電阻應(yīng)變片在側(cè)面碰撞中車門開啟過程監(jiān)控的應(yīng)用研究

習(xí)波波，商恩義，李月明，周大永，顧鵬云

(浙江吉利汽車研究院有限公司，浙江杭州 311228)

0 引言

在側(cè)面碰撞測試中，保持車輛側(cè)面結(jié)構(gòu)的完整性對于保護(hù)駕乘員人員安全至關(guān)重要。其中，側(cè)面碰撞過程中車門不得開啟，否則將破壞側(cè)面結(jié)構(gòu)完整性，更嚴(yán)重造成駕乘人員被甩出車外，發(fā)生二次碰撞事故，導(dǎo)致駕乘人員發(fā)生嚴(yán)重傷害。因此，國內(nèi)外法規(guī)及新車評價(jià)體系中，對側(cè)面碰撞過程車門解鎖及開啟狀態(tài)有明確規(guī)定，如GB 20071-2006、C-NCAP管理規(guī)則(2018年版)以及Euro NCAP對試驗(yàn)后車門解鎖及開啟狀態(tài)都有明確規(guī)定，且其中以Euro NCAP工況較為惡劣，即側(cè)面碰撞工況中要求各車門非落鎖狀態(tài)。

GB 20071-2006中明確規(guī)定：在試驗(yàn)過程中車門不得開啟，碰撞試驗(yàn)后，不使用工具應(yīng)能打開足夠數(shù)量的車門，使乘員能正常進(jìn)出；C-NCAP及Euro NCAP規(guī)定：對于兩側(cè)的每一個(gè)車門，若在碰撞過程中開啟，則分別減去1分[1-4]。

目前側(cè)面碰撞研發(fā)工況測試過程中，法規(guī)及NCAP試驗(yàn)，特別是針對IIHS及C-IASI等側(cè)碰試驗(yàn)，由于壁障作用范圍大，碰撞過程中后車門易出現(xiàn)開啟，這將直接導(dǎo)致扣分或降級(jí)處理。但在側(cè)面工況結(jié)構(gòu)開發(fā)過程中，行業(yè)內(nèi)并無成熟且可靠的車門開啟監(jiān)控測試方法，這主要由于車門內(nèi)鎖位置空間狹小且密閉，門鎖內(nèi)部運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)過程監(jiān)控困難。目前在碰撞試驗(yàn)過程中：監(jiān)控門鎖開啟方法主要是通過錄像觀察車門開啟變化時(shí)刻；其次是在左后門把手位置附近增加Y向加速度傳感器，分析門把手在碰撞過程中與車輛車門車身的相對速度變化，判斷門鎖開啟時(shí)間，門鎖處屬于碰撞變形區(qū)域，在此安裝的加速度傳感器極易損壞，試驗(yàn)成本較高。上述兩種監(jiān)控測量方法能判斷出門鎖開啟時(shí)間，但無法監(jiān)控門鎖實(shí)際開啟位移。

據(jù)此，本文作者研究了電阻應(yīng)變片及門鎖開啟運(yùn)動(dòng)的工作原理，設(shè)計(jì)了一種既能簡單方便安裝在門鎖內(nèi)部、還能準(zhǔn)確定量監(jiān)控門鎖開啟位移的測量方法。即在門鎖內(nèi)部增加電阻應(yīng)變片傳感器，通過采集電阻應(yīng)變片電阻變化標(biāo)定門鎖系統(tǒng)開啟位移量，在實(shí)際碰撞過程中通過標(biāo)定的插值公式轉(zhuǎn)換成門鎖實(shí)際開啟的位移量，從而定量監(jiān)測門內(nèi)把手在碰撞過程中拉伸最大位移及相對應(yīng)時(shí)刻。

1 門鎖開啟原因分析

為分析門鎖開啟原因，探究門鎖在側(cè)面碰撞運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)過程，掌握碰撞過程中門鎖系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)間的相對運(yùn)動(dòng)，對門鎖開啟原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

