轉(zhuǎn)向防傷害人體沖擊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

孫偉東，吳剛，徐浩

(上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

0 引言

隨著中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車安全性的關(guān)注也逐年升高，其中汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)駕駛員的傷害問(wèn)題是汽車安全性考核的重要指標(biāo)之一，所以國(guó)內(nèi)外都出臺(tái)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證這一安全性要求，這些標(biāo)準(zhǔn)中不但包含了整車碰撞試驗(yàn)而且還強(qiáng)制性地規(guī)定了零部件臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)于汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)總成、方向盤以及安全氣囊生產(chǎn)廠商，臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果就標(biāo)志著產(chǎn)品的安全性能。

轉(zhuǎn)向防傷害人體模塊沖擊試驗(yàn)是相應(yīng)零部件廠商的主要考核試驗(yàn)之一，在國(guó)內(nèi)外強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)中僅對(duì)人體模塊沖擊汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)總成的水平力有限制，所以一般的檢測(cè)試驗(yàn)室只能通過(guò)檢測(cè)其水平力來(lái)判斷其安全性能，但這樣的判斷只能得出定性的結(jié)果，對(duì)于零部件廠商提升其產(chǎn)品性能、整車廠商模擬實(shí)車碰撞CAE分析都起不到作用，再加上國(guó)外整車企業(yè)開(kāi)始在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中加入水平力-潰縮量曲線的限制要求，規(guī)定在整個(gè)碰撞過(guò)程中，曲線保持在某一區(qū)域，超出該區(qū)域試驗(yàn)即為不合格。所以文中提出了一種采集系統(tǒng)，最終生成水平力-潰縮量位移曲線，用以滿足客戶研發(fā)需求。

整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的難點(diǎn)在于所有數(shù)據(jù)采集設(shè)備的同步性，以及在高速碰撞環(huán)境下力傳感器與位移傳感器的采集可靠性，文中分析了不同的采集方法對(duì)采集結(jié)果造成的不同影響，以選取最合適的采集方式。

1 轉(zhuǎn)向防傷害數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 轉(zhuǎn)向防傷害試驗(yàn)準(zhǔn)備

如圖1和圖2所示，首先是驅(qū)動(dòng)設(shè)備與試驗(yàn)樣件的設(shè)置以及安裝，其中MTS軀干發(fā)射系統(tǒng)與人體模塊組成試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，方向盤、安全氣囊與轉(zhuǎn)向管柱總成組成試驗(yàn)樣件。將試驗(yàn)樣件安裝在相應(yīng)夾具上，并且必須符合實(shí)際整車上的安裝狀態(tài)：①必須根據(jù)樣件的向上傾角以及側(cè)向傾角確定管柱的安裝角度；②為人體模塊至方向盤的距離，為試驗(yàn)時(shí)人體模塊至實(shí)際碰撞點(diǎn)的距離(安全氣囊完全展開(kāi)處)，在實(shí)際試驗(yàn)開(kāi)始前需根據(jù)氣囊展開(kāi)時(shí)間、氣囊展開(kāi)厚度、距離、方向盤離地高度以及方向盤到點(diǎn)高度計(jì)算出人體模塊標(biāo)線的離地高度以及氣囊點(diǎn)爆延時(shí)間，這樣做的目的在于保證假人在與安全氣囊碰撞的瞬間，安全氣囊處于完全展開(kāi)狀態(tài)，基于這種狀態(tài)的位移力值曲線才最符合實(shí)際碰撞的情況。

圖1 轉(zhuǎn)向防傷害系統(tǒng)實(shí)物圖

圖2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2 轉(zhuǎn)向防傷害數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

