汽车整车及零部件试验模态分析测试技术_张立军

汽车整车及零部件试验模态分析测试技术同济大学汽车工程系　张立军　余卓平　靳晓雄　周　宏

[摘要]试验模态分析技术是获取结构动态特性的最重要手段之一。本文首先介绍了模态试验分析动态测试技术的基本内容,然后依次详细阐述了汽车白车身、充气轮胎以及后桥模态分析试验的动态测试的试验方案和具体方法,并提供了部分模态试验分析的实测模态参数。

叙词:　模态分析　汽车结构　试验

1　引言

随着生活水平的不断提高,人们对汽车综合性能的要求也日益提高。其中,减轻振动强度,降低噪声水平,提高乘车舒适性是最重要的内容之一,而且正受到越来越多的重视。这就使优化汽车系统的动态特性,控制振动和噪声成为非常突出的问题。曾有汽车生产企业基于原车型进行修改得到变型车时,忽视了结构修改对汽车系统动态特性的改变,导致车内噪声恶化,造成了不应有的损失。目前,对结构动态特性的预测、测试和修改已经不是一件十分困难的事。其中,模态分析技术成为最重要的技术之一。模态分析技术主要是指试验模态分析技术。所谓试验模态分析技术是通过振动模态试验获得表征结构动态特性的模态参数的一种动态分析方法。通过对结构的模态试验获得模态参数,可以为结构设计部门设计和改型提供结构动态基本参数,进行结构系统的振动特性分析,结构动力特性优化设计和修改等。正是由于试验模态分析技术巨大的工程实用价值,使其成为利用振动理论解决工程问题的最重要、应用最广泛的技术手段。

对于包含数以千计零件、结构极其复杂、运行工况恶劣多变的汽车,必须重视结构系统的动态特性的设计优化,因此必须研究模态分析技术在汽车中的应用问题,尤其是试验模态分析技术的应用。模态分析的关键是获得精度高,可信度高的频率响应函数(或脉冲响应函数),而这又取决于动态测试环节。因此,本文将着重探讨汽车整车及零部件的试验模态分析技术中的动态测试技术,而且偏重于具体的实施问题。首先介绍试验模态分析动态测试技术的基本内容,然后依次详细阐述汽车白车身、充气轮胎以及后桥模态分析试验的动态测试的试验方案和具体方法,最后提供部分实际模态分析得到的模态参数结果。

2　试验模态分析动态测试基本技术[1]

为了更好地了解和理解模态试验的动态测试,下面对与试验关系最密切的部分作简要介绍。

2.1　测试系统的组成

汽车模态测试中主要应用单点激振分析。单点激振模态振动测试系统主要由以下部分组成:(1)激振部分,主要包括信号发生器、功率放大器和激振器等;(2)信号测量和数据采集记录部分,一般包括加速度传感器、阻抗头、电荷放大器和A/D数据转换和记录装置等;(3)信号分析和频响函数估计部分,通常由模态分析软件和计算机硬件组成。

2.2　被测试结构的支承

被试结构在实际的工作环境中总是处于一定的约束状态,因此试验时首选模拟真实约束状态的支承方式。如果难以实现,则要考虑替代支承方式。模拟结构真实的约束状态,能够给出结构实际约束状态下的振动模型。但必须注意要使铰支等地面支承的基础刚度足够大,一般要求振动响应只包含数万赫兹以上的频率成分。替代支承方式常常是模拟自由状态的软悬挂支承方法。软悬挂可以通过弹性绳吊挂或利用弹性基础来实现。但要保证刚体模态的最低阶频率低于结构自身第一阶弹性模态频率的10%～20%,而且,使可能参与振动的质量尽可能小。

