1、基于汽车安全气囊测控系统及其传感器的研究与分析（机械与动力工程学院 测控技术与仪器 08-2班7号 陈清阳）摘要随着高速公路的发展和汽车性能的提高, 汽车的行驶速度越来越快, 而由于汽车拥有量的迅速增加, 交通越来越拥挤,这些因素使得交通事故发生更为频繁, 所以汽车的安全性显得尤为重要。由于很多事故是难以避免的, 因此汽车的被动安全性非常重要。安全气囊作为被动安全性的研究成果, 由于其使用方便, 效果显著, 造价不高, 得到了迅速的发展和普及。而汽车安全气囊中的测控系统是保证汽车在发生事故时能顺利打开的核心部件。其中的传感器是感应座上乘客重量，以此来分辨成人和儿童，使之在气囊弹出的过程中既能保
2、证准确性，又对乘客的生命安全不造成威胁。因此对汽车安全气囊测控系统及其传感器的研究与分析是十分的重要的。关键词：汽车 安全气囊 测控系统 传感器正文安全气囊系统主要由传感器、微处理器、气体发生器和气囊等主要部件组成。传感器和微处理器用以判断撞车程度, 传递及发送信号;气体发生器根据信号指示产生点火动作, 点燃固态燃料并产生气体向气囊充气, 使气囊迅速膨胀需要特别说明的是, 传感器只有在满足了一定的条件下才会工作, 即必须有足够的撞击力才能启动开关, 同时这个撞击力必须来自正的方向。通常这个撞击力约等于以25 一05 kw 的时速碰撞固定物所产生的结果。当汽车受到这种高速碰撞
3、时, 装在车前端的碰撞传感器和装在汽车中部的安全传感器就可检测到车速突然减速, 并将这一信号迅速传递给安全气囊系统的控制电脑,电脑在经过分析确认之后, 才会引爆安全气囊包内的电热点火器, 使气囊发生迅速膨胀，以保证乘客的生命安全。技术参数规格 150g助推器和放大器 300g助推器和放大器。冲击方向水平向右。冲击波形实际碰撞事件,半正矢,半正弦实际碰撞事件,半正矢,半正弦。冲击持续时间 100msec (实际碰撞时) 800Hz(2X传感器 400Hz),增强可控性 ,可重复。最大载荷 1.kg,不包括夹具 1.kg,不包括夹具结构重量 15kg,包括 MB提供的夹具13kg,包括 MB提供的
4、夹具结构悬挂空气支承空气支承。助推器冷却空冷,50dBA 空冷,50dBA 。助推器反用力最小化最小化。基本放大器结构 Class D Class D 。输入功率每相 200A,标准480VAC,三相,50/60Hz每相 200A,标准480VAC,三相,50/60Hz。放大器冷却空冷,60dBA 空冷,60dBA 。互锁装置和安全措施紧急按钮,控制面板,状态指示器紧急按钮,控制面板,状态指示器。助推器和基座尺寸 2.8mX0.9mX0.4m 2.0mX0.9mX0.4m。放大器尺寸 1.0mX0.8mX0.8m 1.0mX0.8mX0.8m。1 感应器安装部位共振分析将Ecu按正常的安装方式
5、安装在车身上安装时必须保证固定牢固, 符合实际装车的技术要求应用强力胶将传感器粘贴在EC U 上, 并且尽量使传感器安装位置接近E C U 与车身支架连接的位置用测力锤分别敲击ECU3个螺栓的X , Y ,Z 向各5 次(见图l)圈1, E C U 安装位置分析结果如下(其中第三个点的X 方向由于无法测到,经与供应商确认该点的X 方向可以不测):安装l 点X 向共振频率是sl 0 H :, 安装1 点Y 向共振频率是1 1(X) H :, 安装1 点Z 向共振频率是537 H :安装2 点X 向共振频率是56 H :, 安装2 点Y
6、向共振频率是5 12 H :, 安装2 点z 向共振频率是355 H :;安装3 点Y 向共振频率是1 0以) H :, 安装3 点Z 向共振颇率是316 Hz。EC U 第二 第三安装点z 向(车身坐标) 共振频率不符合ECU 工作要求, 尤其第三点Z 向在316 H:时受到外力激励情况下, 该安装点存在明显的局部变形, 产生较大的负加速度, 会造成ECU 误判和安全气囊误爆该型号ECU要求安装部位在0 一so HZ 避免出现共振, 数据中只要有一个点的其中一个方向的分析结果表示不可接受, 则该方案不能满足要求：EC U 共振侧试失败主要原因是前地板模
7、态(45 H )z 太低,EC U 安装部位动刚度不足EC U 安装部位结构设计需要改进2 改进方案对比和确定21 方案对比（见圈2)图2 各方案结构对比2. 2 C A E 计算结果对比原方案只是第二 第三安装点Z 向共振频率不符合E CU工作要求, 故在计算分析所有改进方案时, 只针对第二 第三安装点Z 向的共振频率作分析比较按共振判定标准, 函数的幅值越小, 峰值越往后, 对结构改进有指导意义。从静力学分析，可以计算材料内部每点处的应力、应变、位移(变形)和变形能量等数据，可以找出应力集中的部位，帮助我们发现潜在的设计缺陷，在未生产出产品以前，就可
