一种用于碰撞假人的转动惯量测量设备及测量方法与流程

1.本发明涉及转动惯量测量领域，具体而言，涉及一种用于碰撞假人的转动惯量测量设备及测量方法。


背景技术：

2.随着我国汽车保有量的逐年增多，交通事故也急剧增加。汽车被动安全测试技术是验证汽车乘员保护系统的重要测试手段，其中碰撞测试假人是汽车被动安全测试中必需的测量设备，通过碰撞假人所反映出的测量数值，能够对汽车乘员约束系统设计的合理性进行准确的评价。
3.碰撞测试假人在进行多次试验后，在撞击过程中零部件内部产生的损伤、错位会影响碰撞测试假人自身的转动惯量参数，而现有的碰撞假人标定技术并不会对其转动惯量等质量特性参数进行标定，同时这些内部损伤、安装错位等很难在外观上直观的发现，会导致碰撞试验的不准确性。
4.因此有必要开发一种用于碰撞假人的转动惯量测量设备及其方法，在碰撞假人更换备件或者进行一定数量的试验之后，对其各个结构总成的转动惯量进行测量标定，以保证其自身参数的准确性，提高碰撞试验的有效性。现有的用于其他领域的转动惯量测量设备多需要将产品完全旋转两个90
°
进行测量，在进行较大零部件测量时，这种方法不能保证其测量过程的安全性和稳定性，同时也提高了设备装拆的复杂性。
5.有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种用于碰撞假人的转动惯量测量设备及测量方法，该设备和方法能够在转动多个小角度的情况下对转动惯量进行测量，提高测量过程的安全性和稳定性。
7.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：第一方面，本发明提供了一种用于碰撞假人的转动惯量测量设备，包括基座、转台系统、扭摆周期采集系统和扭摆运动系统，所述转台系统设置于基座上方，所述扭摆周期采集系统和所述扭摆运动系统均设置于基座的下方，所述转台系统、所述扭摆周期采集系统和所述扭摆运动系统依次连接，所述转台系统还与所述扭摆运动系统相连。
8.进一步地，所述扭摆运动系统包括升降控制电机、扭摆控制电机、升降模组、扭摆轴、第一扭摆离合机构和第二扭摆离合机构；升降控制电机、升降模组、扭摆控制电机和第一扭摆离合机构依次连接，第二扭摆离合机构和扭摆轴相连，扭摆轴还分别与所述扭摆周期采集系统和所述转台系统相连；第一扭摆离合机构在扭摆控制电机和升降模组的带动下能够实现与第二扭摆离合机构的啮合和脱离。
9.进一步地，在第二扭摆离合机构上方还设置有扭摆离合弹簧，扭摆离合弹簧处于
压缩状态。
10.进一步地，扭摆轴上端的直径大于下端的直径。
11.进一步地，所述扭摆周期采集系统包括扭摆线轮、第一扭摆弹簧、第二扭摆弹簧、扭摆连接线、光电传感器和遮光片；扭摆线轮与所述扭摆运动系统相连；扭摆连接线绕设于扭摆线轮，扭摆连接线两端分别与第一扭摆弹簧和第二扭摆弹簧相连；遮光片的一端与扭摆线轮相连，另一端放置于光电传感器的电光门之间。
12.进一步地，所述转台系统包括安装底板，以及设置在安装底板上方的第一转台控制电机、第一转轴、工装安装板、第一转台电机支架、第二转轴和第二转台控制电机；安装底板与所述扭摆运动系统相连；第二转轴分别与第二转台控制电机和第一转台电机支架相连；第一转台控制电机和第一转轴设置于第一转台电机支架上，第一转轴分别与第一转台控制电机和工装安装板相连。
13.第二方面，本发明提供了一种转动惯量测量方法，采用上述的用于碰撞假人的转动惯量测量设备来测量待测产品的转动惯量。
14.进一步地，该方法包括：测量所述测量设备空载时，设定扭摆角度和设定转动角度下的扭摆周期t0；测量待测产品安装在所述测量设备上后，设定扭摆角度和设定转动角度下的扭摆周期ts；根据所述扭摆周期t0、所述扭摆周期ts和所述设定转动角度，计算待测产品各轴的转动惯量；其中，所述设定转动角度为工装安装板坐标系中各轴与扭摆轴轴向的夹角。
15.进一步地，所述根据所述扭摆周期t0、所述扭摆周期ts和所述设定转动角度，计算待测产品各轴的转动惯量包括：根据所述扭摆周期t0和所述扭摆周期ts，计算整体转动惯量；根据所述转动惯量和所述夹角，计算待测产品各轴的转动惯量。
