車輪模態(tài)及頻響分析和試驗(yàn)檢測(cè)方法研究

李雪貂 廖放心 胡飛

摘? 要：車輪是汽車重要的零部件之一，尤其是在高速行駛狀態(tài)下，車輪的振動(dòng)特性決定著車輪行駛和制動(dòng)時(shí)的振動(dòng)和噪聲性能，對(duì)汽車的操作穩(wěn)定性、行駛的安全性、乘坐的舒適性有較大的影響。本文主要研究乘用車鋼制車輪模態(tài)及頻響分析和試驗(yàn)檢測(cè)方法，以ABAQUS有限元分析軟件為平臺(tái)，建立車輪模型進(jìn)行模態(tài)和頻響仿真分析，然后通過OROS公司的激振、振動(dòng)測(cè)量與分析系統(tǒng)進(jìn)行車輪的模態(tài)試驗(yàn)，通過對(duì)比分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定分析精度。為主機(jī)廠提供模態(tài)分析報(bào)告，協(xié)助其提高整車NVH性能。

關(guān)鍵詞：模態(tài);固有頻率;頻響

中圖分類號(hào)：U436.34? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2019）04-0076-06

Abstract： The wheel is one of the important parts of the car， especially in the high-speed driving state， the vibration characteristics of the wheel determine the vibration and noise performance of the wheel when driving and braking， the stability of the operation of the car， the safety of driving， the ride Comfort has a big impact. This paper mainly studies the modal and frequency response analysis and test detection methods of steel wheels for passenger cars. The ABAQUS finite element analysis software is used as a platform to establish the wheel model for modal and frequency response simulation analysis， and then through OROS's excitation and vibration. The measurement and analysis system performs the modal test of the wheel， and the analysis accuracy is determined by comparing the analysis with the test data. Provide modal analysis reports to the OEM to help improve NVH performance.

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)汽車綜合性能的要求也日益提高。其中減輕振動(dòng)強(qiáng)度，降低噪聲，是提高乘車舒適性的重要內(nèi)容之一，并且有越來越重視的趨勢(shì)。而模態(tài)分析和試驗(yàn)是其中最重要的技術(shù)之一，通過模態(tài)分析和試驗(yàn)，得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部門提供結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)基本參數(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性優(yōu)化設(shè)計(jì)和修改。正是由于模態(tài)分析和試驗(yàn)技術(shù)巨大的工程實(shí)用價(jià)值，使其成為振動(dòng)理論解決工程問題最重要、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)手段[4][5] 而車輪是汽車重要的零部件之一，一方面要避免其固有頻率與其他系統(tǒng)共振引起的失效和乘車舒適性差的問題，另一方面尤其是在高速行駛狀態(tài)下，來自路面的激勵(lì)會(huì)引起車輪結(jié)構(gòu)的強(qiáng)迫振動(dòng)，從市場(chǎng)反饋來看，車輪的失效模式基本都是疲勞損壞。由于疲勞損壞主要是載荷的累積效應(yīng)而產(chǎn)生的，所以，即使來自路面的激勵(lì)不大，但當(dāng)波動(dòng)的次數(shù)累積到某一個(gè)固定值，也會(huì)造成材料的永久變形和疲勞裂紋，繼而導(dǎo)致永久失效。此處的激勵(lì)是指隨著時(shí)間或者頻率變化的加速度、速度和位移。因此除了研究車輪的模態(tài)，還需要研究其頻率響應(yīng)特性。

與此同時(shí)，很多主機(jī)廠的客戶都要求供應(yīng)商提供車輪模態(tài)和頻響分析和試驗(yàn)報(bào)告，因此對(duì)車輪模態(tài)頻響分析和試驗(yàn)方法的研究刻不容緩。

1? ? 車輪模態(tài)頻響分析

模態(tài)分析亦稱振型分析，是研究結(jié)構(gòu)特性的一種方法，是系統(tǒng)辨別在方法在工程振動(dòng)中的應(yīng)用。模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，包括固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型。工作模態(tài)分析目的是確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，如固有頻率、阻尼、振型等。理論分析采用有限元法[3]。

