转向防伤害人体冲击数据采集系统的研究

孙伟东，吴刚，徐浩

(上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805)

0 引言

随着中国汽车产业的不断发展，人们对汽车安全性的关注也逐年升高，其中汽车转向机构对驾驶员的伤害问题是汽车安全性考核的重要指标之一，所以国内外都出台相应标准来保证这一安全性要求，这些标准中不但包含了整车碰撞试验而且还强制性地规定了零部件台架试验，对于汽车转向机构总成、方向盘以及安全气囊生产厂商，台架试验的结果就标志着产品的安全性能。

转向防伤害人体模块冲击试验是相应零部件厂商的主要考核试验之一，在国内外强制性标准中仅对人体模块冲击汽车转向机构总成的水平力有限制，所以一般的检测试验室只能通过检测其水平力来判断其安全性能，但这样的判断只能得出定性的结果，对于零部件厂商提升其产品性能、整车厂商模拟实车碰撞CAE分析都起不到作用，再加上国外整车企业开始在企业标准中加入水平力-溃缩量曲线的限制要求，规定在整个碰撞过程中，曲线保持在某一区域，超出该区域试验即为不合格。所以文中提出了一种采集系统，最终生成水平力-溃缩量位移曲线，用以满足客户研发需求。

整个数据采集系统的难点在于所有数据采集设备的同步性，以及在高速碰撞环境下力传感器与位移传感器的采集可靠性，文中分析了不同的采集方法对采集结果造成的不同影响，以选取最合适的采集方式。

1 转向防伤害数据采集系统总体设计

1.1 转向防伤害试验准备

如图1和图2所示，首先是驱动设备与试验样件的设置以及安装，其中MTS躯干发射系统与人体模块组成试验驱动设备，方向盘、安全气囊与转向管柱总成组成试验样件。将试验样件安装在相应夹具上，并且必须符合实际整车上的安装状态：①必须根据样件的向上倾角以及侧向倾角确定管柱的安装角度；②为人体模块至方向盘的距离，为试验时人体模块至实际碰撞点的距离(安全气囊完全展开处)，在实际试验开始前需根据气囊展开时间、气囊展开厚度、距离、方向盘离地高度以及方向盘到点高度计算出人体模块标线的离地高度以及气囊点爆延时间，这样做的目的在于保证假人在与安全气囊碰撞的瞬间，安全气囊处于完全展开状态，基于这种状态的位移力值曲线才最符合实际碰撞的情况。

图1 转向防伤害系统实物图

图2 控制系统设计

1.2 转向防伤害数据采集系统的设计

整个转向防伤害数据采集系统主要由光电开关、拉线式位移传感器、高频激光位移传感器、压阻式加速度传感器、Somat数据采集器、灯光系统、高速摄像设备以及MTS直线发射系统(该系统有一台上位机，内含模拟量输入输出板卡的发射控制器以及直线发射装置)组成。光电开关1与假人初始位置齐平并作为点爆系统的信号输入，上位机发出假人发射信号后，假人发射，工控机接收到光电开关1信号后，延时输出安全气囊点爆信号；假人在飞行过程中相继经过光电开关2与光电开关3。这里光电开关2有两个作用：一是作为整个数据采集系统的触发信号，此时所有传感器会以同样的采样频率开始采集数据，高速摄像也开始记录视频资料;二是与光电开关3配合使用，记录假人飞过两个光电开关之间的时间，以此来计算假人的飞行速度。最终假人会在图2实际碰撞点与完全展开的气囊碰撞，三轴力传感器、位移传感器以及压阻式加速度传感器采集相应数值。

2 碰撞水平力的采集

一方面由于在GB 11557—2011、ECER12中转向防伤害衡量的主要指标为碰撞水平力11 123 N;另一方面最终整车厂需要的数据中溃缩位移与碰撞水平力必须实时对应，所以力的精确测量也是整个采集系统的重中之重。

