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武汉理工大学 硕士学位论文 货车碰撞试验台电力拖动系统的研究 姓名：张雷 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：赵燕 20090501 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国公路运输事业的高速发展，由公路交通事故引起货车上货物约束系 统失效造成的经济损失越来越大。因此，我国许多新的货物约束法规和货物约 束方法正在加紧制定和推广应用。法规和约束方法的制定和应用需要以试验数 据为依据，但我国目前尚无专门针对货物约束系统性能进行碰撞试验研究的货 车碰撞试验装置。 本文根据国内外汽车碰撞试验装置开发的特点和规律，总结了货车碰撞试验 装置的组成、原理和方法，针对东风E Q l 0 9 2 F 1 9 D 型载重货车，提出完整的主回 路电力拖动方案。以大功率直流电机为动力，通过速度、电流双闭环调速系统 实现对全尺寸模拟试验车辆加速度和速度的精确控制。建立了碰撞试验装置大 功率直流电机及电流、速度双闭环直流电机调速系统的系统模型，并借助仿真 软件M a t l a b 建立基于S i m u l i n k 的直流电机仿真模型、整流装置仿真模型和电流、 速度双闭环直流电机调速系统仿真模型，进行仿真得到电机转速、输出转矩、 电枢电流等指标在时域内的响应变化曲线，以及负载突变时的速度响应曲线， 从而验证电力拖动方案的正确合理。 最后，对全文进行总结，讨论了电力拖动控制系统的发展趋势，为以后货车 碰撞试验装置的开发、完善提出参考。 关键词：货物约束系统，货车碰撞试验，时域响应 武汉理工大学硕士学位论文 Ab s t r a c t R e c e n ty e a r s ，i nC h i n at h er o a dt r a n s p o r t a t i o n sa r ei n c r e a s i n gr a p i d l y A sa r e s u l t ， t h ee c o n o m i cl o s sc a u s e db yc a r g or e s t r a i n ts y s t e mf a i l u r ei nt r a f f i ca c c i d e n t si s g r o w i n gf a s t T h e r e f o r e ，n e wr e g u l a t i o n sa n ds t a n d a r d sa b o u tc a r g or e s t r a i n ts y s t e m a r eb e i n gf o r m u l a t e d ，a n dw i l lg oi n t oe f f e c ts o o n R e g u l a t i o n sa n db o u n d i n gm e t h o d s m a k i n ga n dd e v e l o p i n gs h o u l db eb a s e do nc r a s ht e s td a t a S of a r , t h e r ea r en ot m e k c r a s ht e s te q u i p m e n t ss p e c i a li nc a r g or e s t r a i n ts y s t e md e v e l o p i n gi nC h i n a T h i sp a p e rs u m m a r i z e dt h ec h a r a c t e r sa n dl a w si nt r u c kc r a s ht e s te q u i p m e n t s d e v e l o p i n g ，d e s c r i b e dt h ec o m p o s i t i o n , p r i n c i p l ea n dm e t h o d sa b o u tt h a t I tg i v e sa i l e l e c t r i ct r a c t i o nl a y o u tf o rD o n g f e n gt r u c kl o a dt y p eE Q l 0 9 2 F 1 9 Dc r a s ht e s t T h i s s c h e m eb a s e dO l lh i g hp o w e rD Cm o t o r , i m p l e m e n t sa na c c u r a t ev e l o c i t yc o n t r o lo f t h ef u l l s i z es i m u l a t e dt e s tv e h i c l e Ra l s ob r i n g su pas c h e m eo ft h em a i nf r a m eo ft h ee l e c t r i ct r a c t i o ns y s t e mt o