CN114518235A - 一种基于电磁加载的头部碰撞伤害试验仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电磁加载的头部碰撞伤害试验仪，包括电磁控制部件、驱动部件和运动部件。初级线圈固定设置，电磁控制部件与初级线圈电连接，次级线圈与初级线圈贴合设置，加载棒依次穿过初级线圈和次级线圈，加载棒的前端通过连接头与撞击头活动连接。电磁控制部件向初级线圈通电，使初级线圈产生第一磁场，次级线圈在第一磁场的作用下产生第二磁场，且第一磁场和第二磁场互斥，产生互斥推力。加载棒在互斥推力的作用下运动，以带动撞击头运动，使撞击头的前端撞击人体上躯干，人体上躯干在撞击的作用下带动假人头绕第一转动轴做圆周运动，以电磁力作为动力源，通过调节施加电压可以精确调整互斥推力，从而提高头部伤害试验的试验精度。

Description

一种基于电磁加载的头部碰撞伤害试验仪

技术领域

本发明涉及头部伤害试验技术领域，特别是涉及一种基于电磁加载的头部碰撞伤害试验仪。

背景技术

汽车正面碰撞在实际交通事故中是很常见的一种事故形态，开展汽车正面碰撞研究，对于改善交通事故和提高碰撞中乘员的安全性都有积极的推动作用。碰撞测试假人的伤害评价，是通过采集假人头部的加速度、力、位移等伤害数据，然后将试验数据代入各部位的损伤准则进行计算而得到。

但在进行碰撞试验时，现有技术的试验设备结构复杂以致难以操控，且动力源由弹簧和液压设备构成，在控制力上难以满足精准调节的要求，最终导致试验误差很大。

基于此，亟需一种能够提高试验精度的头部碰撞伤害试验仪。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电磁加载的头部碰撞伤害试验仪，采用电磁力作为加载动力，以提高头部碰撞伤害试验的试验精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于电磁加载的头部碰撞伤害试验仪，所述试验仪包括电磁控制部件、驱动部件和运动部件；所述驱动部件包括初级线圈、次级线圈和加载棒；所述运动部件包括撞击头、人体上躯干和假人头；

所述初级线圈固定设置；所述电磁控制部件与所述初级线圈电连接；所述电磁控制部件用于向所述初级线圈通电，使所述初级线圈产生第一磁场；

所述次级线圈的第一侧面与所述初级线圈的第一侧面贴合设置；所述次级线圈用于在所述第一磁场的作用下产生第二磁场；所述第一磁场和所述第二磁场互斥，产生互斥推力；所述互斥推力的大小由所述电磁控制部件向所述初级线圈所通电的电压大小决定；

所述加载棒依次穿过所述初级线圈和所述次级线圈；所述加载棒在所述互斥推力的作用下运动，定义所述加载棒的运动方向为前；

所述加载棒的前端通过连接头与所述撞击头活动连接；所述人体上躯干的底端套设于第一转动轴上，所述假人头通过弹簧连接于所述人体上躯干的顶端；所述加载棒用于带动所述撞击头运动，使所述撞击头的前端撞击所述人体上躯干；所述人体上躯干在所述撞击的作用下带动所述假人头绕所述第一转动轴做圆周运动。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明用于提供一种基于电磁加载的头部碰撞伤害试验仪，包括电磁控制部件、驱动部件和运动部件。初级线圈固定设置，电磁控制部件与初级线圈电连接，次级线圈与初级线圈贴合设置，加载棒依次穿过初级线圈和次级线圈，加载棒的前端通过连接头与撞击头活动连接。电磁控制部件向初级线圈通电，使初级线圈产生第一磁场，次级线圈在第一磁场的作用下产生第二磁场，且第一磁场和第二磁场互斥，产生互斥推力。加载棒在互斥推力的作用下运动，以带动撞击头运动，使撞击头的前端撞击人体上躯干，人体上躯干在撞击的作用下带动假人头绕第一转动轴做圆周运动，本发明以电磁力作为动力源，通过调节施加电压可以精确调整互斥推力，从而提高头部伤害试验的试验精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1为本发明实施例1所提供的试验仪的结构示意图；

