CN111157756A - 一种汽车转向管柱动态溃缩速度测量系统及方法 - Google Patents

一种汽车转向管柱动态溃缩速度测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种汽车转向管柱动态溃缩速度测量系统及方法，包括加速度传感器、数据采集系统和控制电脑。所述加速度传感器包括至少三个，分别安装在转向管柱上、下柱筒上，以及安装在车辆B柱下端，所述加速度传感器与数据采集系统通过有线或无线信号连接，将三个位置的加速度信号传输给数据采集系统；控制电脑对数据进行处理，通过对加速度积分所得的速度进行修正，得到转向管柱的溃缩速度，通过溃缩速度可以获得转向管柱的溃缩时刻、运动状态、动态溃缩位移等信息，本发明简单、可靠可行且成本低廉，解决了在实车碰撞测试中难以测量转向管柱溃缩速度的难题。

Description

一种汽车转向管柱动态溃缩速度测量系统及方法
技术领域
本发明属于汽车转向系统试验领域，具体涉及汽车转向管柱动态溃缩速度的测量技术。
背景技术
汽车发生正面碰撞事故过程中，由于转向系统的存在减小了驾驶员可前移的空间，导致车辆保护驾驶员比保护车内其它乘员更有难度，因此在汽车安全设计时通常采用可溃缩式转向管柱来避免和减少方向盘、气囊等装置对驾驶员造成的伤害。可溃缩式转向管柱在受到一定的撞击力或收到溃缩信号时，向远离驾驶员的方向溃缩移动，从而增大了驾驶员与方向盘之间的距离，以避免驾驶员与气囊和方向盘发生刚性的猛烈碰撞。但是，转向管柱在正常的使用过程中，不能发生溃缩；并且在发生溃缩时应有一定吸能作用，同时转向管柱在什么时刻开始溃缩、溃缩时间持续多久、多大的速度溃缩应该是可控的，否则不能达到最佳的保护效果，这是都是在进行汽车安全设计时需要考虑的问题。因此车辆安全性能设计时，就需要一种测量方法来测量碰撞过程中转向管柱的动溃缩速度。
但目前还没有一种有效的、低成本的测量方案来实现整车碰撞时转向管柱溃缩速度的测量。虽然在零部件试验和台车模拟试验中，是可以通过高速摄像记录下整个转向管柱运动过程的，进一步可以通过高速录像的分析计算测量出转向管柱的溃缩速度。但在整车碰撞试验时，由于车门、护膝板等遮挡的原因，高速摄像不能有效全面地观察到转向管柱运动过程，采用此方法在实车碰撞中测量转向管柱的溃缩速度是不准确的。
发明内容
本发明的目的是提供一种汽车转向管柱动态溃缩速度测量系统及方法，以测量在实际碰撞工况下转向管柱的动态溃缩速度，解决实车碰撞中转向管柱动态溃缩速度难以测量的问题。
本发明的发明目的是通过以下技术方案加以实现：
本发明提出的一种汽车转向管柱动态溃缩速度测量系统，包括加速度传感器、数据采集系统和控制电脑。所述加速度传感器包括至少三个，分别安装在转向管柱上、下柱筒上，以及安装在车辆B柱下端，所述加速度传感器与数据采集系统通过有线或无线信号连接，将三个位置的加速度信号传输给数据采集系统；所述电脑对数据进行处理，通过对加速度积分所得的速度进行修正，得到转向管柱的溃缩速度。
由此，本发明提出的汽车转向管柱动态溃缩速度测量方法是一种简单可行，成本低廉的方法，只需要在转向管柱上下柱筒上分别安装两个加速度传感器，同时在车辆B柱下端安装一个加速度传感器，通过数据采集系统采集得到碰撞过程中这三个位置的加速度，然后对采集到的上下柱筒加速度分别进行积分得到各自的速度曲线；再通过车辆B柱下端减速度判断出车辆碰撞结束转向管柱溃缩完成的时刻；将转向管柱溃缩完成后上下柱筒速度相对小的曲线，乘以一个放大系数，使得转向管柱溃缩完成后的任意一个时刻的上下柱筒速度相等，然后将上下柱筒的速度相减，得到转向管柱的溃缩速度上限；将转向管柱溃缩完成后用上下柱筒速度相对大的曲线，乘以一个缩小系数，使得转向管柱溃缩完成后的任意一个时刻的上下柱筒速度相等，然后将上下柱筒的速度相减，得到转向管柱的溃缩速度下限。溃缩速度上限和溃缩速度下限构成转向管柱溃缩速度区间，即为测量结果。