b u i l dt h ef o l l o w i n gm o d e l s ：4 5 0 k wD Cm o t o rm o d e l ，t h r e e - p h a s er e c t i f i e rc i r c u i t m o d e l ，d o u b l el o o ps p e e dc o n t r o ls y s t e mm o d e l B ys u i n gt h eM a t l a b S i m u l i n k s o f t w a r ef o rs i m u l a t i o nc o m p u t i n g ，i ta c h i e v e st h ef o l l o w i n gr e s u l t s ：D Cm o t o r s t a r t - u pt i m e - c u r r e n tc u r v e ，D Cm o t o rs e r i e sr e s i s t a n c es t a r t - u pt i m e - s p e e dc u r v e ， t i m e s p e e dc u r v eu n d e rd o u b l el o o ps p e e dc o n t r o ls y s t e ma n dt i m ed o m a i nr e s p o n s e o ft h es y s t e m T h ep a p e rd i s c u s s e dt h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mw h e ni tw a gg i v e na l o a dd i s t u r b a n c e F u r t h e rm o r e ，s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o o f st h es c h e m e Sc o r r e c t i o na n d p r o v i d e sr e f e r e n c e sf o rr e a le q u i p m e r i t sb u i l d i n ga n dd e s i g no p t i m i z a t i o n F i n a l l y ，i ts u m m a r i z e dt h ew o r ko ft h ef u l lt e x t ，a n dd i s c u s s e dt h ef u t u r et r e n do f D Cm o t o rc o n t r o la n dd e s i g no ft r u c kc r a s ht e s te q u i p m e n t sf o rb e r e t i m p r o v e m e n t o ft h ee q u i p m e n t s K e yW o r d s ：c a r g or e s t r a i n ts y s t e m ，t r u c kc r a s ht e s t ，t i m ed o m a i nr e s p o n s e H 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：雄日期：至：q 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：；长雷 导师( 签名) ：期 D 7 厶j 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 随着现代社会汽车和公路交通运输业的迅猛发展，汽车交通事故已经成为 深刻的全球性社会问题。汽车交通事故的总体伤害与经济损失规模已大于任何 一种自然或其它社会灾害造成的损失规模【l 】。研究汽车及其部件的安全性，归 纳起来有三种方法：交通事故的调查与分析；设计计算，特别是应用电子计算 机进行数字动态模拟计算；实际试验。前两种方法是研究汽车安全性的重要措 施，然而，后者更是不可缺少的。在有限场地或试验室内模拟或再现发生交通 事故时的碰撞，对于开展汽车及其部件安全性研究和评价其安全性优劣不但方 便，而且具有重复性、可比性较强的优点，并且易于用现代化手段测量和分析 撞击时评价安全性能的诸参数，诸如加速度、速度、位移、变形、力和伤害指 数等。因此，国内外汽车制造厂和研究机构都已开展或正在研究碰撞试验以及 与碰撞相关的试验技术【2 】。 1 1 汽车碰撞试验装置概述 汽车碰撞试验是将车辆或台车加速到一定速度后与不同障碍物进行碰撞， 从而研究车辆撞车时对乘员的伤害或货物损坏程度，以及道路设施的安全防护 性能【3 l 。美国于1 9 6 8 年实施的安全标准F M V S S ( F e d e r a lM o t o rV e l l i c l e S a f e S t a n d a r d ) ，其中包含了碰撞试验的各项指标要求，1 9 7 0 年美国运输部公布了开 发试验安全车的E V S 计划，被认为是汽车安全技术研究的新时代。