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安全氣囊 ECU 支架慣性測(cè)量
Shanghai Automotive Industrial Corp. (SAIC Motor), China
By Patrick Fu, Application Manager, Dewesoft China
汽車安全氣囊對(duì)救生很重要。這種安全氣囊由撞擊傳感器觸發(fā)，用于在撞擊時(shí)檢測(cè)加速度信號(hào)。沖擊傳感器通過電子控制單元(ECU)單元監(jiān)測(cè)和控制安全氣囊的爆炸。
為了正常工作，車體在安裝位置必須有足夠的剛度-頻率響應(yīng)必須限制在臨界范圍內(nèi)。在上汽汽車公司，利用 Dewesoft x 軟件和 DAQ 設(shè)備對(duì)加速度和頻率響應(yīng)(慣性)進(jìn)行了在線測(cè)量和分析。
典型的汽車安全氣囊
引言
為了避免故障爆炸，避免不必要的危險(xiǎn)和費(fèi)用，規(guī)劃了這個(gè)慣性測(cè)量。基于 CAE 仿真的測(cè)試方法不能代替真實(shí)的狀態(tài)測(cè)試，真實(shí)測(cè)試結(jié)果通常符合大陸航空公司設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)。確定共振的內(nèi)在原因后，可以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)，提高車體和底盤的剛度。
安全是現(xiàn)代汽車發(fā)展的重中之重，安全氣囊在保護(hù)駕駛員方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。安全氣囊控制器 ECU 一旦發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重碰撞超過安全帶的約束能力，就迅速啟動(dòng)安全氣囊保護(hù)乘客。
相反，安全氣囊還會(huì)嚴(yán)重傷害乘客，以防在輕微的意外碰撞下爆炸。因此，汽車制造商必須確保 ECU 安裝支架和車體具有足夠的剛度來抵抗一定程度的沖擊。
這個(gè)成功的案例來自上海汽車工業(yè)(集團(tuán))總公司，它是中國最大的汽車制造商。上汽集團(tuán)的業(yè)務(wù)包括客車和商用車的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，同時(shí)還從事汽車零部件的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。上海汽車的其他子公司包括:
■ 上海汽車集團(tuán)客車分公司,
■ 上汽萬事通,
■ 上汽大眾,
■ 通用汽車,
■ 上海船舶注冊(cè)管理公司-依維柯等
在這個(gè)案例里面，我們與上汽集團(tuán)負(fù)責(zé)共振測(cè)試(慣性) 的安全工程與虛擬技術(shù)部合作，按照大陸共振測(cè)試方法和判斷原則進(jìn)行測(cè)試分析。在屢獲殊榮的 Dewesoft DAQ 解決方案下，客戶的共振測(cè)試實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌瓿伞?/p>
Dewesoft 的核心理念是用一個(gè)軟件完成所有的應(yīng)用！Dewesoft x 數(shù)據(jù)采集軟件就是這種理念的體現(xiàn)。我們已經(jīng)為汽車、動(dòng)力分析、 NVH、航空航天、工業(yè)、土木工程應(yīng)用，以及一般的測(cè)量測(cè)試實(shí)現(xiàn)了非常多的功能。從數(shù)據(jù)記錄，分析，報(bào)告，以及測(cè)試過程都通過一個(gè)軟件的方案來解決。
這個(gè)案例，基于Dewesoft 的USB總線的Sirius數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提供一個(gè)直觀的交鑰匙 FFT 方案。
發(fā)出及申請(qǐng)