图2为本发明实施例1所提供的试验仪在运动状态下的结构示意图；

图3为本发明实施例1所提供的试验仪的立体结构示意图；

图4为本发明实施例1所提供的初级线圈及电缆接头的结构示意图；

图5为本发明实施例1所提供的电压与互斥推力的关系曲线图；

图6为本发明实施例1所提供的350V电压下互斥推力的多条波形的曲线图。

符号说明：

1—假人头；2—人体上躯干；3—中间杆；4—撞击头；5—轴承座；6—连接头；7—放大器；8—次级线圈；9—初级线圈；10—质量块；11—电缆接头；12—第一质量块下座；13-缓冲块；14—第二固定卡箍；15—加载棒；16—底板；17—桌腿；18—试验台；19—电磁控制部件；20—第一固定卡箍；21-第二质量块下座；TMO—升压变压器；D1—第一整流二极管；D2—第二整流二极管；M1—第一整流可控硅；M2—第二整流可控硅；R1—限流电阻；L1—平波电感；C1—脉冲电容；M3—放电可控硅；D3—续流二极管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于电磁加载的头部碰撞伤害试验仪，主要用于模拟汽车正面碰撞，后排乘客头部撞击前排座椅的头部碰撞伤害试验，设备操作简便，在完成模拟正面碰撞假人头部伤害试验的同时，能够降低试验成本，提高试验的准确度、稳定性，并具有速度可调功能，调节范围广，重复性好。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

在进行碰撞试验时，现有技术的试验设备结构复杂以致难以操控，且动力源由弹簧和液压设备构成，在控制力上难以满足精准调节的要求，最终导致试验误差很大。整车碰撞试验虽然效果接近实际，但是耗损过大，对场地及设备要求高，不易实现。采用摆锤冲击的动力源，在速度、加速度调节及试验精度方面存在明显不足。基于此，为了提高头部碰撞试验的试验精度，使速度可调范围更广泛，并降低试验成本，亟需一种使用新的加载动力源的试验仪。

本实施例用于提供一种基于电磁加载的头部碰撞伤害试验仪，如图1、图2和图3所示，所述试验仪包括电磁控制部件19、驱动部件和运动部件。

电磁控制部件19包括电源、升压变压器TMO、整流桥、限流电阻R1、平波电感L1、脉冲电容C1、续流二极管D3和放电可控硅M3。升压变压器的输入端与电源相连接，升压变压器的输出端与整流桥相连接。整流桥的正极连接脉冲电容的负极，整流桥的负极连接限流电阻的正极，限流电阻的负极连接平波电感的正极，平波电感的负极连接脉冲电容的正极。续流二极管与脉冲电容并联连接。脉冲电容的正极连接放电可控硅的正极，放电可控硅的负极连接初级线圈9的正极，脉冲电容的负极连接初级线圈9的负极。

升压变压器用于对电源输出的交流电进行升压。整流桥用于将升压后的交流电转换为直流电。限流电阻用于限制其所在支路的电流大小，以防止电流过大烧坏其所串联的元器件。平波电感用于抑制纹波，使整流桥输出的直流电接近于理想直流，以对脉冲电容进行充电。脉冲电容用于为放电可控硅供电，以使放电可控硅放电，向初级线圈9通电。续流二极管用于防止反向充电。基于上述器件功能，本实施例的电磁控制部件19的工作原理为：电源输出的380V电压经升压变压器升压，通过整流桥变为直流电，通过限流电阻、平波电感加载至脉冲电容正负极，待脉冲电容充电完成后，通过PLC控制放电可控硅进行放电，将电压加载至初级线圈9上。需要说明的是，电源输出的电压值可为任意预设值，此处仅以380V为例。

具体的，整流桥包括第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第一整流可控硅M1和第二整流可控硅M2。第一整流二极管和第一整流可控硅串联连接，组成第一线路，第二整流二极管和第二整流可控硅串联连接，组成第二线路，第一线路和第二线路并联连接，形成整流桥。升压变压器的输出端分别连接于第一整流二极管和第一整流可控硅之间以及第二整流二极管和第二整流可控硅之间，即升压变压器的输出端分别与第一整流可控硅的正极和第二整流可控硅的正极连接。