16.进一步地，所述设定转动角度至少为6个。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供的用于碰撞假人的转动惯量测量设备采用扭摆运动系统来实现带动待测产品产生扭摆运动的效果，采用扭摆周期采集系统可采集待测产品和设备空载下的扭摆周期，采用转台系统可实现待测产品转动。采用该设备测量待测产品的转动惯量时，不需要将产品转动两个90
°
进行测量，而是将扭摆运动和转动结合起来，在待测产品转动不同角度时，通过基于扭摆周期和基于转动角度这两种方式来计算待测产品各轴的转动惯量，进而得到待测产品的多轴转动惯量。该设备结构紧凑，在一次安装待测产品且在转动小角度的情况下就可完成转动惯量的测量，特别是待测产品重量或体积较大时，可大大提高测量的安全性和稳定性，不仅适用于碰撞假人各个总成的测量还可实现多个总成的一体化测量，并且应用领域还可扩展到其他需要测量转动惯量的领域。
18.本发明提供的转动惯量测量方法采用上述用于碰撞假人的转动惯量测量设备进
行测量，因而至少具有与该设备相同的优势。具体地，分别测量设备空载和待测产品安装后，设定扭摆角度和设定转动角度下的扭摆周期，再根据扭摆周期和设定转动角度计算待测产品各轴的转动惯量，该方式依靠转动惯量的不同计算方式即可得到各轴转动惯量，设定转动角度无需定义为90
°
，在较小的角度下即可。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是实施例1提供的用于碰撞假人的转动惯量测量设备的结构示意图；图2是实施例1提供的用于碰撞假人的转动惯量测量设备除基座之外结构的分解示意图；图3是工装安装板、第一转台电机支架、第二转台控制电机、第二转轴轴承等结构的分解示意图；图4是实施例2提供的转动惯量测量方法的流程图；图5是实施例2中坐标系中xy轴的示意图。
21.图标：1-升降控制电机；2-扭摆控制电机；3-扭摆控制电机支架；4-第一扭摆离合机构；5-第二扭摆离合机构；6-扭摆离合弹簧；7-扭摆线轮；8-第一扭摆轴承；9-扭摆轴；10-法兰轴承座；11-第二扭摆轴承；12-安装底板；13-第一转台控制电机；14-第一联轴器；15-第一转轴；16-工装安装板；17-抱箍；18-第一转台电机支架；19-第一转轴轴承；20-第二转轴轴承；21-第二转台电机支架；22-第二转轴；23-第二联轴器；24-第二转台控制电机；25-第一扭摆弹簧；26-光电传感器；27-遮光片；28-第二扭摆弹簧；29-扭摆连接线；30-升降模组；31-基座。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
23.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语
在本发明中的具体含义。
25.实施例1参见图1-图3，本实施例提供了一种用于碰撞假人的转动惯量测量设备，包括基座31、转台系统、扭摆周期采集系统和扭摆运动系统，所述转台系统设置于基座31上方，所述扭摆周期采集系统和所述扭摆运动系统均设置于基座31的下方，所述转台系统、所述扭摆周期采集系统和所述扭摆运动系统依次连接，所述转台系统还与所述扭摆运动系统相连。
26.在一种优选的实施方式中，所述扭摆运动系统包括升降控制电机1、扭摆控制电机2、升降模组30、扭摆轴9、第一扭摆离合机构4和第二扭摆离合机构5；升降控制电机1、升降模组30、扭摆控制电机2和第一扭摆离合机构4依次连接，第二扭摆离合机构5和扭摆轴9相连，扭摆轴9还分别与所述扭摆周期采集系统和所述转台系统相连；第一扭摆离合机构4在扭摆控制电机2和升降模组30的带动下能够实现与第二扭摆离合机构5的啮合和脱离。
