基于頻響函數(shù)的安全氣囊控制模塊固定支座的評價(jià)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(tǒng)主要由控制模塊（包括傳感器、電子控制系統(tǒng)及觸發(fā)裝置）、氣體發(fā)生器和氣袋組成?？刂颇K是安全氣囊的核心，它控制安全氣囊的點(diǎn)火。控制模塊中的傳感器，用來檢測汽車發(fā)生碰撞事故的嚴(yán)重程度，它將感測到的信號，傳給電子控制系統(tǒng)，電子控制系統(tǒng)通過對傳感器信號的計(jì)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(fā)生共振，否則會影響傳感器檢測到正確的信號，從而導(dǎo)致安全氣囊不能正確地打開?？刂颇K固定支座共振頻率的評價(jià)方法，一般有兩種：

（1）基于有限元法的仿真評價(jià)方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)，是不需要真正的零件，可以利用有限元軟件直接對零件數(shù)模進(jìn)行仿真分析和評價(jià)，得到結(jié)果的速度非?？臁５秉c(diǎn)是由于邊界條件是假設(shè)的，材料特性也是仿真輸入的，因而分析結(jié)果和實(shí)際情況有一定的差異。

（2）基于頻響函數(shù)的實(shí)驗(yàn)評價(jià)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(jìn)行測試，故測試結(jié)果和實(shí)際情況最接近。

本文介紹了基于頻響函數(shù)的實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法，對頻響函數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的解釋和深入的研究，探討了頻響函數(shù)的結(jié)果，確定了使用頻響函數(shù)評價(jià)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(zhì)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(dǎo)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(diǎn)的幅值，同時(shí)使相位的改變較為平緩。質(zhì)量的增加，會降低共振頻率，同時(shí)也降低了高頻段的幅值[2]。故我們可以從結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼和質(zhì)量，來對固定支座進(jìn)行改善，從而滿足使用要求。

2 頻響函數(shù)評價(jià)原理

頻響函數(shù)，是系統(tǒng)動態(tài)特性的頻率描述，在試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析、組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析、振動控制及故障診斷等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[3]。

對于單輸入單輸出線性系統(tǒng)，其頻響函數(shù)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(shí)踐上我們發(fā)現(xiàn)，采用自功率譜和互功率譜來計(jì)算H（f）更具有優(yōu)越性，只要系統(tǒng)是線性的，那么頻響函數(shù)的估計(jì)就是唯一的。其表達(dá)式如下：

其中，

GXF和GFX為激勵(lì)和響應(yīng)的互功率譜；

GFF為激勵(lì)的自功率譜；

GXX為響應(yīng)的自功率譜；

*為共軛符號。

為了判定測得的頻響函數(shù)的可靠性，一般需要采用相干函數(shù)，其定義為

其中，

G贊FX激勵(lì)和響應(yīng)的互功率譜的平均值；

G贊FF為激勵(lì)的自功率譜的平均值；

G贊XX為響應(yīng)的自功率譜的平均值[2]。

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

脈沖激勵(lì)是用于機(jī)械系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)測量的主要試驗(yàn)方法之一，且一般通過帶有力傳感器的力錘敲擊被試結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)激勵(lì)。圖1是用力錘激勵(lì)測試結(jié)構(gòu)而得到頻響函數(shù)曲線的例子。其中f(t)是力錘的時(shí)域信號，經(jīng)傅立葉變化（FFT）可以轉(zhuǎn)換為頻域信號F(f)；x(t)是響應(yīng)的時(shí)域信號，經(jīng)傅立葉變化（FFT）可以轉(zhuǎn)換為頻域信號X(f)。

圖1 力錘激勵(lì)測試結(jié)構(gòu)而得到頻響函數(shù)

在圖1的頻響函數(shù)曲線上，我們可以找到波峰的幅值及對應(yīng)的共振頻率，從而判定測試結(jié)構(gòu)是否符合使用要求。

3 頻響函數(shù)評價(jià)實(shí)例

本次采用頻響函數(shù)評價(jià)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(gè)固定點(diǎn)固定控制模塊。分兩種情況對評價(jià)車型1的固定支座進(jìn)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(jià)車型2僅進(jìn)行一種帶阻尼膠情況下的測試（如圖3）。

圖2 評價(jià)車型1的控制模塊固定支座

圖3 評價(jià)車型2的控制模塊固定支座

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

LMS模態(tài)試驗(yàn)分析系統(tǒng)、16通道數(shù)據(jù)采集和4通道激勵(lì)系統(tǒng)、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(diǎn)處（見圖4和圖5）。

（2）每個(gè)測點(diǎn)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(yàn)過程中力錘的響應(yīng)，傳感器X方向（汽車前進(jìn)方向）的響應(yīng)以及頻響函數(shù)。

圖4 評價(jià)車型1的加速度傳感器布置

圖5 評價(jià)車型2的加速度傳感器布置

3.3 評價(jià)指標(biāo)

根據(jù)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(nèi)不要出現(xiàn)共振，故制定了如下的評價(jià)指標(biāo)：

（1）頻響函數(shù)曲線上，頻率在0～500 Hz的幅值應(yīng)該低于0 dB。

（2）頻響函數(shù)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(yàn)結(jié)果分析

固定點(diǎn)1處X方向的頻響函數(shù)見圖6。從圖上可以看出，評價(jià)車型2的頻響函數(shù)，可以滿足評價(jià)指標(biāo)。評價(jià)車型1的頻響函數(shù)（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(shí)，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(jié)果，要稍好于不帶阻尼膠的。

固定點(diǎn)2處X方向的頻響函數(shù)見圖7。從圖上可以看出，評價(jià)車型2的頻響函數(shù)可以滿足評價(jià)指標(biāo)。評價(jià)車型1的頻響函數(shù)（帶阻尼膠和不帶阻尼膠）不能滿足要求，頻率在440 Hz時(shí)，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(jié)果要稍好于不帶阻尼膠的。

固定點(diǎn)3處X方向的頻響函數(shù)見圖8。從圖上可以看出，評價(jià)車型2的頻響函數(shù)可以滿足評價(jià)指標(biāo)。評價(jià)車型1的頻響函數(shù)（帶阻尼膠和不帶阻尼膠）不能滿足要求，頻率在440 Hz時(shí)，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(jié)果，要稍好于不帶阻尼膠的。

3.5 試驗(yàn)結(jié)論及改進(jìn)

針對評價(jià)車型1的測試結(jié)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(jìn)行改進(jìn)，但增加阻尼并不能有效地改善頻響函數(shù)。然而評價(jià)車型2的測試結(jié)果，是滿足要求的，我們可以參考其安全氣囊固定支座的設(shè)計(jì)，來改進(jìn)評價(jià)車型1的固定支座。

4 結(jié)束語

本文針對安全氣囊控制模塊固定支座的評價(jià)方式，從理論和實(shí)例進(jìn)行了闡述，結(jié)果表明頻響函數(shù)，是一種精確和有效的評價(jià)方式。另外，通過對不同的固定支座設(shè)計(jì)方案的頻響函數(shù)測試，還可以給固定支座的改進(jìn)，提供指導(dǎo)性的方向。

[1]鐘志華，張維剛，曹立波，何 文.汽車碰撞安全技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

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

[3]張令彌，姚迎憲.頻率響應(yīng)函數(shù)估計(jì)的進(jìn)展[J].機(jī)械強(qiáng)度，1989，（3）：15-17.