2.3　关于结构激振

对于机械导纳的测量,必须采用可以测量的动态力来对结构进行激振。

2.3.1　激振方法

多点激振虽然有助于提高测试结果的精度,但通常

采用单点激振也可以满足测试要求。单点激振时由于激振位置固定不变,激振器夹具的操作和调整比较省力。

2.3.2　激振器

一般分为接触式的激振器和非接触式的激励锤。激振器的优点是可以根据各种激励信号对结构进行激振。但存在连接结构较为复杂,运动部件参数会影响测试结果等问题。激励锤简单实用,利用锤击激励点产生的脉冲信号激振结构。锤头的质量、硬度和敲击的速度决定脉冲的特性。激励锤的优点是快速简便,适合于外场测试。但存在激励能量难以控制,激励幅值受限制等缺点。

2.3.3　激励信号

模态试验对激励信号有以下要求:包含足够的激励成分;有足够的幅值水平;在结构存在微小非线性因素时,具有一定的抗干扰能力。常用的激励信号是正弦激励信号(扫频和步进)、随机激励信号(宽带、周期和瞬态)与脉冲信号。各种激励信号各有优缺点,应该结合实际情况合理选用,选择时需要综合考虑多种因素决定。

2.3.4　激振位置

激振点选择的总原则是使激振力易于向结构的各个部位传递,要求避开振动节点、结构薄弱环节和支承点(悬挂点),而且要考虑安装方便性。

2.3.5　激振器的安装

激振器安装时,底座应与刚性好的基础刚性结合在一起,运动部分与被激振结构连接在一起。同时,为了保证激振力的单向传递和对激振器的“过载保护”作用,应在激振器和力传感器之间增加具有足够大纵向刚度与很小侧向刚度的连接杆,并施以适当的预紧力。

2.4　传感器及其安装

模态试验对传感器的基本要求是:动态范围宽;工作频段宽,低频性能好;抗干扰能力强;灵敏度好,线性度好;体积小,质量小。一般测量动态响应采用压电式加速度传感器,测量激励力采用阻抗头。传感器的安装应该保证,在具有足够刚性且不增加结构质量的前提下,测量规定方向的真实制动信号。需要根据测试要求和实际情况合理选择固定方式。

2.5　响应测点布置

加速度响应测点位置、数目和测振方向确定的基本原则是:①能够明确显示研究频率范围内的结构模态振型;②保证研究的关键点在测点范围内;③测量方向一般与激振方向一致。

3　白车身振动模态试验

现代轿车大都采用承载式车身,因此,白车身的动态特性对于整车的动态特性具有决定性意义。通过测量得到的模态参数,可以对车身的刚度和阻尼特性进行客观的评价,而且,也可以为车身结构的分析计算、结构修改提供依据。

某轿车白车身模态分析试验的测试系统如图1所示。被测白车身利用4根柔软的橡皮绳悬吊在刚性良好的支架上,车身保持水平。悬挂点分别位于前后悬架在车身的固定点上,与车身的连接处为4个质量极小的挂钩。这样,整个车身的约束状态接近于自由状态(实测刚体模态频率仅为1.75Hz),因此可以测量得到无边界约束状态的模态参数,而且可以减少激振力以外的干扰力的不利影响

。

图1　白车身模态分析试验测试系统

利用电动激振器单点激振,激振信号为纯随机激振信号(白噪声)。白噪声信号具有较宽的激振频带、较好的信噪比和波峰因数,能够激振出结构的多阶模态,而且试验速度较快,对于测点很多的车身模态测试比较适用。激振点选择在车身左后角部的车身承载梁上,因为该点不是节点。在该点激振,车身的对称及反对称模态都能够呈现出最大的变形状态,而且,激振点在刚性较好的梁上,既可以防止局部变形和增大激振力幅值,又有利于激振能量向车身各部分的传递。

激振器采用刚性安装的方法,激振器基座与基础刚性连接,有利于较低频段保持对结构较大的激振力。激振器和阻抗头之间以直径为5m m、长度为10cm的细长杆连接,一方面可以保证激振力沿坚直方向传递,另一方面也可以起到过载保护作用。

分别采用B &K 压电式阻抗头和压电加速度计测量激振力和各点的振动响应。阻抗头测力端通过螺栓固定在车身激振点上,加速度端通过细长杆与激振器连接。测振加速度计采用磁吸式固定方式,便于传感器在大量测点之间的成批移动。

