基于頻響函數的安全氣囊控制模塊固定支座的評價方法

郭 慶

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

在汽車的安全對策中，裝配安全氣囊是一種行之有效的方法。汽車安全氣囊系統主要由控制模塊（包括傳感器、電子控制系統及觸發裝置）、氣體發生器和氣袋組成。控制模塊是安全氣囊的核心，它控制安全氣囊的點火。控制模塊中的傳感器，用來檢測汽車發生碰撞事故的嚴重程度，它將感測到的信號，傳給電子控制系統，電子控制系統通過對傳感器信號的計算和分析，來決定是否要啟動安全氣囊[1]。因此，控制模塊固定支座在低頻段不允許發生共振，否則會影響傳感器檢測到正確的信號，從而導致安全氣囊不能正確地打開。控制模塊固定支座共振頻率的評價方法，一般有兩種：

（1）基于有限元法的仿真評價方法。這種方法的優點，是不需要真正的零件，可以利用有限元軟件直接對零件數模進行仿真分析和評價，得到結果的速度非常快。但缺點是由于邊界條件是假設的，材料特性也是仿真輸入的，因而分析結果和實際情況有一定的差異。

（2）基于頻響函數的實驗評價方法。這種方法正好和有限元仿真分析法相反，是使用真正的零件進行測試，故測試結果和實際情況最接近。

本文介紹了基于頻響函數的實驗評價方法，對頻響函數進行了詳細的解釋和深入的研究，探討了頻響函數的結果，確定了使用頻響函數評價安全氣囊控制模塊支座是一種精確和有效的方法。

1 安全氣囊控制模塊固定支座

安全氣囊控制模塊固定支座的材料是鋼板，通過焊接方式固定在汽車車身上，要求共振頻率高于500 Hz。一般來說，固定支座的剛度、阻尼和質量的改變，會影響到固定支座共振頻率的變化。剛度的增加，會導致共振頻率的提高，降低低頻段的幅值。阻尼的增加，會使共振頻率略有減小，但主要是減小了共振點的幅值，同時使相位的改變較為平緩。質量的增加，會降低共振頻率，同時也降低了高頻段的幅值[2]。故我們可以從結構的剛度、阻尼和質量，來對固定支座進行改善，從而滿足使用要求。

2 頻響函數評價原理

頻響函數，是系統動態特性的頻率描述，在試驗模態分析、組合結構系統分析、振動控制及故障診斷等領域有著廣泛的應用[3]。

對于單輸入單輸出線性系統，其頻響函數的定義為輸出x（t）的傅立葉變換與輸入 f（t）的傅立葉變換之比，即

然而在實踐上我們發現，采用自功率譜和互功率譜來計算H（f）更具有優越性，只要系統是線性的，那么頻響函數的估計就是唯一的。其表達式如下：

其中，

GXF和GFX為激勵和響應的互功率譜；

GFF為激勵的自功率譜；

GXX為響應的自功率譜；

*為共軛符號。

為了判定測得的頻響函數的可靠性，一般需要采用相干函數，其定義為

其中，

G贊FX激勵和響應的互功率譜的平均值；

G贊FF為激勵的自功率譜的平均值；

G贊XX為響應的自功率譜的平均值[2]。

相干函數在0和1之間變化。如果相干函數等于1，表明兩個相比較的信號（例如輸入和輸出）之間經全部平均后，存在著良好的線性關系；如果相干函數小于1，則有可能存在測量噪聲、系統非線性、分析過程中有泄漏等問題。由此可知，相干函數值越大，頻響函數的測量精度越高。

脈沖激勵是用于機械系統或結構頻響函數測量的主要試驗方法之一，且一般通過帶有力傳感器的力錘敲擊被試結構來實現激勵。圖1是用力錘激勵測試結構而得到頻響函數曲線的例子。其中f(t)是力錘的時域信號，經傅立葉變化（FFT）可以轉換為頻域信號F(f)；x(t)是響應的時域信號，經傅立葉變化（FFT）可以轉換為頻域信號X(f)。

