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，用于在撞擊時檢測加速度信號。沖擊傳感器通過電子(zi)控制單元(yuan)(ECU)單元(yuan)監(jian)測和控(kong)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-頻率響應必須限制在臨界范圍內。在上汽汽車公司，利用 Dewesoft x 軟件和 DAQ 設備對加(jia)速度和(he)頻率響應(慣性)進(jin)行了在線(xian)測量和(he)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，規劃了這個慣性測量。基于(yu) CAE 仿真的測試方法不能代替真實的狀態測試，真實測試結果通常符合大陸航空公司設定的標準。確定共振的內在原因后，可以指導結構的進一步改進，提高車體和底盤的剛度。
安(an)(an)全(quan)是(shi)現(xian)代(dai)汽(qi)車發展的(de)重(zhong)(zhong)(zhong)中之(zhi)重(zhong)(zhong)(zhong)，安(an)(an)全(quan)氣(qi)(qi)囊(nang)在保(bao)護(hu)駕駛員方面(mian)發揮著關鍵作用。安(an)(an)全(quan)氣(qi)(qi)囊(nang)控制(zhi)器 ECU 一(yi)旦發現(xian)嚴重(zhong)(zhong)(zhong)碰撞超過安(an)(an)全(quan)帶的(de)約束能力，就迅速(su)啟動安(an)(an)全(quan)氣(qi)(qi)囊(nang)保(bao)護(hu)乘客(ke)。
相(xiang)反，安全氣(qi)囊還會(hui)嚴重傷害乘客(ke)，以防在輕微(wei)的(de)(de)意外碰(peng)撞下爆(bao)炸(zha)。因(yin)此，汽車制造商必須確保(bao) ECU 安裝支架(jia)和(he)車體具(ju)有足夠的(de)(de)剛度(du)來抵抗(kang)一定程度(du)的(de)(de)沖擊。
這個成功的案例來自上海汽(qi)車工(gong)業(ye)(ye)(集(ji)團(tuan))總公司，它是中國最大的汽(qi)車制造商。上汽(qi)集(ji)團(tuan)的業(ye)(ye)務包括客車和商用車的研發(fa)、生(sheng)產和銷售，同(tong)時還(huan)從事汽(qi)車零部件的研發(fa)、生(sheng)產和銷售。上海汽(qi)車的其他子公司包括:
■ 上海汽車(che)集團客車(che)分公(gong)司(si),
■ 上(shang)汽萬事(shi)通,
■ 上汽大(da)眾,
■ 通(tong)用汽車(che),
■ 上(shang)海船舶注冊管理公(gong)司-依維柯(ke)等
在這個案(an)例里面，我(wo)們與(yu)上汽集團負責共振(zhen)(zhen)測(ce)試(慣性) 的安全工程與(yu)虛擬(ni)技術部合作，按照大陸共振(zhen)(zhen)測(ce)試方(fang)(fang)法和判斷原則進行(xing)測(ce)試分(fen)析。在屢獲(huo)殊榮的 Dewesoft DAQ 解決方(fang)(fang)案(an)下，客戶的共振(zhen)(zhen)測(ce)試實驗能夠順利(li)完(wan)成(cheng)。
Dewesoft 的核心理念是用一個軟件完成所有的應用！Dewesoft x 數據采集軟(ruan)件(jian)就是這種理念的體現。我們已經為汽(qi)車、動力(li)分析、 NVH、航空航天、工(gong)業、土木工程應用，以及一(yi)(yi)般的測量測試(shi)實(shi)現(xian)了(le)非(fei)常多的功能。從數據記錄，分析，報告，以及測試(shi)過程都(dou)通過一(yi)(yi)個軟件的方案來解決。
這個案例，基于Dewesoft 的USB總線的Sirius數據采集系統，提(ti)供一個直觀的交(jiao)鑰匙 FFT 方案。
發出及申請
