現(xiàn)代測試技術(shù)在汽車發(fā)動機罩設(shè)計中的應(yīng)用

鄧賽幫，劉向征，譚東升，袁煥泉

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟水平的不斷提高以及中國汽車研發(fā)技術(shù)的日益提升，國產(chǎn)汽車的市場銷售量和人均家庭保有量也在與日俱增。隨之而來的是消費者越來越重視汽車的安全性及耐用性能[1]。而汽車在行駛過程中的加速度是影響安全性和耐久性的客觀因素。因此加速度測試系統(tǒng)的精準性和實用性至關(guān)重要。梁晉昌等[2]針對汽車行駛環(huán)境的特點，設(shè)計了一種汽車加速度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點是結(jié)構(gòu)簡單、集成度高，并通過試驗對所采集的加速度數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；黃盛等人[3]基于汽車主動安全系統(tǒng)和系統(tǒng)舒適性研究，對汽車在行駛過程中的平順性及加速度進行了采集分析，同時對舒適性和平順性給出了合理的評價指標，該系統(tǒng)能夠為后續(xù)改善乘客的舒適性以及優(yōu)化行駛安全性提供理論依據(jù)，具有極大的工程實用價值。

針對某車型發(fā)動機罩在綜合耐久試驗中焊點開裂現(xiàn)象，采用基于MMA7455L傳感器的汽車加速度采集系統(tǒng)，采集發(fā)動機罩在汽車行駛過程中的加速度數(shù)據(jù)。首先，對加速度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)與軟件設(shè)計方案進行了詳細的介紹；并基于該系統(tǒng)對發(fā)動機罩有無緩沖塊進行了兩組加速度對比測試，得出緩沖塊對發(fā)動機罩振動加速度影響非常大，緩沖塊剛度不足是導(dǎo)致發(fā)動機罩焊點開裂的真因；最后，針對發(fā)動機罩焊點開裂區(qū)域進行了局部優(yōu)化改進，使其強度剛度滿足耐久性能要求，從而為后續(xù)發(fā)動機罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 測試系統(tǒng)及儀器介紹

該加速度測試儀器的組成部分包括數(shù)采控制模塊、串口連接電路模塊、微控制器模塊和電腦視顯模塊等[4]。加速度數(shù)采控制模塊的主要組成部分是加速度傳感器MMA7455L和數(shù)據(jù)采集儀HBM-eDAQ，該類型的加速度傳感器為三向傳感器，可采集來自3個方向的加速度，同時將傳感器3個通道依次連接到數(shù)據(jù)采集儀對應(yīng)的通道上。此次試驗主要是采集發(fā)動機罩在綜合耐久道路試驗過程中的水平、縱向和垂直三向的加速度原始數(shù)據(jù)，然后將采集到的發(fā)動機罩加速度數(shù)據(jù)輸入到微控制器模塊中，傳輸過程通過串口電路實現(xiàn)。微控制器對傳輸過來的數(shù)據(jù)信號進行轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換處理完成之后的數(shù)據(jù)可通過電平轉(zhuǎn)換器傳輸?shù)诫娔X上顯示并對該數(shù)據(jù)進行處理分析。該加速度測試系統(tǒng)的原理框架圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)原理框架圖

1.1 測試硬件系統(tǒng)

1.1.1 微控制器

加速度采集系統(tǒng)需要進行大量的數(shù)據(jù)處理,因此應(yīng)有較快的處理速度，同時需要滿足結(jié)構(gòu)簡單、功率低以及可靠性高的要求。此次發(fā)動機罩加速度采集試驗采用低功耗單片機MSP430F149，該款單片機控制芯片由TI公司推出，具有功耗低的特點，且能夠滿足此次采集系統(tǒng)的性能要求。MSP430系列控制芯片單片機是可重復(fù)刷新編程、性價比高及超低功耗的節(jié)能型單片機，具有穩(wěn)定可靠、方便靈活的開發(fā)手段。同時，該系列單片機目前已非常成熟，工業(yè)運用非常廣泛，市場需求量大，完全可以為此次發(fā)動機罩加速度采集試驗提供穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)處理。

