習波波，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

在側面碰撞測試中，保持車輛側面結構的完整性對于保護駕乘員人員安全至關重要。其中，側面碰撞過程中車門不得開啟，否則將破壞側面結構完整性，更嚴重造成駕乘人員被甩出車外，發(fā)生二次碰撞事故，導致駕乘人員發(fā)生嚴重傷害。因此，國內外法規(guī)及新車評價體系中，對側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：在試驗過程中車門不得開啟，碰撞試驗后，不使用工具應能打開足夠數量的車門，使乘員能正常進出；C-NCAP及Euro NCAP規(guī)定：對于兩側的每一個車門，若在碰撞過程中開啟，則分別減去1分[1-4]。

目前側面碰撞研發(fā)工況測試過程中，法規(guī)及NCAP試驗，特別是針對IIHS及C-IASI等側碰試驗，由于壁障作用范圍大，碰撞過程中后車門易出現(xiàn)開啟，這將直接導致扣分或降級處理。但在側面工況結構開發(fā)過程中，行業(yè)內并無成熟且可靠的車門開啟監(jiān)控測試方法，這主要由于車門內鎖位置空間狹小且密閉，門鎖內部運動動態(tài)過程監(jiān)控困難。目前在碰撞試驗過程中：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，試驗成本較高。上述兩種監(jiān)控測量方法能判斷出門鎖開啟時間，但無法監(jiān)控門鎖實際開啟位移。

據此，本文作者研究了電阻應變片及門鎖開啟運動的工作原理，設計了一種既能簡單方便安裝在門鎖內部、還能準確定量監(jiān)控門鎖開啟位移的測量方法。即在門鎖內部增加電阻應變片傳感器，通過采集電阻應變片電阻變化標定門鎖系統(tǒng)開啟位移量，在實際碰撞過程中通過標定的插值公式轉換成門鎖實際開啟的位移量，從而定量監(jiān)測門內把手在碰撞過程中拉伸最大位移及相對應時刻。

1 門鎖開啟原因分析

為分析門鎖開啟原因，探究門鎖在側面碰撞運動過程中的動態(tài)過程，掌握碰撞過程中門鎖系統(tǒng)各機構間的相對運動，對門鎖開啟原因進行統(tǒng)計分析。

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

圖1 車門開啟原因統(tǒng)計分析示意

從上述門鎖開啟原因分析結果看，任何方式的門鎖開啟原因都是鎖體解鎖結構相對車門車身產生相對運動導致門鎖開啟位移達到或超過開啟臨界設計值，從而導致車門在碰撞過程中打開。

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

2 電阻應變片測量原理及靈敏度系數換算

2.1 電阻應變片測量原理

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

在門鎖產生運動位移過程中，門鎖鎖體通過開/關鎖拉線實現(xiàn)鎖體搖臂擺錘運動，當達到最大位移時，門鎖解鎖。鎖體在開/關鎖拉線下作搖臂運動，鎖體擺臂運動帶動粘有應變片的彈性鋼片運動，安裝在彈性鋼片上的電阻應變片發(fā)生相應的電阻變化，利用電阻應變片電阻變化換算出鎖體擺臂運動位移。

圖2 應變片全橋連接示意

以某車型的門鎖系統(tǒng)作為監(jiān)控對象，首先根據鎖體擺臂的運動行程，在鎖體平整側安裝彈性鋼片一端并使用熱熔膠進行固定，另一端與鎖體擺臂成相切狀態(tài)，確保彈性鋼片運動與鎖體擺臂運動保持一致，具體電阻應變片系統(tǒng)安裝結構及彈性鋼片與鎖體擺臂聯(lián)合運動示意如圖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)秀選手同臺競技，展示當代“工匠風采”。

圖3 電阻應變片系統(tǒng)安裝結構及彈性鋼片與鎖體聯(lián)合運動示意

2.2 靈敏度系數換算

電阻應變片靈敏系數是指電阻應變片在單位應變作用下所產生的電阻的相對變化量，可表示為

k=(ΔR/R)/(ΔL/L)

(1)

在數據采集系統(tǒng)中，為得到所需數據，需要對應變片采集的數據單位進行換算，得到需要的數據。根據式(1)可換算得到如下公式：

ΔR=k·R·(ΔL/L)

(2)

其中：k為電阻應變片的靈敏系數；R為應變片電阻值；ΔR為單位物理量引起應變片電阻變化量；應變ε=ΔL/L為形變量與原來長度尺寸的比值，則有ΔR=k·R·ε；由于數據采集系統(tǒng)只能對全橋電路進行信號處理，根據圖2所示應變片全橋連接圖，假設當外界物理量單位變化引起應變片電阻變化ΔR時，引起全橋電路電壓變化為ΔV，則有：

ΔV=0.5-[R/(R+(R+ΔR))]

(3)

則通過換算后數采系統(tǒng)內設置的靈敏度系數為ΔV，即物理量發(fā)生單位變化時，在單位激勵電壓下對應得到的變化電壓為ΔV。

3 試驗方案驗證

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。

利用下列公式計算各標定位置鎖體擺臂在水平線上標定位移Yn，單位為mm：

Yn=Xn·m+b

(4)

式中：Xn為變量；m為標定系數，mm/V；b為截距，mm。

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

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

Y=6.89X+47.74

(5)

根據換算后的系數，對某車型在GB20071-2006 50 km/h側面碰撞試驗中左后門鎖鎖體擺臂在水平線上的位移進行換算，得到如圖5所示的鎖體擺臂在水平線上的位移與時間對應曲線。

圖4 鎖體擺臂水平線位移標定數值及結果 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據，內門把手開/關鎖拉線位移約在24 s處位移變化值達到最大為24.5 mm，該門鎖系統(tǒng)設計開啟位移臨界設計值最大變化量為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計值，導致車門在碰撞過程中打開，與試驗后實際檢查結果相符。

4 結束語

研究了電阻應變片傳感器在車輛側面碰撞過程中監(jiān)控車門開啟的應用，對電阻應變片傳感器的工作原理、靈敏系數換算及位移計算進行了詳細分析及研究。總結出以下內容：(1)側面碰撞過程中，車門開啟主要原因是鎖體在外部作用力下，開/關鎖拉線拉動鎖體擺臂達到門鎖解鎖要求的行程導致解鎖發(fā)生。(2)利用應變片傳感器采集及安裝的便利性，將應變片與門鎖機構運動結合，實現(xiàn)對門鎖機構運動的定量分析。(3)在側面碰撞過程中，利用電阻應變片監(jiān)控車門鎖體擺臂在水平線上的運動，可直觀得到門鎖系統(tǒng)在碰撞過程中的運動位移及突變時刻。試驗結果表明：該方法效果顯著，且使用成本低，具有較高的工程應用價值。