安全气囊 ECU 支架惯性测量
Shanghai Automotive Industrial Corp. (SAIC Motor), China
By Patrick Fu, Application Manager, Dewesoft China
汽车安全气囊对救生很重要。这种安全气囊由撞击传感器触发，用于在撞击时检测加速度信号。冲击传感器通过电子控制单元(ECU)单元监测和控制安全气囊的爆炸。
为了正常工作，车体在安装位置必须有足够的刚度-频率响应必须限制在临界范围内。在上汽汽车公司，利用 Dewesoft x 软件和 DAQ 设备对加速度和频率响应(惯性)进行了在线测量和分析。
典型的汽车安全气囊
引言
为了避免故障爆炸，避免不必要的危险和费用，规划了这个惯性测量。基于 CAE 仿真的测试方法不能代替真实的状态测试，真实测试结果通常符合大陆航空公司设定的标准。确定共振的内在原因后，可以指导结构的进一步改进，提高车体和底盘的刚度。
安全是现代汽车发展的重中之重，安全气囊在保护驾驶员方面发挥着关键作用。安全气囊控制器 ECU 一旦发现严重碰撞超过安全带的约束能力，就迅速启动安全气囊保护乘客。
相反，安全气囊还会严重伤害乘客，以防在轻微的意外碰撞下爆炸。因此，汽车制造商必须确保 ECU 安装支架和车体具有足够的刚度来抵抗一定程度的冲击。
这个成功的案例来自上海汽车工业(集团)总公司，它是中国最大的汽车制造商。上汽集团的业务包括客车和商用车的研发、生产和销售，同时还从事汽车零部件的研发、生产和销售。上海汽车的其他子公司包括:
■ 上海汽车集团客车分公司,
■ 上汽万事通,
■ 上汽大众,
■ 通用汽车,
■ 上海船舶注册管理公司-依维柯等
在这个案例里面，我们与上汽集团负责共振测试(惯性) 的安全工程与虚拟技术部合作，按照大陆共振测试方法和判断原则进行测试分析。在屡获殊荣的 Dewesoft DAQ 解决方案下，客户的共振测试实验能够顺利完成。
Dewesoft 的核心理念是用一个软件完成所有的应用！Dewesoft x 数据采集软件就是这种理念的体现。我们已经为汽车、动力分析、 NVH、航空航天、工业、土木工程应用，以及一般的测量测试实现了非常多的功能。从数据记录，分析，报告，以及测试过程都通过一个软件的方案来解决。
这个案例，基于Dewesoft 的USB总线的Sirius数据采集系统，提供一个直观的交钥匙 FFT 方案。
发出及申请
安全气囊冲击传感器的作用是检测冲击过程中的加速度信号，利用 SDM 判断和控制安全气囊的爆炸。为了避免安全气囊误差爆炸，避免不必要的损失，必须将传感器固定点惯性控制在要求的范围内。
工业/应用
共振试验定义为惯性。惯性值代表 ECU/G-SAT 安装位置的局部刚度，这对加速度信号质量很重要。
惯性通常可以理解为信号输出与输入的比值(放大系数或阻尼系数)。惯性的计算如下:
■ 其中 Ax，Ay，Az 代表 x，y，z 方向的加速度，f 代表锤子的力。惯性单位为 g/N
■ 共振测试和判断原理最初由大陆航空公司发布。通常来讲，落入黄色和绿色区域的惯性是可以接受的
图1。共振测试和判断原理(大陆版权2016年 AG)。
随着算法的发展进步，以下条件也是可以接受的:
■ 如果惯性降低到600Hz 以上的红区，可以接受
■ 如果惯性在400ー600Hz 之间的红区，且惯性小于2，也是可以接受的。如果条件允许，也可以调整修改。
相对而言，模拟共振试验(CAE)一直是一种经济有效的初步验证方法，在试验前也需要进行 CAE 分析。
输入信号带宽为0-2000Hz 正弦波，振幅为2g，带宽阶跃为10Hz。输出为 ECU 单方向上接收的正弦波，采集 x、 y、 z 三个方向的信号输出。非注入方向信号的强度应小于注入信号强度的20% 。所需方向信号的强度应与注入信号相似(80%-120%)。
例如，ECU 在 z 方向注入2g 信号，x 方向和 y 方向的信号强度应小于0.4 g (2g * 20%)。但 z 方向的信号强度应为1.6-2.4 g。
可以肯定的是，CAE 结果不能代替真实条件下的共振试验。仅供参考，有时结果可能与共振试验结果不同。因为 CAE 模型是一个理想的模型，实际情况可能比它更糟或更困难。通常 CAE 结果可以接受，但共振试验不可接受，或 CAE 结果不可接受，但共振试验可以接受。
大陆航空提供测试认证服务，共振测试应该符合大陆公司规定方法。现在大陆航空也允许一些客户拥有自己的共振设备，建议客户自己进行这种共振测试。
因为这样可以节省很多时间和金钱。但应满足一些要求，并将共振试验结果送回大陆公司进行分析。整个测试过程涉及法律和法规，包括:
■ 大陆共振测试方法和判断原理
■ GB/T 37474-2019汽车安全气囊系统性能试验方法和要求
■ GB/T 19949.1-2005混合动力电动汽车动力性能试验方法
Dewesoft 测量解决方案
测量设置
共振测试在上汽的车间定期进行，不需要在试验场路试。测试对象是上汽荣威 RX5 SUV 原型车。
图2. 测试中的原型车
该测量系统包括脉冲锤、加速度传感器、数据采集单元和电源。所有参考传感器应符合以下规格:
■ 在被测频段(0-5000Hz)无传感器谐振
■ 传感器质量小于10克
■ 传感器尺寸小于1cm × 1cm
