彈簧蓄能式頭型沖擊發射機構的設計與研究

唐家兵

（中國汽車工程研究院，重慶 401122）

彈簧蓄能式頭型沖擊發射機構的設計與研究

唐家兵

（中國汽車工程研究院，重慶 401122）

本文介紹了一種經濟實用的頭型速度發生裝置，同時也將開發中的失敗過程也呈獻給大家。

頭型；速度；發射；機構

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

前言

在汽車測試中，按相關的法規，需要進行6.8kg（也有其它重量要求如10kg）頭型沖擊試驗，即用一套機構將固定重量的頭型以一定的速度（如7m/s）發射出去，當頭型與被試件沖擊時，測量頭型減速度從而評價被試件的沖擊吸能特性。本文介紹了一種經濟實用的頭型速度發生裝置，同時也將開發中的失敗過程也呈獻給大家，供業界同行參考。

1、頭型速度發生裝置需要解決的問題

頭型沖擊試驗通常是破壞性試驗，也就是一次性試驗后，被試件基本就破壞了。因此要求速度發生裝置速度控制要有較高的精度和重復性，也就是要求產生速度一次成功，法規要求速度誤差通常在±0.2m/s之內。

由于頭型上要安裝加速度傳感器，而傳感器有線束相聯，這就要求頭型還不能完全“自由”地飛出去，通常需要導向，否則線束極易斷裂，也容易造成加速度傳感器和頭型本身的損壞。但是頭型一旦有導向機構，摩擦損失不可避免，因此導向機構要使摩擦阻力盡可能小，測試中才對結果影響不大。

2、一種簡單實用的頭型發射裝置

2.1 頭型及導向部分設計

按上述要求，我將頭型設計成帶導向桿結構，頭型前球冠面尺寸按相關法規要求設計。

球頭部分與導桿總質量要滿足法規要求的頭型質量。

剛開始，我設計的導向裝置采用了直線軸承，如圖2。由于頭型飛出去時速度高達7m/s，一般直線軸承承受不了這種高速度，結果很快軸承就壞了。

后來將導桿支撐結構改成如下圖所示結構，采用軸承+導輪形式，導輪內有滾動軸承，這樣即能滿足高速的要求，又能解決低摩擦的問題。

2.2 發射部分設計

本發射裝置采用了壓縮彈簧蓄能方式來實現。由于頭型受到重力影響，導向桿過長會使頭型在飛行過程中彎曲下垂；為了減小摩擦力影響，盡量減小導向長度，因此在設計彈簧時，彈簧剛度要盡量大，發射行程盡量減短。我采用了氣缸將彈簧拉回，受氣缸拉力的影響，彈簧剛度也不能太大，否則拉不動。

最初設計的結構如圖4所示時，是讓氣缸活塞桿與彈簧保持連接。當氣缸有桿腔充入壓縮空氣時，彈簧便被拉回，處于蓄勢待發狀態，然后讓有桿腔壓縮氣體通大氣，產生發射動作。結果發現產生速度很低。分析原因主要有兩個：一是壓縮氣體通大氣時，氣缸出氣口通徑太小，產生了較大的阻尼，二是氣缸本射摩擦力很大，而且本身也不耐高速。這兩個原因把彈簧蓄的能量吃掉了一大半。

現在的問題是需要將活塞桿脫開。我們設計的彈簧最大拉力達到近兩噸，如果用電磁鐵來分離，電磁鐵需要吸附的鋼件質量很大，它運動起來會消耗掉大量彈簧能量?？紤]到這個因素，不能選電磁鐵方式。

如是將活塞桿與彈簧拉桿之間的連接銷拔掉，當然就脫開了。事實上這種方法不可取。原因有二：一是當拉力達到近兩噸時，這個銷子不易拔出來。更為嚴重的是，即使拔得出來，在拔銷的過程中，由于銷子作用面積越來越小，而且接近零件的邊緣部分，最后拔出階段，將局部損壞（啃掉）銷子或拉耳邊緣。

本人設計的脫鉤機構如下：

此脫鉤機構采用了凸輪機構及多連桿結構。利用凸輪穩定與非穩定之間的突變來實現脫鉤，利用多連桿機構實現巧力脫鉤。過程如下：

第一步，氣缸將彈簧拉回，此時脫鉤機構還未參與。

第二步，將脫鉤機構置于圖7所示的位置，然后，將氣缸壓縮氣體放掉。此時脫鉤凸輪承擔了所有的彈簧拉力。整個系統已經繃緊，由于連桿之間的角度關系，系統處于安全的自鎖狀態。

第三步，將氣缸活塞上的連接銷拔掉（此時很容易拔掉），讓氣缸活塞縮回，此時完成了發射準備，進入一觸即發的狀態。

第四步，觸發。由觸發氣缸活塞下壓即完成觸發。由于連桿之間的角度關系，觸發氣缸只用很小的力即可完成觸發，如圖9所示。在此過程中凸輪經過了穩定、臨界、失穩的過程，整個過程干凈利落，一氣呵成。整個觸發過程凸輪接觸副沒有發生邊緣受力的情況，也就不會發生“啃肉”的情況。

為了對稱受力，凸輪設計成雙耳形式。圖10所示。

整機最終圖如下圖所示。

本發射裝置對速度的控制是通過標定得出來的，也就是試出來的，因此脫鉤機構在發射方向初始位置是可調節的(即彈簧的初始壓縮量是可調的)。通常在試驗前需要空打一次或幾次，以確認速度滿足要求。從我們的使用的經驗來看，只要目標速度不變，調節好后，重復性是相當高的，完全滿足法規公差要求。只是由于試驗通常是破壞性試驗，為了保險起見，試驗前最好空打一次，確認一下。

3、結論

本文介紹的方法是筆者在實踐中實際應用的總結，這套機構已在我院檢測中心應用多年，做過很多次試驗，實用效果良好。這套裝置經濟實用，制造、使用、維護成本都很低。我把失敗的教訓以及成功的經驗，尤其是這種脫鉤機構的思想都呈現出來，希望能給業界同行提供參考。

Spring storage design and study the im pact of the first type of firing mechanism

Tang Jiabing
(China Automotive Engineering Research Institute, Chongqing 401122)

This paper introduces an econom ic and practical head torso launch bench. And it also displays the failure sample during development.

head torso; speed; launch; bench

U463.833

A

1671-7988(2014)06-44-03

唐家兵，高級工程師，工學碩士，就職于中國汽車工程研究院重慶凱瑞汽車試驗設備開發有限公司，長期從事汽車測試設備的開發與研究。