基于模態(tài)試驗(yàn)的碰撞傳感器安裝位置分析

史雪林，肖 文，干金鵬

(1.江蘇大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院;b.計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

目前，我國(guó)已成為汽車生產(chǎn)大國(guó)，但在汽車保有量逐年增加的同時(shí)，頻發(fā)的交通事故也帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡［1］。為此，人們對(duì)車輛動(dòng)態(tài)特性及安全性能的研究也越來越深入。在整個(gè)汽車結(jié)構(gòu)中，含有大量的傳感器用以采集車輛狀態(tài)信息，其中加速度傳感器所采集的車輛加速度信息對(duì)于碰撞識(shí)別、安全氣囊點(diǎn)火有重要意義。因此，為了提高碰撞識(shí)別可靠性，必須考慮所采集的加速度數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確、傳感求安裝位置是否合理等問題。控制傳感器安裝點(diǎn)的動(dòng)剛度特性和準(zhǔn)確安裝加速度傳感器是在車輛碰撞情況下采集數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確的前提［2－4］。在車輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)中不可避免地存在噪聲、振動(dòng)等因素。由于車身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，不同車身部位的動(dòng)剛度及其共振頻率都存在差異性，當(dāng)受到內(nèi)部或外部激勵(lì)信號(hào)的干擾時(shí)會(huì)引起車輛內(nèi)部加速度傳感器安裝位置的共振，產(chǎn)生較大的振幅，進(jìn)而影響傳感器所采集數(shù)據(jù)的精度。近年來，模態(tài)試驗(yàn)分析技術(shù)發(fā)展迅速，其應(yīng)用也越來越廣泛，尤其是在機(jī)械、車輛工程等行業(yè)取得了廣泛的應(yīng)用［5－12］。本文通過模態(tài)試驗(yàn)，研究不同安裝位置結(jié)構(gòu)剛度對(duì)加速度傳感器的影響，并通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)進(jìn)一步分析不同安裝位置加速度傳感器所采集的數(shù)據(jù)差異性，找出加速度傳感器的最佳安裝位置，便于車載控制器采集準(zhǔn)確的碰撞加速度信息進(jìn)行處理、計(jì)算，及時(shí)、準(zhǔn)確地識(shí)別碰撞的發(fā)生。

1 傳感器安裝位置模態(tài)試驗(yàn)

車身結(jié)構(gòu)在一定頻率內(nèi)的共振對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的性能有重要影響。為確保加速度傳感器所測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)波形的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前必須確定傳感器合理的安裝方式、安裝位置。不同位置由于動(dòng)剛度的差異，對(duì)車身振動(dòng)及沖擊力的傳遞也存在差異。對(duì)于傳感器的安裝點(diǎn)而言，0～500 Hz是不允許存在共振的，必須滿足20 dB準(zhǔn)則，即試驗(yàn)數(shù)據(jù)的頻率從0開始變化到F，當(dāng)此范圍內(nèi)頻率的幅值衰減20 dB時(shí)數(shù)據(jù)才是有效的。

模態(tài)試驗(yàn)分析方法是依靠動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)獲得某結(jié)構(gòu)固有動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的一種試驗(yàn)分析方法［13］。該方法是評(píng)價(jià)車身剛度特性的重要方法，可以有效地識(shí)別出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。本研究利用錘擊法［14－20］分別對(duì)駕駛員側(cè)B柱、ECU處的加速度傳感器安裝位置進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，采集測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)，得出測(cè)試點(diǎn)位置動(dòng)剛度曲線，并與參考曲線進(jìn)行對(duì)比，以確定加速度傳感器的安裝位置，初步判斷該處安裝位置是否合理。

1.1 試驗(yàn)過程

分別在駕駛員側(cè)B柱及ECU處安裝測(cè)試用傳感器，安裝位置分別如圖1和圖2所示。在B柱安裝位置處使用力錘在固定傳感器的金屬板上施加一個(gè)傳感器敏感方向的橫向激勵(lì)進(jìn)行錘擊試驗(yàn);在ECU安裝位置處利用捶擊法在靠近ECU的固定螺栓上施加一個(gè)車輛行駛方向的激勵(lì)進(jìn)行錘擊試驗(yàn)。采集測(cè)得的激勵(lì)信號(hào)，對(duì)其處理得到安裝點(diǎn)動(dòng)剛度特性曲線。

1.2 試驗(yàn)分析

對(duì)采集的激勵(lì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。B柱傳感器安裝位置處激勵(lì)信號(hào)時(shí)域內(nèi)變化曲線如圖3所示。由圖3可知，激勵(lì)信號(hào)在10 ms附近達(dá)到最大值，約為48 N。測(cè)得該位置動(dòng)剛度曲線如圖4所示。其中:A為試驗(yàn)采集信號(hào)曲線;B為參考線。由圖4可知:在200 Hz左右有較大的峰值響應(yīng)，該部位發(fā)生明顯的共振現(xiàn)象。在0～200 Hz及500～740 Hz，試驗(yàn)測(cè)得的動(dòng)剛度值低于參考線2×106N/m。

ECU處傳感器安裝位置激勵(lì)信號(hào)時(shí)域內(nèi)變化曲線如圖5所示。由圖5可知，激勵(lì)信號(hào)在11 ms附近達(dá)到最大值，約為119 N。試驗(yàn)測(cè)得該位置動(dòng)剛度曲線如圖6所示，其中:A為試驗(yàn)采集信號(hào)曲線;B為參考線。由圖6可知，在500 Hz頻率范圍內(nèi)，該位置沒有產(chǎn)生明顯的共振現(xiàn)象，且在50 Hz頻率以后，試驗(yàn)測(cè)得動(dòng)剛度值都在參考線2×106N/m之上。