我国从9 0 年 代开始进行汽车碰撞试验研究，并在借鉴参考欧洲、美国标准基础上，制定了 相应的G B l1 5 5 3 标准。 1 1 1 汽车碰撞试验装置基本组成 汽车碰撞试验装置是一个完整的系统。典型的汽车碰撞试验装置主要由试 验车辆、轨道、刚性墙体、吸能装置、电力拖动系统、数据采集系统、高速摄 像系统、数据分析系统等组成。图1 1 为实车碰撞试验示意图。试验装置以大 功率直流电机为动力，以可编程控制器( P L C ) 控制电机转速，通过钢丝绳、牵引 小车牵引试验车辆，实现对车辆速度、加速度的控制及牵引小车和试验车辆的 分离等。 武汉理T 大学硕士学位论文 图1 1 实车碰撞试验示意图 试验车辆以规定速度与刚性墙体发生正面或规定角度碰撞，同时数据采集 系统对试验车辆的速度、加速度、位移、变形等数据进行记录。由于碰撞为一 短暂冲击，且发展过程是如此猛烈，仅仅用模拟信号对碰撞过程进行分析处理 是不够的。因此要使用高速摄像系统记录碰撞的全过程。试验完成后，数据分 析系统对数据进行分析，得到碰撞全过程速度、加速度、碰撞力、变形、位移 等变化过程，并生成各类相关信息图表。 1 1 2 汽车碰撞试验装置的分类 碰撞试验要求能够真实的反映实际撞车事故，且可重复性好，成本应尽量 低。实际的撞车事故是各不相同的，即使是相同类型的事故，由于乘员的位置 和汽车状况不同，车辆各个部分的损伤和乘员的受伤情况也不一样。因此，为 了对各种撞车事故进行研究，需要进行多种类型的碰撞试验【l l 。 1 1 2 1 按照碰撞试验方法分类 汽车碰撞试验装置可以分为实车碰撞试验装置和模拟碰撞试验装置。实车 碰撞试验与事故的真实情况最接近，是综合评价汽车安全性最直接和最基本的 方法，是新产品开发必须进行的试验。但试验费用昂贵，难以进行重复试验， 通常在新产品试制和认证时进行。实车碰撞试验方法又可以分为固定壁碰撞、 移动壁碰撞和车对车碰撞试验。 固定壁碰撞试验方法就是把试验车辆加速到指定碰撞速度，然后与固定壁 障进行碰撞。通常情况下，汽车碰撞方向与固定壁障垂直。由于固定壁障的情 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， 因此可以用固定壁碰撞试验来评价汽车的安全性能。这也正是这种试验方法的 2 武汉理工大学硬士学位论文 优点。根据其碰撞范围的不同可以分为全宽度碰撞和偏簧碰撞。汽车碰撞方向 也可以和固定壁成一定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。图1 2 为正面全宽度固定壁实车碰撞。 在能行走的平台车上装备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被称为移动壁碰撞。这种试验方法在检 查被试验车辆的侧撞和尾撞安全性时使用。为进行反复试验，平台的构造需要 坚固耐用。图l 一3 为侧面可变形移动壁实车碰撞。 为了检查撞车后双方车辆的外形和剐度变化情况，要进行车对车的碰撞试 验。试验一般有正面撞车、侧面撞车和后面撞车三种。此外，为检查汽车相关 性能还要对试验车辆进行下落试验、沿斜坡翻滚试验、平台翻车试验等。 图I 一2 正面全宽度固定壁实车碰撞 图1 3 侧面可变形移动壁实车碰撞 撞车模拟试验的日的是鉴定乘员保护装置和各个部件对惯性力的强度特 武汉理工太学硕士学位论文 性。实际撞车时出现的的减速度波形非常复杂，要把它全部在模拟装置上表现 出来非常困难。因此，采用近似的基本波形，并且把它和全部的速度变化统一 起来，以这个减速度来代表实际撞车时的减速度进行试验。典型的汽车模拟碰 撞试验系统包括产生冲击的机械滑车、水泥壁障、吸能器、控制装置和数据采 集装置( 包含电信号和光信号两种采集模式) 【4 】。模拟碰撞试验通常有台车碰 撞试验和台架冲击试验两种。 台车碰撞试验是一种模拟实车碰撞的试验。在台车与剐性墙之间安装有缓 冲吸能装置，台车通过缓冲吸能装置与刚性墙发生碰撞。主要通过设计缓冲吸 能装置使台车减速度曲线模拟实车碰撞的减速度曲线和达到法规试验要求的台 车减速度曲线。通过台车碰撞试验可以进行乘员保护装置性能评价和零部件的 耐惯性力试验。与实车碰撞试验相比，具有再现性好、试验费用低，也比较简 便、试验工时数少等优点，如图1 4 所示。根据碰撞波形的不同，台车模拟碰 撞试验台有冲击型( 弹射式，减速式) 和发射型( 反推式，加速式) 两种。 图1 4 台车碰撞试验装置 台架冲击试验是一种简化的模拟试验。它的试验方法是对试验车的试验部 位直接给予冲击力，从而鉴定该部位的性能。台架冲击试验可用于对司机头部 和胸部保护装置、安全带、保险杠性能的检测和验证。 1 122 按照试验车辆的牵引方式分类 国内外各太汽车公司和检测机构均拥有汽车碰撞装置。这些碰撞装置牵引 方式主要有两种：直流电机牵引方式和液压马达牵引方式口】。直流电机牵引方 式比较普及。碰撞车辆通过钢丝绳由电机牵引。根据钢丝绳固定方式不同，又 可分为闭环牵引和开环牵引两种。而液压马达牵引方式则是近几年建成的更加 武汉理工大学硕士学位论文 先进的驱动方式。另外还有发动机牵引方式和橡皮绳弹射等方式。 