基于模態試驗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 a.機械工程學院;b.計算機科學與通信工程學院，江蘇鎮江 212013;2.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

目前，我國已成為汽車生產大國，但在汽車保有量逐年增加的同時，頻發的交通事故也帶來了嚴重的經濟損失和人員傷亡［1］。為此，人們對車輛動態特性及安全性能的研究也越來越深入。在整個汽車結構中，含有大量的傳感器用以采集車輛狀態信息，其中加速度傳感器所采集的車輛加速度信息對于碰撞識別、安全氣囊點火有重要意義。因此，為了提高碰撞識別可靠性，必須考慮所采集的加速度數據是否準確、傳感求安裝位置是否合理等問題?？刂苽鞲衅靼惭b點的動剛度特性和準確安裝加速度傳感器是在車輛碰撞情況下采集數據是否準確的前提［2－4］。在車輛內部結構中不可避免地存在噪聲、振動等因素。由于車身結構的復雜性，不同車身部位的動剛度及其共振頻率都存在差異性，當受到內部或外部激勵信號的干擾時會引起車輛內部加速度傳感器安裝位置的共振，產生較大的振幅，進而影響傳感器所采集數據的精度。近年來，模態試驗分析技術發展迅速，其應用也越來越廣泛，尤其是在機械、車輛工程等行業取得了廣泛的應用［5－12］。本文通過模態試驗，研究不同安裝位置結構剛度對加速度傳感器的影響，并通過實車碰撞試驗進一步分析不同安裝位置加速度傳感器所采集的數據差異性，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確的碰撞加速度信息進行處理、計算，及時、準確地識別碰撞的發生。

1 傳感器安裝位置模態試驗

車身結構在一定頻率內的共振對試驗系統的性能有重要影響。為確保加速度傳感器所測得試驗數據波形的準確性，試驗前必須確定傳感器合理的安裝方式、安裝位置。不同位置由于動剛度的差異，對車身振動及沖擊力的傳遞也存在差異。對于傳感器的安裝點而言，0～500 Hz是不允許存在共振的，必須滿足20 dB準則，即試驗數據的頻率從0開始變化到F，當此范圍內頻率的幅值衰減20 dB時數據才是有效的。

模態試驗分析方法是依靠動態測試技術獲得某結構固有動態特性參數的一種試驗分析方法［13］。該方法是評價車身剛度特性的重要方法，可以有效地識別出系統的動態參數。本研究利用錘擊法［14－20］分別對駕駛員側B柱、ECU處的加速度傳感器安裝位置進行模態試驗，采集測試點的信號，得出測試點位置動剛度曲線，并與參考曲線進行對比，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 試驗過程

分別在駕駛員側B柱及ECU處安裝測試用傳感器，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傳感器敏感方向的橫向激勵進行錘擊試驗;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車輛行駛方向的激勵進行錘擊試驗。采集測得的激勵信號，對其處理得到安裝點動剛度特性曲線。

1.2 試驗分析

對采集的激勵信號數據進行處理。B柱傳感器安裝位置處激勵信號時域內變化曲線如圖3所示。由圖3可知，激勵信號在10 ms附近達到最大值，約為48 N。測得該位置動剛度曲線如圖4所示。其中:A為試驗采集信號曲線;B為參考線。由圖4可知:在200 Hz左右有較大的峰值響應，該部位發生明顯的共振現象。在0～200 Hz及500～740 Hz，試驗測得的動剛度值低于參考線2×106N/m。

ECU處傳感器安裝位置激勵信號時域內變化曲線如圖5所示。由圖5可知，激勵信號在11 ms附近達到最大值，約為119 N。試驗測得該位置動剛度曲線如圖6所示，其中:A為試驗采集信號曲線;B為參考線。由圖6可知，在500 Hz頻率范圍內，該位置沒有產生明顯的共振現象，且在50 Hz頻率以后，試驗測得動剛度值都在參考線2×106N/m之上。

圖1 駕駛員側B柱錘擊試驗

圖2 ECU處錘擊試驗

圖3 駕駛員側B柱激勵信號輸入曲線

圖4 駕駛員側B柱動剛度曲線

圖5 ECU處激勵信號輸入曲線

圖6 ECU動剛度曲線

1.3 試驗結果

根據駕駛員側B柱和ECU安裝位置處錘擊試驗可知:位于中央通道附近的ECU部靠近車輛質心位置剛度較大，傳感器安裝點不存在共振現象，不會影響采集數據的精度，適合傳感器安裝，是理想的傳感器安裝位置;而B柱部位因為在200 Hz附近存在明顯的共振，且在500～740 Hz的動剛度低于參考值，此處傳感器安裝點需通過試驗進一步驗證。本研究將通過實車碰撞試驗進一步分析加速度傳感器的合理安裝位置。

2 安裝點碰撞試驗分析

選用某車型，進行車速為50 km/h的車輛正面100%重疊剛性壁障碰撞試驗，進一步分析確定傳感器的合理安裝位置。

2.1 試驗過程

分別在駕駛員側B柱上、中、下3個部位各安裝一個加速度傳感器，在ECU前后兩側各安裝1個加速度傳感器。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象發生，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 試驗分析