1.1.2 加速度傳感器

為滿足該系統(tǒng)對加速度數(shù)據(jù)采集的精度要求，因此應(yīng)有加速度采集試驗場現(xiàn)場技術(shù)條件的約束，采用傳感器MMA7455L作為該加速度試驗采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)單元[5]。MMA7455L傳感器是一款成本極低、芯片獨立的三軸加速度傳感器，它由美國Siemens公司推出，應(yīng)用極其廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡單、濾波方便、溫度補償、可配置通過中斷引腳(INT1或INT2)檢測0g、脈沖檢測等功能。出廠設(shè)置功能包括0g偏置和靈敏度調(diào)節(jié)，使用者可通過指定的0g寄存器和量程選擇功能g-Select對0g偏置進行校準，靈敏度為64 SB·s2/(9.8 m)，沖擊承受為5 000g。

MMA7455L加速度傳感器包括G-單元和ASIC信號調(diào)試電路兩個重要組成部分。G-單元是用半導(dǎo)體技術(shù)制作而成的機械式實體結(jié)構(gòu)，其主要成分是多晶硅半導(dǎo)體材料。G-單元的等效電路如圖2所示，其工作原理是在兩個固定的電容極板中間放置一個可移動的電容極板：當有加速度作用時中間極板與其中一個固定極板的距離會增加，同時與另一個固定極板的距離相應(yīng)減少。距離的改變使得兩個電容極板間的電容發(fā)生變化，電容值的計算公式是：C=Ae/D，其中A是極板的面積，D是極板間的距離，e是電介質(zhì)常數(shù)[6]。ASIC信號調(diào)試電路的工作原理是通過等效轉(zhuǎn)換把測試得到的電容值顯示成形式如加速度的數(shù)值。此次試驗通過該加速度測試系統(tǒng)采集發(fā)動機罩在行駛過程中的三向加速度。MMA7455L內(nèi)部寄存器能夠讀取測量完畢之后的加速度數(shù)值，并且可以判斷運動的方向，即可以判斷加速度的實際方向。

SPI和I2C兩種接口電路可以用于加速度傳感器MMA7455L連接，作者結(jié)合實際情況使用SPI接口進行串口通信。SPI接口包含兩根主控制線和數(shù)據(jù)線，分別是片選線CS、時鐘線SPC、輸入線SDI和輸出線SDO[7]。加速度傳感器在片選線處于低電平有效時連接單片機P1.0，控制MMA7455L測量數(shù)據(jù)，并且直接決定數(shù)據(jù)是否被讀取。時鐘線SPC線直接連接單片機P1.3，提供傳輸時的時鐘脈沖數(shù)據(jù)。單片機P1.2連接輸入線SDI，MMA7455L寫控制命令和輸出寄存器命令都是通過加速度傳感器中的輸入線SDI實現(xiàn)的。輸出線SDO連接單片機P1.1，微控制器MSP430F149中的數(shù)據(jù)都是通過P1.1端口傳輸?shù)郊拇嫫髦械?。除此之外，該系統(tǒng)的電腦顯示屏是一個128×64點陣形式的，能準確顯示采集到的發(fā)動機罩加速度數(shù)據(jù)。具體電路連接如圖3所示。

圖3 電路連接示意圖

1.2 測試軟件系統(tǒng)

測試軟件系統(tǒng)的主要功能是將此次試驗采集到的行駛過程中加速度信號顯示在電腦顯示屏上，并對其進行分析處理。該加速度測試軟件采集系統(tǒng)流程圖如圖4所示。傳感器控制系統(tǒng)會自動啟動，在Key0鍵被按住的情況下，同時實現(xiàn)整個系統(tǒng)的初始化進程，并對應(yīng)地完成零點校準。當Key0鍵自動復(fù)位后，傳感器系統(tǒng)又回到初始狀態(tài)。計數(shù)器會定時采樣，并且產(chǎn)生中斷信號，當采樣完成之后就自動關(guān)閉定時器停止采樣；如果采樣沒有完成，則不斷重復(fù)以上操作直到采樣結(jié)束。寄存器會將接收到的加速度數(shù)據(jù)進行寄存。其中傳感器采集到的加速度數(shù)據(jù)在微控制器中已進行處理分析并能夠傳輸?shù)诫娔X屏幕上進行顯示，其中按鍵Key1、Key2、Key3分別代表傳輸縱向X軸、橫向Y軸及垂向Z軸的數(shù)據(jù)。