本实施例的驱动部件包括初级线圈9、次级线圈8和加载棒15。初级线圈9固定设置，电磁控制部件19通过电缆与初级线圈9电连接，电磁控制部件19用于向初级线圈9通电，使初级线圈9产生第一磁场。次级线圈8的第一侧面与初级线圈9的第一侧面贴合设置，次级线圈8用于在第一磁场的作用下产生涡流，以感生出第二磁场。第一磁场和第二磁场互斥，产生互斥推力，该互斥推力的大小由电磁控制部件19向初级线圈9所通电的电压大小决定。加载棒15依次穿过初级线圈9和次级线圈8。在工作时，电磁控制部件19给初级线圈9通电，初级线圈9产生第一磁场，次级线圈8产生第二磁场，第一磁场与第二磁场之间产生头部碰撞试验所需要的互斥推力，加载棒15在该互斥推力的作用下运动。本实施例定义加载棒15的运动方向为前，则初级线圈9的第一侧面具体为第一线圈的前侧面，次级线圈8的第一侧面具体为次级线圈8的后侧面。

具体的，如图4所示，本实施例的初级线圈9为饼状，其由铜带缠绕而成，铜带间通过树脂及玻璃纤维绝缘，外表由树脂封固，两端进出线位置连接电缆接头11，以和电磁控制部件19电缆连接。次级线圈8为中心带孔的圆铜板，后侧面和初级线圈9的前侧面紧密贴合，次级线圈8和通电的初级线圈9产生电磁感应，感应出电磁斥力(即互斥推力)，以产生电磁驱动力。

本实施例的驱动部件还包括质量块10、电缆接头11、第一质量块下座12和第一固定卡箍20。质量块10和电缆接头11均设置于第一质量块下座12上，第一固定卡箍20和第一质量块下座12螺栓连接，以用于将质量块10和电缆接头11固定在第一质量块下座12上。初级线圈9的后侧面固定连接于质量块10的前侧面上，以将质量块10、初级线圈9和电缆接头11固定在一起，加载棒15依次穿过质量块10、初级线圈9和次级线圈8。具体的，初级线圈9可螺栓连接于质量块10的前侧面上，更为具体的，初级线圈9可通过三个等腰布置的螺栓固定在质量块10上，以防止在电磁冲击力下发生震动。初级线圈9通过电缆接头11与电磁控制部件19电缆连接。

为了对加载棒15的运动加以限制，本实施例的驱动部件还包括缓冲块13、第二质量块下座21和第二固定卡箍14。缓冲块13设置于第二质量块下座21上，第二固定卡箍14和第二质量块下座21螺栓连接，用以将缓冲块13固定在第二质量块下座21上。缓冲块13的前侧面与质量块10的后侧面相对设置，加载棒15依次穿过缓冲块13、质量块10、初级线圈9和次级线圈8，且加载棒15的后端设置有凸台。缓冲块13的后侧面上设置有凹槽，凹槽内填充有橡皮泥等缓冲介质，加载棒15在互斥推力的驱动下向前运动，当凸台撞击在凹槽内的缓冲介质时，则加载棒15停止运动，以阻挡加载棒15的运动。初级线圈9和次级线圈8产生电磁斥力后推动放大器7带动加载棒15沿水平发射，最后止动于缓冲块13内置的缓冲介质。

第一质量块下座12和第二质量块下座21均固定安装于底板16上，底板16通过桌腿17和试验台18螺栓连接。

本实施例的驱动部件还包括放大器7，放大器7的后侧面与次级线圈8的前侧面紧密贴合设置。放大器7为锥形铁块，具体可为圆台锥形铁块，用以调节冲击力波形。加载棒15可依次穿过缓冲块13、质量块10、初级线圈9、次级线圈8和放大器7。具体的，加载棒15可依次穿过缓冲块13、质量块10、初级线圈9、次级线圈8和放大器7的中心孔。

本实施例的运动部件包括撞击头4、人体上躯干2和假人头1。加载棒15的前端通过连接头6与撞击头4活动连接，具体的，加载棒15的前端与连接头6的后端螺纹连接，连接头6的前端与撞击头4的后端可用销连接，内置滚动轴承，以使撞击头4能够绕销的轴线转动，撞击头4的前端可为一个锥形头。人体上躯干2的底端套设于第一转动轴上，第一转动轴安装在轴承座5上，轴承座5通过螺栓固定安装于试验台18上，人体上躯干2可沿轴承座5做圆周转动。人体上躯干2顶端有一斜面凸台，可安装弹簧，假人头1通过弹簧安装在人体上躯干2上，即假人头1通过弹簧连接于人体上躯干2的顶端。加载棒15在互斥推力的作用下带动撞击头4运动，使撞击头4的前端撞击人体上躯干2，人体上躯干2在撞击的作用下带动假人头1绕第一转动轴做圆周运动。

