安全氣囊ECU安裝點(diǎn)動(dòng)剛度改進(jìn)

譚 偉，趙 寧，于根穩(wěn)，王海波

（東風(fēng)汽車股份公司 商品研發(fā)院，武漢 430057）

在車輛發(fā)生碰撞時(shí)，安全氣囊是否起爆是由ECU通過(guò)采集車身加速度響應(yīng)的曲線與寄存器算法中固化的曲線進(jìn)行對(duì)比來(lái)判定的。因此ECU采集到的車身加速度信號(hào)的準(zhǔn)確性對(duì)于氣囊起爆的控制精度起著至關(guān)重要的作用。大部分的氣囊ECU都是安裝在車身結(jié)構(gòu)上，如果車身安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度不足，對(duì)ECU采集加速度信號(hào)就會(huì)有干擾，影響信號(hào)的質(zhì)量。目前，絕大部分的氣囊ECU廠家對(duì)于ECU的安裝點(diǎn)動(dòng)剛度都有相應(yīng)的要求和標(biāo)準(zhǔn)。在某微車開(kāi)發(fā)過(guò)程中，ECU廠家通過(guò)對(duì)安裝點(diǎn)進(jìn)行錘擊法動(dòng)剛度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，車身結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度沒(méi)有達(dá)到企業(yè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此需要通過(guò)改變車身結(jié)構(gòu)以提高ECU安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度。

1 動(dòng)剛度有限元分析

1.1 有限元模型建模

ECU安裝在駕駛室前地板上，車身后部結(jié)構(gòu)對(duì)該點(diǎn)的影響甚微，為了縮短分析計(jì)算的時(shí)間，因此可以截取B柱以前的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，如圖1。在模型中約束車身前懸架安裝點(diǎn)和截取邊界節(jié)點(diǎn)的全部平動(dòng)自由度，并在ECU安裝的螺栓孔上方20 mm處的節(jié)點(diǎn)上施加X(jué)、Y、Z三個(gè)方向上的單位載荷100 N，激勵(lì)的頻率范圍0～1000 Hz，有限元模型前處理采用Hypermesh軟件，車身結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.02。

1.2 有限元分析求解

分析計(jì)算采用NASTRAN求解器。NASTRAN求解器具有完善的頻率響應(yīng)分析功能，在分析模型中采用直接頻率響應(yīng)法進(jìn)行求解，輸出激勵(lì)點(diǎn)的位移、速度和加速度。

1.3 動(dòng)剛度結(jié)果后處理

在NASTRAN的計(jì)算結(jié)果OP2文件中，可以找出激勵(lì)點(diǎn)隨頻率變化的位移值，繪制成頻響位移曲線。加載的單位激勵(lì)力為100 N，通過(guò)計(jì)算激勵(lì)力和位移的比值即可得到對(duì)應(yīng)頻率下動(dòng)剛度。

如圖2所示，德國(guó)BOSCH公司對(duì)ECU支架X、Y、Z三個(gè)方向上的動(dòng)剛度要求在50～2 000 Hz頻域內(nèi)都不能低于2 000 N/mm（目標(biāo)線）。原方案計(jì)算發(fā)現(xiàn)，車身ECU安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度（曲線）明顯不滿足要求，與試驗(yàn)的結(jié)論是一致的。

2 車身結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過(guò)有限元分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)車身前地板動(dòng)剛度低的原因主要是：

（1）前地板為0.8 mm的單層鋼板，地板垂直方向的剛度很難提高。

（2）前地板上的加強(qiáng)筋形狀設(shè)計(jì)不夠合理，在某些頻率下，加強(qiáng)筋沒(méi)有起到加強(qiáng)的作用。

（3）前地板與發(fā)動(dòng)機(jī)艙連接的拐角的抗彎剛度不足，在ECU安裝點(diǎn)受到X向沖擊時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)艙擋板不能提供支撐，增加剛度。

根據(jù)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了五種新的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案，并進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.1 方案一

在地板上部增加1.2 mm厚槽型加強(qiáng)板，這可以增加地板與發(fā)動(dòng)機(jī)艙擋板之間的抗彎剛度，見(jiàn)圖3。但是由于ECU上方設(shè)計(jì)了水杯托架，這個(gè)加強(qiáng)方案受其影響不能設(shè)計(jì)的太大，因此效果不明顯。從分析結(jié)果可知，在300 Hz～450 Hz之間，X和Z向的動(dòng)剛度均低于目標(biāo)值。

2.2 方案二

在方案一的基礎(chǔ)上將前地板通道的形狀進(jìn)行優(yōu)化，以增加前地板的剛度。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)安裝點(diǎn)Z向的動(dòng)剛度有了明顯的提高，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但是X向的動(dòng)剛度仍然不足，該方案不能滿足要求。

2.3 方案三

設(shè)計(jì)了一個(gè)新的支架用于連接地板和圓管梁。前地板下方有一根圓管梁，剛度比地板要大。在地板和圓管梁之間增加連接件可以提高地板的剛度。通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，前地板動(dòng)剛度仍然低于目標(biāo)值。

2.4 方案四

在前地板ECU安裝處增加0.7 mm厚的加強(qiáng)板。但是效果并不理想，動(dòng)剛度只有略微的改善。

2.5 方案五

基于前四種方案，設(shè)計(jì)了一個(gè)組合型的結(jié)構(gòu)，既連接前地板和圓管梁，也增加前地板局部的料厚，這樣一來(lái)可以把前幾種方案的改進(jìn)效果疊加在一起，通過(guò)分析計(jì)算，效果非常明顯，前地板ECU安裝點(diǎn)在X、Y、Z三個(gè)方向的動(dòng)剛度都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)值。

3 結(jié)論

本文通過(guò)有限元分析方法，對(duì)安全氣囊ECU安裝點(diǎn)動(dòng)剛度進(jìn)行了分析計(jì)算，并對(duì)安裝點(diǎn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，方案五的結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度有了明顯的提升，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。最后的驗(yàn)證試驗(yàn)也表明安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)是有效的。

［1］NX NASTRAN 5.0 QUICK REFERENCE GUIDE.

［2］張守元，沈磊，黃杰燕.SRS-ECU支架動(dòng)剛度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］.MSC.Soft ware中國(guó)用戶論文集，2010.

［3］龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng)理論與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.