關(guān)于汽車測控系統(tǒng)傳感器的研究與分析

1、基于汽車安全氣囊測控系統(tǒng)及其傳感器的研究與分析（機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 測控技術(shù)與儀器 08-2班7號 陳清陽）摘要隨著高速公路的發(fā)展和汽車性能的提高, 汽車的行駛速度越來越快, 而由于汽車擁有量的迅速增加, 交通越來越擁擠,這些因素使得交通事故發(fā)生更為頻繁, 所以汽車的安全性顯得尤為重要。由于很多事故是難以避免的, 因此汽車的被動(dòng)安全性非常重要。安全氣囊作為被動(dòng)安全性的研究成果, 由于其使用方便, 效果顯著, 造價(jià)不高, 得到了迅速的發(fā)展和普及。而汽車安全氣囊中的測控系統(tǒng)是保證汽車在發(fā)生事故時(shí)能順利打開的核心部件。其中的傳感器是感應(yīng)座上乘客重量，以此來分辨成人和兒童，使之在氣囊彈出的過程中既能保

2、證準(zhǔn)確性，又對乘客的生命安全不造成威脅。因此對汽車安全氣囊測控系統(tǒng)及其傳感器的研究與分析是十分的重要的。關(guān)鍵詞：汽車 安全氣囊 測控系統(tǒng) 傳感器正文安全氣囊系統(tǒng)主要由傳感器、微處理器、氣體發(fā)生器和氣囊等主要部件組成。傳感器和微處理器用以判斷撞車程度, 傳遞及發(fā)送信號;氣體發(fā)生器根據(jù)信號指示產(chǎn)生點(diǎn)火動(dòng)作, 點(diǎn)燃固態(tài)燃料并產(chǎn)生氣體向氣囊充氣, 使氣囊迅速膨脹􀀂需要特別說明的是, 傳感器只有在滿足了一定的條件下才會(huì)工作, 即必須有足夠的撞擊力才能啟動(dòng)開關(guān), 同時(shí)這個(gè)撞擊力必須來自正的方向。通常這個(gè)撞擊力約等于以25 一05 kw 的時(shí)速碰撞固定物所產(chǎn)生的結(jié)果。當(dāng)汽車受到這種高速碰撞

3、時(shí), 裝在車前端的碰撞傳感器和裝在汽車中部的安全傳感器就可檢測到車速突然減速, 并將這一信號迅速傳遞給安全氣囊系統(tǒng)的控制電腦,電腦在經(jīng)過分析確認(rèn)之后, 才會(huì)引爆安全氣囊包內(nèi)的電熱點(diǎn)火器, 使氣囊發(fā)生迅速膨脹，以保證乘客的生命安全。技術(shù)參數(shù)規(guī)格 150g助推器和放大器 300g助推器和放大器。沖擊方向水平向右。沖擊波形實(shí)際碰撞事件,半正矢,半正弦實(shí)際碰撞事件,半正矢,半正弦。沖擊持續(xù)時(shí)間 <100msec (實(shí)際碰撞時(shí)) <100msec (實(shí)際碰撞時(shí))。 最大沖擊加速度 150g (peak)(1.kg載荷時(shí)) 300g (peak)(1.kg載荷時(shí)) 。最大行程 600mm 30

4、0mm。最大速度變化,實(shí)際碰撞 65kph 65kph 。頻率響應(yīng) >800Hz(2X傳感器 400Hz),增強(qiáng)可控性 ,可重復(fù)。最大載荷 1.kg,不包括夾具 1.kg,不包括夾具結(jié)構(gòu)重量 15kg,包括 MB提供的夾具13kg,包括 MB提供的夾具結(jié)構(gòu)懸掛空氣支承空氣支承。助推器冷卻空冷,<50dBA 空冷,<50dBA 。助推器反用力最小化最小化。基本放大器結(jié)構(gòu) Class D Class D 。輸入功率每相 200A,標(biāo)準(zhǔn)480VAC,三相,50/60Hz每相 200A,標(biāo)準(zhǔn)480VAC,三相,50/60Hz。放大器冷卻空冷,60dBA 空冷,60dBA 。互鎖裝置和