安(an)全(quan)(quan)氣(qi)囊(nang)沖(chong)擊傳感(gan)(gan)器(qi)的作用是檢測沖(chong)擊過程中的加(jia)速度信號(hao)，利用 SDM 判斷和控(kong)制安(an)全(quan)(quan)氣(qi)囊(nang)的爆(bao)炸(zha)。為(wei)了避(bi)免安(an)全(quan)(quan)氣(qi)囊(nang)誤(wu)差(cha)爆(bao)炸(zha)，避(bi)免不(bu)必要的損(sun)失(shi)，必須將傳感(gan)(gan)器(qi)固定點慣(guan)性控(kong)制在要求的范圍(wei)內(nei)。
工業/應用
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，這對加速度信號質量很重要。
慣(guan)性通常可以理(li)解為信號輸(shu)出與輸(shu)入的比(bi)值(放大系(xi)數或(huo)阻尼系(xi)數)。慣(guan)性的計算如(ru)下(xia):
■ 其中(zhong) Ax，Ay，Az 代表 x，y，z 方(fang)向的加速度，f 代表錘子的力(li)。慣性單位為 g/N
■ 共振測試和(he)判(pan)斷原理最(zui)初由大陸航空公司發布。通常來(lai)講，落入黃色和(he)綠色區(qu)域的(de)慣性是可以接(jie)受的(de)
圖1。共振測試和判斷原理(大陸版權2016年 AG)。
隨著(zhu)算(suan)法的發展進步，以下條件也是可以接受的:
■ 如果慣(guan)性(xing)降低到600Hz 以上的(de)紅(hong)區(qu)，可以接(jie)受(shou)
■ 如果慣性在400ー600Hz 之間的紅區，且慣性小于2，也是可以接受的。如果條件允許，也可以調整修改。
相對而言，模擬共振試驗(CAE)一直是一種經濟有(you)效的初步驗證方(fang)法，在(zai)試驗前也需要進行 CAE 分析。
輸入(ru)信號(hao)帶寬為(wei)0-2000Hz 正弦(xian)波，振幅為(wei)2g，帶寬階(jie)躍為(wei)10Hz。輸出(chu)為(wei) ECU 單(dan)方向(xiang)(xiang)上接收的正弦(xian)波，采集 x、 y、 z 三個方向(xiang)(xiang)的信號(hao)輸出(chu)。非注(zhu)入(ru)方向(xiang)(xiang)信號(hao)的強度(du)應小于注(zhu)入(ru)信號(hao)強度(du)的20% 。所需方向(xiang)(xiang)信號(hao)的強度(du)應與注(zhu)入(ru)信號(hao)相似(80%-120%)。
例(li)如，ECU 在 z 方向注入(ru)2g 信號，x 方向和 y 方向的信號強(qiang)度(du)應小于(yu)0.4 g (2g * 20%)。但 z 方向的信號強(qiang)度(du)應為1.6-2.4 g。
可(ke)以(yi)肯定的是，CAE 結(jie)果(guo)不(bu)能(neng)代替真實條件(jian)下的共振試驗(yan)。僅(jin)供(gong)參考，有時結(jie)果(guo)可(ke)能(neng)與共振試驗(yan)結(jie)果(guo)不(bu)同。因為 CAE 模型(xing)是一(yi)個理想的模型(xing)，實際情況可(ke)能(neng)比它(ta)更糟或(huo)更困難。通常 CAE 結(jie)果(guo)可(ke)以(yi)接受(shou)，但(dan)共振試驗(yan)不(bu)可(ke)接受(shou)，或(huo) CAE 結(jie)果(guo)不(bu)可(ke)接受(shou)，但(dan)共振試驗(yan)可(ke)以(yi)接受(shou)。
大陸(lu)航空(kong)提供測(ce)試認證服務，共(gong)振測(ce)試應(ying)該符合大陸(lu)公司規定(ding)方法。現在大陸(lu)航空(kong)也允許一些客戶(hu)(hu)擁有自己的共(gong)振設(she)備，建(jian)議客戶(hu)(hu)自己進行(xing)這(zhe)種(zhong)共(gong)振測(ce)試。