1.1? ?分析和試驗(yàn)樣件選取

仿真分析的樣件選用了5.5J×15規(guī)格的東風(fēng)0721鋼制車輪，主要通過模態(tài)分析和試驗(yàn)方法提取車輪模態(tài)參數(shù)。

1.2? ?車輪有限元模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性，與結(jié)構(gòu)振動(dòng)密切相關(guān)。模態(tài)對(duì)應(yīng)到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)固有頻率，是結(jié)構(gòu)本身的固有屬性。從有限元仿真的計(jì)算來看，就是對(duì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分之后，對(duì)方程組的系數(shù)形成的矩陣進(jìn)行對(duì)角化，最終求解得到的特征根，這個(gè)就是結(jié)構(gòu)的固有頻率，也屬于模態(tài)分析的內(nèi)容。結(jié)構(gòu)有幾個(gè)自由度就對(duì)應(yīng)有幾階模態(tài)，每個(gè)特征根對(duì)應(yīng)的特征向量就對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型。

本文應(yīng)用Abaqus軟件對(duì)車輪樣件進(jìn)行有限元模態(tài)分析，通過模擬仿真分析得到車輪前20階（通常設(shè)置的頻率的范圍為0-2000HZ）模態(tài)頻率和模態(tài)振型。分析步驟如下圖1：

1.3? ?車輪頻響分析

通過提取所關(guān)心的輪輻偏轉(zhuǎn)模態(tài)頻率和模態(tài)振型。重新設(shè)置模態(tài)頻率解析范圍、僅僅提取輪輻偏轉(zhuǎn)這一階次加速度對(duì)單位激振力的純模態(tài)頻響曲線、得到10HZ時(shí)輪輻偏轉(zhuǎn)純模態(tài)的頻響加速度值，可根據(jù)計(jì)算公式，計(jì)算輪輻轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。

圖2示出利用第16階模態(tài)（模態(tài)頻率是1299.8Hz，為輪輻轉(zhuǎn)動(dòng)模態(tài)）計(jì)算的節(jié)點(diǎn)744758處對(duì)單位激振力的X方向的加速度頻率響應(yīng)函數(shù)，包括幅頻特性（Magnitude）和相頻特性（Phase）。

2? ? 車輪模態(tài)試驗(yàn)分析

試驗(yàn)分析是利用實(shí)驗(yàn)設(shè)施，激勵(lì)結(jié)構(gòu)使其作橫向彎曲振動(dòng)、縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，通過實(shí)時(shí)分析儀和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，測(cè)試結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，給出模態(tài)參數(shù)。試驗(yàn)分析的結(jié)果用于驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的精確性，并找出改進(jìn)分析精度的途徑。

模態(tài)試驗(yàn)，通過同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，估計(jì)出被測(cè)系統(tǒng)的頻響函數(shù)或者脈沖響應(yīng)函數(shù)，為模態(tài)分析提供可靠的數(shù)據(jù)。頻響函數(shù)的測(cè)試方法一般分為兩種，單點(diǎn)激勵(lì)和多點(diǎn)激勵(lì)。前者是對(duì)結(jié)構(gòu)一點(diǎn)激勵(lì)，同時(shí)測(cè)量所有點(diǎn)的響應(yīng)。后者是對(duì)結(jié)構(gòu)的某些點(diǎn)激勵(lì)，同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)響應(yīng)。頻響函數(shù)測(cè)試系統(tǒng)一般由三部分組成，即激勵(lì)部分、傳感部分、記錄部分。頻響函數(shù)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)主要有記錄部分和分析儀器[3]。