测量水平力就必须把刚性三轴力传感器连接在整个样件系统中，可实施的安装方案有3种：①将压阻式加速度传感器放置于假人或样件上，通过计算得出碰撞水平力；②如图3(a)所示，连接方式为在原有的转向轴顶端增加法兰连接件，将三轴力传感器安装在法兰上，力传感器的上表面带有螺纹，再将同型号的转向轴顶端切割并焊接在相同螺纹的连接件上，再安装在力传感器上；③如图3(b)所示，将原有样件的转向轴切割并将传感器嵌入安装于原有转向管柱上。3种方式都符合标准要求，第一种方法的缺点为间接测量，试验误差可能较大;第二种方法的缺点在于会增加较长的转向轴长度以及质量;第三种方法的缺点在于完全破坏了原有样件的强度以及刚度，综上所述该系统选用第二种方法。在安装过程中必须保证样件整体紧固不可以有任何松动，最大限度地减小增加转向轴长度以及质量对试验带来的影响。最后，三轴力传感器直接将力的数据传至MTS 497.07模拟量输入输出板卡。

图3 力传感器安装实物

三轴力传感器的安装位置相对于人体假人模块不是水平的，所以采集回来的三轴力不能直接作为数据引用，如图4所示。

图4 水平力计算示意

水平力由试验中三轴力、向上倾角以及侧向倾角计算得出，如式(1)所示，其中向上倾角为竖直角与倾斜角之和。

=(cos+sin)cos+sin。

(1)

3 管柱溃缩量的采集

文中管柱溃缩量将采用3种测量方式进行测量，分别是拉线式位移传感器直接测量法、压阻式加速度传感器间接测量法以及高频激光位移传感器直接测量法。3种测量方法都能保证100 μs的采样频率，与力传感器的采样频率相同。

3.1 拉线式位移传感器直接测量法

采用ASM CLMD1-AJ1A8P011000CG2拉线式位移传感器，最大量程为1 000 mm，使用Somat eDAQ作为数据采集系统，将传感器连接至ELLB板层，为传感器供电的同时将数据传回工控机。将拉线式位移传感器使用C型夹固定在相应位置，该位置必须保证传感器拉线与管柱溃缩方向保持平行，并将拉线头固定在管柱上某刚性点，保证在试验过程中不能与管柱产生相对移动。

3.2 压阻式加速度传感器间接测量法

加速度传感器主要分为压阻式、压电式与电容式3种，而压阻式加速度传感器因其拥有良好的频率响应特性以及线性度被广泛应用于汽车碰撞领域，所以选用ENDEVCO 7264C—2000压阻式加速度传感器，该加速度传感器应该贴在可溃缩的转向轴及其刚性连接的配件上，一般贴在安装三轴力传感器的法兰上。压阻式加速度传感器输出端连接MTS 497.07模拟量输入输出板卡，通过Encopim数据分析软件对该数据进行二次积分。

3.3 高频激光位移传感器直接测量法

市场上能生产高采样频率的激光位移传感器的厂家不多，文中选用奥泰斯CDX-W150A，最大量程为80 mm，最大采样频率为12.5 μs，拥有良好的抗震性，该传感器不需要额外的控制器，传感器接头通过连接器可以用网线与上位机进行数据通信，上位机中安装有Web版的数据采集界面，能设置相应采集参数以及实时获取数据并以CDV格式文件输出实验结果；除此之外，该传感器还支持外部输入触发，完全符合此项目的试验需求。由于安装位置重复，所以拉线式位移传感器与高频激光位移传感器不能同时安装在样品上，应安装在可溃缩区域的上方。

4 系统数据分析

由于拉线式位移传感器与高频激光位移传感器的安装位置相互干涉，所以文中设计了两种试验：第一种为拉线式位移传感器与压阻式加速度传感器的对比;第二种为高频激光位移传感器与压阻式加速度传感器的对比。

每种试验开展3组，假人分别碰撞方向盘的6点钟(方向盘正向)、3点钟或9点钟(方向盘刚度最大处)、12点钟(方向盘刚度最小处)方向，这样可以包含整个模拟碰撞的情况，对整个溃缩量位移测量系统进行全面的考量。