拾振测点布置重点考虑车体承载框架梁、车门和车窗框架、排气管悬吊点、发动机和副车架车身悬置点、悬

架固定点等。对于面积很大的车身顶棚和行李箱则采用网格化布点方法。

按照上述的试验设置,测量得到频率响应函数,成功识别了车身的模态参数。图2所示为实测得到的车身骨架的前六阶模态振型。显然,该车的车身刚度不足,容易发生振动和噪声问题

。

图2　白车身模态频率和振型

4　

充气轮胎模态试验

图3　充气轮胎的径向模态试验分析试验系统

轮胎自由状态下的固有振动特性(固有频率和固有振型)表征了轮胎的固有特性,它只决定于轮胎的固有物理属性(刚度和质量)。测定并研究轮胎的模态特性对了解轮胎的振动和噪声特性具有重要的参考价值。图3

所示为充气轮胎的径向模态试验分析试验系统

。

图4　充气轮胎实测模态频率和模态振型

由于轮胎的动态特性与胎压具有密切关系,因此只

有测量特定胎压下的动态特性才具有实际意义,故需要测量、调整和记录被测轮胎的胎压参数。充气轮胎通过

橡皮绳悬吊起来模拟自由边界条件。不同的是,利用激振锤在固定点单点施加脉冲激励,激振方向为径向。拾振器为压电加速度计,通过高效胶水黏结在轮胎胎面

上,测振方向也为径向。沿轮胎周向布点24组,每组轴向5个测点。数据采集利用先进的变时基触发采样[2]

,激励力的采样频率为8000Hz ,振动加速度信号的采样频率为2000Hz 。充气轮胎胎压为0.2M Pa 时(对应于满载载荷)的实测模态频率和模态振型如图4所示。

5　

后桥横梁模态试验

图5　后桥横梁模态试验分析试验系统

在图5所示的后桥横梁模态试验分析试验系统中,后桥横梁利用柔软的充气橡胶内胎支承起来模拟自由边界条件。利用激振锤在横梁的中部单点施加脉冲激励。拾振器为压电加速度计,利用蜡薄层联结在横梁结

构表面上,测振方向为垂向。数据采集同样利用先进的变时基触发采样,激励力的采样频率为8000Hz,振动加速度信号的采样频率为2000Hz 。实测模态频率和模态振型如图6所示。显然,后桥的动态特性主要取决于中部的横梁结构

。

图6　实测模态频率和模态振型

6　结束语

本文在简单阐述结构模态测试基本内容的基础上,

分别详细叙述了整车白车身、汽车轮胎和复合式悬架后桥横梁的模态测试实验,并提供了部分模态测试的实际

测量结果。对于深入了解模态分析实验的重要意义和了解汽车整车及零部件的模态测试方法具有一定的指导作用。

参　考　文　献

1　方远翱,陈安宁,董卫平编著.振动模态分析技术.北京:国防工业出版社,1993

2　应怀樵,刘进明.DA SP 大容量数据自动采集和处理系统使用说明书.东方振动和噪声技术研究所,1995

(上接第30页

)

图5

模拟结果与未改进前车身相比,前三阶固有频率比较接近。从振型上看,前三阶模态都为整体模态,没发现局部模态,也未发生局部振动的情况,说明整车没有特别薄弱的局部,整车刚度是均匀的。也验证了车身后部的改进设计与前部的原始设计在刚度上能达到相互匹配,从这个意义上来说,客货两用车的设计是成功的。

4　结论

我们采用CAD 软件Unig raphics 改进设计了客货两用车,通过M SC /PAT RAN 建立了整车有限元模型,并使用M SC /N AS TRAN 进行了自由模态分析,可以得到以下结论:

(1)客货两用车前三阶频率与改进设计前的轿车车

身相比十分接近,前三阶振型为扭转、弯曲等整体模态,未发现局部模态,说明改进设计后,未发现车身特别薄弱的环节,改进设计是基本成功的。

(2)通过模态计算后证明该客货两用车的有限元网格是正确的,在该有限元网格的基础上,为进一步更为以后可能的零部件改动论证、碰撞模拟等打下了坚实的基础。