本发明所述方法的步骤主要包括：
步骤1：在转向管柱上下柱筒上安装加速度传感器：
转向管柱上下柱筒发生相对运动形成溃缩过程，在测量前首先确认管柱的上下柱筒位置，然后将两个加速度传感器分别安装在上下柱筒两端，加速度测量的方向为转向管柱的轴向，即溃缩方向。
步骤2：安装B柱加速度传感器
在车辆B柱下端位置安装一个加速度传感器，传感器测量方向为车辆的正常行驶方向。
步骤3：碰撞测试，采集加速度
在进行碰撞试验时，将加速度传感器连接至数据采集系统，数据采集系统则连接至控制电脑；设置试验相关参数，当车辆发生碰撞时，采集三个加速度传感器的信号，获得加速度曲线。
步骤3：确定碰撞结束时刻
试验后通过安装在B柱下端的加速度传感器获得车辆的碰撞减速度，记录减速度归零时刻为t1，将车辆减速度进行积分得到速度，记录速度最小时刻为t2，比较t1和t2，两者相对较晚的时刻作为碰撞结束时刻。
步骤4：计算转向管柱上下柱筒速度，确定修正系数
把试验采集到的上下柱筒加速度分别进行积分得到上柱筒速度和下柱筒速度，选择碰撞结束时刻后任意一个时刻，记录此时刻的上柱筒速度和下柱筒速度，比较这两个速度的大小，用相对大的速度除以相对小的速度，得到放大系数。用相对小的速度除以相对大的速度，得到缩小系数。
步骤5：计算得到转向管柱溃缩速度
把步骤4中取得相对小速度的曲线乘以放大系数得到修正后的速度曲线，把修正后的速度曲线和另外一条没有进行修正的曲线进行相减，得到的速度即为转向管柱溃缩速度上限；把步骤四中取得相对大速度的曲线乘以缩小系数得到修正后的速度曲线，把修正后的速度曲线和另外一条没有进行修正的曲线相减，得到的速度即为转向管柱溃缩速度下限。即测量得到的转向管柱溃缩速度是一个区间。
在进行相减操作时，统一用转向管柱下柱筒加速度减去转向管柱上柱筒加速度，或者反之统一用转向管柱上柱筒加速度减去转向管柱下柱筒加速度，以保证上下限值的方向一致。
本发明有益效果：
本发明简单、可靠可行且成本低廉，只需安装三个加速度传感器，通过对加速度积分所得的速度进行修正，即可得到转向管柱的溃缩速度，通过溃缩速度可以获得转向管柱的溃缩时刻、运动状态、动态溃缩位移等信息，解决了在实车碰撞测试中难以测量转向管柱溃缩速度的难题，为零部件试验、台车模拟试验、CAE分析对标整车试验提供了有力的数据支撑，同时为转向管柱的溃缩性能设计提供了一个可量化、可测量、可衡量的设计参数。
附图说明
图1为本发明的测量系统的安装连接示意图
图2为本发明的数据采集结果示意图；
图3为本发明的转向管柱溃缩速度上限计算示意图；
图4为本发明的转向管柱溃缩速度下限计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明；
实施例1:
如图1所示，汽车转向管柱动态溃缩速度测量系统包括三个加速度传感器、数据采集系统和控制电脑。两个加速度传感器S4和S5分别安装在转向管柱上柱筒S1和转向管柱下柱筒S2的两端，一个加速度传感器S6安装在车辆B柱S3下端。这些加速度传感器与数据采集系统S7通过有线信号连接，将三个位置的加速度信号传输给数据采集系统，数据采集系统连接控制电脑S8，对数据进行处理。
实施例2:
结合图1、图2、图3及图4，汽车转向管柱动态溃缩速度测量方法包括以下步骤：
步骤1：如图1所示在转向管柱上柱筒S1和转向管柱下柱筒S2的两端分别安装上柱筒加速度传感器S4和下柱筒加速度传感器S5，使得上柱筒加速度传感器S4和下柱筒加速度传感器S5的测量方向都为转向管柱的轴向，即溃缩方向。然后在车辆驾驶员侧B柱S3下端安装一个B柱加速度传感器S6，使得B柱加速度传感器S6的测量方向为车辆的正常行驶方向。