安全氣囊沖擊傳感器的作用是檢測(cè)沖擊過程中的加速度信號(hào)，利用 SDM 判斷和控制安全氣囊的爆炸。為了避免安全氣囊誤差爆炸，避免不必要的損失，必須將傳感器固定點(diǎn)慣性控制在要求的范圍內(nèi)。
工業(yè)/應(yīng)用
共振試驗(yàn)定義為慣性。慣性值代表 ECU/G-SAT 安裝位置的局部剛度，這對(duì)加速度信號(hào)質(zhì)量很重要。
慣性通?？梢岳斫鉃樾盘?hào)輸出與輸入的比值(放大系數(shù)或阻尼系數(shù))。慣性的計(jì)算如下:
■ 其中 Ax，Ay，Az 代表 x，y，z 方向的加速度，f 代表錘子的力。慣性單位為 g/N
■ 共振測(cè)試和判斷原理最初由大陸航空公司發(fā)布。通常來講，落入黃色和綠色區(qū)域的慣性是可以接受的
圖1。共振測(cè)試和判斷原理(大陸版權(quán)2016年 AG)。
隨著算法的發(fā)展進(jìn)步，以下條件也是可以接受的:
■ 如果慣性降低到600Hz 以上的紅區(qū)，可以接受
■ 如果慣性在400ー600Hz 之間的紅區(qū)，且慣性小于2，也是可以接受的。如果條件允許，也可以調(diào)整修改。
相對(duì)而言，模擬共振試驗(yàn)(CAE)一直是一種經(jīng)濟(jì)有效的初步驗(yàn)證方法，在試驗(yàn)前也需要進(jìn)行 CAE 分析。
輸入信號(hào)帶寬為0-2000Hz 正弦波，振幅為2g，帶寬階躍為10Hz。輸出為 ECU 單方向上接收的正弦波，采集 x、 y、 z 三個(gè)方向的信號(hào)輸出。非注入方向信號(hào)的強(qiáng)度應(yīng)小于注入信號(hào)強(qiáng)度的20% 。所需方向信號(hào)的強(qiáng)度應(yīng)與注入信號(hào)相似(80%-120%)。
例如，ECU 在 z 方向注入2g 信號(hào)，x 方向和 y 方向的信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)小于0.4 g (2g * 20%)。但 z 方向的信號(hào)強(qiáng)度應(yīng)為1.6-2.4 g。
可以肯定的是，CAE 結(jié)果不能代替真實(shí)條件下的共振試驗(yàn)。僅供參考，有時(shí)結(jié)果可能與共振試驗(yàn)結(jié)果不同。因?yàn)?CAE 模型是一個(gè)理想的模型，實(shí)際情況可能比它更糟或更困難。通常 CAE 結(jié)果可以接受，但共振試驗(yàn)不可接受，或 CAE 結(jié)果不可接受，但共振試驗(yàn)可以接受。
大陸航空提供測(cè)試認(rèn)證服務(wù)，共振測(cè)試應(yīng)該符合大陸公司規(guī)定方法。現(xiàn)在大陸航空也允許一些客戶擁有自己的共振設(shè)備，建議客戶自己進(jìn)行這種共振測(cè)試。
因?yàn)檫@樣可以節(jié)省很多時(shí)間和金錢。但應(yīng)滿足一些要求，并將共振試驗(yàn)結(jié)果送回大陸公司進(jìn)行分析。整個(gè)測(cè)試過程涉及法律和法規(guī)，包括:
■ 大陸共振測(cè)試方法和判斷原理
■ GB/T 37474-2019汽車安全氣囊系統(tǒng)性能試驗(yàn)方法和要求
■ GB/T 19949.1-2005混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法
Dewesoft 測(cè)量解決方案
測(cè)量設(shè)置
共振測(cè)試在上汽的車間定期進(jìn)行，不需要在試驗(yàn)場(chǎng)路試。測(cè)試對(duì)象是上汽榮威 RX5 SUV 原型車。
圖2. 測(cè)試中的原型車
該測(cè)量系統(tǒng)包括脈沖錘、加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集單元和電源。所有參考傳感器應(yīng)符合以下規(guī)格:
■ 在被測(cè)頻段(0-5000Hz)無傳感器諧振
■ 傳感器質(zhì)量小于10克
■ 傳感器尺寸小于1cm × 1cm