■ 传感器在测试前已经校准
DAQ 的硬件要求如下:
■ Dewesoft 数据采集系统SIRIUSi-8xACC
■ Dytran 5800B5
DytranpulseTM 脉冲锤是一种通用的 IEPE 脉冲锤，用于激励具有一定冲击力的结构或机械。脉冲用于识别共振，共振是研究的一个重要测量参数。
■ Dytran 3333A3加速度计传感器
微型 IEPE 三轴加速度传感器，优良的低频响应和相位响应
所需的数据采集软件:
■ Dewesoft x DAQ 软件
图3。共振测试的基本设置图
惯性测量
最终用户 SAIC 稍微改进了大陆公司的设置，安装了一个三轴加速度计，而不是3个单一的传感器来测试在 SDM (补充约束系统诊断模块)的位置和车辆的 b 柱底部的 x，y，z 方向加速度信号。
图4. 要测试的 SDM 固定点。
传感器可以直接粘在螺丝头或附近的平板上。使用一个特别设计的平衡表，以保证传感器的安装角度。在测试开始之前，先把仪表移走。
图5. 车辆 b 柱底部。
工作流程
典型的采样率为20kHz，抗混叠滤波器为4kHz。
对于每个位置，至少需要3次锤击大约50N 到100N。确保命中持续时间尽可能短，不要双击。
完整的传感器数据记录，至少包括10毫秒的预触发。建议以20kHz 的采样速率记录500毫秒的信号。
惯性测量对电噪声非常敏感，例如电源产生的50Hz 的电噪声。建议在测试前后各记录250毫秒数据，以确认是否有电子噪音。锤击(大约20N)可以用作触发条件。
数据记录和格式要求
在每次测试之后，需要记录测试位置、测试方向、测试设置以及所有相关信息，以分析或重复工作流程。在每次测试之后，强烈建议记录测试描述、测试编号、日期、车辆(VIN 编号)和测试地点。
所有的测试数据应该在测试后直接检查。测量数据应该是设定范围的60-95% 。对于所有的传感器，在锤击力之前应该没有明显的噪声信号。
根据最新的规范，它也允许50% 的预触发，记录80毫秒数据。这可很容易通过 Dewesoft x 数据采集软件来设置。测试过程中我们可以将阈值设置为50N 的上升边缘，然后以25.6 kHz 的采样速率开始采集，在触发器上快速存储。
图6. 触发器捕捉到的原始力和加速度数据
在线计算可让SAIC 工程师在第一次现场了解结果。频域参考曲线就是高效的显示分析工具。用户绘制了作为预定义边界的参考曲线。
图7. 界限定义来源于大陆公司的判断规则
大陆的算法是将三个方向的加速度和力的所有谱分别求出图8-11，然后直接计算频域内的惯性。为了保持一致性，用户只需复制 Dewesoft x 数据采集软件中的数学库算法。
图8. 力量频谱检查
图9. x 方向加速度谱
图10. y 向加速度谱
图11. z 方向加速度谱
频谱由 FFT Math 计算，频率分辨率为12.5赫兹。Dewesoft x 数学公式功能，可根据用户定义来编辑公式。
图12. Dewesoft Math 编辑的公式。
测试结果
在 Dewesoft x 可视化控制器上绘制惯性谱图，可以直观地进行测量分析。为了获得清晰的对比，还在图上描出一个预定义的公差带(参考曲线) ，并显示结果。
图13参考曲线形成的公差带
为了进行比较和验证，用户所做的每一个测试——原始数据(加速度、力)——也发送到 Continental 公司进行分析。管理局的评估结果与我们的一致(见图14)。在这种情况下，测试点(b 柱)显示良好，将被视为大陆公司认可的合格产品。
图14。测量的惯性 b 柱由大陆检查
一般来说，ECU 安装支架和底部的 b 柱是两个强制测试点，每一点至少3次激励平均。工程师还建议，根据多次测试经验，施加20N 到60N 的锤力就足够了。
总结
大陆集团要求的测试基本已经完成，上汽客户使用的设备也已经获得批准。因此，Dewesoft软件被列为标准的测试系统，而以后大陆的工程师将不再需要到上汽现场进行现场测试指导。
替代方案是，原始数据和分析需要提交给欧洲大陆权威机构进行验证。
这种解决方案可以被汽车制造商广泛推广，因为他们中的许多人有这样的要求。对于共振测试，SIRIUSm-4 × ACC 无疑是一个基本的解决方案，在客户的预算有限的情况下更经济。
SIRIUS 小型四通道 IEPE 振动仪及数据采集系统
上汽集团非常高兴地接受了Dewesoft的方案，因为他们可以省下邀请大陆工程师到现场指导测试需要花费大量的花费。显然，这每年都会为安全工程与虚拟技术部腾出一大笔预算。
此外，作为一种多功能的数据采集系统，Dewesoft 将被应用于上汽公司的噪声测量以及节省额外的投资。Dewesoft 是一个专业的 FFT 频谱分析仪，包括顶级性能，先进光标功能，高自由选择的行分辨率，灵活的平均值，高级功能的深入频率分析等。
Dewesoft 是公认的性价比超高的汽车NVH测试解决方案。它高效精准，被许多汽车工程师广泛接受。
文件和外部资源
■ Continental AG 大陆共振测试方法和判断原理
■ GB/T 37474-2019: 汽车安全气囊系统性能试验方法及要求
■ 张立，李，雷英峰: 安全气囊冲击传感器固定点频率响应分析与优化
■ 边新涛: 汽车安全气囊 ECU 共振分析
5个LCM系列或LCB疲劳级杆端拉压双向力传感器，每个传感器搭配一个USB220高分辨率数据记录系统。