步骤2：如图1所示，将上柱筒加速度传感器S4、下柱筒加速度传感器S5和B柱加速度传感器S6通过传感器线缆连接到数据采集系统S7上，再将数据采集系统S7通过通讯线缆连接到控制电脑S8上。
步骤3：如图1、图2所示，在控制电脑S8上通过数据采集系统S7的控制软件对碰撞试验参数进行设置，在碰撞试验过程中通过数据采集系统S7采集上柱筒加速度传感器S4、下柱筒加速度传感器S5和B柱加速度传感器S6的数据，从而得到转向管柱上柱筒S1上的上柱筒加速度S9和转向管柱下柱筒S2上的下柱筒加速度S10，以及车辆驾驶员侧B柱S3下端的B柱减速度S11。
步骤4：如图2所示在B柱减速度S11上标记出减速度归零时刻t1，然后将B柱减速度S11进行积分得到车辆速度变化曲线S12，在车辆速度变化曲线S12中标记出最小速度时刻t2，比较t1和t2，以两者中相对较晚的时刻作为碰撞结束时刻。
步骤5：如图3所示，将上柱筒加速度S9积分得到上柱筒速度曲线S13，将下柱筒加速度S10进行积分得到下柱筒速度曲线S14，选择碰撞结束时刻后的任意一个时刻标记为t3。在t3时刻读取上柱筒速度曲线S13的值和下柱筒速度曲线S14的值，用两者中相对较大的值A除以相对较小的值B得到放大系数，用两者中相对较小的值B除以相对较大的值A得到缩小系数。
步骤6：如图3所示，将步骤5中得到相对较小的值B的下柱筒速度曲线S14乘以放大系数，得到修正速度曲线S15，用修正速度曲线S15减去得到相对较大的值A的上柱筒速度曲线S13，相减的结果即为测量的转向管柱溃缩速度上限。如果在步骤5中得到相对较小的值的曲线不是下柱筒速度曲线S14，而是上柱筒速度曲线S13，则用上柱筒速度曲线S13乘以放大系数来得到修正速度曲线S15，同时要用下柱筒速度曲线S14减去修正速度曲线S15得到转向管柱溃缩速度上限。
步骤7：如图4所示，将步骤5中得到相对较大的值A的上柱筒速度曲线S13乘以缩小系数，得到修正速度曲线S16，用得到相对较小值B的下柱筒速度曲线S14减去修正速度曲线S16，相减的结果即为测量的转向管柱溃缩速度下限；如果在步骤5中得到相对较大的值的曲线不是上柱筒速度曲线S13，而是下柱筒速度曲线S14，则用下柱筒速度曲线S14乘以缩小系数来得到修正速度曲线S16，同时要用修正速度曲线S16减去上柱筒速度曲线S13得到转向管柱溃缩速度下限。
步骤8：将步骤6和步骤7中得到的转向管柱溃缩速度上限和转向管柱溃缩速度下限放在同一个时间轴上，形成的两条曲线构成的区间即为转向管柱的溃缩速度。测量的溃缩速度是一个区间而不是一个单一的值。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本发明文中所公开的实施例描述的算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，这些算法步骤究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

Claims (7)

1.一种汽车转向管柱动态溃缩速度测量系统，包括加速度传感器、数据采集系统和控制电脑；其特征在于，所述加速度传感器包括至少三个，分别安装在转向管柱上、下柱筒上，以及安装在车辆B柱下端，所述加速度传感器与数据采集系统通过有线或无线信号连接，将三个位置的加速度信号传输给数据采集系统；所述控制电脑对数据进行处理，通过对加速度积分所得的速度进行修正，得到转向管柱的溃缩速度。