本文模態(tài)試驗(yàn)方法采用的是錘擊法，通過OROS公司的激振、振動(dòng)測(cè)量與分析系統(tǒng)，進(jìn)行車輪的模態(tài)試驗(yàn)分析，測(cè)量車輪在“自由—自由”狀態(tài)下的多模態(tài)頻率和模態(tài)振型，得到所關(guān)心的輪輻偏轉(zhuǎn)模態(tài)頻率和模態(tài)振型;把車輪的垂直軸向激振模型等效于單自由度軸向振動(dòng)模型，用單自由度振動(dòng)頻響方程重新擬合出所關(guān)心的某一階純模態(tài)頻響曲線，然后可根據(jù)公式計(jì)算輪輻轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。

3? ? 分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

車輪的有限元模態(tài)分析得到了多階輪輞模態(tài)，而實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析沒有得到這些模態(tài)，這主要是由加速度傳感器布置決定的。這些安裝的加速度傳感器基本上僅對(duì)輪輻的加速度敏感，對(duì)輪輞的加速度不敏感，難以發(fā)現(xiàn)輪輞變形占優(yōu)的模態(tài)。

（1）分析和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

（2）輪輻轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值

在車輪模態(tài)試驗(yàn)中1點(diǎn)激振、1點(diǎn)測(cè)振得到的頻率響應(yīng)函數(shù)。試驗(yàn)測(cè)得第一階輪輻轉(zhuǎn)動(dòng)（偏轉(zhuǎn)）模態(tài)頻率為1279Hz。從實(shí)驗(yàn)得到的頻率響應(yīng)函數(shù)中取1250Hz至1279Hz之間的頻率響應(yīng)函數(shù)值得到的曲線。將利用它們進(jìn)行單自由度頻率響應(yīng)函數(shù)曲線擬合，估計(jì)1279Hz這一階的純模態(tài)頻率響應(yīng)函數(shù)。

利用有限元分析法得到的0721車輪的輪輻轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為4.376×108 Nmm/rad，與利用模態(tài)試驗(yàn)方法得到的剛度4.845×108 Nmm/rad相比，相對(duì)誤差為9.7%。

5? ? 結(jié)論

本文對(duì)規(guī)格為5.5J×15的乘用車鋼制車輪（0721）進(jìn)行了模態(tài)及頻響分析和試驗(yàn)分析，得出結(jié)論如下：

（1）0721車輪我們最關(guān)注的輪輻偏轉(zhuǎn)振型，仿真分析結(jié)果為1299.8Hz和1323.9Hz;

（2）0721車輪我們最關(guān)注的輪輻偏轉(zhuǎn)振型，試驗(yàn)采集結(jié)果為1279Hz和1388Hz;

（3）0721車輪我們最關(guān)注的輪輻轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，仿真分析的計(jì)算結(jié)果為4.376×108 Nmm/rad;

（4）0721車輪我們最關(guān)注的輪輻轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，試驗(yàn)采集的計(jì)算結(jié)果為4.845×108 Nmm/rad;

經(jīng)過模態(tài)和頻率響應(yīng)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，我公司模態(tài)及頻響分析精度超過90%，車輪固有頻率、輪輻轉(zhuǎn)動(dòng)剛度分析和試驗(yàn)結(jié)果完全滿足客戶要求，公司完全掌握了車輪模態(tài)及頻響分析和試驗(yàn)檢測(cè)方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]李曉雷，俞德孚，孫逢春.機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ).北京理工大學(xué)出版社.2010.

[2]胡海巖.機(jī)械振動(dòng)基礎(chǔ).北京航天航空大學(xué)出版社.2005.7.

[3]（比利時(shí)）海倫著，白化同，郭繼忠譯. 模態(tài)分析理論與試驗(yàn).北京理工大學(xué)出版社.2000.

[4]張立軍，余卓平，靳曉雄，周宏. 汽車整車及零部件試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)試技術(shù).《汽車工程學(xué)報(bào)》.2000.

[5]（美）黃顯利（XianLi Huang）.卡車的噪聲與振動(dòng)及其控制策略.北京理工大學(xué)出版社.2018.1.