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控制單元(ECU)單元監測和控制安全氣囊的爆炸。
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 設備對加速度和頻率響應(慣性)進行了在線測量和分析。
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 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。
安全是現代汽車發展的重中之重，安全氣囊在保護駕駛員方面發揮著關鍵作用。安全氣囊控制器 ECU 一旦發現嚴重碰撞超過安全帶的約束能力，就迅速啟動安全氣囊保護乘客。
相反，安全氣囊還會嚴重傷害乘客，以防在輕微的意外碰撞下爆炸。因此，汽車制造商必須確保 ECU 安裝支架和車體具有足夠的剛度來抵抗一定程度的沖擊。
這個成功的案例來自上海汽車工業(集團)總公司，它是中國最大的汽車制造商。上汽集團的業務包括客車和商用車的研發、生產和銷售，同時還從事汽車零部件的研發、生產和銷售。上海汽車的其他子公司包括:
■ 上海汽車集團客車分公司,
■ 上汽萬事通,
■ 上汽大眾,
■ 通用汽車,
■ 上海船舶注冊管理公司-依維柯等
在這個案例里面，我們與上汽集團負責共振測試(慣性) 的安全工程與虛擬技術部合作，按照大陸共振測試方法和判斷原則進行測試分析。在屢獲殊榮的 Dewesoft DAQ 解決方案下，客戶的共振測試實驗能夠順利完成。
Dewesoft 的核心理念是用一個軟件完成所有的應用！Dewesoft x 數據采集軟件就是這種理念的體現。我們已經為汽車、動力分析、 NVH、航空航天、工業、土木工程應用，以及一般的測量測試實現了非常多的功能。從數據記錄，分析，報告，以及測試過程都通過一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，提供一個直觀的交鑰匙 FFT 方案。
發出及申請
安全氣囊沖擊傳感器的作用是檢測沖擊過程中的加速度信號，利用 SDM 判斷和控制安全氣囊的爆炸。為了避免安全氣囊誤差爆炸，避免不必要的損失，必須將傳感器固定點慣性控制在要求的范圍內。
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。
慣性通常可以理解為信號輸出與輸入的比值(放大系數或阻尼系數)。慣性的計算如下:
■ 其中 Ax，Ay，Az 代表 x，y，z 方向的加速度，f 代表錘子的力。慣性單位為 g/N
■ 共振測試和判斷原理最初由大陸航空公司發布。通常來講，落入黃色和綠色區域的慣性是可以接受的
圖1。共振測試和判斷原理(大陸版權2016年 AG)。
隨著算法的發展進步，以下條件也是可以接受的:
■ 如果慣性降低到600Hz 以上的紅區，可以接受
■ 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)一直是一種經濟有效的初步驗證方法，在試驗前也需要進行 CAE 分析。
輸入信號帶寬為0-2000Hz 正弦波，振幅為2g，帶寬階躍為10Hz。輸出為 ECU 單方向上接收的正弦波，采集 x、 y、 z 三個方向的信號輸出。非注入方向信號的強度應小于注入信號強度的20% 。所需方向信號的強度應與注入信號相似(80%-120%)。
例如，ECU 在 z 方向注入2g 信號，x 方向和 y 方向的信號強度應小于0.4 g (2g * 20%)。但 z 方向的信號強度應為1.6-2.4 g。
可以肯定的是，CAE 結果不能代替真實條件下的共振試驗。僅供參考，有時結果可能與共振試驗結果不同。因為 CAE 模型是一個理想的模型，實際情況可能比它更糟或更困難。通常 CAE 結果可以接受，但共振試驗不可接受，或 CAE 結果不可接受，但共振試驗可以接受。
大陸航空提供測試認證服務，共振測試應該符合大陸公司規定方法。現在大陸航空也允許一些客戶擁有自己的共振設備，建議客戶自己進行這種共振測試。
因為這樣可以節省很多時間和金錢。但應滿足一些要求，并將共振試驗結果送回大陸公司進行分析。整個測試過程涉及法律和法規，包括:
■ 大陸共振測試方法和判斷原理
■ 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
共振測試在上汽的車間定期進行，不需要在試驗場路試。測試對象是上汽榮威 RX5 SUV 原型車。
圖2. 測試中的原型車
該測量系統包括脈沖錘、加速度傳感器、數據采集單元和電源。所有參考傳感器應符合以下規格:
