基于频响函数的安全气囊控制模块固定支座的评价方法

郭 庆

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

在汽车的安全对策中，装配安全气囊是一种行之有效的方法。汽车安全气囊系统主要由控制模块（包括传感器、电子控制系统及触发装置）、气体发生器和气袋组成。控制模块是安全气囊的核心，它控制安全气囊的点火。控制模块中的传感器，用来检测汽车发生碰撞事故的严重程度，它将感测到的信号，传给电子控制系统，电子控制系统通过对传感器信号的计算和分析，来决定是否要启动安全气囊[1]。因此，控制模块固定支座在低频段不允许发生共振，否则会影响传感器检测到正确的信号，从而导致安全气囊不能正确地打开。控制模块固定支座共振频率的评价方法，一般有两种：

（1）基于有限元法的仿真评价方法。这种方法的优点，是不需要真正的零件，可以利用有限元软件直接对零件数模进行仿真分析和评价，得到结果的速度非常快。但缺点是由于边界条件是假设的，材料特性也是仿真输入的，因而分析结果和实际情况有一定的差异。

（2）基于频响函数的实验评价方法。这种方法正好和有限元仿真分析法相反，是使用真正的零件进行测试，故测试结果和实际情况最接近。

本文介绍了基于频响函数的实验评价方法，对频响函数进行了详细的解释和深入的研究，探讨了频响函数的结果，确定了使用频响函数评价安全气囊控制模块支座是一种精确和有效的方法。

1 安全气囊控制模块固定支座

安全气囊控制模块固定支座的材料是钢板，通过焊接方式固定在汽车车身上，要求共振频率高于500 Hz。一般来说，固定支座的刚度、阻尼和质量的改变，会影响到固定支座共振频率的变化。刚度的增加，会导致共振频率的提高，降低低频段的幅值。阻尼的增加，会使共振频率略有减小，但主要是减小了共振点的幅值，同时使相位的改变较为平缓。质量的增加，会降低共振频率，同时也降低了高频段的幅值[2]。故我们可以从结构的刚度、阻尼和质量，来对固定支座进行改善，从而满足使用要求。

2 频响函数评价原理

频响函数，是系统动态特性的频率描述，在试验模态分析、组合结构系统分析、振动控制及故障诊断等领域有着广泛的应用[3]。

对于单输入单输出线性系统，其频响函数的定义为输出x（t）的傅立叶变换与输入 f（t）的傅立叶变换之比，即

然而在实践上我们发现，采用自功率谱和互功率谱来计算H（f）更具有优越性，只要系统是线性的，那么频响函数的估计就是唯一的。其表达式如下：

其中，

GXF和GFX为激励和响应的互功率谱；

GFF为激励的自功率谱；

GXX为响应的自功率谱；

*为共轭符号。

为了判定测得的频响函数的可靠性，一般需要采用相干函数，其定义为

其中，

G赞FX激励和响应的互功率谱的平均值；

G赞FF为激励的自功率谱的平均值；

G赞XX为响应的自功率谱的平均值[2]。

相干函数在0和1之间变化。如果相干函数等于1，表明两个相比较的信号（例如输入和输出）之间经全部平均后，存在着良好的线性关系；如果相干函数小于1，则有可能存在测量噪声、系统非线性、分析过程中有泄漏等问题。由此可知，相干函数值越大，频响函数的测量精度越高。

脉冲激励是用于机械系统或结构频响函数测量的主要试验方法之一，且一般通过带有力传感器的力锤敲击被试结构来实现激励。图1是用力锤激励测试结构而得到频响函数曲线的例子。其中f(t)是力锤的时域信号，经傅立叶变化（FFT）可以转换为频域信号F(f)；x(t)是响应的时域信号，经傅立叶变化（FFT）可以转换为频域信号X(f)。

图1 力锤激励测试结构而得到频响函数

在图1的频响函数曲线上，我们可以找到波峰的幅值及对应的共振频率，从而判定测试结构是否符合使用要求。

3 频响函数评价实例

本次采用频响函数评价两种车型的驾驶员安全气囊控制模块固定支座，他们的安全气囊的固定支座均位于汽车的前地板上，用3个固定点固定控制模块。分两种情况对评价车型1的固定支座进行测试：一种是前地板不带阻尼胶，一种是前地板带阻尼胶（如图2）。评价车型2仅进行一种带阻尼胶情况下的测试（如图3）。

图2 评价车型1的控制模块固定支座

图3 评价车型2的控制模块固定支座

3.1 试验设备

LMS模态试验分析系统、16通道数据采集和4通道激励系统、3向加速度传感器、力锤。

3.2 测试要求

（1）加速度传感器尽量布置在靠近控制模块固定点处（见图4和图5）。

（2）每个测点附近都用力锤敲击5次并取平均值，要求敲击信号脉宽小于0.5ms，且无连击。

（3）记录试验过程中力锤的响应，传感器X方向（汽车前进方向）的响应以及频响函数。

图4 评价车型1的加速度传感器布置

图5 评价车型2的加速度传感器布置

3.3 评价指标

根据气囊控制模块中传感器的要求，需要固定支座在0～500Hz范围内不要出现共振，故制定了如下的评价指标：

（1）频响函数曲线上，频率在0～500 Hz的幅值应该低于0 dB。

（2）频响函数曲线上，频率在0～500 Hz的波峰和波谷幅值差不大于20 dB。

3.4 试验结果分析

固定点1处X方向的频响函数见图6。从图上可以看出，评价车型2的频响函数，可以满足评价指标。评价车型1的频响函数（带阻尼胶和不带阻尼胶），不能满足要求，主要是频率在300 Hz时，幅值超过了0 dB；300 Hz波峰和420 Hz波谷的幅值差，超过了20dB。但是由于阻尼胶对降低振动幅值有一定效果，从图上可以看出，带有阻尼胶的结果，要稍好于不带阻尼胶的。

固定点2处X方向的频响函数见图7。从图上可以看出，评价车型2的频响函数可以满足评价指标。评价车型1的频响函数（带阻尼胶和不带阻尼胶）不能满足要求，频率在440 Hz时，幅值超过了0 dB。但是由于阻尼胶对降低振动幅值有一定效果，从图上可以看出，带有阻尼胶的结果要稍好于不带阻尼胶的。

固定点3处X方向的频响函数见图8。从图上可以看出，评价车型2的频响函数可以满足评价指标。评价车型1的频响函数（带阻尼胶和不带阻尼胶）不能满足要求，频率在440 Hz时，幅值超过了0 dB。但是由于阻尼胶对降低振动幅值有一定效果，从图上可以看出，带有阻尼胶的结果，要稍好于不带阻尼胶的。

3.5 试验结论及改进

针对评价车型1的测试结果显示，它的安全气囊固定支座，不能满足使用要求，需要对固定支座进行改进，但增加阻尼并不能有效地改善频响函数。然而评价车型2的测试结果，是满足要求的，我们可以参考其安全气囊固定支座的设计，来改进评价车型1的固定支座。

4 结束语

本文针对安全气囊控制模块固定支座的评价方式，从理论和实例进行了阐述，结果表明频响函数，是一种精确和有效的评价方式。另外，通过对不同的固定支座设计方案的频响函数测试，还可以给固定支座的改进，提供指导性的方向。

[1]钟志华，张维刚，曹立波，何 文.汽车碰撞安全技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]沃德·海伦，斯蒂芬·拉门兹，波尔·萨斯.模态分析理论和试验[M].白化同，郭继忠，译.北京：北京理工大学出版社，2001.

[3]张令弥，姚迎宪.频率响应函数估计的进展[J].机械强度，1989，（3）：15-17.