整個(gè)轉(zhuǎn)向防傷害數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由光電開(kāi)關(guān)、拉線式位移傳感器、高頻激光位移傳感器、壓阻式加速度傳感器、Somat數(shù)據(jù)采集器、燈光系統(tǒng)、高速攝像設(shè)備以及MTS直線發(fā)射系統(tǒng)(該系統(tǒng)有一臺(tái)上位機(jī)，內(nèi)含模擬量輸入輸出板卡的發(fā)射控制器以及直線發(fā)射裝置)組成。光電開(kāi)關(guān)1與假人初始位置齊平并作為點(diǎn)爆系統(tǒng)的信號(hào)輸入，上位機(jī)發(fā)出假人發(fā)射信號(hào)后，假人發(fā)射，工控機(jī)接收到光電開(kāi)關(guān)1信號(hào)后，延時(shí)輸出安全氣囊點(diǎn)爆信號(hào)；假人在飛行過(guò)程中相繼經(jīng)過(guò)光電開(kāi)關(guān)2與光電開(kāi)關(guān)3。這里光電開(kāi)關(guān)2有兩個(gè)作用：一是作為整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)所有傳感器會(huì)以同樣的采樣頻率開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，高速攝像也開(kāi)始記錄視頻資料;二是與光電開(kāi)關(guān)3配合使用，記錄假人飛過(guò)兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)之間的時(shí)間，以此來(lái)計(jì)算假人的飛行速度。最終假人會(huì)在圖2實(shí)際碰撞點(diǎn)與完全展開(kāi)的氣囊碰撞，三軸力傳感器、位移傳感器以及壓阻式加速度傳感器采集相應(yīng)數(shù)值。

2 碰撞水平力的采集

一方面由于在GB 11557—2011、ECER12中轉(zhuǎn)向防傷害衡量的主要指標(biāo)為碰撞水平力11 123 N;另一方面最終整車廠需要的數(shù)據(jù)中潰縮位移與碰撞水平力必須實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)，所以力的精確測(cè)量也是整個(gè)采集系統(tǒng)的重中之重。

測(cè)量水平力就必須把剛性三軸力傳感器連接在整個(gè)樣件系統(tǒng)中，可實(shí)施的安裝方案有3種：①將壓阻式加速度傳感器放置于假人或樣件上，通過(guò)計(jì)算得出碰撞水平力；②如圖3(a)所示，連接方式為在原有的轉(zhuǎn)向軸頂端增加法蘭連接件，將三軸力傳感器安裝在法蘭上，力傳感器的上表面帶有螺紋，再將同型號(hào)的轉(zhuǎn)向軸頂端切割并焊接在相同螺紋的連接件上，再安裝在力傳感器上；③如圖3(b)所示，將原有樣件的轉(zhuǎn)向軸切割并將傳感器嵌入安裝于原有轉(zhuǎn)向管柱上。3種方式都符合標(biāo)準(zhǔn)要求，第一種方法的缺點(diǎn)為間接測(cè)量，試驗(yàn)誤差可能較大;第二種方法的缺點(diǎn)在于會(huì)增加較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)向軸長(zhǎng)度以及質(zhì)量;第三種方法的缺點(diǎn)在于完全破壞了原有樣件的強(qiáng)度以及剛度，綜上所述該系統(tǒng)選用第二種方法。在安裝過(guò)程中必須保證樣件整體緊固不可以有任何松動(dòng)，最大限度地減小增加轉(zhuǎn)向軸長(zhǎng)度以及質(zhì)量對(duì)試驗(yàn)帶來(lái)的影響。最后，三軸力傳感器直接將力的數(shù)據(jù)傳至MTS 497.07模擬量輸入輸出板卡。

圖3 力傳感器安裝實(shí)物

三軸力傳感器的安裝位置相對(duì)于人體假人模塊不是水平的，所以采集回來(lái)的三軸力不能直接作為數(shù)據(jù)引用，如圖4所示。

圖4 水平力計(jì)算示意

水平力由試驗(yàn)中三軸力、向上傾角以及側(cè)向傾角計(jì)算得出，如式(1)所示，其中向上傾角為豎直角與傾斜角之和。

=(cos+sin)cos+sin。

(1)

3 管柱潰縮量的采集

文中管柱潰縮量將采用3種測(cè)量方式進(jìn)行測(cè)量，分別是拉線式位移傳感器直接測(cè)量法、壓阻式加速度傳感器間接測(cè)量法以及高頻激光位移傳感器直接測(cè)量法。3種測(cè)量方法都能保證100 μs的采樣頻率，與力傳感器的采樣頻率相同。