因為這(zhe)樣可(ke)以(yi)節省很多時間和(he)金錢。但應(ying)滿足一些要求(qiu)，并將共振(zhen)試驗結果(guo)送(song)回大陸公(gong)司進行分析。整個測試過(guo)程涉(she)及法律和(he)法規，包(bao)括:
■ 大陸共振測試方法(fa)和判斷原理
■ GB/T 37474-2019汽車安全氣囊系統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
測量設置
共振測試在上(shang)汽的車間定期進行(xing)，不需要在試驗場路試。測試對象(xiang)是(shi)上(shang)汽榮威(wei) RX5 SUV 原型車。
圖2. 測試中的原型車
該測量系統包括脈沖錘、加速度(du)傳感器、數據(ju)采集(ji)單元和(he)電源。所有參(can)考傳(chuan)感器應符合(he)以下規格(ge):
■ 在被(bei)測頻段(0-5000Hz)無傳(chuan)感(gan)器諧振
■ 傳感器質量小于10克
■ 傳(chuan)感器(qi)尺寸小于(yu)1cm × 1cm
■ 傳感器在測(ce)試前已(yi)經校(xiao)準(zhun)
DAQ 的硬件要求如下:
■ Dewesoft 數據采集系統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構或機械。脈沖用于識別共振，共振是研究的一個重要測量參數。
■ Dytran 3333A3加速度計傳感器
微型 IEPE 三軸加速度傳感器，優良的低(di)頻響應和相位響應
所需的數據采集軟件:
■ Dewesoft x DAQ 軟(ruan)件
圖3。共振測試的基本設置圖
慣性測量
最終用戶 SAIC 稍微改進了大陸公司的設置，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(shi)的(de) SDM 固(gu)定點(dian)。
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(mei)個位置(zhi)，至少(shao)需要3次錘擊大約(yue)50N 到100N。確(que)保命中持續時間盡可能短(duan)，不要雙(shuang)擊。
完整的傳感器數據(ju)記錄(lu)，至少包括10毫秒的預觸(chu)發。建議以20kHz 的采樣速率(lv)記錄(lu)500毫秒的信號。
慣性測(ce)量對(dui)電噪聲非常敏感，例如電源產生(sheng)的50Hz 的電噪聲。建議在測(ce)試前(qian)后各記錄250毫秒數據，以確認(ren)是否有電子(zi)噪音。錘擊(大約20N)可以用作觸(chu)發條件。
數據記錄和格式要求
在每次測試之后，需要記錄測試位置、測試方向、測試設置以及所有相關信息，以分析或重復工作流程。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(ce)(ce)試(shi)數(shu)據(ju)應該(gai)在測(ce)(ce)試(shi)后直接檢查。測(ce)(ce)量(liang)數(shu)據(ju)應該(gai)是設(she)定范圍的60-95% 。對于(yu)所有的傳感器，在錘(chui)擊力之(zhi)前應該(gai)沒有明顯的噪(zao)聲信號。
根據最新的規范，它也允許50% 的預觸發，記錄80毫秒數據。這可很容易通過 Dewesoft x 數據采集軟(ruan)件來(lai)設(she)置。測試(shi)過(guo)程中(zhong)我們可(ke)以(yi)將閾值設(she)置為(wei)50N 的(de)上升邊緣(yuan)，然后以(yi)25.6 kHz 的(de)采樣速(su)率開始采集，在觸發器上快速(su)存儲(chu)。
圖6. 觸發器捕捉到的原始力和加速度數據
在(zai)線(xian)計算可讓SAIC 工程(cheng)師在(zai)第一次現場了解結果。頻域參考曲(qu)線(xian)就(jiu)是高效的顯示分析工具。用戶繪制了作為預定義(yi)邊界的參考曲(qu)線(xian)。
圖7. 界限定義來源于大陸公司的判斷規則
