孫偉東，吳剛，徐浩

(上海機動車檢測認證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

0 引言

隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，人們對汽車安全性的關(guān)注也逐年升高，其中汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)對駕駛員的傷害問題是汽車安全性考核的重要指標之一，所以國內(nèi)外都出臺相應(yīng)標準來保證這一安全性要求，這些標準中不但包含了整車碰撞試驗而且還強制性地規(guī)定了零部件臺架試驗，對于汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)總成、方向盤以及安全氣囊生產(chǎn)廠商，臺架試驗的結(jié)果就標志著產(chǎn)品的安全性能。

轉(zhuǎn)向防傷害人體模塊沖擊試驗是相應(yīng)零部件廠商的主要考核試驗之一，在國內(nèi)外強制性標準中僅對人體模塊沖擊汽車轉(zhuǎn)向機構(gòu)總成的水平力有限制，所以一般的檢測試驗室只能通過檢測其水平力來判斷其安全性能，但這樣的判斷只能得出定性的結(jié)果，對于零部件廠商提升其產(chǎn)品性能、整車廠商模擬實車碰撞CAE分析都起不到作用，再加上國外整車企業(yè)開始在企業(yè)標準中加入水平力-潰縮量曲線的限制要求，規(guī)定在整個碰撞過程中，曲線保持在某一區(qū)域，超出該區(qū)域試驗即為不合格。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。

整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的難點在于所有數(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

1.1 轉(zhuǎn)向防傷害試驗準備

如圖1和圖2所示，首先是驅(qū)動設(shè)備與試驗樣件的設(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驅(qū)動設(shè)備，方向盤、安全氣囊與轉(zhuǎn)向管柱總成組成試驗樣件。將試驗樣件安裝在相應(yīng)夾具上，并且必須符合實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，為試驗時人體模塊至實際碰撞點的距離(安全氣囊完全展開處)，在實際試驗開始前需根據(jù)氣囊展開時間、氣囊展開厚度、距離、方向盤離地高度以及方向盤到點高度計算出人體模塊標線的離地高度以及氣囊點爆延時間，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狀態(tài)，基于這種狀態(tài)的位移力值曲線才最符合實際碰撞的情況。

圖1 轉(zhuǎn)向防傷害系統(tǒng)實物圖

圖2 控制系統(tǒng)設(shè)計

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

整個轉(zhuǎn)向防傷害數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由光電開關(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)有一臺上位機，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。光電開關(guān)1與假人初始位置齊平并作為點爆系統(tǒng)的信號輸入，上位機發(fā)出假人發(fā)射信號后，假人發(fā)射，工控機接收到光電開關(guān)1信號后，延時輸出安全氣囊點爆信號；假人在飛行過程中相繼經(jīng)過光電開關(guān)2與光電開關(guān)3。這里光電開關(guān)2有兩個作用：一是作為整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的觸發(fā)信號，此時所有傳感器會以同樣的采樣頻率開始采集數(shù)據(jù)，高速攝像也開始記錄視頻資料;二是與光電開關(guān)3配合使用，記錄假人飛過兩個光電開關(guān)之間的時間，以此來計算假人的飛行速度。最終假人會在圖2實際碰撞點與完全展開的氣囊碰撞，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時對應(yīng)，所以力的精確測量也是整個采集系統(tǒng)的重中之重。

測量水平力就必須把剛性三軸力傳感器連接在整個樣件系統(tǒng)中，可實施的安裝方案有3種：①將壓阻式加速度傳感器放置于假人或樣件上，通過計算得出碰撞水平力；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種方式都符合標準要求，第一種方法的缺點為間接測量，試驗誤差可能較大;第二種方法的缺點在于會增加較長的轉(zhuǎn)向軸長度以及質(zhì)量;第三種方法的缺點在于完全破壞了原有樣件的強度以及剛度，綜上所述該系統(tǒng)選用第二種方法。在安裝過程中必須保證樣件整體緊固不可以有任何松動，最大限度地減小增加轉(zhuǎn)向軸長度以及質(zhì)量對試驗帶來的影響。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 力傳感器安裝實物