27.以上结构中，升降模组30在升降控制电机1的控制下，能够沿扭摆轴9轴向运动，进而带动扭摆控制电机2和第一扭摆离合机构4轴向运动。可选地，扭摆控制电机2通过扭摆控制电机支架3安装在升降模组30的滑块上；第一扭摆离合机构4通过顶丝安装在扭摆控制电机2的电机轴上；第二扭摆离合机构5通过花键安装在扭摆轴9上。在设备需要产生扭转时，第一扭摆离合机构与扭摆控制电机组成的系统在滑块、升降模组、升降控制电机的带动下向上运动，直至第一扭摆离合机构与第二扭摆离合机构啮合；第二扭摆离合机构能够沿花键上下滑动，以保证在两个离合机构接触但并未啮合时，第二扭摆离合机构能够在第一扭摆离合机构的作用下向上运动，直至啮合，保证啮合过程的顺畅和安全性。当扭摆角度转动到位需要释放时，第一扭摆离合机构与扭摆控制电机在滑块、升降模组、升降控制电机的带动下快速向下运动，实现装置释放。
28.在一种优选的实施方式中，在第二扭摆离合机构5上方还设置有扭摆离合弹簧6，扭摆离合弹簧6处于压缩状态。扭摆离合弹簧处于压缩状态，这样可对第二扭摆离合机构产生沿扭摆轴轴向向下的压力，以保证两个离合机构啮合后始终紧固。
29.可选地，升降控制电机1与扭摆控制电机2选用42步进电机。
30.需要说明的是，上述装置是指扭摆动力源与释放装置。升降控制电机1，扭摆控制电机2，扭摆控制电机支架3，第一扭摆离合机构4，第二扭摆离合机构5，扭摆离合弹簧6，升降模组30称为扭摆动力源与释放装置。
31.在一种优选的实施方式中，扭摆轴9上端的直径大于下端的直径。由于扭摆轴要与扭摆周期采集系统特别是转台系统相连，因此其上端的直径大于下端的直径能够提高整体设备的稳定性。
32.在一种优选的实施方式中，所述扭摆周期采集系统包括扭摆线轮7、第一扭摆弹簧25、第二扭摆弹簧28、扭摆连接线29、光电传感器26和遮光片27；扭摆线轮7与所述扭摆运动系统相连；扭摆连接线29绕设于扭摆线轮7，扭摆连接线29两端分别与第一扭摆弹簧25和第二扭摆弹簧28相连；遮光片27的一端与扭摆线轮7相连，另一端放置于光电传感器26的电光门之间。
33.该结构在扭摆线轮7转动一定角度时，第一扭摆弹簧25与第二扭摆弹簧28之间会产生长度差，进而储存一定的弹性势能，当扭摆动力源与释放装置释放时，该装置能够在弹性势能的作用下做周期扭摆运动，扭摆角度为
±
15
°
。
34.可选地，扭摆线轮7通过顶丝与扭摆轴9固定连接。遮光片的一端通过螺栓固定在扭摆线轮7上，另一端放置在光电传感器26的光电门之间。
35.进一步地，第一扭摆弹簧25和第二扭摆弹簧28还均与基座31相连。
36.在一种优选的实施方式中，所述转台系统包括安装底板12，以及设置在安装底板12上方的第一转台控制电机13、第一转轴15、工装安装板16、第一转台电机支架18、第二转轴22和第二转台控制电机24；安装底板12与所述扭摆运动系统相连；第二转轴22分别与第二转台控制电机24和第一转台电机支架18相连；第一转台控制电机13和第一转轴15设置于第一转台电机支架18上，第一转轴15分别与第一转台控制电机13和工装安装板16相连。
37.该结构中的安装底板用于放置其上方的第一转台控制电机、第二转台控制电机、工装安装板等，并且其与扭摆运动系统相连，通过扭摆运动系统的扭摆实现自身的扭摆运动，工装安装板用于安装待测产品（如假人总成，包括头部总成、胸部总成、颈部总成、左上臂总成、右上臂总成、左下臂总成、右下臂总成、左手部总成、右手部总成、臀部总成、左大腿总成、右大腿总成、左小腿总成、右小腿总成、左脚部总成、右脚部总成）。由于第一转台电机支架与第二转轴连接，因此在第二转台控制电机的带动下，第一转台电机支架能够转动一定角度，进而带动工装安装板及其上的待测产品的转动。其中，工装安装板可适配多个待测产品。工装安装板在两个转台电机的控制下，可在转动角度为0
°‑
45
°
。
38.可选地，第二转轴22和第二转台控制电机24均设置于第二转台电机支架21上，第二转台电机支架21与安装底板12相连，优选通过螺栓相连。
39.可选地，在第二转台电机支架21轴承位安装两个第二转轴轴承20，第二转轴22穿过第二转轴轴承20安装，第二转台控制电机24通过联轴器与第二转轴22相连。