圖4 采集系統(tǒng)流程圖

加速度量程選擇是初始化過程中的重要步驟，考慮到發(fā)動機罩在耐久試驗中振動加速度較大，此次試驗選擇12g量程，程序?qū)崿F(xiàn)如下[8]：

void MMA7455L_init()

{

MMA7455L_writebyte(0x16,0x05)；

MMA7455L_writebyte(0x10,0x50)；

MMA7455L_writebyte(0x12,0x74)；

MMA7455L_writebyte(0x14,0x43)；

}

2 測試與數(shù)據(jù)分析

2.1 發(fā)動機罩加速度測試

此采集系統(tǒng)可以同時采集X軸、Y軸和Z軸三向加速度，綜合耐久試驗過程中的發(fā)動機罩的加速度信號為非線性信號，需要進行低頻濾波以及去除試驗毛刺和漂移，以控制誤差的范圍[9]。此次測試是在襄樊試車場采集發(fā)動機罩在綜合耐久試驗中的加速度，其中包括帶緩沖塊和不帶緩沖塊兩種狀態(tài)。加速度采集測點包括發(fā)動機罩質(zhì)心三向加速度、發(fā)動機罩鎖扣嚙合處三向加速度、發(fā)動機罩鉸鏈三向加速度。發(fā)動機罩加速度測點示意圖如圖5所示。

襄樊汽車試驗場主要包括綜合耐久路面和高強耐久路面，其中綜合耐久路面是由石塊路、鵝卵石路、凸塊路、搓板路、砂石路、共振路、住宅進口路等綜合路面組成。這些路面能夠準確模擬汽車在實際行駛過程中的諸多惡劣工況，同時這些路面按照特定的循環(huán)次數(shù)組成常規(guī)的綜合耐久試驗方案。綜合耐久試驗路面一個循環(huán)里程數(shù)為2.65 km，按照綜合耐久試驗規(guī)范，乘用車需要滿足7 000 km的歷程要求，即2 700個循環(huán)次數(shù)。

在采集發(fā)動機罩加速度之前，首先要進行測點打磨工作，將測點位置處打磨光滑、清洗干凈。然后在測點位置處貼置三向加速度傳感器，并且必須保證加速度傳感器的X、Y、Z向與整車坐標系保持一致。發(fā)動機罩加速度傳感器布置完成之后，將所有測點通道依次接入加速度采集系統(tǒng)中，檢查傳感器極性方向信號是否正確。待所有測試成功后，方可進入試驗場進行正式采集工作。發(fā)動機罩測點加速度采集系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 發(fā)動機罩加速度采集系統(tǒng)圖

2.2 發(fā)動機罩加速度數(shù)據(jù)分析

發(fā)動機罩加速度采集完畢后，需要對采集的加速度數(shù)據(jù)進行處理與分析。采用Ncode軟件對加速度數(shù)據(jù)文件進行載荷譜分析，得到發(fā)動機罩在綜合耐久試驗過程的加速度時間歷程，包括發(fā)動機罩質(zhì)心三向加速度時間歷程、發(fā)動機罩鉸鏈三向加速度時間歷程等。重點關(guān)注發(fā)動機罩質(zhì)心三向加速度，并針對帶緩沖塊和不帶緩沖塊兩種狀態(tài)來進行對比分析，驗證緩沖塊對發(fā)動機罩振動耐久的影響程度。

發(fā)動機罩加速度測試完畢后，需要對原始數(shù)據(jù)進行低通濾波，去除奇異信號，并對信號進行去毛刺和去漂移等處理，才能保證測試數(shù)據(jù)真實可靠。

2.2.1 質(zhì)心X向加速度

圖7所示為綜合耐久試驗過程中發(fā)動機罩質(zhì)心的X向加速度時間歷程。其中包括帶緩沖塊和不帶緩沖塊兩種狀態(tài)。帶緩沖塊的最大加速度為2.2g；不帶緩沖塊的最大加速度為3.5g。

圖7 發(fā)動機罩質(zhì)心X向加速度時間歷程

2.2.2 質(zhì)心Y向加速度

圖8所示為發(fā)動機罩質(zhì)心的Y向加速度時間歷程。相比于X向加速度，由于發(fā)動機罩的側(cè)向擺動，Y向加速度的數(shù)值會相對大點。帶緩沖塊的最大加速度為2.5g；不帶緩沖塊的最大加速度為4.5g。