几种常用的牵引方式的优缺点如下： 电机闭环牵引方式：多采用摩擦传动，速度控制精度高；驱动转毂尺寸小， 节省动力；牵引钢丝绳循环使用，使用方便；钢丝绳必须张紧；使用过程中振 动较大。该牵引方式在国内外得到广泛应用。 电机开环牵引方式：速度控制精度高；驱动转毂尺寸大，动力消耗大；在 国内外得到广泛应用，尤其是早期的碰撞试验装置多采用该种牵引方式。 液压马达牵引方式：在国外先进的汽车碰撞实验室中采用。如美国的V R C 。 与电机牵引相比更节省电力，且不受电压波动影响。 橡皮绳弹射方式：结构简单，系统建造成本低，但是碰撞速度控制困难， 试验车辆起步时加速度很大。 1 2 论文选题的背景和意义 随着我国交通运输事业的快速发展，公路运输以其快速便捷的优势在交通 运输中占有更加重要的地位。我国公路货运量以每年7 左右的速度增长，全国 公路货运周转量的增长速度约为1 1 。见表1 12 0 0 1 - - 2 0 0 4 年全国公路货物运 输量统计【6 】 表1 12 0 0 1 - - 2 0 0 4 年全国公路货物运输量统计 项目年份 2 0 0 1 年 2 0 0 2 年2 0 0 3 年2 0 0 4 年 货运量( 亿吨) 1 0 5 6 31 1 1 6 31 1 6 0 01 2 4 5 0 货运周转量( 亿吨公里) 6 3 3 0 46 7 8 2 57 0 9 9 57 8 4 0 9 同时，不可忽视的是我国道路交通安全状况不容乐观。以2 0 0 4 年为例，全 国共发生公路交通事故约5 1 8 万起，伤亡5 8 8 万人，直接经济损失2 3 9 亿元人民 币【6 】。直接经济损失包含车辆和货物两方面的损失，其中货物约束系统失效造 成的经济损失约占2 0 一3 0 ，目前国内尚无准确统计数字。货车碰撞过程中 货物的安全性研究日益突出。货物约束系统( 见图1 5 卡车货物约束系统的组 成) 主要由车厢体、捆绑器( T i eD o w n ) 、捆绑带、绞车等组成。当碰撞发生， 货物受到外力冲击时，约束系统对货物起约束、缓冲和保护的作用。 5 武汉理工人学硕士学位论文 图I 一5 卡车货物约束系统的组成 I 一车厢体2 一捆绑器3 捆绑带4 一绞车 采用不同的捆绑方法，约束系统各个部件受力情况也不同，对货物约束的 效果也不同( 见圈1 6 常见货物捆绑方法) 。货物约束系统失效的主要原因是 系统受到外力冲击，货车满载碰撞试验是研究货物约束系统性能的重要方法 通过试验可以获得货物在不同约束形式下碰撞时的位移、速度、加速度、捆绑 带和各个部件的受力等情况从而制定各个部件和捆绑带的使用标准，并为模 拟发生车祸，货物约柬系统失效时货物抛洒状况提供试验数据。我国尚无系统 的交通运输法规对运输中货物约束系统的性能标准、使用方法进行规范1 7 l 。虽 然我国也建立了一批汽车碰撞试验装置，但目前还没有针对于测量货车碰撞时， 车上货物及捆绑带受力情况和破坏程度的货车碰撞试验装簧。因此，针对测量 货物和捆绑带受力和破坏情况的试验装置研究，有利于推动我国包装运输行业 捆扎统一标准的制定。对包装运输事业的发展具有特殊意义。此外货车碰撞试 验装置不仅可以用于对货车进行捡测，由于其拖动功率大，还可以用于对大型 乘用车和载重货车本身进行检测。因此，货车碰撞装置的研究对我国汽车工业 的发展也具有一定现实意义。 武汉理工大学硕士学位论文 对称捆绑 图1 6 常见货物捆绑方法 1 3 国内外汽车碰撞试验研究状况 美国、欧洲等汽车工业发达国家，6 0 年代初开始汽车碰撞试验的研究【8 】。 研究的最终目的是在事故发生时，最大限度地减少车内乘员和车外行人的伤害。 我国对汽车碰撞试验的研究起步较晚，但从9 0 年代末至今取得了长足进步。 1 3 1 国内外汽车安全法规 汽车被动安全法规有两大体系：美国F M V S S 体系和欧洲法规体系( 包括联 合国欧洲经济委员会标准E C E 、欧洲经济共同体标准E E C ) 1 9 】。在这两种法规体 系里都规定，为了保证试验车辆安全措施有效性，对新开发汽车都必须进行试 验样车碰撞试验和乘员保护装置冲击试验。上述两个机构都制定了相应的试验 方法和评价标准。同日本和澳大利亚一样，我国在参照美国和欧洲法规的基础 上也制定和实施了相应安全法规和标准。1 9 9 9 年，我国政府有关部门颁布了第 一项汽车被动安全技术法规关于正面碰撞乘员保护的设计规则C M V D R2 9 4 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( C h i n aM o t o rV e h i c l eD e s i g nR u l e2 9 4 ) ，N 2 0 0 3 年又在C M V D R2 9 4 基础上稍 作修改推出了G B11 5 5 1 乘用车正面碰撞的乘员保护，将实车正面碰撞试验 内容列入汽车新产品强制性检验项目中。我国还将推出侧面碰撞试验标准和追 尾碰撞试验标准，同时计划将汽车正面偏置碰撞作为国家推荐标准。 归纳起来两大法规体系主要包括以下几个方面： ( 1 ) 实车正面碰撞法规 按照正面碰撞试验法规，正面碰撞试验是指被检验汽车以某一速度与一个 刚性或者可变形壁障发生碰撞的试验。其目的是检查保险杠、车厢前部围板区 域吸收冲击能量的程度，考验车厢结构强度，借助车内假人的传感器记录数据， 换算出和法规相应的伤害指标，判断试验样车的碰撞性能。