具体的，人体上躯干2和撞击头4相接触的一面有一长槽，撞击头4可沿该长槽运动，撞击头4带动人体上躯干2，继而带动假人头1做圆周摆动，摆动一段距离后，撞击头4和人体上躯干2分离。

本实施例的运动部件还包括中间杆3，中间杆3为一实心圆柱，中间杆3的底端套设于第二转动轴上，第二转动轴铰接在轴承座5上，轴承座5与试验台18螺栓连接，以将轴承座5固定安装于试验台18上，中间杆3可沿轴承座5做圆周转动。撞击头4套设于中间杆3上，其内置有直线轴承，通过直线轴承和中间杆3连接，可沿中间杆3上下滑动。

本实施例所提供的试验仪的运动过程为：加载棒15受到电磁驱动力(即互斥推力)水平向前运动，带动连接头6、撞击头4向前运动，撞击头4带动中间杆3转动，同时撞击人体上躯干2使其转动，假人头1随之做圆周运动，撞击头4沿人体上躯干2上设置的长槽运动至撞击头4与人体上躯干2分离，加载棒15的凸台被缓冲块13内缓冲介质阻挡停止。假人头1上设置有速度，加速度传感器，假人头1作为从动件撞击在前置座椅上，模拟头部碰撞场景。

本实施例的电磁控制部件19作为试验仪的动力源，通过PLC触摸屏控制充电和放电，通过改变设定的电压值改变电磁驱动力大小，即通过调节加载在初级线圈9上的电压值改变互斥推力的大小。如图5所示，其为电压和互斥推力的关系曲线图。基于这一关系曲线，可以通过调节电磁控制部件19输出的电压值，来调节第一磁场与第二磁场的互斥力，以改变初级线圈9与次级线圈8间的电磁斥力，改变加载棒15的运动速度与加速度，从而调节撞击头4的撞击速率，以调节假人头1的运动速度、加速度，模拟不同冲击程度的头部碰撞伤害试验，可模拟不同冲击场景下的头部碰撞伤害试验。

如图6所示，其为350V电压下，互斥推力的多个波形示意图。由图6可知，在相同电压下，互斥推力的波形一致。即电磁控制在相同撞击力下控制的精度高，重复性好。

本实施例所提供的一种基于电磁加载的头部碰撞伤害试验仪，主要用于模拟飞机及汽车受到冲击时，乘客在惯性力作用下，头部碰撞前面座椅所受到的伤害试验。电磁控制部件19对初级线圈9放电，初级线圈9产生第一磁场，继而引起次级线圈8产生涡流，以感生出第二磁场，第一磁场和第二磁场互斥，借助于这一互斥推力来推动加载棒15向前运动，以带动撞击头4向前运动，撞击头4撞击在人体上躯干2，假人头1随人体上躯干2一起绕底部轴承做圆周摆动，模拟人头从动撞击前排座椅。该试验仪通过调节电磁控制部件19的充电电压，能够改变第一磁场和第二磁场之间的互斥推力大小，可使假人头1摆动速度处于0～120m/s，速度调节范围宽，且通过电磁控制，提高了试验的准确度和稳定性。

本实施例的试验仪相对于现有技术的试验仪有如下优点：

(1)将模拟人体上躯干2通过中间运动机构作为从动机构，实现假人头1撞击运动，原理可行，设备简单，操作方便。

(2)相比于整车碰撞降低成本，降低了所需场地限制。

(3)相比于液压弹簧组合驱动控制力精度高，重复性稳定性好，且操作简单，只需要设定充电电压，按充放电按钮即可。

(4)可模拟不同撞击速度场景，可通过设定不同的充电电压实现高、中、低速碰撞试验，功能齐全。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于电磁加载的头部碰撞伤害试验仪，其特征在于，所述试验仪包括电磁控制部件、驱动部件和运动部件；所述驱动部件包括初级线圈、次级线圈和加载棒；所述运动部件包括撞击头、人体上躯干和假人头；

所述初级线圈固定设置；所述电磁控制部件与所述初级线圈电连接；所述电磁控制部件用于向所述初级线圈通电，使所述初级线圈产生第一磁场；

所述次级线圈的第一侧面与所述初级线圈的第一侧面贴合设置；所述次级线圈用于在所述第一磁场的作用下产生第二磁场；所述第一磁场和所述第二磁场互斥，产生互斥推力；所述互斥推力的大小由所述电磁控制部件向所述初级线圈所通电的电压大小决定；

