輪胎模態(tài)分析試驗(yàn)研究

宮少琦，王 暉，朱 健，郭風(fēng)晨，施長(zhǎng)宏

(華晨汽車工程研究院，沈陽 110141）

輪胎賦予了汽車“腳”的功能，是汽車的重要零部件，它主要承受車載重量和路面激勵(lì)，因此輪胎的振動(dòng)特性直接影響車輛駕乘舒適性能。輪胎的低階模態(tài)一般分布在300 Hz以內(nèi)，而大部分底盤零部件在此頻段內(nèi)也存在模態(tài)分布，兩者很可能耦合，一旦耦合就會(huì)影響車輛的NVH性能，因此對(duì)輪胎的動(dòng)態(tài)特性深入研究有著重大意義[1-2]。另外，輪胎屬于橡膠類彈性體，有限元分析很難建立準(zhǔn)確的輪胎橡膠參數(shù)，因此通過有限元模擬分析的輪胎模態(tài)參數(shù)與實(shí)際有一定差異[3-5]，相比之下模態(tài)試驗(yàn)測(cè)量參數(shù)較準(zhǔn)確。目前國(guó)內(nèi)主機(jī)廠主要通過實(shí)驗(yàn)方法得到輪胎模態(tài)參數(shù)，但缺少一套適用性較強(qiáng)的方法指導(dǎo)，因此對(duì)輪胎模態(tài)試驗(yàn)深入研究，有著較大的工程實(shí)用價(jià)值，為輪胎噪聲振動(dòng)控制、底盤結(jié)構(gòu)分析及車輛NVH性能優(yōu)化提供指導(dǎo)性依據(jù)[5]。

模態(tài)試驗(yàn)過程中的種種變量會(huì)對(duì)模態(tài)分析產(chǎn)生一定偏差影響，因此本文以兩種規(guī)格尺寸的輪胎為研究對(duì)象，結(jié)合LMS Test Lab，主要針對(duì)模態(tài)測(cè)點(diǎn)布置、邊界約束和激勵(lì)形式三個(gè)要素，對(duì)輪胎模態(tài)進(jìn)行測(cè)量分析對(duì)比，得到了更加精確的輪胎模態(tài)參數(shù)，并提出適用性較強(qiáng)的輪胎模態(tài)試驗(yàn)指導(dǎo)方法，闡述輪胎模態(tài)試驗(yàn)研究的實(shí)用價(jià)值與重要意義。

1 模態(tài)試驗(yàn)

1.1 模態(tài)分析原理

傳遞函數(shù)是輸出的拉普拉斯轉(zhuǎn)換除以輸入的拉普拉斯轉(zhuǎn)換，同理，頻率響應(yīng)函數(shù)是輸出的傅立葉變換比上輸入的傅立葉變換。頻響函數(shù)的定義如下[6]

模態(tài)分析就是通過頻響函數(shù)識(shí)別模態(tài)參數(shù)，圖1介紹了頻響函數(shù)與模態(tài)參數(shù)的關(guān)系。

圖1 頻響函數(shù)-模態(tài)參數(shù)

1.2 模態(tài)試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[7]主要有三個(gè)重要步驟：第一，建立測(cè)量系統(tǒng)，即懸掛測(cè)量試件、布置傳感器、安裝激振器、建立試件模型等；第二，測(cè)量頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)，即在某激勵(lì)力的作用下結(jié)構(gòu)被激起振動(dòng)，進(jìn)而采集并輸出頻響函數(shù)；第三，模態(tài)數(shù)據(jù)分析，即利用試件的頻響函數(shù)進(jìn)行計(jì)算估計(jì)模態(tài)參數(shù)，如試件的固有頻率和陣型等重要參數(shù)。針對(duì)輪胎模態(tài)試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容，確定輪胎模態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備(表1)，試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的連接方式詳見圖2，主要包括加速度振動(dòng)傳感器、激振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)。

表1 試驗(yàn)設(shè)備信息

圖2 試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

2 模態(tài)試驗(yàn)研究

本文針對(duì)測(cè)點(diǎn)布置、邊界約束和激勵(lì)形式三個(gè)要素，進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，優(yōu)化輪胎模態(tài)試驗(yàn)方法，提高輪胎模態(tài)參數(shù)精度。

2.1 布置測(cè)點(diǎn)

模態(tài)測(cè)點(diǎn)布置原則：

1)所設(shè)計(jì)的測(cè)點(diǎn)能估計(jì)出輪胎的形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)；

2)測(cè)量結(jié)果能得出清晰可辨的模態(tài)陣型。試驗(yàn)中將測(cè)點(diǎn)分別布置在內(nèi)胎面、正胎面、外胎面，數(shù)模見圖3(a)，以10°為間隔在每個(gè)胎面上布置36個(gè)測(cè)點(diǎn)；實(shí)際測(cè)點(diǎn)布置詳見圖3(b)，激勵(lì)方式選用力錘敲擊，激勵(lì)軸向(X)、切向(Y)、徑向(Z)的輪胎對(duì)應(yīng)方向頻響信號(hào)見圖4。

圖3 輪胎模型與測(cè)點(diǎn)布置

圖4 輪胎頻響曲線

結(jié)合LMS_Polymax模塊計(jì)算模態(tài)結(jié)果如圖4－圖6。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）測(cè)點(diǎn)分別布置于內(nèi)胎面、正胎面、外胎面及三胎面測(cè)量所得的固有頻率相差不大，偏差在3 Hz以內(nèi)；