正面碰撞法规主要 有美国的F M V S S2 0 8 、欧洲的E C ER 9 4 两大体系。我国正面碰撞法规C M V D R 2 9 4 ( G B1 1 5 5 1 ) 和日本、澳大利亚的正面碰撞法规基本上是在美国和欧洲的正面 碰撞法规基础上进行移植和稍加改动形成的。 美国的F M V S S2 0 8 法规规定车辆正面碰撞试验速度为4 8 3 k m h ，固定壁障 为刚性表面。正面碰撞试验包括以下两种：1 、约束系统试验：车辆纵向轴线与 壁障表面垂直；2 、结构试验：车辆横截面与壁障表面方向成3 0 度角，碰撞时车 辆左前端先与壁障接触。此外，对应于系和不系安全带两种情况，要分别进行 试验。主要评价指标包括：l 、头部伤害指标小于等于1 0 0 0 ，胸部持续3 m s ；I J l l 速 度不大于6 眙，胸部相对于脊柱的压缩变形量不超过7 6 2 m m ，大腿压缩力不超 过1 0 l 斟；2 、碰撞过程中车门不能撞开；3 、碰撞后，不用工具应能将车门打开， 并能够正常进出假人。4 、燃油泄漏量小于等于3 0 9 m i n 。 欧洲在制定正面碰撞法规时，专家们提出试验方法要尽量真实地反映交通 事故情况。联合国欧洲经济委员会( E C E ) 在1 9 9 8 年开始生效的欧洲正面碰撞 乘员保护法规E C E R9 4 ，适用于总质量小于等于2 5 0 0 k g 的车辆。其中，规定车 辆正面碰撞试验碰撞速度为5 6 k m h ，碰撞形式为4 0 偏置变形壁障碰撞，其壁 障为蜂窝状铝合金变形壁障。 我国正面碰撞法规C M ) R2 9 4 关于正面碰撞乘员保护的设计规则主要 是参照欧洲法规起草的，但是并没有采用E C E R9 4 中的偏置碰撞试验，而是采用和 美国、日本法规一致的1 0 0 重叠率，9 0 度刚性固定壁障正面碰撞试验，碰撞速度 为5 0 k r n h 。2 0 0 0 t r ：- 4 月1 日起对新生产的总质量小于或者等- ：2 5 0 0 k g 的车辆实施。 ( 2 ) 实车侧面碰撞法规 统计资料表明，在交通事故的各种汽车碰撞形式中，侧面碰撞所占的比例 8 武汉理工大学硕士学位论文 仅次于正面碰撞，但在侧面碰撞中乘员所受的伤害程度比正面碰撞还要高。尤 其是在我国，侧面碰撞导致死亡的比例要高于国外平均水平。侧面碰撞法规针 对汽车侧门强度提出要求，目的是检查车侧支柱、顶、底支柱连接和车门连接 等结构强度，以尽量降低侧面碰撞事故中伤害乘员的风险。无论是美国F M V S S 还是欧洲E C E 法规，均规定使用移动变形壁障M D B ( M o v i n gD e f o r m a b l eB a r r i e r ) 以一定速度，撞击车辆侧面，在车被撞侧面前后坐位上装有侧面碰撞假人，以 测定伤害指数。二者的差别主要在于移动变形壁障M D B 和使用的假人。我国即 将推出的关于侧面碰撞中乘员保护的规定主要采用欧洲E C E R9 5 法规，删 除了其中的认证申请、认证程序及认证标志、车型修改、产品一致性、产品非 一致性的处理等内容，其原因是由于标准体系和法规体系的形式差别所致。 ( 3 ) 实车追尾碰撞法规 汽车发生碰撞，除了正面、侧面碰撞外，还会发生追尾碰撞事故、翻滚事 故和由碰撞、翻滚引发的燃油泄漏、燃烧、爆炸等事故。这类事故具有较高伤 害性，也是在交通事故中导致人员伤亡的重要因素。美国的燃油泄漏法规 F M V S S 3 0 1 是最为全面的燃油系统完好性检验法规，同样，在欧洲有燃油泄漏 法规E C ER 3 4 ，在日本有日本车辆碰撞燃油泄漏技术标准T R I A Sl l - 4 1 4 。对于 追尾碰撞中的结构保护，美国制定了F M V S S2 2 3 和F M V S S 2 2 4 法规，欧洲则制 定有E C ER 3 2 法规。美国的F M V S S2 2 3 和F M V S S 2 2 4 法规是针对于总重量在 4 5 3 6 k g 以上的挂车和半挂车后部碰撞防护装置；欧洲法规E C ER 3 2 则规定了车 辆后部碰撞时对车厢结构耐撞性的要求，并适用于M 1 类车辆。因而这两种法规 是针对于不同车辆和车辆的不同部分。 这里要特别提到卡车后防护装置，它对于保护追尾卡车尾部的小汽车乘员 安全具有极其重要作用。如果没有卡车后防护装置，小汽车车顶将和卡车后车 厢底部直接碰撞，而小汽车车顶是整个结构中较为薄弱的环节，这将导致卡车 后车厢底部直接穿过风挡玻璃侵入小汽车乘员舱，危及车内前排人员生命安全。 如果卡车装有后下部防护装置，则该装置会与小汽车车头发生碰撞，小汽车前端 的各种缓冲吸能措施就可以正常地发挥作用，从而保护车内乘员的安全。 ( 4 ) 其它碰撞法规 除去以上三种法规，碰撞法规中还包含动态翻滚试验法规、气囊试验标准、 汽车碰撞相容性和行人保护等法规。其中关于动态翻滚试验法规，只有美国的 F M V S S2 0 8 中介绍了试验的方法，即主要利用平台车紧急制动的方法让试验车 翻滚。 9 武汉理工大学硕士学位论文 汽车安全问题在全球范围内越来越引起重视，世界各汽车生产国都在不断 地研究、完善汽车乘员碰撞安全保护及其评价方法，标准和法规也在不断修订 和完善并逐步走向统一化。