5、安全措施緊急按鈕,控制面板,狀態(tài)指示器緊急按鈕,控制面板,狀態(tài)指示器。助推器和基座尺寸 2.8mX0.9mX0.4m 2.0mX0.9mX0.4m。放大器尺寸 1.0mX0.8mX0.8m 1.0mX0.8mX0.8m。1 感應(yīng)器安裝部位共振分析將Ecu按正常的安裝方式安裝在車身上􀀂安裝時(shí)必須保證固定牢固, 符合實(shí)際裝車的技術(shù)要求􀀂應(yīng)用強(qiáng)力膠將傳感器粘貼在EC U 上, 并且盡量使傳感器安裝位置接近E C U 與車身支架連接的位置􀀂用測力錘分別敲擊ECU3個(gè)螺栓的X , Y ,Z 向各5 次(見圖l)圈1, E C U 安裝位置分析結(jié)果如下

6、(其中第三個(gè)點(diǎn)的X 方向由于無法測到,經(jīng)與供應(yīng)商確認(rèn)該點(diǎn)的X 方向可以不測):安裝l 點(diǎn)X 向共振頻率是sl 0 H :, 安裝1 點(diǎn)Y 向共振頻率是1 1(X) H :, 安裝1 點(diǎn)Z 向共振頻率是537 H :安裝2 點(diǎn)X 向共振頻率是56 H :, 安裝2 點(diǎn)Y 向共振頻率是5 12 H :, 安裝2 點(diǎn)z 向共振頻率是355 H :;安裝3 點(diǎn)Y 向共振頻率是1 0以) H :, 安裝3 點(diǎn)Z 向共振頗率是316 Hz。EC U 第二 第三安裝點(diǎn)z 向(車身坐標(biāo)) 共振頻率不符合ECU 工作要求, 尤其第三點(diǎn)Z 向在316 H:時(shí)受到外力激勵(lì)情況下, 該安裝點(diǎn)存在明顯的局部變形, 產(chǎn)生

7、較大的負(fù)加速度, 會(huì)造成ECU 誤判和安全氣囊誤爆􀀂該型號ECU要求安裝部位在0 一so HZ 避免出現(xiàn)共振, 數(shù)據(jù)中只要有一個(gè)點(diǎn)的其中一個(gè)方向的分析結(jié)果表示不可接受, 則該方案不能滿足要求：􀀂EC U 共振側(cè)試失敗主要原因是前地板模態(tài)(45 H )z 太低,EC U 安裝部位動(dòng)剛度不足􀀂EC U 安裝部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要改進(jìn)2 改進(jìn)方案對比和確定21 方案對比（見圈2)圖2 各方案結(jié)構(gòu)對比2. 2 C A E 計(jì)算結(jié)果對比原方案只是第二 第三安裝點(diǎn)Z 向共振頻率不符合E CU工作要求, 故在計(jì)算分析所有改進(jìn)方案時(shí), 只針對第二 第三安裝點(diǎn)Z

8、向的共振頻率作分析比較􀀂按共振判定標(biāo)準(zhǔn), 函數(shù)的幅值越小, 峰值越往后, 對結(jié)構(gòu)改進(jìn)有指導(dǎo)意義。從靜力學(xué)分析，可以計(jì)算材料內(nèi)部每點(diǎn)處的應(yīng)力、應(yīng)變、位移(變形)和變形能量等數(shù)據(jù)，可以找出應(yīng)力集中的部位，幫助我們發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計(jì)缺陷，在未生產(chǎn)出產(chǎn)品以前，就可以知道產(chǎn)品的一些性能，提高產(chǎn)品性能和改進(jìn)設(shè)計(jì)缺陷，防止出現(xiàn)安全隱患，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和開發(fā)周期。按照施加約束和載荷、求解和后處理的步驟進(jìn)行靜力學(xué)中位移（變形）應(yīng)力。從計(jì)算結(jié)果來看(見圖3) :圖3 各方案共振頻率對比方案1 意義不大, 被否定; 方案2, 第二安裝點(diǎn)Z 向在35O HZ 左右出現(xiàn)較大的振幅, 有可能產(chǎn)生共振,零

9、件局部變形, 產(chǎn)生很大的負(fù)加速度, 不符合EC u 工作要求,也被否定; 方案3 , 計(jì)算結(jié)果理論上符合要求, 決定選擇此方案并實(shí)施驗(yàn)證。按方案3 實(shí)際造車, 對EC U 3 個(gè)安裝點(diǎn)進(jìn)行共振測試,結(jié)果如下:安裝1點(diǎn)X 向共振頻率是525 Hz, 安裝l點(diǎn)Y 向共振頻率是16O HZ , 安裝1點(diǎn)Z 向共振頻率是502 HZ ;安裝2 點(diǎn)X 向共振頻率是715 HZ , 安裝2 點(diǎn)Y 向共振頻率是520 H :, 安裝2 點(diǎn)Z 向共振頻率是600HZ ;安裝3 點(diǎn)Y 向共振頻率是900HZ , 安裝3 點(diǎn)Z 向共振頻率是600Hz。從測試結(jié)果來看, 前地板的模態(tài)(56 H )z 和動(dòng)態(tài)剛度已經(jīng)