大陸(lu)的算(suan)(suan)法是將三(san)個方向的加(jia)速度和力的所(suo)有譜分別(bie)求出圖8-11，然后直(zhi)接(jie)計算(suan)(suan)頻域內(nei)的慣性(xing)。為了保持一(yi)致性(xing)，用戶只(zhi)需復(fu)制(zhi) Dewesoft x 數據(ju)采集軟件中的數學(xue)庫算(suan)(suan)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(you) FFT Math 計(ji)算，頻率(lv)分辨率(lv)為(wei)12.5赫茲。Dewesoft x 數學公式(shi)(shi)功能，可根據用戶定義來編輯(ji)公式(shi)(shi)。
圖12. Dewesoft Math 編輯的公式。
測試結果
在 Dewesoft x 可視化(hua)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定義的公差帶(參考曲線) ，并顯示結果。
圖13參考曲線形成的公差帶
為了進行比較和(he)驗證，用戶所(suo)做的(de)(de)每一(yi)個測(ce)試——原始(shi)數據(ju)(加速度、力)——也發(fa)送到 Continental 公司(si)進行分析。管理局的(de)(de)評估結果與我(wo)們的(de)(de)一(yi)致(見圖14)。在這(zhe)種情況下(xia)，測(ce)試點(b 柱)顯(xian)示(shi)良好，將被視為大陸公司(si)認可的(de)(de)合格(ge)產品(pin)。
圖14。測量的慣性 b 柱由大陸檢查
一般來(lai)說，ECU 安裝支架和底部的 b 柱是兩個強制(zhi)測試(shi)點，每一點至少3次激(ji)勵(li)平均。工程師還建議，根據多次測試(shi)經(jing)驗，施加20N 到(dao)60N 的錘(chui)力就(jiu)足(zu)夠了。
總結
大(da)陸集團要求的測(ce)(ce)試(shi)基(ji)本(ben)已(yi)(yi)經(jing)完成，上汽(qi)客(ke)戶使用的設備也已(yi)(yi)經(jing)獲得批準。因(yin)此，Dewesoft軟件被列為標準的測(ce)(ce)試(shi)系統(tong)，而以后大(da)陸的工程師(shi)將不再(zai)需要到上汽(qi)現場進行(xing)現場測(ce)(ce)試(shi)指導。
替代方案是，原始數據和(he)分析需要提(ti)交給歐洲大陸權威機構(gou)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(yi)是一個基本的解決(jue)方(fang)案，在客戶的預算有限的情(qing)況下(xia)更經濟(ji)。
SIRIUS 小型四通道 IEPE 振動儀及數據采集系統
上汽(qi)集團非常高興(xing)地接受了Dewesoft的方案，因為他們可以省下邀請大(da)陸工(gong)程師到現場指導(dao)測試需要花費大(da)量的花費。顯然，這每年都會(hui)為安全工(gong)程與虛擬技術部騰出一大(da)筆(bi)預算。
此外，作為一種多(duo)功能(neng)的數據采集系統(tong)，Dewesoft 將被應用于上汽公司的噪(zao)聲(sheng)測量以及節省額外的投資。Dewesoft 是一個專業的 FFT 頻譜分析儀(yi)，包括頂級性能(neng)，先(xian)進光標功能(neng)，高自由選擇的行分辨率，靈活的平均值，高級功能(neng)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
■ Continental AG 大陸共振測試方法和判斷原理
: 汽車安全氣囊系統性(xing)能試驗方法及要求
■ 張立，李，雷英(ying)峰: 安全(quan)氣囊沖擊傳(chuan)感器固定(ding)點頻率響應分析與(yu)優化(hua)
■ 邊新(xin)濤: 汽車安全氣囊 ECU 共振分(fen)析
5個(ge)LCM系列或LCB疲(pi)勞級桿端(duan)拉壓雙向(xiang)力傳感器(qi)，每個(ge)傳感器(qi)搭配一個(ge)USB220高分辨率數據記錄系統。