客观上提高了汽车工业的水平。由于越来越多的汽 车在美国碰撞试验中获得最高评价，美国交通安全署拟修改汽车正面碰撞试验 标准，正着手召集汽车生产商、安全检测机构以及公众人士讨论、修改试验标 准，使其变得更为严格。侧面碰撞试验标准暂时保持不变【l o 】。我国汽车安全标 准制定比较晚，但发展比较快，从2 0 0 0 年至今全国汽车标准化委员会已经或即 将制定完成以上几个方面的法规。 i l l 1 2 】【”】见表1 2 。 表1 2 我国汽车碰撞法规同发达国家比较 国 法规实施年份测试方法 测试速度 家 ( k m h ) 美 正面碰撞F M 、，S S2 0 8 1 9 7 8 完全正面碰撞坚实障碍物 4 8 国 侧面碰撞F M V S S2 1 4 1 9 9 7 用定质量移动物体碰撞 5 4 正面偏置碰撞 正面偏置4 0 碰撞固定可 5 6E CD i r e c t i v e9 6 7 9 E C1 9 9 8 变形障碍物 欧 或E C ER 9 4 0 1 盟 侧面碰撞 E CD i r e c ti v e9 6 2 7 E C1 9 9 6 用定质量移动物体碰撞 5 0 或或E C ER 9 5 0 1 正面碰撞日本保安基准 1 9 9 3完全正面碰撞坚实障碍物 5 0 日 T R I A S4 7 2 1 9 9 3 本 侧面碰撞日本安保基准 1 9 9 6 用定质量移动物体碰撞 5 0 T R I A S4 7 2 - 1 9 9 6 澳 正面碰撞A D R6 9 0 01 9 9 5窨伞币面碰掩坚实障碍物 4 8 大正面偏置碰撞 1 9 9 9 正面偏置4 0 碰撞固定可 5 6 利 A D R7 3 0 0 变形障碍物 亚 侧面碰撞A D R7 2 0 0 1 9 9 9 用定质量移动物体碰撞 5 0 中 正面碰撞C M v D R2 9 4 2 0 0 0 完全正面碰撞坚实障碍物 4 8 国 1 3 2 国内外汽车碰撞试验碰撞技术研究 1 3 2 1 国外汽车碰撞试验技术 国外早期实车碰撞试验研究的重点是正面碰撞，经过2 0 多年努力，基本上 形成了统一标准、法规和试验技术。如碰撞速度约为5 0 k m h 时，测量伤害值的 l O 武汉理工大学硕士学位论文 假人采用符合美国联邦法规集第5 7 2 部分的H y b r i d I I ；伤害值要求按照美国 F M V S S2 0 8 标准等。1 9 7 6 年，对H y b r i d I I 又作了改进，使其颈部、膝部更接近 人体特征，将数据采集通道增加至1 0 0 个以上，成为H y b r i d l I l t l 4 1 。目前所有实验 室都在使用I I I 型假人。从上世纪7 0 年代末起，特别是8 0 年代，实车碰撞试验研 究工作的重点转到侧面碰撞标准、法规和试验技术的开发。欧洲和美国各自开 发了不同尺寸、重量的可移动壁障和碰撞试验用假人( D u m m y ) 。 为了试验各种汽车部件耐冲击性，美、日、英、法、德、及荷兰等国家一 些制造厂和科研检测机构广泛应用H Y G E 冲击试验装置或者有导轨的短驱动长 度碰撞模拟装置。这种模拟试验具有不损坏实车、经济和重复性好等优点。从 试件响应和零部件损伤来看，对这种模拟试验有重要影响的参数有三个：冲击 时总的速度变化、加速度峰值和到峰值加速度的上升时间或者总的脉冲持续时 间。试验结果表明，这三个参数不是一定相关的，因此理想的模拟装置应能对 速度变化、峰值加速度和上升时间或总脉冲持续时间进行单独控制或调正，也 就是必须能改变脉冲波形。 H Y G E 是一种广泛应用的较先进冲击试验装置，美国M T S 公司、日本汽车 研究所、荷兰道路车辆所T N O 、法国A C 和德国n 均建有此种碰撞试验装 置。见图l 一7 H y G E 试验装置组成。日本汽车研究所使用直径为3 0 0 m m 的H Y G E 。 碰撞模拟试验装置组成如下：动力部分包括高压压缩机、氮气瓶和气液油 缸( 包括用于改变冲击波形的活塞针阀) ；执行部分包括控制台、导轨和滑车； 数据采集部分包括车上高速摄影机、地上高速摄影机、灯光照明装置及记录分 析系统。该装置的主要参数：缸内径3 0 0 m m ，长度7 1 3 4 m ：滑车宽度1 2 1 9 m ， 长度3 6 5 7 m ，滑车质量9 9 6 k g ；导轨长度3 6 6 m ：控制装置可实行程序控制或顺 序控制；高压气源有5 个贮气筒，四级空气压缩机两台，最高压力为2 1 9 M P a ； 照明装置采用1 5 k w 卤素灯泡，每侧6 行1 4 列，照明面积1 2 m X 6 m = 7 2 m ，平均 照度为1 2 0 0 0 0I x 。启动方式可以是手动也可以选择自动。该装置的性能：试 件质- m 5 6 0 - 2 3 0 0 k g ；最大加速度小于5 0 9 ；持续时间9 7 - - 1 3 8 m s ；最高速度小 于1 0 6 k m h ；最大推力1 2 0 t 。被试件反装于滑车上。该H Y G E 能实现半正旋波形 和梯形波，加速度和持续时间可在规定范围内任意设定。而美国T R C 使用的 H Y G E 缸径为6 0 0 m m ，被测试件质量可以达至l J 4 - - - 5 t ，最大速度1 6 0 k m h ，最大 加速度可以达至U 8 5 9 ，是世界上三个最大的H Y G E 之一。 