■ 傳感器在測(cè)試前已經(jīng)校準(zhǔn)
DAQ 的硬件要求如下:
■ Dewesoft 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SIRIUSi-8xACC
■ Dytran 5800B5
DytranpulseTM 脈沖錘是一種通用的 IEPE 脈沖錘，用于激勵(lì)具有一定沖擊力的結(jié)構(gòu)或機(jī)械。脈沖用于識(shí)別共振，共振是研究的一個(gè)重要測(cè)量參數(shù)。
■ Dytran 3333A3加速度計(jì)傳感器
微型 IEPE 三軸加速度傳感器，優(yōu)良的低頻響應(yīng)和相位響應(yīng)
所需的數(shù)據(jù)采集軟件:
■ Dewesoft x DAQ 軟件
圖3。共振測(cè)試的基本設(shè)置圖
慣性測(cè)量
最終用戶 SAIC 稍微改進(jìn)了大陸公司的設(shè)置，安裝了一個(gè)三軸加速度計(jì)，而不是3個(gè)單一的傳感器來測(cè)試在 SDM (補(bǔ)充約束系統(tǒng)診斷模塊)的位置和車輛的 b 柱底部的 x，y，z 方向加速度信號(hào)。
圖4. 要測(cè)試的 SDM 固定點(diǎn)。
傳感器可以直接粘在螺絲頭或附近的平板上。使用一個(gè)特別設(shè)計(jì)的平衡表，以保證傳感器的安裝角度。在測(cè)試開始之前，先把儀表移走。
圖5. 車輛 b 柱底部。
工作流程
典型的采樣率為20kHz，抗混疊濾波器為4kHz。
對(duì)于每個(gè)位置，至少需要3次錘擊大約50N 到100N。確保命中持續(xù)時(shí)間盡可能短，不要雙擊。
完整的傳感器數(shù)據(jù)記錄，至少包括10毫秒的預(yù)觸發(fā)。建議以20kHz 的采樣速率記錄500毫秒的信號(hào)。
慣性測(cè)量對(duì)電噪聲非常敏感，例如電源產(chǎn)生的50Hz 的電噪聲。建議在測(cè)試前后各記錄250毫秒數(shù)據(jù)，以確認(rèn)是否有電子噪音。錘擊(大約20N)可以用作觸發(fā)條件。
數(shù)據(jù)記錄和格式要求
在每次測(cè)試之后，需要記錄測(cè)試位置、測(cè)試方向、測(cè)試設(shè)置以及所有相關(guān)信息，以分析或重復(fù)工作流程。在每次測(cè)試之后，強(qiáng)烈建議記錄測(cè)試描述、測(cè)試編號(hào)、日期、車輛(VIN 編號(hào))和測(cè)試地點(diǎn)。
所有的測(cè)試數(shù)據(jù)應(yīng)該在測(cè)試后直接檢查。測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)該是設(shè)定范圍的60-95% 。對(duì)于所有的傳感器，在錘擊力之前應(yīng)該沒有明顯的噪聲信號(hào)。
根據(jù)最新的規(guī)范，它也允許50% 的預(yù)觸發(fā)，記錄80毫秒數(shù)據(jù)。這可很容易通過 Dewesoft x 數(shù)據(jù)采集軟件來設(shè)置。測(cè)試過程中我們可以將閾值設(shè)置為50N 的上升邊緣，然后以25.6 kHz 的采樣速率開始采集，在觸發(fā)器上快速存儲(chǔ)。
圖6. 觸發(fā)器捕捉到的原始力和加速度數(shù)據(jù)
在線計(jì)算可讓SAIC 工程師在第一次現(xiàn)場(chǎng)了解結(jié)果。頻域參考曲線就是高效的顯示分析工具。用戶繪制了作為預(yù)定義邊界的參考曲線。
圖7. 界限定義來源于大陸公司的判斷規(guī)則
大陸的算法是將三個(gè)方向的加速度和力的所有譜分別求出圖8-11，然后直接計(jì)算頻域內(nèi)的慣性。為了保持一致性，用戶只需復(fù)制 Dewesoft x 數(shù)據(jù)采集軟件中的數(shù)學(xué)庫算法。
圖8. 力量頻譜檢查
圖9. x 方向加速度譜
圖10. y 向加速度譜
圖11. z 方向加速度譜
頻譜由 FFT Math 計(jì)算，頻率分辨率為12.5赫茲。Dewesoft x 數(shù)學(xué)公式功能，可根據(jù)用戶定義來編輯公式。