8、以知道产品的一些性能，提高产品性能和改进设计缺陷，防止出现安全隐患，提高产品的设计质量和开发周期。按照施加约束和载荷、求解和后处理的步骤进行静力学中位移（变形）应力。从计算结果来看(见图3) :图3 各方案共振频率对比方案1 意义不大, 被否定; 方案2, 第二安装点Z 向在35O HZ 左右出现较大的振幅, 有可能产生共振,零件局部变形, 产生很大的负加速度, 不符合EC u 工作要求,也被否定; 方案3 , 计算结果理论上符合要求, 决定选择此方案并实施验证。按方案3 实际造车, 对EC U 3 个安装点进行共振测试,结果如下:安装1点X 向共振频率是525 Hz, 安装l点Y 向共振频率
9、是16O HZ , 安装1点Z 向共振频率是502 HZ ;安装2 点X 向共振频率是715 HZ , 安装2 点Y 向共振频率是520 H :, 安装2 点Z 向共振频率是600HZ ;安装3 点Y 向共振频率是900HZ , 安装3 点Z 向共振频率是600Hz。从测试结果来看, 前地板的模态(56 H )z 和动态刚度已经满足EC U 工作要求, ECU3 个安装点在0-500Hz : 范围内没有出现共振。3 其他车型结构设计比较(见图4)圈4 ECU安袭部位结构在解决N 30 的ECU安装点问题的同时, 我们对N Z(X) 和S以R K 的EC U 安装部位的结构特点作了一些研究
10、048578;N Z(X) 前地板的筋条比较多, 特别是中间做了一道凸凹筋, ECU安装部位还有一个支架, 整个前地板结构刚度比较强SPA RK 的E C U 是安装在前地板横梁上, 安装部位是横梁和前地板纵筋焊接交汇处, 附近也有很多加强筋, ECU安装部位的强度相当强。从结构上来看, N Zo 和SPA RK 的ECU安装点强度比N 30 的原始结构都要强。我们分别对N Z佣和S以RK 作共振测试。由于3 种车型都是使用同一型号EC U , 而且ECU都是对安装点的Z 向共振比较敏感, 所以测试只作Z 向共振分析比较。测试结果如下:N Zo 车型安装1 点Z 向共振频率
11、是6 巧Iz , 安装2 点S以R K 安装l 点Z 向共振频率是52 H :, 安装2 点Z 向共振频率是725 H :, 安装3 点Z 向共振频率是527 H z。通过比较分析N 3()X IN Z()X 厄AP R K 的EC U 安装部位的结构特点和测试结果, 总结出了一些设计思路, 为类似产品功能设计积累了宝贵经验。从解决N 30 的ECU安装点刚度不足的过程中, 可以看出车身条件的输人关系到车身设计的质量和设计周期, 车身的输人条件在车身设计中起着至关重要的作用。首先关于微动工作台的结构：为了尽可能的提高微位移定位机构的电压位移特性，应进一步对工作台的结构进行优化设计，对各种参数的
12、柔性铰链进行实验研究。其次 关于实验系统测试中传感检测：对于高精度的精密定位系统，其分辨率很大程度上取决于微位移传感器的精度，目前，国内在高精度传感器研究方面与国外还有很大差距，进口又受到成本以及有关国家的限制，因此，研制价格合适、精度高的微位移传感器己成为提高精密定位系统定位精度的关键之一。最后可将柔性铰链工作平台、汽车安全气囊测控系统微位移驱动器、驱动电源、电容传感器、检测设备和计算机连接起来，构成一个闭环系统，同时改进用于微动平台的反馈控制的PID控制算法，可以考虑加入模糊PID控制算法或自适应PID控制算法，也可尝试采用神经网络控制。这样，将会使汽车安全气囊测控系统微位移驱动器及所驱动
13、的微定位机构具有较高的定位精度以及良好的动态性能。参考文献1钟志华, 杨济匡. 汽车安全气囊技术及其应用【J】. 中国机械工程2000（1-2）2 J.范兰德国拉特，R.塞德林顿，彭浩波 译. 汽车安全气囊测控系统. 北京.科技出版社,1980. 3 A.H. Seilly, Colnoid Actuators- Further Developments in Extremely Fast Acting Solenoids J. SAE 810462, 1770-1781. 4 林声和，叶至碧， 王裕斌. 汽车安全气囊测控系统. 北京: 国防工业出版社,1980. 5 电于陶瓷情报网.汽车安全
14、气囊测控系统应用. 济南: 山东大学出版社， 1985. 6 张沛霖，张仲渊. 压电测量. 北京: 国防工业出版社， 1983. 6 曲远方.功能陶瓷及应用.化学工业出版社.2003, 3:327333. 7 李远，秦自楷，周志刚. 压电材料与铁电材料的测量. 北京:科学出版社，1984. 8 杨志刚. 双弯曲压电超声马达理论与试验研究. 吉林工业大学.博士学位论文.9 高乔贞行.驱动器用汽车安全气囊测控系统J. 压电与声光，1986, 6. 10 张春洪.压电驱动微位移放大装置的研究，吉林大学学位论文，1998，索取号:98111. 11 张涛，孙立宁，蔡鹤臯，汽车安全气囊测控基本特性研究J. 光学精密工程，1998, V6 (5): 26-32. 12 薛实福，李庆祥. 精密仪器设计，北京: 清华大学出版社， 1991.13 J. M. Paros, L.Weribord. How to design flexure hinges J.Machine Design.1965,37:151156