如圖1所示，是車輛側(cè)面工況開發(fā)過程中車門開啟原因統(tǒng)計(jì)分析示意圖。門鎖系統(tǒng)涉及到零部件數(shù)量較多，各部件之前運(yùn)動(dòng)關(guān)系較復(fù)雜。通過分析門鎖開啟工作原理，歸納總結(jié)門鎖開啟原因主要有以下方面：(1)門外板變形帶動(dòng)把手后移、導(dǎo)致連桿與玻璃導(dǎo)軌擠壓，造成門鎖開啟；(2)門外板變形直接擠壓到連桿機(jī)構(gòu)或拉線固定端子，導(dǎo)致門鎖拉線發(fā)生了相對運(yùn)動(dòng)，拉線動(dòng)作導(dǎo)致門鎖開啟；(3)外把手慣性塊質(zhì)量過小，可平衡的慣性力過小，導(dǎo)致外把手拉開門鎖；(4)門外板造型特征引導(dǎo)變形，導(dǎo)致把手位置變形不佳。

圖1 車門開啟原因統(tǒng)計(jì)分析示意

從上述門鎖開啟原因分析結(jié)果看，任何方式的門鎖開啟原因都是鎖體解鎖結(jié)構(gòu)相對車門車身產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致門鎖開啟位移達(dá)到或超過開啟臨界設(shè)計(jì)值，從而導(dǎo)致車門在碰撞過程中打開。

為研究門鎖在碰撞過程中的運(yùn)動(dòng)位移變化過程，考慮到門鎖安裝位置空間狹小且密閉的特殊性，對利用電阻應(yīng)變片方案監(jiān)控門鎖運(yùn)動(dòng)過程及門鎖位移采集方法進(jìn)行了研究。

2 電阻應(yīng)變片測量原理及靈敏度系數(shù)換算

2.1 電阻應(yīng)變片測量原理

在電阻應(yīng)變片電路測量中，單個(gè)電阻應(yīng)變片式傳感器的應(yīng)變片由于溫度變化引起的電阻變化與彈性敏感元件的應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí)，是誤差產(chǎn)生的主要原因。對此，可采用熱電阻補(bǔ)償法。在使用單個(gè)應(yīng)變片進(jìn)行測量時(shí)，通常通過增加同應(yīng)變片相同電阻的補(bǔ)償電阻組成全橋電路進(jìn)行應(yīng)變采集[5]。圖2所示為以某一規(guī)格常用應(yīng)變片電阻值即R=350 Ω進(jìn)行的電路連接示意。

在門鎖產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)位移過程中，門鎖鎖體通過開/關(guān)鎖拉線實(shí)現(xiàn)鎖體搖臂擺錘運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到最大位移時(shí)，門鎖解鎖。鎖體在開/關(guān)鎖拉線下作搖臂運(yùn)動(dòng)，鎖體擺臂運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)粘有應(yīng)變片的彈性鋼片運(yùn)動(dòng)，安裝在彈性鋼片上的電阻應(yīng)變片發(fā)生相應(yīng)的電阻變化，利用電阻應(yīng)變片電阻變化換算出鎖體擺臂運(yùn)動(dòng)位移。

圖2 應(yīng)變片全橋連接示意

以某車型的門鎖系統(tǒng)作為監(jiān)控對象，首先根據(jù)鎖體擺臂的運(yùn)動(dòng)行程，在鎖體平整側(cè)安裝彈性鋼片一端并使用熱熔膠進(jìn)行固定，另一端與鎖體擺臂成相切狀態(tài)，確保彈性鋼片運(yùn)動(dòng)與鎖體擺臂運(yùn)動(dòng)保持一致，具體電阻應(yīng)變片系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)及彈性鋼片與鎖體擺臂聯(lián)合運(yùn)動(dòng)示意如圖3所示。

日前，一場別開生面的“車輛駕駛技能競賽”拉開了天業(yè)熱電產(chǎn)業(yè)2018年職工職業(yè)技能競賽的帷幕。在比賽現(xiàn)場，層層選拔出來的26名優(yōu)秀選手同臺(tái)競技，展示當(dāng)代“工匠風(fēng)采”。

圖3 電阻應(yīng)變片系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)及彈性鋼片與鎖體聯(lián)合運(yùn)動(dòng)示意

2.2 靈敏度系數(shù)換算

電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)是指電阻應(yīng)變片在單位應(yīng)變作用下所產(chǎn)生的電阻的相對變化量，可表示為

k=(ΔR/R)/(ΔL/L)

(1)

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為得到所需數(shù)據(jù)，需要對應(yīng)變片采集的數(shù)據(jù)單位進(jìn)行換算，得到需要的數(shù)據(jù)。根據(jù)式(1)可換算得到如下公式：

ΔR=k·R·(ΔL/L)

(2)