圖12. Dewesoft Math 編輯的公式。
測(cè)試結(jié)果
在 Dewesoft x 可視化控制器上繪制慣性譜圖，可以直觀地進(jìn)行測(cè)量分析。為了獲得清晰的對(duì)比，還在圖上描出一個(gè)預(yù)定義的公差帶(參考曲線) ，并顯示結(jié)果。
圖13參考曲線形成的公差帶
為了進(jìn)行比較和驗(yàn)證，用戶所做的每一個(gè)測(cè)試——原始數(shù)據(jù)(加速度、力)——也發(fā)送到 Continental 公司進(jìn)行分析。管理局的評(píng)估結(jié)果與我們的一致(見圖14)。在這種情況下，測(cè)試點(diǎn)(b 柱)顯示良好，將被視為大陸公司認(rèn)可的合格產(chǎn)品。
圖14。測(cè)量的慣性 b 柱由大陸檢查
一般來說，ECU 安裝支架和底部的 b 柱是兩個(gè)強(qiáng)制測(cè)試點(diǎn)，每一點(diǎn)至少3次激勵(lì)平均。工程師還建議，根據(jù)多次測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，施加20N 到60N 的錘力就足夠了。
總結(jié)
大陸集團(tuán)要求的測(cè)試基本已經(jīng)完成，上汽客戶使用的設(shè)備也已經(jīng)獲得批準(zhǔn)。因此，Dewesoft軟件被列為標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試系統(tǒng)，而以后大陸的工程師將不再需要到上汽現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試指導(dǎo)。
替代方案是，原始數(shù)據(jù)和分析需要提交給歐洲大陸權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。
這種解決方案可以被汽車制造商廣泛推廣，因?yàn)樗麄冎械脑S多人有這樣的要求。對(duì)于共振測(cè)試，SIRIUSm-4 × ACC 無疑是一個(gè)基本的解決方案，在客戶的預(yù)算有限的情況下更經(jīng)濟(jì)。
SIRIUS 小型四通道 IEPE 振動(dòng)儀及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
上汽集團(tuán)非常高興地接受了Dewesoft的方案，因?yàn)樗麄兛梢允∠卵?qǐng)大陸工程師到現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)測(cè)試需要花費(fèi)大量的花費(fèi)。顯然，這每年都會(huì)為安全工程與虛擬技術(shù)部騰出一大筆預(yù)算。
此外，作為一種多功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，Dewesoft 將被應(yīng)用于上汽公司的噪聲測(cè)量以及節(jié)省額外的投資。Dewesoft 是一個(gè)專業(yè)的 FFT 頻譜分析儀，包括頂級(jí)性能，先進(jìn)光標(biāo)功能，高自由選擇的行分辨率，靈活的平均值，高級(jí)功能的深入頻率分析等。
Dewesoft 是公認(rèn)的性價(jià)比超高的汽車NVH測(cè)試解決方案。它高效精準(zhǔn)，被許多汽車工程師廣泛接受。
文件和外部資源
■ Dewesoft SIRIUS? 技術(shù)參考手冊(cè)
■ Continental AG 大陸共振測(cè)試方法和判斷原理
■ GB/T 37474-2019: 汽車安全氣囊系統(tǒng)性能試驗(yàn)方法及要求
■ 張立，李，雷英峰: 安全氣囊沖擊傳感器固定點(diǎn)頻率響應(yīng)分析與優(yōu)化
■ 邊新濤: 汽車安全氣囊 ECU 共振分析
5個(gè)LCM系列或LCB疲勞級(jí)桿端拉壓雙向力傳感器，每個(gè)傳感器搭配一個(gè)USB220高分辨率數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。
