汽车正碰撞假人躯干标定装置设计

ｏｆ
ｓｈａｎ曲ａｉ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ）ｒ，ｓｈ如ｇｈａｉ ２０００９３，ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｆｅｒｒｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｈｙｂｒｉｄ ｆ而ｎｔａｌ ｉｍｐａｃ￡ｄｕｍｍｙ，ａ ｔｏｒｓｏ ｎｅｘｉｏｎ ｃａｌｉｂｍｔｉｏｎ矗ｘｔｕｒｅ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ
３．２倾角传感器 倾角传感器安装在颈部支架上方，用于实时测 量试验中假人躯干弯曲的角度，并将信号反馈给控 制端，控制端再按照试验流程向步进电机传递信
号，改变电机运动方向。
Ｉｎｎｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｏｆ
ｒ叩ｅ
ａｕｔｏ－ｒｅｌｅａｓｅ ｄｅＶｉｃｅ
２．７
绳索快速连接装置
绳索快速连接装置由一个开有槽沟的盒体和
信号采集方案
拉压力称重传感器
拉压力称重传感器安装在颈部支架前端的圆 形支撑杆上，用于测量试验中假人头、颈结合处受 到的拉力。 拉压力称重传感器直接与数据采集系统连接， 进行信号采集。数据采集系统提供传感器１０ Ｖ直流 励磁电压，称重传感器的技术指标见表３。
表３
Ｔａｂ．３
拉压力称重传感器技术指标
Ｓｐｅｃｉ６ｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｌｏａｄ
ｓｅⅡｓｏｒ
指标名称 测量范围
２００
性能指标 ｋｇ
电源直流电压及输出灵敏１０ ｖ．２‰ 度精度 精度（Ｆ・Ｓ） 零点漂移（Ｆ・Ｓ／１０℃） 灵敏度漂移（Ｆ・Ｓ／１０℃） 安全过载（Ｆ・Ｓ） 材质
图７
Ｆｉｇ．７ ±０．１％，±０．２％，±０．５％ ＜０．２％ ＜０．２％ １５０％
合金钢／铝合金
绳索自动释放装置内部结构
ｏｎ
ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｐｒｏ铲舢ｉｎｇ
ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ
ＨｙｂｒｉｄⅢ５ｔｈ ｆｅｍａｌｅ ｄｕｍｍｙ ｍｏｄｅｌ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
ｏｆ ｔｌｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｄｅｓｉｇｎ，ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ
ｔｏ
ｓｙｓｔｅｍ ｂｙ ＬａｂＶＩＥＷ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｔｈｅ ｆｉｘｔｕｒｅ ｉｓ ｕｓｅｄ
２．５ ｍｍ
的各种二相混合步进电机，与所选电机匹配。脉冲
滑轮机构
在试验台台面及端部支架上布置了滑轮机构。
滑轮机构为：试验台台面上安装的两个滑轮装置，
呈前后布置；端部支架上安装的３个滑轮装置，呈上
下布置。
２．６ 图８
Ｆｉｇ．８
整体安装示意
ｏｆ ｔｏ玮。嬲ｓｅｍｂＩｙ ６ｘｔｕｒｅ
绳索自动释放装置
绳索自动释放装置由一个直流电磁铁驱动的 ３
ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ
ｓｃｈｅｍｅ，
ｃｏｎｈ－ｏｌ ｓｖｓｔｅｍ