所述加载棒依次穿过所述初级线圈和所述次级线圈；所述加载棒在所述互斥推力的作用下运动，定义所述加载棒的运动方向为前；

所述加载棒的前端通过连接头与所述撞击头活动连接；所述人体上躯干的底端套设于第一转动轴上，所述假人头通过弹簧连接于所述人体上躯干的顶端；所述加载棒用于带动所述撞击头运动，使所述撞击头的前端撞击所述人体上躯干；所述人体上躯干在所述撞击的作用下带动所述假人头绕所述第一转动轴做圆周运动。

2.根据权利要求1所述的试验仪，其特征在于，所述电磁控制部件包括电源、升压变压器、整流桥、脉冲电容和放电可控硅；

所述升压变压器的输入端与所述电源相连接，所述升压变压器的输出端与所述整流桥相连接；所述升压变压器用于对所述电源输出的交流电进行升压；

所述整流桥的负极连接所述脉冲电容的正极；所述整流桥的正极连接所述脉冲电容的负极；所述整流桥用于将升压后的交流电转换为直流电，对所述脉冲电容进行充电；

所述脉冲电容的负极连接所述初级线圈的负极；所述脉冲电容的正极连接所述放电可控硅的正极；所述放电可控硅的负极连接所述初级线圈的正极；所述放电可控硅用于向所述初级线圈通电。

3.根据权利要求2所述的试验仪，其特征在于，所述整流桥包括第一整流二极管、第二整流二极管、第一整流可控硅和第二整流可控硅；

所述第一整流二极管和所述第一整流可控硅串联连接，组成第一线路；所述第二整流二极管和所述第二整流可控硅串联连接，组成第二线路；所述第一线路和所述第二线路并联连接；所述升压变压器的输出端分别连接于所述第一整流二极管和所述第一整流可控硅之间以及所述第二整流二极管和所述第二整流可控硅之间。

4.根据权利要求2所述的试验仪，其特征在于，所述电磁控制部件还包括限流电阻、平波电感和续流二极管；

所述限流电阻和所述平波电感设置于所述整流桥和所述脉冲电容之间；所述整流桥的负极连接所述限流电阻的正极；所述限流电阻的负极连接所述平波电感的正极；所述平波电感的负极连接所述脉冲电容的正极；

所述续流二极管与所述脉冲电容并联连接。

5.根据权利要求1所述的试验仪，其特征在于，所述驱动部件还包括质量块、电缆接头、第一质量块下座和第一固定卡箍；所述质量块和所述电缆接头均设置于所述第一质量块下座上；所述第一固定卡箍用于将所述质量块和所述电缆接头固定在所述第一质量块下座上；所述初级线圈的第一侧面的相对面固定连接于所述质量块的前侧面上；所述初级线圈通过所述电缆接头与所述电磁控制部件电缆连接；所述加载棒依次穿过所述质量块、所述初级线圈和所述次级线圈。

6.根据权利要求5所述的试验仪，其特征在于，所述驱动部件还包括缓冲块、第二质量块下座和第二固定卡箍；所述缓冲块设置于所述第二质量块下座上，所述第二固定卡箍用于将所述缓冲块固定在所述第二质量块下座上；所述缓冲块的前侧面与所述质量块的后侧面相对设置；所述加载棒依次穿过所述缓冲块、所述质量块、所述初级线圈和所述次级线圈；

所述加载棒的后端设置有凸台，所述缓冲块的后侧面上设置有凹槽，所述凹槽内填充有缓冲介质；当所述凸台撞击于所述凹槽内时，所述加载棒停止运动。

7.根据权利要求1所述的试验仪，其特征在于，所述驱动部件还包括放大器；所述放大器的后侧面与所述次级线圈的第一侧面的相对面贴合设置。

8.根据权利要求1所述的试验仪，其特征在于，所述人体上躯干与所述撞击头相接触的一面设置有一长槽，所述撞击头沿所述长槽运动，带动所述人体上躯干绕所述第一转动轴做圆周运动。

9.根据权利要求1所述的试验仪，其特征在于，所述运动部件还包括中间杆；所述中间杆的底端套设于第二转动轴上；所述撞击头套设于所述中间杆上，并通过直线轴承与所述中间杆相连接；所述撞击头沿所述中间杆上下滑动。

10.根据权利要求9所述的试验仪，其特征在于，所述第一转动轴和所述第二转动轴均安装于螺栓座上；所述螺栓座固定安装于试验台上。

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