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安全氣囊 ECU 支架慣性測量
Shanghai Automotive Industrial Corp. (SAIC Motor), China
By Patrick Fu, Application Manager, Dewesoft China
汽車安全氣囊對救生很重要。這種安全氣囊由撞擊傳感器觸發(fā)，用于在撞擊時檢測加速度信號。沖擊傳感器通過電子控制單元(ECU)單元監(jiān)測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)備對加速度和頻率響應(yīng)(慣性)進行了在線測量和分析。
典型的汽車安全氣囊
引言
為了避免故障爆炸，避免不必要的危險和費用，規(guī)劃了這個慣性測量。基于 CAE 仿真的測試方法不能代替真實的狀態(tài)測試，真實測試結(jié)果通常符合大陸航空公司設(shè)定的標準。確定共振的內(nèi)在原因后，可以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的進一步改進，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)嚴重碰撞超過安全帶的約束能力，就迅速啟動安全氣囊保護乘客。
相反，安全氣囊還會嚴重傷害乘客，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。
這個成功的案例來自上海汽車工業(yè)(集團)總公司，它是中國最大的汽車制造商。上汽集團的業(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:
■ 上海汽車集團客車分公司,
■ 上汽萬事通,
■ 上汽大眾,
■ 通用汽車,
■ 上海船舶注冊管理公司-依維柯等
在這個案例里面，我們與上汽集團負責(zé)共振測試(慣性) 的安全工程與虛擬技術(shù)部合作，按照大陸共振測試方法和判斷原則進行測試分析。在屢獲殊榮的 Dewesoft DAQ 解決方案下，客戶的共振測試實驗?zāi)軌蝽樌瓿伞?/p>
Dewesoft 的核心理念是用一個軟件完成所有的應(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、動力分析、 NVH、航空航天、工業(yè)、土木工程應(yīng)用，以及一般的測量測試實現(xiàn)了非常多的功能。從數(shù)據(jù)記錄，分析，報告，以及測試過程都通過一個軟件的方案來解決。
這個案例，基于Dewesoft 的USB總線的Sirius數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，提供一個直觀的交鑰匙 FFT 方案。
發(fā)出及申請
安全氣囊沖擊傳感器的作用是檢測沖擊過程中的加速度信號，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慣性控制在要求的范圍內(nèi)。
工業(yè)/應(yīng)用
共振試驗定義為慣性。慣性值代表 ECU/G-SAT 安裝位置的局部剛度，這對加速度信號質(zhì)量很重要。
慣性通?？梢岳斫鉃樾盘栞敵雠c輸入的比值(放大系數(shù)或阻尼系數(shù))。慣性的計算如下:
■ 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。共振測試和判斷原理(大陸版權(quán)2016年 AG)。
隨著算法的發(fā)展進步，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。
相對而言，模擬共振試驗(CAE)一直是一種經(jīng)濟有效的初步驗證方法，在試驗前也需要進行 CAE 分析。
輸入信號帶寬為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 三個方向的信號輸出。非注入方向信號的強度應(yīng)小于注入信號強度的20% 。所需方向信號的強度應(yīng)與注入信號相似(80%-120%)。
例如，ECU 在 z 方向注入2g 信號，x 方向和 y 方向的信號強度應(yīng)小于0.4 g (2g * 20%)。但 z 方向的信號強度應(yīng)為1.6-2.4 g。
可以肯定的是，CAE 結(jié)果不能代替真實條件下的共振試驗。僅供參考，有時結(jié)果可能與共振試驗結(jié)果不同。因為 CAE 模型是一個理想的模型，實際情況可能比它更糟或更困難。通常 CAE 結(jié)果可以接受，但共振試驗不可接受，或 CAE 結(jié)果不可接受，但共振試驗可以接受。
大陸航空提供測試認證服務(wù)，共振測試應(yīng)該符合大陸公司規(guī)定方法?，F(xiàn)在大陸航空也允許一些客戶擁有自己的共振設(shè)備，建議客戶自己進行這種共振測試。
因為這樣可以節(jié)省很多時間和金錢。但應(yīng)滿足一些要求，并將共振試驗結(jié)果送回大陸公司進行分析。整個測試過程涉及法律和法規(guī)，包括:
■ 大陸共振測試方法和判斷原理
■ GB/T 37474-2019汽車安全氣囊系統(tǒng)性能試驗方法和要求
■ GB/T 19949.1-2005混合動力電動汽車動力性能試驗方法
Dewesoft 測量解決方案
測量設(shè)置
共振測試在上汽的車間定期進行，不需要在試驗場路試。測試對象是上汽榮威 RX5 SUV 原型車。
圖2. 測試中的原型車
該測量系統(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