武汉理工大学硕士学位论文 数据采集分析设备 黢b? 憋L 、趣越冬 、N 坠? 銎? E E q E l 辣瀛。： 一蘸一萎卷秸 F 载高_ 影机哂崤义 n 简。薹一 R L 三l j 高压压缩机站 图1 7H Y G E 试验装置组成 美国M T S 公司制造的H Y G E 小尺寸碰撞模拟试验系统主要用于汽车零部件 碰撞试验。它的吸能装置为反弹式程序控制器。当滑车冲击壁障时，程序控制 器被压缩，一直到将滑车所有动能吸收完为止，同时使滑车减速到零速度。而 后程序控制器伸展至原来长度，将所贮存的能量还给滑车，同时使滑车向回加 速，使其返回到原来开始位置。滑车的速度变化符合全正旋波，通过程序控制 器调整可使加速度曲线符合正旋半波规律，满足F M V S S 法规关于模拟碰撞试验 的要求。具有反弹程序控制器吸能装置的小尺寸碰撞模拟试验系统主要优点是： 被测试件的实际速度只有试验模拟速度的1 2 ，实际动能约为试件模拟动能的 1 4 ，因此安全性能大大提高，节约试验成本。并且滑动长度可以为普通碰撞或 冲击试验需要长度的1 4 以下。具有占地少的优剧1 5 】。 荷兰道路车辆研究所和法国U T A C 开发的小尺寸碰撞模拟试验系统相类 似。装置的前端有塑料管吸能器，以产生E C E1 6 要求的波形。装置的动力源均 为橡皮筋；最大冲击速度均为6 5 k m h 左右：允许试件最大质量为1 0 0 0 k g 。但是， 要想改变试件减速度波形，必须改变塑料管和与其配对的橄榄头直径尺寸。这 种装置不易随便调整波形，但其造价较低，易于推广。 德国T U V 和日本N S K 公司的碰撞模拟试验系统均采用钢板吸能器模拟规定 的减速度波形。钢板的厚度约为1 0 - - 1 2 m m ，试验时冲击臂与碰撞台车一起以高 速冲击钢板，钢板产生变形并吸收台车动能。总之，各国模拟碰撞装置各有特 色，为汽车工业的发展提供了数据和技术支持。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 全尺寸汽车碰撞模拟试验系统即通常所说的实车碰撞试验，但其确切含义 是模拟发生交通事故时各种形式的碰撞试验。美国、日本、欧洲和澳大利亚的 许多汽车制造厂商和研究检测机构都建立了比较完善的实车碰撞试验系统。美 国福特公司的实车碰撞系统能进行整车质量5 t 以下，车速低于2 0 0 k m h 的正面碰 撞和3 0 度角前碰撞模拟试验，其可改变角度的壁障质量约为4 0 0 t 。英国在欧洲 最早建立了以直线电机牵引的全尺寸汽车碰撞试验装置。前苏联汽车研究所和 法国也有类似设施。各国全尺寸碰撞模拟试验系统在结构上有很多相似之处， 也各有特点。各国实车碰撞试验装置基本参数和性能指标见表1 3 国外部分实 车碰撞试验装置基本情况【2 】【5 】【8 】 表1 3 国外部分实车碰撞试验装置基本情况 机构名称 G MH O N D AU T A cI O I A D A 国家 美国 日本法国西班牙 室内1 5 0 m室内1 6 0 m 跑道长度1 4 0 m3 0 0 m 室外2 0 0 m室外9 0 m 壁障质量2 5 0 t1 4 5 t1 5 0 t 1 2 0 t 牵引方式电机闭环牵引电机开环牵引 电机闭环牵引电机闭环牵引 牵引功率 5 0 0 k wX43 7 5 k w6 0 0 k w5 0 0 k w 碰撞广场 ( 室内室外) 室内室外半封闭室内室外半封闭 1 3 2 2 国内汽车碰撞试验技术 相对于欧洲、美国、日本等国家，我国汽车安全技术研究起步比较晚。国 内从9 0 年代开始进行汽车被动安全性研究工作。1 9 9 2 年5 月3 1 日，中国首次整车 碰撞试验在清华大学“汽车安全与节能国家重点实验室进行，试验对象是山 东生产的齐鲁牌客车，目的是检测这种客车上安装的玻璃钢车身产品强度性能。 这次试验只停留在定性水平上，没有定量的要求f 1 6 1 。继清华大学建成汽车碰撞 试验装置后，东风汽车公司东风汽车工程研究院于1 9 9 5 年6 月2 9 日在襄樊汽车试 验场通过了“汽车被动安全动态试验设施研究 的鉴定；中国汽车技术研究中 心于1 9 9 5 年8 月1 5 日在天津通过了“C A T A R C 汽车模拟碰撞试验系统”的鉴定。 这些试验系统建成填补了我国汽车工业在汽车被动安全试验方面的空白，为我 国汽车工业安全标准、法规制定，汽车整车、零部件实际安全监督检验以及开 展汽车碰撞试验研究打下了良好基础。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 经过十几年的发展，我国已能开展实车碰撞的单位主要有：中国汽车技术 研究中心、清华大学汽车研究所、国家汽车质量监督检验中心( 襄樊) 、交通 部通县实验场、上汽集团汽车实验场、重庆汽车研究所等。建成的部分实车碰 撞试验系统已经达到国际水平，并且已经为国内众多生产企业车型及进口车型 做了碰撞试验。见表1 4 国内部分实车碰撞试验装置。 近几年，我国实车碰撞试验逐渐延伸到轻型载重货车领域。