2）測(cè)點(diǎn)僅布置于內(nèi)或外胎面時(shí)，輪胎的徑向與軸向模態(tài)數(shù)值接近易耦合，在計(jì)算中難于拾取并發(fā)生遺漏，圖5中測(cè)點(diǎn)僅布置于外胎面時(shí)其1階模態(tài)被遺漏；

3）三個(gè)胎面同時(shí)測(cè)量時(shí)，有效區(qū)分了數(shù)值較接近的輪胎徑向和軸向模態(tài)的主陣型；

4）輪胎徑向模態(tài)呈現(xiàn)花瓣?duì)?，陣型中每個(gè)花瓣構(gòu)成應(yīng)不少于4個(gè)測(cè)點(diǎn)才能使陣型清晰可見，八花瓣陣型需要至少32個(gè)測(cè)點(diǎn)。因此對(duì)輪胎模態(tài)測(cè)量時(shí)，應(yīng)在內(nèi)胎面、正胎面和外胎面，等角度間隔平行布置36×3個(gè)點(diǎn)。

圖5 測(cè)點(diǎn)不同模態(tài)結(jié)果對(duì)比

圖6 輪胎主陣型的區(qū)分

2.2 優(yōu)化邊界條件

自由約束要求要盡量降低邊界約束對(duì)其振動(dòng)特性的影響，應(yīng)滿足：

1)輪胎支撐非常柔軟（支撐模態(tài)應(yīng)低于測(cè)量件模態(tài)的20%）；

2)支撐連接點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)幅度要很小。如圖7。對(duì)輪胎邊界約束狀態(tài)進(jìn)行：(a)軟繩水平吊裝、(b)軟繩垂直吊裝和(c)整車安裝離地狀態(tài)對(duì)比。3種約束狀態(tài)均接近輪胎自由狀態(tài)，每種狀態(tài)布置36×3個(gè)測(cè)點(diǎn)，激勵(lì)方式均選用力錘敲擊。

圖7 不同邊界約束情況

結(jié)合LMS計(jì)算輪胎模態(tài)見圖8。

圖8 不同約束頻響曲線

結(jié)果表明：

(1)圖8將(a)、(b)和(c)3種約束狀態(tài)測(cè)量的頻響特征進(jìn)行對(duì)比分析，所關(guān)注頻段內(nèi)，輪胎的特征頻率偏差均在2 Hz以內(nèi)；

(2)輪胎整車安裝離地狀態(tài)受到激勵(lì)時(shí)，支撐連接點(diǎn)位移量較另外2種狀態(tài)更小，且更加便捷。因此對(duì)輪胎模態(tài)測(cè)量時(shí)，輪胎處于整車安裝且離地狀態(tài)即可得到準(zhǔn)確的模態(tài)參數(shù)。

2.3 選取激勵(lì)方式

激勵(lì)原則：

1)保證激勵(lì)信號(hào)的一致性（激勵(lì)力信號(hào)相干系數(shù)應(yīng)高于0.85）；

2)激勵(lì)出試件所關(guān)注頻段內(nèi)所有相關(guān)模態(tài)。模態(tài)試驗(yàn)分別應(yīng)用力錘和激振器進(jìn)行測(cè)試，圖9為使用激振器實(shí)測(cè)圖。

圖9 激振器激勵(lì)方式

測(cè)試結(jié)果表明：

(1)激振器法與錘擊法計(jì)算結(jié)果偏差在3 Hz以內(nèi)，兩種不同激勵(lì)源均可獲取輪胎模態(tài)(圖10)；

圖10 不同激勵(lì)方式模態(tài)結(jié)果對(duì)比

(2)激振器激勵(lì)力信號(hào)的相干系數(shù)接近1(圖11)，力錘信號(hào)相干性稍差，可知激振器優(yōu)于力錘，且試驗(yàn)進(jìn)行中更加便捷和高效。因此輪胎模態(tài)測(cè)量時(shí)，激振器法優(yōu)于錘擊法。

圖11 激勵(lì)力信號(hào)相干系數(shù)

3 結(jié)語

綜上，經(jīng)過對(duì)兩種尺寸規(guī)格的輪胎進(jìn)行大量模態(tài)試驗(yàn)對(duì)比，確定了輪胎模態(tài)試驗(yàn)三要素的選取原則，優(yōu)化了輪胎模態(tài)試驗(yàn)分析方法，即采用三胎面測(cè)點(diǎn)布置、整車安裝離地狀態(tài)和激振器激勵(lì)方式；同時(shí)也通過此方法得到了準(zhǔn)確的的輪胎模態(tài)參數(shù)與模態(tài)陣型（見表2），驗(yàn)證了方法的可行性。

表2 測(cè)試輪胎模態(tài)參數(shù)與陣型

對(duì)輪胎模態(tài)測(cè)量時(shí)應(yīng)使用以下試驗(yàn)方法：

（1）測(cè)點(diǎn)布置：在3個(gè)胎面（內(nèi)胎面、正胎面、外臺(tái)面）等間距平行布置至少36×3個(gè)測(cè)點(diǎn)，即每個(gè)胎面按10°等間隔布置36個(gè)測(cè)點(diǎn)；

（2）邊界約束：輪胎處于整車安裝且離地自由狀態(tài)，即將車身置于舉升機(jī)上，使輪胎處于離地自由狀態(tài)；

（3）激勵(lì)形式：選用激振器，分別激勵(lì)其徑向、軸向和切向，信號(hào)整合計(jì)算后得到輪胎模態(tài)。