3.1 拉線式位移傳感器直接測(cè)量法

采用ASM CLMD1-AJ1A8P011000CG2拉線式位移傳感器，最大量程為1 000 mm，使用Somat eDAQ作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將傳感器連接至ELLB板層，為傳感器供電的同時(shí)將數(shù)據(jù)傳回工控機(jī)。將拉線式位移傳感器使用C型夾固定在相應(yīng)位置，該位置必須保證傳感器拉線與管柱潰縮方向保持平行，并將拉線頭固定在管柱上某剛性點(diǎn)，保證在試驗(yàn)過(guò)程中不能與管柱產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。

3.2 壓阻式加速度傳感器間接測(cè)量法

加速度傳感器主要分為壓阻式、壓電式與電容式3種，而壓阻式加速度傳感器因其擁有良好的頻率響應(yīng)特性以及線性度被廣泛應(yīng)用于汽車碰撞領(lǐng)域，所以選用ENDEVCO 7264C—2000壓阻式加速度傳感器，該加速度傳感器應(yīng)該貼在可潰縮的轉(zhuǎn)向軸及其剛性連接的配件上，一般貼在安裝三軸力傳感器的法蘭上。壓阻式加速度傳感器輸出端連接MTS 497.07模擬量輸入輸出板卡，通過(guò)Encopim數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行二次積分。

3.3 高頻激光位移傳感器直接測(cè)量法

市場(chǎng)上能生產(chǎn)高采樣頻率的激光位移傳感器的廠家不多，文中選用奧泰斯CDX-W150A，最大量程為80 mm，最大采樣頻率為12.5 μs，擁有良好的抗震性，該傳感器不需要額外的控制器，傳感器接頭通過(guò)連接器可以用網(wǎng)線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，上位機(jī)中安裝有Web版的數(shù)據(jù)采集界面，能設(shè)置相應(yīng)采集參數(shù)以及實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)并以CDV格式文件輸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果；除此之外，該傳感器還支持外部輸入觸發(fā)，完全符合此項(xiàng)目的試驗(yàn)需求。由于安裝位置重復(fù)，所以拉線式位移傳感器與高頻激光位移傳感器不能同時(shí)安裝在樣品上，應(yīng)安裝在可潰縮區(qū)域的上方。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

由于拉線式位移傳感器與高頻激光位移傳感器的安裝位置相互干涉，所以文中設(shè)計(jì)了兩種試驗(yàn)：第一種為拉線式位移傳感器與壓阻式加速度傳感器的對(duì)比;第二種為高頻激光位移傳感器與壓阻式加速度傳感器的對(duì)比。

每種試驗(yàn)開(kāi)展3組，假人分別碰撞方向盤的6點(diǎn)鐘(方向盤正向)、3點(diǎn)鐘或9點(diǎn)鐘(方向盤剛度最大處)、12點(diǎn)鐘(方向盤剛度最小處)方向，這樣可以包含整個(gè)模擬碰撞的情況，對(duì)整個(gè)潰縮量位移測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行全面的考量。

4.1 拉線式位移傳感器與壓阻式加速度傳感器對(duì)比試驗(yàn)

由高速攝像回看分析，在假人與氣囊完全接觸后，拉線式位移傳感器的拉線呈現(xiàn)不規(guī)則跳動(dòng)情況。

采集得到的所有數(shù)據(jù)全部按照實(shí)際試驗(yàn)時(shí)間一一對(duì)應(yīng)，生成CSV文件，加速度傳感器數(shù)據(jù)由Encopim數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)時(shí)間軸進(jìn)行二次積分生成間接潰縮量位移。

圖5所示為拉線式位移傳感器與壓阻式加速度傳感器對(duì)比試驗(yàn)。

圖5 拉線式位移傳感器與壓阻式加速度傳感器對(duì)比試驗(yàn)

文中將整個(gè)假人碰撞的過(guò)程分為3個(gè)區(qū)域：曲線處于區(qū)域1時(shí)，假人尚未撞擊樣件總成;曲線處于區(qū)域2時(shí)，假人撞擊安全氣囊?guī)?dòng)轉(zhuǎn)向管柱開(kāi)始潰縮;曲線處于區(qū)域3時(shí)，轉(zhuǎn)向管柱潰縮到底。