汽车的安全问题随着汽车数量的增加日益受 到重视。汽车碰撞试验是检验汽车安全性能的重要 手段，而试验用假人作为汽车碰撞试验的基础工 具，它对汽车安全事业的发展起着重要的作用。 碰撞试验假人的生物拟合性好坏将直接关系 到车辆的碰撞安全性能是否得到正确评估，同时也 间接影响乘员或行人的生命及财产安全。对假人进 行标定是保证其生物拟合性的关键措施。通过标 定，能够得到该假人在模拟环境下的各项参数，从 而为验证假人是否符合标准提供了依据¨Ｊ。
图３装置结构示意
Ｆｉｇ．３
２．２
Ｄｉａｇｒ啪ｏｆ ｆｉｘｔｕｒｅ
图５
Ｆｉｇ．５
颈部支架
不同型号的Ｈｙｂｒｉｄ系列假人配备不同型号的 颈部支架。颈部支架前端的圆形支撑杆上安装了柱 式拉压力称重传感器，用于测量试验过程中假人 头、颈结合处受到的拉力；颈部支架的后端安装了 倾角传感器，用于测量试验过程中假人上躯干弯曲 的角度。ＨｙｂｒｉｄⅢ型５百分位女性假人的颈部支架 如图４所示。试验时，颈部支架依靠４个螺栓固定在 假人背部，支架的枢轴必须与假人颈部枢轴销Ｈ ｏ同 轴；当假人躯干弯曲至试验角度时，颈部支架的导 杆必须与绳索共线，避免产生分力。
Ｈｉｇｈｗａｙ Ｔｍｍｃ
Ｓ如ｔｙ
Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｆｉｘｔｕｒｅ
ｇｏｔ
ｔｈｅ
ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ｒｅ８Ｉｌｌｔ ｉｎ ｔｅ８ｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ ｆｒｏｎｔａｌ
ｉｍｐａｃｔ
ｄｕｍｍｙ，ｔｏｒｓｏ
ｎｅｘｉｏｎ
ｆｉｘｔｕｒｅ，ｓｔｎｌｃｔｕｒｅ
ｄｅｓｉｇｎ，ｄ８ｔａ
１
正碰撞试验假人躯干标定方式
在试验假人的头、颈部结合处受到持续外力作
用的情况下，其上躯干会相对下躯干产生弯曲，假 人体内的腰椎及腹部嵌人物会产生形变，具体结果
如图１和图２所示。
４９ＣＦＲ，Ｐａｒｔ
５７２法规规定，试验假人在投入使
图ｌ
Ｆｉｇ．１
假人上躯干在竖直状态
Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｄｕｎｌｍｙ
收稿日期：２０１３—０７—１６； 修订日期：２０１３—０９一１８。
对试验假人进行标定，需要有一套完善的标定 系统。我国与欧美，日本等汽车制造业发达的国家 相比，对于汽车碰撞安全的研究起步较晚，对假人 标定系统的开发也较为落后旧Ｊ。目前，国内针对正 碰撞试验假人的标定系统，主要是对假人的头、颈、 胸、膝４个部位进行标定。并未对上、下躯干结合处， 即腰脊柱部位做出相关的标定规定，同时也没有相 应的试验设备。但是，针对这一部位的标定，在世界 各国的汽车碰撞法规以及新车星级评定中却是明
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｏｒｓｏ Ｆｌｅｘｉｏｎ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ Ｆｉｘｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｆｒｏｎｔａｌ
Ｉｍｐａｃｔ Ｄｕｍｍｙ
ＳＨＥＮＧ Ｃｈｅｎｈａｎ，
ＺＥＮＧ Ｚｈｏｎｇ‘
ｆｏｒ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ
（ｓｃｈｏｏｌ
ｏｆ ＭｅｃｈａｌＩｉｃａｌ
ＥｎｇｉｎｅｅＩｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
如表１所示‘３｜。
置；牵引假人使其上躯干弯曲至试验角度４５。；保持 该弯曲状态１０ ｓ；记录下１０ ｓ内的最大牵引力；松脱
表１标定参数要求
Ｔａｂ．１
Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃａｎｂｒａ６０ｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
２结构设计方案
２．１
宝罢釜磊嘉盏絮裟惹冀嚣嚣之嚣壶旱磊菩
的；支撑架安装在试验台后端，连接骨盆支架，对试
确规定的。
作者简介：盛晨函（１９８８一），男，上海人，机械制造及自动化专业硕士研究生。 宰通信作者：曾忠（１９“一），男，四川德阳人，教授，硕士生导师。主要从事精密加工工艺研究。
Ｅｍａｉｌ：ｚｅｎｇｚ＠１８９．ｃｎ
万方数据
１９０
江南大学学报（自然科学版） 文中主要以ＨｙｂｒｉｄⅢ型５百分位女性假人模型
２．４
Fra Baidu bibliotek
骨盆支架结构
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｅｌ、，ｉｓ ｂｒａｃｋｅｔ
步进电机驱动机构 试验台下部安装了一套步进电机驱动机构，是
由一个贯通轴式混合型丝杆步进电机、一根丝杆和 电机支撑架组成。电机支撑架内部的滚筒所组成的 导轨系统起到减小振动的作用，并增大电机组件的 刚度；电机支撑架上端安装了一个钢丝绳索固定 块，绳索固定块上开有上下布置的两个孔，分别将 两根绳索的端部固定。下孔的绳索穿过试验台台面 的滑轮装置与绳索快速释放装置的前端连接，上孔 的绳索穿过试验台后部支撑架上的滑轮装置与绳 索快速连接装置相连。试验时，步进电机做前后的 直线运动，经试验台上的滑轮装置牵引绳索，拉动 试验假人的上躯干，使其完成往复弯曲的动作。电机 支撑架的结构如图６所示。步进电机选型参数见表２。
ｃａｌｉｂｍｔｅ ｍｅ ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ａｎｄ ｌｏｗｅｒ ｔｏｒｓｏ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｕｎｄｅｒ ｑｕａｓｉ—ｓｔａｔｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｉｎ ｏｒｄｅｒｔｏ ｔｅｓ“ｆ ｉｔ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ４９ＣＦＲ，Ｐａｎ ５７２ ｆｍｍ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ
步进电机选型参数
Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ
万方数据
１９２
江南大学学报（自然科学版） 此外，步进电机不能直接接到电源上工作，必
第１３卷
须连接步进电机驱动器。步进电机驱动器从控制端
接收到脉冲信号和方向信号，脉冲信号控制电机的 运行距离，方向信号控制电机的旋转方向。同时，可 以通过控制脉冲个数和频率达到准确定位和调速 的目的”Ｊ。本装置选用ＹＩ（２４０４ＭＡ型两相步进电机 细分驱动器，它能适配电流４．５ Ａ以下、外径５７ 信号由低变高，上升沿触发，电机转动。
用前、相关部位零件受到破坏或进行更换后以及经 过一定数量试验后，都需对其进行躯干标定，以保 证零件满足设计要求。 标定试验由两部分组成：预弯曲试验和弯曲试 验。其中，预弯曲试验并不要求每次都做。在假人经 过一定数量弯曲试验后，对其进行一次预弯曲试验 即可。此外，假人在放置了一段时间后和第一次投 入使用前也需对其进行预弯曲试验。 预弯曲试验主要步骤是：连接假人前部的绳索 自动释放装置和后部的绳索快速连接装置；牵引假 人使其上躯干弯曲至预定角度３００，再返回竖直状 态，重复往返上述动作３次；等待３０
第１３卷第２期 ２０１４年４月
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
