現代測試技術在汽車發動機罩設計中的應用

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

隨著國民經濟水平的不斷提高以及中國汽車研發技術的日益提升，國產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的精準性和實用性至關重要。梁晉昌等[2]針對汽車行駛環境的特點，設計了一種汽車加速度數據采集系統，該系統的特點是結構簡單、集成度高，并通過試驗對所采集的加速度數據進行對比分析，驗證了該系統的穩定性和可靠性；黃盛等人[3]基于汽車主動安全系統和系統舒適性研究，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，該系統能夠為后續改善乘客的舒適性以及優化行駛安全性提供理論依據，具有極大的工程實用價值。

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

1 測試系統及儀器介紹

該加速度測試儀器的組成部分包括數采控制模塊、串口連接電路模塊、微控制器模塊和電腦視顯模塊等[4]。加速度數采控制模塊的主要組成部分是加速度傳感器MMA7455L和數據采集儀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據采集儀對應的通道上。此次試驗主要是采集發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據，然后將采集到的發動機罩加速度數據輸入到微控制器模塊中，傳輸過程通過串口電路實現。微控制器對傳輸過來的數據信號進行轉換處理，轉換處理完成之后的數據可通過電平轉換器傳輸到電腦上顯示并對該數據進行處理分析。該加速度測試系統的原理框架圖如圖1所示。

圖1 測試系統原理框架圖

1.1 測試硬件系統

1.1.1 微控制器

加速度采集系統需要進行大量的數據處理,因此應有較快的處理速度，同時需要滿足結構簡單、功率低以及可靠性高的要求。此次發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的性能要求。MSP430系列控制芯片單片機是可重復刷新編程、性價比高及超低功耗的節能型單片機，具有穩定可靠、方便靈活的開發手段。同時，該系列單片機目前已非常成熟，工業運用非常廣泛，市場需求量大，完全可以為此次發動機罩加速度采集試驗提供穩定高效的數據處理。

1.1.2 加速度傳感器

為滿足該系統對加速度數據采集的精度要求，因此應有加速度采集試驗場現場技術條件的約束，采用傳感器MMA7455L作為該加速度試驗采集系統的數據單元[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，應用極其廣泛，具有結構簡單、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。出廠設置功能包括0g偏置和靈敏度調節，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信號調試電路兩個重要組成部分。G-單元是用半導體技術制作而成的機械式實體結構，其主要成分是多晶硅半導體材料。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減少。距離的改變使得兩個電容極板間的電容發生變化，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是電介質常數[6]。ASIC信號調試電路的工作原理是通過等效轉換把測試得到的電容值顯示成形式如加速度的數值。此次試驗通過該加速度測試系統采集發動機罩在行駛過程中的三向加速度。MMA7455L內部寄存器能夠讀取測量完畢之后的加速度數值，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據線，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測量數據，并且直接決定數據是否被讀取。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據。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實現的。輸出線SDO連接單片機P1.1，微控制器MSP430F149中的數據都是通過P1.1端口傳輸到寄存器中的。除此之外，該系統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動機罩加速度數據。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

測試軟件系統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流程圖如圖4所示。傳感器控制系統會自動啟動，在Key0鍵被按住的情況下，同時實現整個系統的初始化進程，并對應地完成零點校準。當Key0鍵自動復位后，傳感器系統又回到初始狀態。計數器會定時采樣，并且產生中斷信號，當采樣完成之后就自動關閉定時器停止采樣；如果采樣沒有完成，則不斷重復以上操作直到采樣結束。寄存器會將接收到的加速度數據進行寄存。其中傳感器采集到的加速度數據在微控制器中已進行處理分析并能夠傳輸到電腦屏幕上進行顯示，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軸的數據。

圖4 采集系統流程圖

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，程序實現如下[8]：

void MMA7455L_init()

{

MMA7455L_writebyte(0x16,0x05)；

MMA7455L_writebyte(0x10,0x50)；

MMA7455L_writebyte(0x12,0x74)；

MMA7455L_writebyte(0x14,0x43)；

}

2 測試與數據分析

2.1 發動機罩加速度測試

此采集系統可以同時采集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。加速度采集測點包括發動機罩質心三向加速度、發動機罩鎖扣嚙合處三向加速度、發動機罩鉸鏈三向加速度。發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次數組成常規的綜合耐久試驗方案。綜合耐久試驗路面一個循環里程數為2.65 km，按照綜合耐久試驗規范，乘用車需要滿足7 000 km的歷程要求，即2 700個循環次數。

在采集發動機罩加速度之前，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。發動機罩測點加速度采集系統如圖6所示。

圖6 發動機罩加速度采集系統圖

2.2 發動機罩加速度數據分析

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

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

2.2.1 質心X向加速度

圖7所示為綜合耐久試驗過程中發動機罩質心的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。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 發動機罩質心X向加速度時間歷程

2.2.2 質心Y向加速度

圖8所示為發動機罩質心的Y向加速度時間歷程。相比于X向加速度，由于發動機罩的側向擺動，Y向加速度的數值會相對大點。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 發動機罩質心Y向加速度時間歷程

2.2.3 質心Z向加速度

圖9所示為綜合耐久試驗過程中發動機罩質心的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動機罩在無緩沖塊狀態下質心處加速度最大，達到8.6g，在帶有緩沖塊的情況下質心加速度僅為6.5g，因此緩沖塊對發動機罩的振動耐久影響非常大。在后續優化過程中，一方面要提高緩沖塊的剛度，使緩沖塊的效果更加明顯；另一方面優化發動機罩局部結構來提高發動機罩疲勞強度。

圖9 發動機罩質心Z向加速度時間歷程

3 結構優化

發動機罩在綜合耐久試驗過程中鎖扣加強板焊點出現開裂現象，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。通過對發動機罩進行質心加速度測試，可以看出發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。由于發動機罩緩沖塊是沿用件，且由供應商提供，故短期內不太可能對緩沖塊進行結構改進，因此只能通過加強鎖扣加強板的結構來改善應力，避免焊點出現開裂現象[10]。

圖10 發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構優化，優化后的鎖扣加強板結構如圖11所示。通過仿真對比分析，優化后的鎖扣加強板能夠滿足綜合耐久試驗要求，發動機罩在整個試驗過程中沒有再出現開裂現象。

圖11 鎖扣加強板結構優化圖

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

圖12 優化前鎖扣加強板應力云圖

圖13 優化后鎖扣加強板應力云圖

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

4 結論

通過對某車型發動機罩進行試驗測試和仿真分析優化，可以得出以下結論：

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

(2)通過對測試數據進行分析，查找到發動機罩鎖扣加強板焊點開裂的真正原因，并對鎖扣加強板結構進行了優化，優化后的結構能夠滿足仿真分析要求。

(3)對優化后的發動機罩結構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。