其中：k為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；R為應(yīng)變片電阻值；ΔR為單位物理量引起應(yīng)變片電阻變化量；應(yīng)變?chǔ)?ΔL/L為形變量與原來長度尺寸的比值，則有ΔR=k·R·ε；由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)只能對全橋電路進(jìn)行信號(hào)處理，根據(jù)圖2所示應(yīng)變片全橋連接圖，假設(shè)當(dāng)外界物理量單位變化引起應(yīng)變片電阻變化ΔR時(shí)，引起全橋電路電壓變化為ΔV，則有：

ΔV=0.5-[R/(R+(R+ΔR))]

(3)

則通過換算后數(shù)采系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的靈敏度系數(shù)為ΔV，即物理量發(fā)生單位變化時(shí)，在單位激勵(lì)電壓下對應(yīng)得到的變化電壓為ΔV。

3 試驗(yàn)方案驗(yàn)證

采集N次測量值(X1，Y1)，(X2，Y2)，......，(Xn，Yn)。其中X為自變量即采集的電壓值，Y為因變量即鎖體擺臂在水平線上的位移，采用最小二乘法線性擬合。

利用下列公式計(jì)算各標(biāo)定位置鎖體擺臂在水平線上標(biāo)定位移Yn，單位為mm：

Yn=Xn·m+b

(4)

式中：Xn為變量；m為標(biāo)定系數(shù)，mm/V；b為截距，mm。

根據(jù)最小二乘法來判定數(shù)據(jù)的最佳擬合，在Excel中可利用函數(shù)LINEST來獲得現(xiàn)有數(shù)據(jù)的最佳擬合直線，通過LINEST函數(shù)可以求解截距b及標(biāo)定系數(shù)m。數(shù)據(jù)的離散程度決定了LINEST函數(shù)計(jì)算直線的精確度，數(shù)據(jù)越接近線性，LINEST模型就越精確。 LINEST函數(shù)使用最小二乘法來判定數(shù)據(jù)的最佳擬合[6]。

根據(jù)上述標(biāo)定方法，對某車型的門鎖鎖體擺臂的水平位移進(jìn)行標(biāo)定，以一定間隔分別采集4次測量值，通過線性擬合得到式(5)，具體標(biāo)定數(shù)值及結(jié)果如圖4所示。

Y=6.89X+47.74

(5)

根據(jù)換算后的系數(shù)，對某車型在GB20071-2006 50 km/h側(cè)面碰撞試驗(yàn)中左后門鎖鎖體擺臂在水平線上的位移進(jìn)行換算，得到如圖5所示的鎖體擺臂在水平線上的位移與時(shí)間對應(yīng)曲線。

圖4 鎖體擺臂水平線位移標(biāo)定數(shù)值及結(jié)果 圖5 門鎖鎖體擺臂在水平線上的位移

通過采集換算后的數(shù)據(jù)，內(nèi)門把手開/關(guān)鎖拉線位移約在24 s處位移變化值達(dá)到最大為24.5 mm，該門鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)開啟位移臨界設(shè)計(jì)值最大變化量為15 mm，因此在碰撞過程中門鎖系統(tǒng)開啟位移超過開啟臨界設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致車門在碰撞過程中打開，與試驗(yàn)后實(shí)際檢查結(jié)果相符。

4 結(jié)束語

研究了電阻應(yīng)變片傳感器在車輛側(cè)面碰撞過程中監(jiān)控車門開啟的應(yīng)用，對電阻應(yīng)變片傳感器的工作原理、靈敏系數(shù)換算及位移計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)分析及研究?？偨Y(jié)出以下內(nèi)容：(1)側(cè)面碰撞過程中，車門開啟主要原因是鎖體在外部作用力下，開/關(guān)鎖拉線拉動(dòng)鎖體擺臂達(dá)到門鎖解鎖要求的行程導(dǎo)致解鎖發(fā)生。(2)利用應(yīng)變片傳感器采集及安裝的便利性，將應(yīng)變片與門鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對門鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的定量分析。(3)在側(cè)面碰撞過程中，利用電阻應(yīng)變片監(jiān)控車門鎖體擺臂在水平線上的運(yùn)動(dòng)，可直觀得到門鎖系統(tǒng)在碰撞過程中的運(yùn)動(dòng)位移及突變時(shí)刻。試驗(yàn)結(jié)果表明：該方法效果顯著，且使用成本低，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。