江南大学学报（自然科学版） Ｊｉａｎｇｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖ０１．１３
Ｎｏ．２
Ａ ｐｒ．２０１４
汽车正碰撞假人躯干标定装置设计
盛晨函，
曾忠＋
（上海理工大学机械工程学院，上海２０００９３） 摘要：参照Ｈｙｂｒｉｄ系列汽车正碰撞假人的标定参数，基于ＨｙｂｒｉｄⅢ型５百分位女性假人模型，设 计开发了一套汽车正碰撞假人躯干标定装置，包括机械结构设计、信号采集方案的选择、上位机 ＬａｂＶＩＥｗ与单片机结合的控制系统编写。该装置用于对假人的上下躯干结合处进行准静态标定试 验，验证其是否符合美国国家公路安全管理局（ＮＨＴＳＡ）４９ＣＦＲ，Ｐａｒｔ ５７２法规规定的要求。装置在 实践中获得了满意的使用效果。 关键词：汽车正碰撞假人；躯干标定装置；结构设计；信号采集方案；控制系统 中图分类号：ＴＨ ６９文献标志码：Ａ文章编号：１６７ｌ一７１４７（２０１４）０２—０１８９—０７
一根插销组成。预弯曲试验中，经过３０ ｍｉｎ等待时
间后，假人需要处于完全无支撑状态，试验人员手 动拔出插销，连接颈部支架和步进电机的绳索松 脱，此时假人即处于完全无支撑状态。进行下一次 预弯曲试验前，只需将插销插入销孔即可。 当试验假人被安装到标定装置上，整体结构如
图８所示¨Ｊ。
传感器由标定装置供电，只能向数据采集系统 输出电压信号，其角度换算公式为 ｐ＝ｓｉｎ。１［（Ｋ。。一圪。。）／．ｓ］ 式中：Ｋ。。为试验中的输出电压；Ｅ。。为基准位电压 值；｜ｓ为传感器的灵敏度。
第１３卷
约束，假人保持无支撑状态３ ｍｉｎ；记录躯干弯曲角
度，即回归角。
为基础，开发了一台躯干弯曲标定装置，对其机械 结构、运动控制及信号采集部分分别进行了设计。 以满足４９ＣＦＲ，Ｐａｒｔ ５７２法规针对正碰撞试验假人 躯干结合处的标定要求。对假人的固定夹具稍加改 动，该装置同样适用于其余型号的Ｈｙｂｒｉｄ系列正碰 撞试验假人。
图４颈部支架结构
Ｆｉｇ．４ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｎｅｃｋ ｂｒａｃｋｅｔ
２．３
骨盆支架
骨盆支架是一个简易钢结构件，一端通过螺栓 和定位销与试验台后端支撑架连接，另一端通过螺 钉与假人的骨盆腔体连接。和颈部支架一样，不同
表２
Ｔａｂ．２ Ｆｉｇ．６
图６
电机支撑架结构
ＳｔｒＩｌｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｓｕｐｐｏｒｔｅｒ
２００ ｍｍ×６２０
试验台外形尺寸
试验台为刚性水平面，尺寸为：１
ｍｍ×６４０
验假人进行固定；电气箱安装在试验台下部。装置
结构如图３所示。
ｍｍ，质量为１２５ ｋｇ，４个支脚分别安装万
万方数据
第２期
盛晨函等：汽车正碰撞假人躯干标定装置设计
１９１
型号的Ｈｙｂｒｉｄ系列假人配备不同型号的骨盆支架。 图５为ＨｙｂｒｉｄⅢ型５百分位女性假人的骨盆支架。
ｍｉｎ；３０
ｍｉｎ后，
松脱约束，即假人前后部的绳索自动释放装置和绳索 快速连接装置断开，使假人处于无支撑状态；继续等待
２ 图２
Ｆｉｇ．２
假人上躯干在弯曲状态
Ｆｌｅｘｅｄ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｄｕｍｍｙ
ｍｉｎ，测得此时上躯干的弯曲角度，即试验初始角。 弯曲试验主要步骤是：连接绳索自动释放装
美国国家公路安全管理局的法规４９ｃＦＲ，Ｐａｒｔ ５７２对躯干弯曲标定试验的参数做出了规定，具体
３．１
Ｄｉａｇｍｍ
机械锁扣组成。其内部结构如图７所示。作为一个自 动装置，当假人上躯干弯曲到规定角度需要处于无 约束状态时，电磁铁接收到控制端发送的电信号， 其内部的电磁铁通电，机械锁扣松脱，释放绳索。同 时，该装置还具有手动释放功能：只需将装置上的 拨动开关从“关”档拨到“开”档，机械弹簧闩就会
打开。