也就是说，在不改变节流面积的条件下，相同质量的台车在不同的速度下，碰撞波形的形状是相同的。从公式（10）、（12）和（14）中可以看出，节流面积曲线和碰撞速度v0 是没有关系的。它只和缓冲器的活塞面积、台车和活塞的总质量、液压油的密度、小孔节流流量系数以及缓冲器的行程有关，因此只要上述的条件不变，节流面积曲线和碰撞波形的形状就存在着一一对应的关系。试图用较小质量台车，以较高的速度，模拟出大质量台车的碰撞波形是不可能的。换句话说，如果低速碰撞波形为三角形，那么在不改变节流面积的情况下，无论怎样改变碰撞速度，碰撞波形会始终为三角形。

4.2 速度敏感特性

碰撞速度对液压缓冲器的碰撞波形有很明显的影响，如图3 所示，碰撞速度越高，加速度峰值越大，碰撞脉宽越短，这是由小孔节流特性决定的。但实车碰撞试验中，加速度是由钢管的褶皱吸能产生的。碰撞速度对钢管的缓冲效果的影响如图4 所示，可以发现，相同截面和壁厚的方筒形钢材在不同的速度下，加速度峰值基本保持不变，只是碰撞脉宽随碰撞速度的提高，不断增加。这其实是由于在汽车碰撞的速度范围内，钢材的应变率效应并不是十分明显。钢材的这个特性也基本决定了实车碰撞的特性。液压缓冲器的速度特性和实车的特性有着较大的区别，因此在模拟汽车较低速度碰撞时，需要通过改变缓冲器的活塞行程，同时适当的调整节流面积，才能实现对实车碰撞环境的模拟。图5 中是通过模拟计算得出的适合实车碰撞的液压缓冲器速度特性（s 为活塞行程）。

4.3 加速度滞后特性

在撞击式的试验台中，由于活塞和活塞导向装置碰撞前都处于静止状态，因此在碰撞初期有一个加速的过程。另外在碰撞初期，由于高压腔中的压力上升很快，高压腔中的液压油很难很快的排出，因此就会在碰撞初期形成一个加速度峰值。活塞与台车之间的缓冲块就是为了解决这个问题而设计的。缓冲块可以有效的延长活塞的加速时间，减慢高压腔的压力上升速度，从而使高压腔的液压油有充足的时间可以排出。但从另一个方面讲，这也使加速度波形产生了一些滞后。

在气袋的模拟碰撞试验中，ECU判断气袋是否点爆，主要是由碰撞波形的初始阶段决定的。因此缓冲块的特性是气袋模拟碰撞试验的核心。图6 是模拟计算得到的改变缓冲块的力学特性对碰撞波形的影响，其中F 为通过静压试验得到的缓冲块力学特性。可见，合理的设计缓冲块的刚度，可以实现对碰撞波形初始阶段的模拟。

5 控制碰撞波形的方法

根据上文分析的液压缓冲器的动态特性，可以总结出四种方法实现对碰撞波形的控制：

(1) 台车质量控制。根据液压缓冲器的质量匹配特性，在台车上适当的增加或减少质量配重，可以改变碰撞波形的形状。

(2) 缓冲行程控制。缓冲器的速度敏感特性说明，增加或减少缓冲器的行程可以有效的控制减速度平均峰值，行程越短，平均峰值越高，这样可以有效的改善缓冲器的速度特性。

(3) 缓冲块特性控制。在缓冲器前增减缓冲块的刚度，可以有效的控制碰撞第一峰的峰值，缓冲块刚度越大，碰撞第一峰越高。

(4) 节流面积控制。这种方法应通过模拟计算对碰撞波形所需的节流面积进行预测，进而对节流面积进行调节。节流面积的调节方式很多，如：双层套筒式、变节流片式、锥形阀式等。图7 为清华大学汽车碰撞试验室新研制的可调液压缓冲器，节流面积可以通过改变节流螺钉的大小来控制。

在这四种方法中，用节流面积控制碰撞波形是核心方法，而其他的三种方法也是必不可少的。在实际的波形控制中，只有四种方法的互相补充，才能调节出符合要求的碰撞波形。

图7 节流面积可调的多孔式液压缓冲器

6 小结

随着我国汽车被动安全研究的不断深入，各种部件试验也越来越深入，液压缓冲器作为汽车模拟碰撞试验的核心部件，将发挥越来越重要的作用。本文在试验和模拟计算的基础上，详细的分析了液压缓冲器的三种动态特性：质量匹配特性、速度敏感特性和减速度滞后特性，同时列举了一些控制缓冲器波形的方法。这些可以为以后设计、调试液压缓冲器提供借鉴。

参考文献
1 黄世霖等. 汽车碰撞与安全. 北京：清华大学出版社, 2000
2 胡敬文等. 汽车模拟碰撞用缓冲装置的研究. 中国汽车工程学会第七届汽车安全技术会议论文集. 大连. 2002. 164～170
3 Frank Yeaple. Fluid Power Design Handbook. 1990
4 雷天觉. 液压工程手册. 北京：机械工程出版社, 1990
5 杨臻等. PG-15 型节制杆式台车试验技术研究. 汽车工程, Vol.24, No.3, 2002. 224~227
6 盛敬超. 液压流体力学. 北京：机械工业出版社, 1980
7 王瑄等. 汽车碰撞安全标准手册. 中国汽车技术研究中心, 1999(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/31/2005)


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