基于模态试验的碰撞传感器安装位置分析

史雪林，肖 文，干金鹏

(1.江苏大学 a.机械工程学院;b.计算机科学与通信工程学院，江苏镇江 212013;2.泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

目前，我国已成为汽车生产大国，但在汽车保有量逐年增加的同时，频发的交通事故也带来了严重的经济损失和人员伤亡［1］。为此，人们对车辆动态特性及安全性能的研究也越来越深入。在整个汽车结构中，含有大量的传感器用以采集车辆状态信息，其中加速度传感器所采集的车辆加速度信息对于碰撞识别、安全气囊点火有重要意义。因此，为了提高碰撞识别可靠性，必须考虑所采集的加速度数据是否准确、传感求安装位置是否合理等问题。控制传感器安装点的动刚度特性和准确安装加速度传感器是在车辆碰撞情况下采集数据是否准确的前提［2－4］。在车辆内部结构中不可避免地存在噪声、振动等因素。由于车身结构的复杂性，不同车身部位的动刚度及其共振频率都存在差异性，当受到内部或外部激励信号的干扰时会引起车辆内部加速度传感器安装位置的共振，产生较大的振幅，进而影响传感器所采集数据的精度。近年来，模态试验分析技术发展迅速，其应用也越来越广泛，尤其是在机械、车辆工程等行业取得了广泛的应用［5－12］。本文通过模态试验，研究不同安装位置结构刚度对加速度传感器的影响，并通过实车碰撞试验进一步分析不同安装位置加速度传感器所采集的数据差异性，找出加速度传感器的最佳安装位置，便于车载控制器采集准确的碰撞加速度信息进行处理、计算，及时、准确地识别碰撞的发生。

1 传感器安装位置模态试验

车身结构在一定频率内的共振对试验系统的性能有重要影响。为确保加速度传感器所测得试验数据波形的准确性，试验前必须确定传感器合理的安装方式、安装位置。不同位置由于动刚度的差异，对车身振动及冲击力的传递也存在差异。对于传感器的安装点而言，0～500 Hz是不允许存在共振的，必须满足20 dB准则，即试验数据的频率从0开始变化到F，当此范围内频率的幅值衰减20 dB时数据才是有效的。

模态试验分析方法是依靠动态测试技术获得某结构固有动态特性参数的一种试验分析方法［13］。该方法是评价车身刚度特性的重要方法，可以有效地识别出系统的动态参数。本研究利用锤击法［14－20］分别对驾驶员侧B柱、ECU处的加速度传感器安装位置进行模态试验，采集测试点的信号，得出测试点位置动刚度曲线，并与参考曲线进行对比，以确定加速度传感器的安装位置，初步判断该处安装位置是否合理。

1.1 试验过程

分别在驾驶员侧B柱及ECU处安装测试用传感器，安装位置分别如图1和图2所示。在B柱安装位置处使用力锤在固定传感器的金属板上施加一个传感器敏感方向的横向激励进行锤击试验;在ECU安装位置处利用捶击法在靠近ECU的固定螺栓上施加一个车辆行驶方向的激励进行锤击试验。采集测得的激励信号，对其处理得到安装点动刚度特性曲线。

1.2 试验分析

对采集的激励信号数据进行处理。B柱传感器安装位置处激励信号时域内变化曲线如图3所示。由图3可知，激励信号在10 ms附近达到最大值，约为48 N。测得该位置动刚度曲线如图4所示。其中:A为试验采集信号曲线;B为参考线。由图4可知:在200 Hz左右有较大的峰值响应，该部位发生明显的共振现象。在0～200 Hz及500～740 Hz，试验测得的动刚度值低于参考线2×106N/m。

ECU处传感器安装位置激励信号时域内变化曲线如图5所示。由图5可知，激励信号在11 ms附近达到最大值，约为119 N。试验测得该位置动刚度曲线如图6所示，其中:A为试验采集信号曲线;B为参考线。由图6可知，在500 Hz频率范围内，该位置没有产生明显的共振现象，且在50 Hz频率以后，试验测得动刚度值都在参考线2×106N/m之上。