■ 傳感器在測試前已經(jīng)校準
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，用于激勵具有一定沖擊力的結(jié)構(gòu)或機械。脈沖用于識別共振，共振是研究的一個重要測量參數(shù)。
■ Dytran 3333A3加速度計傳感器
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。共振測試的基本設(shè)置圖
慣性測量
最終用戶 SAIC 稍微改進了大陸公司的設(shè)置，安裝了一個三軸加速度計，而不是3個單一的傳感器來測試在 SDM (補充約束系統(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。
圖4. 要測試的 SDM 固定點。
傳感器可以直接粘在螺絲頭或附近的平板上。使用一個特別設(shè)計的平衡表，以保證傳感器的安裝角度。在測試開始之前，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。
對于每個位置，至少需要3次錘擊大約50N 到100N。確保命中持續(xù)時間盡可能短，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。
慣性測量對電噪聲非常敏感，例如電源產(chǎn)生的50Hz 的電噪聲。建議在測試前后各記錄250毫秒數(shù)據(jù)，以確認是否有電子噪音。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
在每次測試之后，需要記錄測試位置、測試方向、測試設(shè)置以及所有相關(guān)信息，以分析或重復(fù)工作流程。在每次測試之后，強烈建議記錄測試描述、測試編號、日期、車輛(VIN 編號)和測試地點。
所有的測試數(shù)據(jù)應(yīng)該在測試后直接檢查。測量數(shù)據(jù)應(yīng)該是設(shè)定范圍的60-95% 。對于所有的傳感器，在錘擊力之前應(yīng)該沒有明顯的噪聲信號。
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。
圖6. 觸發(fā)器捕捉到的原始力和加速度數(shù)據(jù)
在線計算可讓SAIC 工程師在第一次現(xiàn)場了解結(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方向的加速度和力的所有譜分別求出圖8-11，然后直接計算頻域內(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，可以直觀地進行測量分析。為了獲得清晰的對比，還在圖上描出一個預(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
為了進行比較和驗證，用戶所做的每一個測試——原始數(shù)據(jù)(加速度、力)——也發(fā)送到 Continental 公司進行分析。管理局的評估結(jié)果與我們的一致(見圖14)。在這種情況下，測試點(b 柱)顯示良好，將被視為大陸公司認可的合格產(chǎn)品。
圖14。測量的慣性 b 柱由大陸檢查
一般來說，ECU 安裝支架和底部的 b 柱是兩個強制測試點，每一點至少3次激勵平均。工程師還建議，根據(jù)多次測試經(jīng)驗，施加20N 到60N 的錘力就足夠了。
總結(jié)
大陸集團要求的測試基本已經(jīng)完成，上汽客戶使用的設(shè)備也已經(jīng)獲得批準。因此，Dewesoft軟件被列為標準的測試系統(tǒng)，而以后大陸的工程師將不再需要到上汽現(xiàn)場進行現(xiàn)場測試指導(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)威機構(gòu)進行驗證。
這種解決方案可以被汽車制造商廣泛推廣，因為他們中的許多人有這樣的要求。對于共振測試，SIRIUSm-4 × ACC 無疑是一個基本的解決方案，在客戶的預(yù)算有限的情況下更經(jīng)濟。
SIRIUS 小型四通道 IEPE 振動儀及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
上汽集團非常高興地接受了Dewesoft的方案，因為他們可以省下邀請大陸工程師到現(xiàn)場指導(dǎo)測試需要花費大量的花費。顯然，這每年都會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量以及節(jié)省額外的投資。Dewesoft 是一個專業(yè)的 FFT 頻譜分析儀，包括頂級性能，先進光標功能，高自由選擇的行分辨率，靈活的平均值，高級功能的深入頻率分析等。
Dewesoft 是公認的性價比超高的汽車NVH測試解決方案。它高效精準，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
■ Continental AG 大陸共振測試方法和判斷原理
■ GB/T 37474-2019: 汽車安全氣囊系統(tǒng)性能試驗方法及要求
■ 張立，李，雷英峰: 安全氣囊沖擊傳感器固定點頻率響應(yīng)分析與優(yōu)化
■ 邊新濤: 汽車安全氣囊 ECU 共振分析
5個LCM系列或LCB疲勞級桿端拉壓雙向力傳感器，每個傳感器搭配一個USB220高分辨率數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。