圖1 駕駛員側(cè)B柱錘擊試驗(yàn)

圖2 ECU處錘擊試驗(yàn)

圖3 駕駛員側(cè)B柱激勵(lì)信號(hào)輸入曲線

圖4 駕駛員側(cè)B柱動(dòng)剛度曲線

圖5 ECU處激勵(lì)信號(hào)輸入曲線

圖6 ECU動(dòng)剛度曲線

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)駕駛員側(cè)B柱和ECU安裝位置處錘擊試驗(yàn)可知:位于中央通道附近的ECU部靠近車輛質(zhì)心位置剛度較大，傳感器安裝點(diǎn)不存在共振現(xiàn)象，不會(huì)影響采集數(shù)據(jù)的精度，適合傳感器安裝，是理想的傳感器安裝位置;而B柱部位因?yàn)樵?00 Hz附近存在明顯的共振，且在500～740 Hz的動(dòng)剛度低于參考值，此處傳感器安裝點(diǎn)需通過試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。本研究將通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)進(jìn)一步分析加速度傳感器的合理安裝位置。

2 安裝點(diǎn)碰撞試驗(yàn)分析

選用某車型，進(jìn)行車速為50 km/h的車輛正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗(yàn)，進(jìn)一步分析確定傳感器的合理安裝位置。

2.1 試驗(yàn)過程

分別在駕駛員側(cè)B柱上、中、下3個(gè)部位各安裝一個(gè)加速度傳感器，在ECU前后兩側(cè)各安裝1個(gè)加速度傳感器。B柱處傳感器的安裝位置如圖7所示，其中:(a)為B柱上部，即傳感器固定在安全帶上固定點(diǎn)處的位置;(b)為B柱中部，即傳感器固定在B柱與腰線的交點(diǎn)處位置;(c)為B柱下部，即傳感器固定在靠近車輛門檻處位置。ECU前后兩處傳感器安裝位置如圖8所示。由于其位于中央通道附近，且該部位沒有共振現(xiàn)象發(fā)生，故可作為主要的參考傳感器。

圖7 B柱加速度傳感器

圖8 ECU處加速度傳感器

2.2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)后測(cè)得駕駛員側(cè)B柱上、中、下部x軸加速度曲線如圖9所示。由圖9可知:碰撞過程中B柱處加速度曲線總體上出現(xiàn)2次峰值，分別位于21～25 ms和42～47 ms，同時(shí)，后者也是B柱加速度最大值區(qū)域。3個(gè)部位加速度曲線差異較為明顯:最大值出現(xiàn)的時(shí)間略有不同，而且峰值的大小也不一樣。B柱下部加速度出現(xiàn)峰值的時(shí)刻最早，同時(shí)峰值也最大，在約45.7 ms處達(dá)到最大值－42.7g;B柱中部加速度出現(xiàn)峰值時(shí)刻略晚，其峰值也略小于B柱下部;B柱上部出現(xiàn)峰值時(shí)刻最晚，且峰值最小。這是由于其不同安裝位置引起的，因?yàn)锽柱下部傳感器安裝位置位于駕駛員側(cè)門檻附近，此安裝點(diǎn)處剛度較大，對(duì)加速度信號(hào)變化較敏感。而B柱上部的加速度信號(hào)由于車身結(jié)構(gòu)的緩沖，使其感受到的加速度信號(hào)幅值降低，并且出現(xiàn)延遲。B柱中部的傳感器安裝于B柱“腰線”處，圖9中可以看出其信號(hào)峰值與B柱下部傳感器的峰值比較接近，約為－42.6g。但該處加速度曲線總體趨勢(shì)與下部傳感器存在一定差異。

ECU前、后兩處加速度曲線如圖10所示。由圖10可知，ECU前、后2個(gè)加速度曲線有2個(gè)x軸負(fù)向的陡峰，且2條曲線具有較好的一致性，峰值區(qū)間及其出現(xiàn)時(shí)刻基本一致。與B柱加速度曲線類似，峰值均出現(xiàn)在21～25 ms和42～47 ms，且在約45.8 ms處達(dá)到最大值，但ECU前部加速度曲線峰值略大約后部，約為－43g。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比B柱加速度與ECU前部加速度曲線可知:

B柱下部加速度曲線相對(duì)于中部和上部加速度曲線與ECU前部加速度曲線有較好的一致性;B柱下部加速度曲線峰值大小與ECU前部加速度峰值接近，兩者僅相差1.4%。從時(shí)間歷程角度可見:B柱下部加速度與ECU附近的加速度較為相近，二者在44.6 ms處同時(shí)達(dá)到了各自峰值，顯示了較高的匹配度。

圖9 B柱上、中、下部x軸加速度曲線

圖10 ECU前、后部x軸加速度曲線

3 結(jié)束語

通過模態(tài)試驗(yàn)分析，選定加速度傳感器在駕駛員側(cè)B柱及ECU處的的安裝位置。駕駛員側(cè)B柱傳感器安裝于上、中、下3個(gè)部位，即分別位于安全帶上固定點(diǎn)正上方、與腰線的交點(diǎn)處、車輛的門檻處;ECU處傳感器安裝于中央通道ECU前、后兩處。ECU處在模態(tài)試驗(yàn)中沒有發(fā)生共振現(xiàn)象，是傳感器理想的安裝點(diǎn)。將ECU處傳感器作為主要參考，通過正面100%剛性壁障碰撞試驗(yàn)進(jìn)一步分析駕駛員側(cè)B柱上、中、下3處傳感器安裝位置的合理性。

通過碰撞試驗(yàn)結(jié)果可知，B柱下部傳感器因靠近門檻位置，具有較大剛度，對(duì)加速度信號(hào)變化更加敏感，與ECU處傳感器信號(hào)有較高的匹配度，是合理的安裝位置。

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