4.1 拉线式位移传感器与压阻式加速度传感器对比试验

由高速摄像回看分析，在假人与气囊完全接触后，拉线式位移传感器的拉线呈现不规则跳动情况。

采集得到的所有数据全部按照实际试验时间一一对应，生成CSV文件，加速度传感器数据由Encopim数据分析软件对时间轴进行二次积分生成间接溃缩量位移。

图5所示为拉线式位移传感器与压阻式加速度传感器对比试验。

图5 拉线式位移传感器与压阻式加速度传感器对比试验

文中将整个假人碰撞的过程分为3个区域：曲线处于区域1时，假人尚未撞击样件总成;曲线处于区域2时，假人撞击安全气囊带动转向管柱开始溃缩;曲线处于区域3时，转向管柱溃缩到底。

由图5可知，区域1中虽然假人还未碰到安全气囊，但实际上此时力传感器是有水平力的，管柱也有微小的溃缩量，从高速摄像中发现是安全气囊的炸开导致了这一现象的产生，但这一微小溃缩量在压阻式加速度传感器曲线中体现得更为明显，表明拉线式传感器在区域1有失真的情况。

在区域2中，当管柱的吸能区域起作用时，发现拉线式传感器曲线有多处明显的数据失真，从高速摄像对应时刻的视频中来看，曲线失真点所处时刻的拉线变形抖动量较大；压阻式加速度传感器曲线比较平滑。

在区域3中，在管柱溃缩到底之后两种传感器都会出现一些失真，那是因为管柱溃缩到底后管柱及方向盘总成会做自由落体运动并落在地上，所以拉线式位移传感器的最大溃缩量会进一步增大。当管柱溃缩到底的时候，传感器测得的最大溃缩量取力值最大处的位移量。

该组3次试验对比结果见表1，由表可知，由于该试验使用样品的最大溃缩量为50 mm，并且6点钟以及3点钟方向管柱均溃缩到底，而12点钟方向试验未溃缩到底。

表1 拉线式位移传感器与压阻式加速度传感器数据对比 单位：mm

4.2 高频激光位移传感器与压阻式加速度传感器对比试验

高频激光位移传感器与压阻式加速度传感器对比试验如图6所示。由于该组试验管柱吸能特性与前一组试验不同，3次试验管柱均没有溃缩到底，所以该曲线上无区域3。

图6 高频激光位移传感器与压阻式加速度传感器对比试验

由图6可以看出，在区域1中，激光位移传感器以及压阻式加速度传感器均采集到了由于安全气囊展开导致的微小溃缩抖动，整体两组曲线的趋势也比较相近;区域2中的曲线数据也无失真，证明了同样是直接测量，高频激光位移传感器相较于拉线式位移传感器的优势是十分明显的。但是对比试验证明了压阻式加速度传感器二次积分导致的试验数据会产生一定的放大作用，在管柱未溃缩到底时，该放大作用十分明显，可以说在碰撞产生小位移的环境下，加速度传感器二次积分的方法是不可靠的，在大位移环境下相对较好。

高频激光位移传感器与压阻式加速度传感器数据对比见表2。

表2 高频激光位移传感器与压阻式加速度传感器数据对比 单位：mm

5 结束语

文中设计了一套完整的转向防伤害数据采集系统。该系统能同时采集碰撞冲击水平力、冲击速度、管柱溃缩量位移以及轴向加速度。通过拉线式位移传感器、压阻式加速度传感器以及高频激光位移传感器的对比试验可以证明，在试验精度方面高频激光位移传感器的试验精度最高可以达到1%；压阻式加速度传感器测量整体趋势符合实际情况，但是采集小位移工况时，数值偏差较大；拉线式位移传感器由于受水平撞击力影响导致不规则跳动较大，精度较差。国内多家转向零部件厂商已使用该系统进行试验，试验水平力-溃缩量位移曲线得到了企业的高度评价，也为整车碰撞CAE分析提供了数据支持。