40.可选地，所述转台系统还包括第一联轴器14和第二联轴器23，第一联轴器14的一端固定在第一转轴15上，另一端与第一转台控制电机13的电机轴固定连接；第二联轴器23的一端固定在第二转轴22上，另一端与第二转台控制电机24的电机轴固定连接。
41.可选地，第一转台电机支架18通过顶丝与第二转轴22相连，第一转台电机支架18轴承位安装两个第一转轴轴承19，第一转轴15穿过第一转轴轴承19安装，工装安装板16通过抱箍17与第一转轴15相连。
42.可选地，法兰轴承座10通过螺栓与基座31相连；法兰轴承座10内安装第一扭摆轴承8与第二扭摆轴承11，扭摆轴9穿过第一扭摆轴承8和第二扭摆轴承11，然后与安装底板12相连。
43.实施例2如图4所述，本实施例提供了一种转动惯量测量方法，该方法采用实施例1中的用于碰撞假人的转动惯量测量设备进行测量，包括以下步骤：s110、测量所述测量设备空载时，设定扭摆角度和设定转动角度下的扭摆周期t0。
44.其中，上述空载是指不在工装安装板上安装待测产品的情况。设定扭摆角度是指扭摆轴的转动角度。设定转动角度是指工装安装板坐标系中各轴与扭摆轴轴向的夹角。
45.可选地，如图5所示，工装安装板坐标系以工装安装板中心为原点（当工装安装板为圆形时，原点即其圆心），工装安装板平面法向方向为坐标系z轴，第一转轴轴向方向为坐标系x轴，第二转轴轴向方向为坐标系y轴。
46.s120、测量待测产品安装在所述测量设备上后，设定扭摆角度和设定转动角度下的扭摆周期ts。
47.示例性地，在转动惯量测量前，首先控制第一转台控制电机13将坐标系z轴与竖直方向重合，通过控制动力源与释放装置将设备转至指定扭摆角度后释放，测量扭摆周期t
01
并记录；之后保持第二转台控制电机24不动，仅控制第一转台控制电机13转动，使工装安装板沿x轴转动两个角度α1、α2，每个角度到位后同样重复扭摆释放过程，测量空载周期t
02
和t
03
；将第一转台控制电机13回位，控制第二转台控制电机24沿y轴转动两个角度β1、β2，每个角度到位后同样重复扭摆释放过程，测量空载周期t
04
和t
05
。
48.将假人总成安装在工装安装板上，重复上述过程，测量加载周期t
s1
、t
s2
、t
s3
、t
s4
、t
s5
。
49.s130、根据所述扭摆周期t0、所述扭摆周期ts和所述设定转动角度，计算待测产品各轴的转动惯量。
50.优选地，所述根据所述扭摆周期t0、所述扭摆周期ts和所述设定转动角度，计算待测产品各轴的转动惯量包括：根据所述扭摆周期t0和所述扭摆周期ts，计算整体转动惯量；根据所述转动惯量和所述夹角，计算待测产品各轴的转动惯量。
51.示例性地，整体转动惯量id采用以下公式计算，其中k为第一扭摆弹簧和第二扭摆弹簧的当量刚度系数，该当量刚度系数是考虑到空气阻尼等误差因素的综合的刚度系数。在测量前需要通过标准体对k进行标定。在采集到以上扭摆周期后，根据该公式可计算出五个状态下的五个转动惯量i
d1
、i
d2
、i
d3
、i
d4
、i
d5
。
52.进一步根据id=i
xx
cos2α+ i
yy
cos2β+i
zz
cos2γ-2i
yz
cosβcosγ-2i
xz
cosαcosγ-2i
xy
cosαcosβ；其中，α、β、γ分别为坐标系中x,y,z轴与扭摆轴轴向的夹角；i
xx
、i
yy
、i
zz
分别为待测产品自身x,y,z轴的转动惯量，i
yz
、i
xz
、i
xy
分别是x,y,z轴的惯性积。
53.根据以下公式可求解出各轴转动惯量i
xx
、i
yy
、i
zz
。
54.为简化计算过程，首先令α=90
°
，β=90
°
，γ=0
°
，可得公式一；令α=90
°
，绕图5所示y轴转动角度β1与β2，可得公式二、三；令β=90
°
，绕图5所示x轴转动角度α1与α2，可得公式四、五。
55.（公式一）（公式二）（公式三）（公式四）
（公式五）最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。