10、滿足EC U 工作要求, ECU3 個(gè)安裝點(diǎn)在0-500Hz : 范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)共振。3 其他車型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較(見圖4)圈4 ECU安襲部位結(jié)構(gòu)在解決N 30 的ECU安裝點(diǎn)問題的同時(shí), 我們對N Z(X) 和S以R K 的EC U 安裝部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作了一些研究􀀂N Z(X) 前地板的筋條比較多, 特別是中間做了一道凸凹筋, ECU安裝部位還有一個(gè)支架, 整個(gè)前地板結(jié)構(gòu)剛度比較強(qiáng)􀀂SPA RK 的E C U 是安裝在前地板橫梁上, 安裝部位是橫梁和前地板縱筋焊接交匯處, 附近也有很多加強(qiáng)筋, ECU安裝部位的強(qiáng)度相當(dāng)強(qiáng)。從結(jié)構(gòu)上來看, N Zo 和SPA

11、RK 的ECU安裝點(diǎn)強(qiáng)度比N 30 的原始結(jié)構(gòu)都要強(qiáng)。我們分別對N Z傭和S以RK 作共振測試。由于3 種車型都是使用同一型號EC U , 而且ECU都是對安裝點(diǎn)的Z 向共振比較敏感, 所以測試只作Z 向共振分析比較。測試結(jié)果如下:N Zo 車型安裝1 點(diǎn)Z 向共振頻率是6 巧Iz , 安裝2 點(diǎn)S以R K 安裝l 點(diǎn)Z 向共振頻率是52 H :, 安裝2 點(diǎn)Z 向共振頻率是725 H :, 安裝3 點(diǎn)Z 向共振頻率是527 H z。通過比較分析N 3()X IN Z()X 厄AP R K 的EC U 安裝部位的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和測試結(jié)果, 總結(jié)出了一些設(shè)計(jì)思路, 為類似產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。從

12、解決N 30 的ECU安裝點(diǎn)剛度不足的過程中, 可以看出車身?xiàng)l件的輸人關(guān)系到車身設(shè)計(jì)的質(zhì)量和設(shè)計(jì)周期, 車身的輸人條件在車身設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。首先關(guān)于微動(dòng)工作臺的結(jié)構(gòu)：為了盡可能的提高微位移定位機(jī)構(gòu)的電壓位移特性，應(yīng)進(jìn)一步對工作臺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對各種參數(shù)的柔性鉸鏈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。其次 關(guān)于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試中傳感檢測：對于高精度的精密定位系統(tǒng)，其分辨率很大程度上取決于微位移傳感器的精度，目前，國內(nèi)在高精度傳感器研究方面與國外還有很大差距，進(jìn)口又受到成本以及有關(guān)國家的限制，因此，研制價(jià)格合適、精度高的微位移傳感器己成為提高精密定位系統(tǒng)定位精度的關(guān)鍵之一。最后可將柔性鉸鏈工作平臺、汽車安全氣

13、囊測控系統(tǒng)微位移驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)電源、電容傳感器、檢測設(shè)備和計(jì)算機(jī)連接起來，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)改進(jìn)用于微動(dòng)平臺的反饋控制的PID控制算法，可以考慮加入模糊PID控制算法或自適應(yīng)PID控制算法，也可嘗試采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。這樣，將會(huì)使汽車安全氣囊測控系統(tǒng)微位移驅(qū)動(dòng)器及所驅(qū)動(dòng)的微定位機(jī)構(gòu)具有較高的定位精度以及良好的動(dòng)態(tài)性能。參考文獻(xiàn)1鐘志華, 楊濟(jì)匡. 汽車安全氣囊技術(shù)及其應(yīng)用【J】. 中國機(jī)械工程2000（1-2）2 J.范蘭德國拉特，R.塞德林頓，彭浩波 譯. 汽車安全氣囊測控系統(tǒng). 北京.科技出版社,1980. 3 A.H. Seilly, Colnoid Actuators- Further

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