圖8 發(fā)動機罩質(zhì)心Y向加速度時間歷程

2.2.3 質(zhì)心Z向加速度

圖9所示為綜合耐久試驗過程中發(fā)動機罩質(zhì)心的Z向加速度時間歷程。帶緩沖塊的最大加速度為6.5g；不帶緩沖塊的最大加速度為8.6g。

由以上圖示可判斷出發(fā)動機罩在無緩沖塊狀態(tài)下質(zhì)心處加速度最大，達到8.6g，在帶有緩沖塊的情況下質(zhì)心加速度僅為6.5g，因此緩沖塊對發(fā)動機罩的振動耐久影響非常大。在后續(xù)優(yōu)化過程中，一方面要提高緩沖塊的剛度，使緩沖塊的效果更加明顯；另一方面優(yōu)化發(fā)動機罩局部結(jié)構(gòu)來提高發(fā)動機罩疲勞強度。

圖9 發(fā)動機罩質(zhì)心Z向加速度時間歷程

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

發(fā)動機罩在綜合耐久試驗過程中鎖扣加強板焊點出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，鎖扣加強板材料為GC270E，屈服強度為160 MPa，鎖扣加強板焊點開裂示意圖如圖10所示。通過對發(fā)動機罩進行質(zhì)心加速度測試，可以看出發(fā)動機罩在整個綜合耐久試驗過程中振動加速度非常大，而且有無緩沖塊對發(fā)動機罩振動加速度影響特別大，因此初步斷定鎖扣焊點開裂原因為Z向加速度過大。由于發(fā)動機罩緩沖塊是沿用件，且由供應(yīng)商提供，故短期內(nèi)不太可能對緩沖塊進行結(jié)構(gòu)改進，因此只能通過加強鎖扣加強板的結(jié)構(gòu)來改善應(yīng)力，避免焊點出現(xiàn)開裂現(xiàn)象[10]。

圖10 發(fā)動機罩鎖扣加強板焊點開裂圖

為避免鎖扣加強板在耐久使用過程中再次開裂，對鎖扣加強板進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的鎖扣加強板結(jié)構(gòu)如圖11所示。通過仿真對比分析，優(yōu)化后的鎖扣加強板能夠滿足綜合耐久試驗要求，發(fā)動機罩在整個試驗過程中沒有再出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

圖11 鎖扣加強板結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

發(fā)動機罩加速度測試結(jié)果顯示：質(zhì)心加速度在整個時間歷程中最大為8.6g。通過分析，發(fā)動機罩在8.6g加速度作用下，鎖扣加強板處的應(yīng)力為216 MPa，材料的屈服強度為160 MPa，不滿足結(jié)構(gòu)強度要求；優(yōu)化后鎖扣加強板處的應(yīng)力為151 MPa，低于材料的屈服強度，仿真分析結(jié)構(gòu)能夠滿足要求。優(yōu)化前后鎖扣加強板處的應(yīng)力分別如圖12、圖13所示。

圖12 優(yōu)化前鎖扣加強板應(yīng)力云圖

圖13 優(yōu)化后鎖扣加強板應(yīng)力云圖

優(yōu)化后的發(fā)動機罩順利通過了綜合耐久試驗要求，整個發(fā)動機罩沒有出現(xiàn)過開裂現(xiàn)象，從而驗證了有限元仿真和試驗測試的準確性。

4 結(jié)論

通過對某車型發(fā)動機罩進行試驗測試和仿真分析優(yōu)化，可以得出以下結(jié)論：

(1)在綜合耐久試驗過程中，緩沖塊對發(fā)動機罩振動加速度影響很大，發(fā)動機罩設(shè)計中要設(shè)定剛度足夠大的緩沖塊。

(2)通過對測試數(shù)據(jù)進行分析，查找到發(fā)動機罩鎖扣加強板焊點開裂的真正原因，并對鎖扣加強板結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能夠滿足仿真分析要求。

(3)對優(yōu)化后的發(fā)動機罩結(jié)構(gòu)進行了耐久試驗驗證，最終順利通過了耐久試驗要求，從而驗證了有限元仿真分析和試驗測試的準確性。