圖1 力錘激勵測試結構而得到頻響函數

在圖1的頻響函數曲線上，我們可以找到波峰的幅值及對應的共振頻率，從而判定測試結構是否符合使用要求。

3 頻響函數評價實例

本次采用頻響函數評價兩種車型的駕駛員安全氣囊控制模塊固定支座，他們的安全氣囊的固定支座均位于汽車的前地板上，用3個固定點固定控制模塊。分兩種情況對評價車型1的固定支座進行測試：一種是前地板不帶阻尼膠，一種是前地板帶阻尼膠（如圖2）。評價車型2僅進行一種帶阻尼膠情況下的測試（如圖3）。

圖2 評價車型1的控制模塊固定支座

圖3 評價車型2的控制模塊固定支座

3.1 試驗設備

LMS模態試驗分析系統、16通道數據采集和4通道激勵系統、3向加速度傳感器、力錘。

3.2 測試要求

（1）加速度傳感器盡量布置在靠近控制模塊固定點處（見圖4和圖5）。

（2）每個測點附近都用力錘敲擊5次并取平均值，要求敲擊信號脈寬小于0.5ms，且無連擊。

（3）記錄試驗過程中力錘的響應，傳感器X方向（汽車前進方向）的響應以及頻響函數。

圖4 評價車型1的加速度傳感器布置

圖5 評價車型2的加速度傳感器布置

3.3 評價指標

根據氣囊控制模塊中傳感器的要求，需要固定支座在0～500Hz范圍內不要出現共振，故制定了如下的評價指標：

（1）頻響函數曲線上，頻率在0～500 Hz的幅值應該低于0 dB。

（2）頻響函數曲線上，頻率在0～500 Hz的波峰和波谷幅值差不大于20 dB。

3.4 試驗結果分析

固定點1處X方向的頻響函數見圖6。從圖上可以看出，評價車型2的頻響函數，可以滿足評價指標。評價車型1的頻響函數（帶阻尼膠和不帶阻尼膠），不能滿足要求，主要是頻率在300 Hz時，幅值超過了0 dB；300 Hz波峰和420 Hz波谷的幅值差，超過了20dB。但是由于阻尼膠對降低振動幅值有一定效果，從圖上可以看出，帶有阻尼膠的結果，要稍好于不帶阻尼膠的。

固定點2處X方向的頻響函數見圖7。從圖上可以看出，評價車型2的頻響函數可以滿足評價指標。評價車型1的頻響函數（帶阻尼膠和不帶阻尼膠）不能滿足要求，頻率在440 Hz時，幅值超過了0 dB。但是由于阻尼膠對降低振動幅值有一定效果，從圖上可以看出，帶有阻尼膠的結果要稍好于不帶阻尼膠的。

固定點3處X方向的頻響函數見圖8。從圖上可以看出，評價車型2的頻響函數可以滿足評價指標。評價車型1的頻響函數（帶阻尼膠和不帶阻尼膠）不能滿足要求，頻率在440 Hz時，幅值超過了0 dB。但是由于阻尼膠對降低振動幅值有一定效果，從圖上可以看出，帶有阻尼膠的結果，要稍好于不帶阻尼膠的。

3.5 試驗結論及改進

針對評價車型1的測試結果顯示，它的安全氣囊固定支座，不能滿足使用要求，需要對固定支座進行改進，但增加阻尼并不能有效地改善頻響函數。然而評價車型2的測試結果，是滿足要求的，我們可以參考其安全氣囊固定支座的設計，來改進評價車型1的固定支座。

4 結束語

本文針對安全氣囊控制模塊固定支座的評價方式，從理論和實例進行了闡述，結果表明頻響函數，是一種精確和有效的評價方式。另外，通過對不同的固定支座設計方案的頻響函數測試，還可以給固定支座的改進，提供指導性的方向。

[1]鐘志華，張維剛，曹立波，何 文.汽車碰撞安全技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2]沃德·海倫，斯蒂芬·拉門茲，波爾·薩斯.模態分析理論和試驗[M].白化同，郭繼忠，譯.北京：北京理工大學出版社，2001.

[3]張令彌，姚迎憲.頻率響應函數估計的進展[J].機械強度，1989，（3）：15-17.