图1 驾驶员侧B柱锤击试验

图2 ECU处锤击试验

图3 驾驶员侧B柱激励信号输入曲线

图4 驾驶员侧B柱动刚度曲线

图5 ECU处激励信号输入曲线

图6 ECU动刚度曲线

1.3 试验结果

根据驾驶员侧B柱和ECU安装位置处锤击试验可知:位于中央通道附近的ECU部靠近车辆质心位置刚度较大，传感器安装点不存在共振现象，不会影响采集数据的精度，适合传感器安装，是理想的传感器安装位置;而B柱部位因为在200 Hz附近存在明显的共振，且在500～740 Hz的动刚度低于参考值，此处传感器安装点需通过试验进一步验证。本研究将通过实车碰撞试验进一步分析加速度传感器的合理安装位置。

2 安装点碰撞试验分析

选用某车型，进行车速为50 km/h的车辆正面100%重叠刚性壁障碰撞试验，进一步分析确定传感器的合理安装位置。

2.1 试验过程

分别在驾驶员侧B柱上、中、下3个部位各安装一个加速度传感器，在ECU前后两侧各安装1个加速度传感器。B柱处传感器的安装位置如图7所示，其中:(a)为B柱上部，即传感器固定在安全带上固定点处的位置;(b)为B柱中部，即传感器固定在B柱与腰线的交点处位置;(c)为B柱下部，即传感器固定在靠近车辆门槛处位置。ECU前后两处传感器安装位置如图8所示。由于其位于中央通道附近，且该部位没有共振现象发生，故可作为主要的参考传感器。

图7 B柱加速度传感器

图8 ECU处加速度传感器

2.2 试验分析

试验后测得驾驶员侧B柱上、中、下部x轴加速度曲线如图9所示。由图9可知:碰撞过程中B柱处加速度曲线总体上出现2次峰值，分别位于21～25 ms和42～47 ms，同时，后者也是B柱加速度最大值区域。3个部位加速度曲线差异较为明显:最大值出现的时间略有不同，而且峰值的大小也不一样。B柱下部加速度出现峰值的时刻最早，同时峰值也最大，在约45.7 ms处达到最大值－42.7g;B柱中部加速度出现峰值时刻略晚，其峰值也略小于B柱下部;B柱上部出现峰值时刻最晚，且峰值最小。这是由于其不同安装位置引起的，因为B柱下部传感器安装位置位于驾驶员侧门槛附近，此安装点处刚度较大，对加速度信号变化较敏感。而B柱上部的加速度信号由于车身结构的缓冲，使其感受到的加速度信号幅值降低，并且出现延迟。B柱中部的传感器安装于B柱“腰线”处，图9中可以看出其信号峰值与B柱下部传感器的峰值比较接近，约为－42.6g。但该处加速度曲线总体趋势与下部传感器存在一定差异。

ECU前、后两处加速度曲线如图10所示。由图10可知，ECU前、后2个加速度曲线有2个x轴负向的陡峰，且2条曲线具有较好的一致性，峰值区间及其出现时刻基本一致。与B柱加速度曲线类似，峰值均出现在21～25 ms和42～47 ms，且在约45.8 ms处达到最大值，但ECU前部加速度曲线峰值略大约后部，约为－43g。

2.3 试验结果

对比B柱加速度与ECU前部加速度曲线可知:

B柱下部加速度曲线相对于中部和上部加速度曲线与ECU前部加速度曲线有较好的一致性;B柱下部加速度曲线峰值大小与ECU前部加速度峰值接近，两者仅相差1.4%。从时间历程角度可见:B柱下部加速度与ECU附近的加速度较为相近，二者在44.6 ms处同时达到了各自峰值，显示了较高的匹配度。

图9 B柱上、中、下部x轴加速度曲线

图10 ECU前、后部x轴加速度曲线

3 结束语

通过模态试验分析，选定加速度传感器在驾驶员侧B柱及ECU处的的安装位置。驾驶员侧B柱传感器安装于上、中、下3个部位，即分别位于安全带上固定点正上方、与腰线的交点处、车辆的门槛处;ECU处传感器安装于中央通道ECU前、后两处。ECU处在模态试验中没有发生共振现象，是传感器理想的安装点。将ECU处传感器作为主要参考，通过正面100%刚性壁障碰撞试验进一步分析驾驶员侧B柱上、中、下3处传感器安装位置的合理性。

通过碰撞试验结果可知，B柱下部传感器因靠近门槛位置，具有较大刚度，对加速度信号变化更加敏感，与ECU处传感器信号有较高的匹配度，是合理的安装位置。

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