由圖5可知，區(qū)域1中雖然假人還未碰到安全氣囊，但實(shí)際上此時(shí)力傳感器是有水平力的，管柱也有微小的潰縮量，從高速攝像中發(fā)現(xiàn)是安全氣囊的炸開(kāi)導(dǎo)致了這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，但這一微小潰縮量在壓阻式加速度傳感器曲線中體現(xiàn)得更為明顯，表明拉線式傳感器在區(qū)域1有失真的情況。

在區(qū)域2中，當(dāng)管柱的吸能區(qū)域起作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)拉線式傳感器曲線有多處明顯的數(shù)據(jù)失真，從高速攝像對(duì)應(yīng)時(shí)刻的視頻中來(lái)看，曲線失真點(diǎn)所處時(shí)刻的拉線變形抖動(dòng)量較大；壓阻式加速度傳感器曲線比較平滑。

在區(qū)域3中，在管柱潰縮到底之后兩種傳感器都會(huì)出現(xiàn)一些失真，那是因?yàn)楣苤鶟⒖s到底后管柱及方向盤總成會(huì)做自由落體運(yùn)動(dòng)并落在地上，所以拉線式位移傳感器的最大潰縮量會(huì)進(jìn)一步增大。當(dāng)管柱潰縮到底的時(shí)候，傳感器測(cè)得的最大潰縮量取力值最大處的位移量。

該組3次試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1，由表可知，由于該試驗(yàn)使用樣品的最大潰縮量為50 mm，并且6點(diǎn)鐘以及3點(diǎn)鐘方向管柱均潰縮到底，而12點(diǎn)鐘方向試驗(yàn)未潰縮到底。

表1 拉線式位移傳感器與壓阻式加速度傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比 單位：mm

4.2 高頻激光位移傳感器與壓阻式加速度傳感器對(duì)比試驗(yàn)

高頻激光位移傳感器與壓阻式加速度傳感器對(duì)比試驗(yàn)如圖6所示。由于該組試驗(yàn)管柱吸能特性與前一組試驗(yàn)不同，3次試驗(yàn)管柱均沒(méi)有潰縮到底，所以該曲線上無(wú)區(qū)域3。

圖6 高頻激光位移傳感器與壓阻式加速度傳感器對(duì)比試驗(yàn)

由圖6可以看出，在區(qū)域1中，激光位移傳感器以及壓阻式加速度傳感器均采集到了由于安全氣囊展開(kāi)導(dǎo)致的微小潰縮抖動(dòng)，整體兩組曲線的趨勢(shì)也比較相近;區(qū)域2中的曲線數(shù)據(jù)也無(wú)失真，證明了同樣是直接測(cè)量，高頻激光位移傳感器相較于拉線式位移傳感器的優(yōu)勢(shì)是十分明顯的。但是對(duì)比試驗(yàn)證明了壓阻式加速度傳感器二次積分導(dǎo)致的試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生一定的放大作用，在管柱未潰縮到底時(shí)，該放大作用十分明顯，可以說(shuō)在碰撞產(chǎn)生小位移的環(huán)境下，加速度傳感器二次積分的方法是不可靠的，在大位移環(huán)境下相對(duì)較好。

高頻激光位移傳感器與壓阻式加速度傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 高頻激光位移傳感器與壓阻式加速度傳感器數(shù)據(jù)對(duì)比 單位：mm

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一套完整的轉(zhuǎn)向防傷害數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)能同時(shí)采集碰撞沖擊水平力、沖擊速度、管柱潰縮量位移以及軸向加速度。通過(guò)拉線式位移傳感器、壓阻式加速度傳感器以及高頻激光位移傳感器的對(duì)比試驗(yàn)可以證明，在試驗(yàn)精度方面高頻激光位移傳感器的試驗(yàn)精度最高可以達(dá)到1%；壓阻式加速度傳感器測(cè)量整體趨勢(shì)符合實(shí)際情況，但是采集小位移工況時(shí)，數(shù)值偏差較大；拉線式位移傳感器由于受水平撞擊力影響導(dǎo)致不規(guī)則跳動(dòng)較大，精度較差。國(guó)內(nèi)多家轉(zhuǎn)向零部件廠商已使用該系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)水平力-潰縮量位移曲線得到了企業(yè)的高度評(píng)價(jià)，也為整車碰撞CAE分析提供了數(shù)據(jù)支持。