2 0 0 3 年1 月2 日， 由长安汽车( 集团) 有限责任公司生产的SC 1 0 2 0 小型货车在天津中国汽车技 术研究中心汽车安全碰撞试验室成功完成正面碰撞试验。这是国内货车首次以 满足国际、国内安全碰撞法规进行的成功试验。( “长安牌 SC 1 0 2 0 货车是 长安公司于2 0 0 1 年推出的一款以“长安之星 车系为基础的货车，这种车既能 载人，又能运货) 。 以上几家科研单位进行的研究既有相同点，又有各自不同的侧重点：清华 大学车辆研究所在国内最早开展汽车模拟碰撞试验，研制开发了国内第一部汽 车模拟碰撞试验台。在汽车模拟碰撞基础理论研究方面做了大量工作。交通部 通县实验场是国内最先实施汽车实车碰撞的单位，为我国汽车安全法规制定提 供大量参考依据。中国汽车技术研究中心是国内最有实力的汽车安全研究机构 之一。通过开展大量的汽车座椅安全带、安全带固定点、座椅等的鉴定、试验 工作，在汽车被动安全研究方面打下了坚实的理论基础，积累了丰富的实践经 验。9 5 年在联合国开发计划署的资助下，通过派员到国外学习等方式，积极引 进国外技术设备和管理方法，现已成为我国N C A P ( N e wC a rA s s e s s m e n t P r o g r a m ) 权威认证单位【8 】【1 7 1 。 表l 一4 国内部分实车碰撞试验装置 国家汽车质 国家汽车质 中国汽车技 单位名称 清华大学通县试验场量监督检验量监督检验 术研究中心 中心( 襄樊)中心( 长春) 轨( 跑) 道长度 5 3 m4 0 0 m4 0 m4 3 m1 2 0 m 壁障质量 1 0 0 t 1 8 0 t 1 5 0 t7 0 t1 0 0 t 直流电机开 直流电机闭 牵引方式橡皮绳橡皮绳橡皮绳 环牵引 环牵引 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 室内或室外 室内 室外室外 室内 室内 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本论文研究的内容 本文在查阅大量资料和进行多方面设计、计算和仿真基础上，完成了货车 碰撞试验电力拖动系统研究工作。并就今后汽车碰撞试验装置电力拖动系统的 发展方向和有待继续深入研究的问题做了探讨。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 拖动方案选择 在对国内外已有实车碰撞装置的电力拖动系统进行比较分析的基础上，针 对货车碰撞试验装置台车及货物碰撞质量大，速度精度要求较高的特点，根据 相关法规和厂家对试验装置性能参数要求，提出P L C 为上位机，以专用晶闸管 触发器为整流部件核心，控制大功率直流电机的拖动方案。 ( 2 ) 电流、速度双闭环调速系统的设计 在选定直流电机和确定速度、加速度变化要求的基础上，针对场地长度， 建立调速系统模型，并实现对直流电机转速控制，使拖动系统达到货车碰撞试 验规定的速度要求。 ( 3 ) 建立整体货车碰撞试验装置电力拖动系统模型，使用计算机仿真软件 M a t l a b S i m u l i n k 对系统进行仿真。得出了时域内电流、速度等变化曲线。验证 系统设计是否完全符合要求的性能指标。 1 5 小结 l 、本章介绍了汽车碰撞技术的发展历史，汽车碰撞试验装置组成、分类， 以及国内外相关汽车碰撞法规和汽车碰撞试验装置研究现状。 2 、公路货运高速发展和货物约束系统性能研究的需要，使研究货车碰撞试 验装置，开展货车碰撞试验，为制定相关运输标准提供依据具有现实意义。 3 、本文研究的主要内容是：针对货车碰撞试验特点，选择合理拖动系统方 案，设计调速系统，满足货车碰撞试验的速度要求。建立碰撞试验电力拖动系 统模型，用软件仿真，得出时域内拖动系统性能参数。为试验电力拖动系统进 一步设计优化提供依据。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章实车碰撞试验系统组成及工作原理 实车碰撞试验装置是将车辆或台车加速到规定的速度后与不同的障碍物进 行碰撞的装置，是一个综合的系统，一般由场地系统、电力拖动系统、高速摄 像系统和数据采集及分析系统等组成。 2 1 实车碰撞试验场地系统 场地系统受到现场环境的限制，形态各异，一般由经过加固的试验场地、 导轨、吸能装置和壁障构成。其中吸能装置是试验场地系统的核心。 2 1 1 实车碰撞试验场地和壁障 如图2 1 所示，碰撞场地长度根据试验车辆质量和碰撞速度的不同从5 0 m N 2 5 0 m 不等，碰撞广场的面积约2 0 0 m 2 左右。场地以混凝土为底层，表面进行 硬化处理，地面下方埋有排水系统、导轨固定件、钢丝绳架和其它线架。碰撞 壁障一般为刚性体，根据试验车辆和碰撞速度不同其质量从l O O t 到2 5 0 t 不等。 | I 一一r 一、 l 一一U 啡辆 图2 1 实车碰撞场地示意图 导轨的作用是使被测车辆按照规定路线行驶，保证碰撞的方向。导轨长度 与试验场地的长度相适应，其结构如图2 2 所示。导向轨道路基自下而上由鹅 卵石承重层、石灰土碎石层、混凝土面层构成，可以承受较大的重量不发生下 陷和表面破坏。地脚螺栓用来固定工字钢导轨，为导轨提供足够的抗力。导轨 依靠导向机构与被测车辆连接，并限制车辆的运行轨迹。见图2 3