試驗后測得駕駛員側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2次峰值，分別位于21～25 ms和42～47 ms，同時，后者也是B柱加速度最大值區域。3個部位加速度曲線差異較為明顯:最大值出現的時間略有不同，而且峰值的大小也不一樣。B柱下部加速度出現峰值的時刻最早，同時峰值也最大，在約45.7 ms處達到最大值－42.7g;B柱中部加速度出現峰值時刻略晚，其峰值也略小于B柱下部;B柱上部出現峰值時刻最晚，且峰值最小。這是由于其不同安裝位置引起的，因為B柱下部傳感器安裝位置位于駕駛員側門檻附近，此安裝點處剛度較大，對加速度信號變化較敏感。而B柱上部的加速度信號由于車身結構的緩沖，使其感受到的加速度信號幅值降低，并且出現延遲。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個加速度曲線有2個x軸負向的陡峰，且2條曲線具有較好的一致性，峰值區間及其出現時刻基本一致。與B柱加速度曲線類似，峰值均出現在21～25 ms和42～47 ms，且在約45.8 ms處達到最大值，但ECU前部加速度曲線峰值略大約后部，約為－43g。

2.3 試驗結果

對比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處同時達到了各自峰值，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 結束語

通過模態試驗分析，選定加速度傳感器在駕駛員側B柱及ECU處的的安裝位置。駕駛員側B柱傳感器安裝于上、中、下3個部位，即分別位于安全帶上固定點正上方、與腰線的交點處、車輛的門檻處;ECU處傳感器安裝于中央通道ECU前、后兩處。ECU處在模態試驗中沒有發生共振現象，是傳感器理想的安裝點。將ECU處傳感器作為主要參考，通過正面100%剛性壁障碰撞試驗進一步分析駕駛員側B柱上、中、下3處傳感器安裝位置的合理性。

通過碰撞試驗結果可知，B柱下部傳感器因靠近門檻位置，具有較大剛度，對加速度信號變化更加敏感，與ECU處傳感器信號有較高的匹配度，是合理的安裝位置。

［1］公安部交通安全管理局.中華人民共和國交通事故事故統計年報(2012年度)［R］.北京:［出版者不詳］，2013.

［2］周璇，喻壽益，李蘭君.分布參數系統中傳感器位置的優化［J］.中南工業大學學報:自然科學版，2003，34(4):398－401.

［3］SAE J211－1，Instrumentation for Impact Test-Part1-E-lectronic nstrumentation［S］.

［4］陳爽，孫浩，馮超.加速度傳感器及其安裝工藝對碰撞模擬試驗結果的影響［J］.汽車工程，2012，34(11):1033－1038.

［5］周翠，李東升，李宏男.結構模態測試傳感器位置優選［J］.振動工程學報，2014，27(1):84－90.

［6］王亦金.動車組旋轉座椅有限元計算分析［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014，28(4):33－36.

［7］代榮，段向敏，羅覓知.基于UGS NX7.5的夾鉗有限元分析及優化設計［J］.西南大學學報:自然科學版，2013(12):118－122.

［8］鄒煜，何曉暉.裝配式鋼桁橋動力特性的有限元分析與試驗［J］.四川兵工學報，2014(2):88－90.

［9］韓文強，何輝波，李華英，等.20CrMo鋼干切削過程的有限元分析及性能實驗［J］.西南大學學報:自然科學版，2014(44):185－191.

［10］蘇亮，黃登峰，吳長風.有限元分析在客車輕量化設計中的應用［J］.客車技術與研究，2013(5):34－36.

［11］王智祥，譚珊.應用ANSYS的輕軌道岔梁有限元分析［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2013，27(7):37－40.

［12］鄧祖平，谷玉川，陳晶艷.基于有限元分析的輕卡車架優化設計及其臺架試驗［J］.客車技術與研究，2014(2):54－57.

［13］廖林清，徐科峰，雷剛.轎車白車身模態試驗與有限元模態分析的對比［J］.重慶工學院學報:自然科學版，2009，23(1):11－15.

［14］劉軍，高建立，穆桂脂.改進錘擊法試驗模態分析技術的研究［J］.振動與沖擊，2009，28(3):174－177.

［15］李勛，張東明，趙開寧.錘擊法在航空發動機部件模態試驗中的常見問題淺析［J］.航空發動機，2010(5):46－51.

［16］周勇軍，賀拴海，宋一凡，等.基于錘擊法的彎連續剛構模型橋動力試驗［J］.振動、測試與診斷，2007(3):212－215.

［17］袁揚，劉維寧，王文斌.基于錘擊測試的地鐵環境振動預測方法的改進［J］.天津大學學報:自然科學與工程技術版，2013(5):408－414.

［18］劉成武，錢林方，洪亮.基于polyMAX的白車身錘擊實驗模態及靈敏度分析［J］.福建工程學院學報，2013(4):359－353.

［19］李曉華.基于錘擊法的車用永磁同步電機的固有頻率分析［J］.上海電力學院學報，2013(5):421－424.

［20］尚克志.等效模擬循環錘擊試驗方法［J］.探測與控制學報，2008(6):5－7.