2.根据权利要求1所述的汽车转向管柱动态溃缩速度测量系统，其特征在于，所述计算单元对数据进行处理是：对采集到的上下柱筒加速度分别进行积分得到各自的速度曲线；再通过车辆B柱下端减速度判断出车辆碰撞结束转向管柱溃缩完成的时刻；将转向管柱溃缩完成后上下柱筒速度相对小的曲线，乘以一个放大系数，使得转向管柱溃缩完成后的任意一个时刻的上下柱筒速度相等，然后将上下柱筒的速度相减，得到转向管柱的溃缩速度上限；将转向管柱溃缩完成后用上下柱筒速度相对大的曲线，乘以一个缩小系数，使得转向管柱溃缩完成后的任意一个时刻的上下柱筒速度相等，然后将上下柱筒的速度相减，得到转向管柱的溃缩速度下限；所述溃缩速度上限和溃缩速度下限构成转向管柱溃缩速度区间，即为测量结果。
3.根据权利要求1所述的汽车转向管柱动态溃缩速度测量系统，其特征在于，所述安装在转向管柱上下柱筒上加速度传感器的测量方向为转向管柱的轴向，即溃缩方向；所述安装在车辆B柱下端的个加速度传感器的测量方向为车辆的正常行驶方向。
4.一种汽车转向管柱动态溃缩速度测量方法，其特征在于，所述方法是在转向管柱上下柱筒上分别安装两个加速度传感器，同时在车辆B柱下端安装一个加速度传感器，通过数据采集单元采集得到碰撞过程中这三个位置的加速度，通过对加速度积分所得的速度进行修正，得到转向管柱的溃缩速度。
5.根据权利要求4所述的汽车转向管柱动态溃缩速度测量方法，其特征在于，所述对加速度积分所得的速度进行修正，得到转向管柱的溃缩速度的过程是：先对采集到的上下柱筒加速度分别进行积分得到各自的速度曲线；再通过车辆B柱下端减速度判断出车辆碰撞结束转向管柱溃缩完成的时刻；将转向管柱溃缩完成后上下柱筒速度相对小的曲线，乘以一个放大系数，使得转向管柱溃缩完成后的任意一个时刻的上下柱筒速度相等，然后将上下柱筒的速度相减，得到转向管柱的溃缩速度上限；将转向管柱溃缩完成后用上下柱筒速度相对大的曲线，乘以一个缩小系数，使得转向管柱溃缩完成后的任意一个时刻的上下柱筒速度相等，然后将上下柱筒的速度相减，得到转向管柱的溃缩速度下限；所述溃缩速度上限和溃缩速度下限构成转向管柱溃缩速度区间，即为测量结果。
6.根据权利要求4所述的汽车转向管柱动态溃缩速度测量方法，其特征在于，所述方法具体包括：
步骤1：在转向管柱上下柱筒上安装加速度传感器
将两个加速度传感器分别安装在上下柱筒两端，加速度测量的方向为转向管柱的轴向，即溃缩方向；
步骤2：安装B柱加速度传感器
在车辆B柱下端位置安装一个加速度传感器，传感器测量方向为车辆的正常行驶方向；
步骤3：碰撞测试，采集加速度
在进行碰撞试验时，将加速度传感器连接至数据采集系统，数据采集系统则连接至控制电脑；设置试验相关参数，当车辆发生碰撞时，采集三个加速度传感器的信号，获得加速度曲线；
步骤3：确定碰撞结束时刻
通过安装在B柱下端的加速度传感器获得车辆的碰撞减速度，记录减速度归零时刻为t1，将减速度进行积分得到速度，记录速度最小时刻为t2，比较t1和t2，两者相对较晚的时刻作为碰撞结束时刻；
步骤4：计算转向管柱上下柱筒速度，确定修正系数
把上下柱筒加速度分别进行积分得到上柱筒速度和下柱筒速度，选择碰撞结束时刻后任意一个时刻，记录此时刻的上柱筒速度和下柱筒速度，比较这两个速度的大小，用相对大的速度除以相对小的速度，得到放大系数，用相对小的速度除以相对大的速度，得到缩小系数；
步骤5：计算得到转向管柱溃缩速度
把步骤4中取得相对小速度的曲线乘以放大系数得到修正后的速度曲线，把修正后的速度曲线和另外一条没有进行修正的曲线进行相减，得到的速度即为转向管柱溃缩速度上限；把步骤四中取得相对大速度的曲线乘以缩小系数得到修正后的速度曲线，把修正后的速度曲线和另外一条没有进行修正的曲线相减，得到的速度即为转向管柱溃缩速度下限；得到的转向管柱溃缩速度区间，即为测量结果。
7.根据权利要求6所述的汽车转向管柱动态溃缩速度测量方法，其特征在于，所述步骤5中，在进行相减操作时，统一用转向管柱下柱筒加速度减去转向管柱上柱筒加速度，或者反之统一用转向管柱上柱筒加速度减去转向管柱下柱筒加速度。
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