■ 在被測頻段(0-5000Hz)無傳感器諧振
■ 傳感器質量小于10克
■ 傳感器尺寸小于1cm × 1cm
■ 傳感器在測試前已經校準
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，優良的低頻響應和相位響應
所需的數據采集軟件:
■ Dewesoft x DAQ 軟件
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. 要測試的 SDM 固定點。
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。
對于每個位置，至少需要3次錘擊大約50N 到100N。確保命中持續時間盡可能短，不要雙擊。
完整的傳感器數據記錄，至少包括10毫秒的預觸發。建議以20kHz 的采樣速率記錄500毫秒的信號。
慣性測量對電噪聲非常敏感，例如電源產生的50Hz 的電噪聲。建議在測試前后各記錄250毫秒數據，以確認是否有電子噪音。錘擊(大約20N)可以用作觸發條件。
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。
所有的測試數據應該在測試后直接檢查。測量數據應該是設定范圍的60-95% 。對于所有的傳感器，在錘擊力之前應該沒有明顯的噪聲信號。
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 數據采集軟件來設置。測試過程中我們可以將閾值設置為50N 的上升邊緣，然后以25.6 kHz 的采樣速率開始采集，在觸發器上快速存儲。
圖6. 觸發器捕捉到的原始力和加速度數據
在線計算可讓SAIC 工程師在第一次現場了解結果。頻域參考曲線就是高效的顯示分析工具。用戶繪制了作為預定義邊界的參考曲線。
圖7. 界限定義來源于大陸公司的判斷規則
大陸的算法是將三個方向的加速度和力的所有譜分別求出圖8-11，然后直接計算頻域內的慣性。為了保持一致性，用戶只需復制 Dewesoft x 數據采集軟件中的數學庫算法。
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 FFT Math 計算，頻率分辨率為12.5赫茲。Dewesoft x 數學公式功能，可根據用戶定義來編輯公式。
圖12. Dewesoft Math 編輯的公式。
測試結果
在 Dewesoft x 可視化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
為了進行比較和驗證，用戶所做的每一個測試——原始數據(加速度、力)——也發送到 Continental 公司進行分析。管理局的評估結果與我們的一致(見圖14)。在這種情況下，測試點(b 柱)顯示良好，將被視為大陸公司認可的合格產品。
圖14。測量的慣性 b 柱由大陸檢查
一般來說，ECU 安裝支架和底部的 b 柱是兩個強制測試點，每一點至少3次激勵平均。工程師還建議，根據多次測試經驗，施加20N 到60N 的錘力就足夠了。
總結
大陸集團要求的測試基本已經完成，上汽客戶使用的設備也已經獲得批準。因此，Dewesoft軟件被列為標準的測試系統，而以后大陸的工程師將不再需要到上汽現場進行現場測試指導。
替代方案是，原始數據和分析需要提交給歐洲大陸權威機構進行驗證。
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 無疑是一個基本的解決方案，在客戶的預算有限的情況下更經濟。
SIRIUS 小型四通道 IEPE 振動儀及數據采集系統
上汽集團非常高興地接受了Dewesoft的方案，因為他們可以省下邀請大陸工程師到現場指導測試需要花費大量的花費。顯然，這每年都會為安全工程與虛擬技術部騰出一大筆預算。
此外，作為一種多功能的數據采集系統，Dewesoft 將被應用于上汽公司的噪聲測量以及節省額外的投資。Dewesoft 是一個專業的 FFT 頻譜分析儀，包括頂級性能，先進光標功能，高自由選擇的行分辨率，靈活的平均值，高級功能的深入頻率分析等。
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
■ GB/T 37474-2019: 汽車安全氣囊系統性能試驗方法及要求
■ 張立，李，雷英峰: 安全氣囊沖擊傳感器固定點頻率響應分析與優化
■ 邊新濤: 汽車安全氣囊 ECU 共振分析
5個LCM系列或LCB疲勞級桿端拉壓雙向力傳感器，每個傳感器搭配一個USB220高分辨率數據記錄系統。