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

圖4 水平力計算示意

水平力由試驗中三軸力、向上傾角以及側(cè)向傾角計算得出，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種測量方式進行測量，分別是拉線式位移傳感器直接測量法、壓阻式加速度傳感器間接測量法以及高頻激光位移傳感器直接測量法。3種測量方法都能保證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將數(shù)據(jù)傳回工控機。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，保證在試驗過程中不能與管柱產(chǎn)生相對移動。

3.2 壓阻式加速度傳感器間接測量法

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Encopim數(shù)據(jù)分析軟件對該數(shù)據(jù)進行二次積分。

3.3 高頻激光位移傳感器直接測量法

市場上能生產(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，傳感器接頭通過連接器可以用網(wǎng)線與上位機進行數(shù)據(jù)通信，上位機中安裝有Web版的數(shù)據(jù)采集界面，能設(shè)置相應(yīng)采集參數(shù)以及實時獲取數(shù)據(jù)并以CDV格式文件輸出實驗結(jié)果；除此之外，該傳感器還支持外部輸入觸發(fā)，完全符合此項目的試驗需求。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)計了兩種試驗：第一種為拉線式位移傳感器與壓阻式加速度傳感器的對比;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比。

每種試驗開展3組，假人分別碰撞方向盤的6點鐘(方向盤正向)、3點鐘或9點鐘(方向盤剛度最大處)、12點鐘(方向盤剛度最小處)方向，這樣可以包含整個模擬碰撞的情況，對整個潰縮量位移測量系統(tǒng)進行全面的考量。

4.1 拉線式位移傳感器與壓阻式加速度傳感器對比試驗

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)則跳動情況。

采集得到的所有數(shù)據(jù)全部按照實際試驗時間一一對應(yīng)，生成CSV文件，加速度傳感器數(shù)據(jù)由Encopim數(shù)據(jù)分析軟件對時間軸進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比試驗。

圖5 拉線式位移傳感器與壓阻式加速度傳感器對比試驗

文中將整個假人碰撞的過程分為3個區(qū)域：曲線處于區(qū)域1時，假人尚未撞擊樣件總成;曲線處于區(qū)域2時，假人撞擊安全氣囊?guī)愚D(zhuǎn)向管柱開始潰縮;曲線處于區(qū)域3時，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，但實際上此時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，發(fā)現(xiàn)拉線式傳感器曲線有多處明顯的數(shù)據(jù)失真，從高速攝像對應(yīng)時刻的視頻中來看，曲線失真點所處時刻的拉線變形抖動量較大；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出現(xiàn)一些失真，那是因為管柱潰縮到底后管柱及方向盤總成會做自由落體運動并落在地上，所以拉線式位移傳感器的最大潰縮量會進一步增大。當(dāng)管柱潰縮到底的時候，傳感器測得的最大潰縮量取力值最大處的位移量。

該組3次試驗對比結(jié)果見表1，由表可知，由于該試驗使用樣品的最大潰縮量為50 mm，并且6點鐘以及3點鐘方向管柱均潰縮到底，而12點鐘方向試驗未潰縮到底。

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比試驗

高頻激光位移傳感器與壓阻式加速度傳感器對比試驗如圖6所示。由于該組試驗管柱吸能特性與前一組試驗不同，3次試驗管柱均沒有潰縮到底，所以該曲線上無區(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比試驗

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導(dǎo)致的微小潰縮抖動，整體兩組曲線的趨勢也比較相近;區(qū)域2中的曲線數(shù)據(jù)也無失真，證明了同樣是直接測量，高頻激光位移傳感器相較于拉線式位移傳感器的優(yōu)勢是十分明顯的。但是對比試驗證明了壓阻式加速度傳感器二次積分導(dǎo)致的試驗數(shù)據(jù)會產(chǎn)生一定的放大作用，在管柱未潰縮到底時，該放大作用十分明顯，可以說在碰撞產(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)對比見表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)對比 單位：mm

5 結(jié)束語

文中設(shè)計了一套完整的轉(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比試驗可以證明，在試驗精度方面高頻激光位移傳感器的試驗精度最高可以達到1%；壓阻式加速度傳感器測量整體趨勢符合實際情況，但是采集小位移工況時，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)則跳動較大，精度較差。國內(nèi)多家轉(zhuǎn)向零部件廠商已使用該系統(tǒng)進行試驗，試驗水平力-潰縮量位移曲線得到了企業(yè)的高度評價，也為整車碰撞CAE分析提供了數(shù)據(jù)支持。