1 引言

隨著生活品質(zhì)的不斷提升，人們對(duì)汽車綜合性能的要求也日益增長。其中，減輕振動(dòng)強(qiáng)度和降低噪聲是提高乘車舒適性的重要內(nèi)容之一。模態(tài)分析與試驗(yàn)是其中關(guān)鍵技術(shù)之一，通過模態(tài)試驗(yàn)分析，得到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，可為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部門進(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)和修改提供準(zhǔn)確的參數(shù)依據(jù)和方向。

輪轂是汽車運(yùn)動(dòng)的重要部件，在行駛過程中，承受來自路面不同幅值、不同頻率的激勵(lì)以及動(dòng)力系統(tǒng)傳遞到輪轂的各種激勵(lì)，從而引起輪轂不同形態(tài)的變形。其性能的優(yōu)劣將直接關(guān)系到汽車的操縱穩(wěn)定性、行駛安全性和乘坐舒適性等，而當(dāng)動(dòng)態(tài)變形波動(dòng)的次數(shù)累積到某一個(gè)固定值，就會(huì)造成材料的永久變形和疲勞裂紋，繼而導(dǎo)致永久失效。

圖1 輪轂

從結(jié)構(gòu)疲勞的角度來看，在輪轂設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免因其固有頻率與其它系統(tǒng)共振引起的失效和乘車舒適性不佳的問題；從噪聲振動(dòng)傳遞特性的角度來看，汽車在行駛過程中，路面激勵(lì)首先作用到輪胎上，再由輪轂傳遞到輪輻，進(jìn)而通過懸架傳遞到車內(nèi)，所以輪輻和輪轂之間的傳遞特性是整條傳遞路徑中關(guān)鍵的一環(huán)，因此獲得并優(yōu)化車胎的傳遞特性，可有效的消除車內(nèi)的振動(dòng)噪音。

另一方面，輪轂的側(cè)向剛度也是影響車內(nèi)噪音和振動(dòng)的關(guān)鍵參數(shù)，側(cè)向剛度越大，車輪抵抗變形的能力越強(qiáng)，其大小也決定著輪胎的隔振性能。同時(shí)，這些關(guān)鍵參數(shù)之間相互影響，因此準(zhǔn)確地獲得這些試驗(yàn)參數(shù)，分析輪轂的振動(dòng)噪音特性，為最終輪轂的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)，并能有效地解決汽車的振動(dòng)噪聲問題，改善乘車舒適性。

2 應(yīng)用案例

東風(fēng)汽車采用漢航Hunter Box硬件和NTS.LAB模態(tài)測(cè)試分析及輪胎力傳遞率和側(cè)向剛度分析軟件，通過試驗(yàn)方法獲取結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息、力傳遞率及剛度參數(shù)，并與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性以及可供優(yōu)化設(shè)計(jì)的方向。

2.1 車輪模態(tài)試驗(yàn)分析

輪轂的約束條件一般有：自由懸掛和柔性支撐。由于模態(tài)測(cè)試主要測(cè)量輪轂的固有特性，因此在模態(tài)測(cè)試中采用自由懸掛方式，利用彈性繩將輪轂懸掛起來，模態(tài)測(cè)試如圖2所示。

圖2 自由懸掛的輪轂

在進(jìn)行模態(tài)測(cè)試前，需要建立試驗(yàn)?zāi)B(tài)模型，并以點(diǎn)線面的形式描繪輪轂形狀。由于輪轂主要變形集中在輪輞上，且較容易被激勵(lì)，這與實(shí)際工作中的輪轂變形情況相吻合，所以在對(duì)模型進(jìn)行布點(diǎn)時(shí)，將重點(diǎn)放在了輪輞上。基于此，在輪輞上共布置20個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

圖3 幾何模型以及測(cè)點(diǎn)布置

模態(tài)測(cè)試完成后，得到輪轂在0～1000Hz內(nèi)的模態(tài)測(cè)試固有頻率，并將模態(tài)測(cè)試結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比，如表1所示。

表1 模態(tài)測(cè)試結(jié)果

通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，有限元分析固有頻率與模態(tài)測(cè)試固有頻率吻合度較高，說明有限元模型準(zhǔn)確性較高，可以應(yīng)用于后續(xù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與分析。

2.2 側(cè)向剛度與力傳遞率測(cè)試

側(cè)向剛度作為輪轂的重要指標(biāo)之一，其大小能有效決定輪胎的隔振性能，同時(shí)影響結(jié)構(gòu)噪聲的傳遞路徑，進(jìn)而影響到整車的振動(dòng)噪音。因此，對(duì)這一參數(shù)有特定的設(shè)計(jì)要求，并且很多主機(jī)廠都要求供應(yīng)商提供這一參數(shù)的頻響分析和試驗(yàn)報(bào)告。

基于行業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，如通用汽車提出的GMW14876測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：將輪轂自由懸掛，在輪輞中心位置布置單向加速度傳感器，輪輞中心上端傳感器命名為M2，輪輞中心下端傳感器命名為M1（其中 M1與M2粘貼在輪輞中心處平面位置，確保其位于螺栓孔圓周上，且M1與M2的連線通過輪輞中心點(diǎn)），兩個(gè)傳感器的正方向均與輪轂坐標(biāo)系側(cè)向一致，見圖4：

圖4 傳感器布置

使用力錘分別敲擊點(diǎn)M1和M2，獲取驅(qū)動(dòng)點(diǎn)頻響函數(shù)，并將其導(dǎo)入到NTS.LAB側(cè)向剛度分析模塊中，計(jì)算該輪轂的側(cè)向剛度值，如圖5和表2所示。

圖5 NTS.LAB 側(cè)向剛度分析模塊

表2 側(cè)向剛度結(jié)果

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性。同樣的，在輪轂上裝配車胎，并在車胎中心位置粘貼加速度傳感器，利用NTS.LAB軟件測(cè)試力傳遞率函數(shù)，如圖6所示。

圖6 車胎位置傳感器用于測(cè)試力傳遞率

圖7 力傳遞率測(cè)試結(jié)果

從力的傳遞曲線可以發(fā)現(xiàn)，在186.5Hz、386Hz、634Hz、756Hz等頻率處有極大值，力傳遞特性相對(duì)敏感。在汽車行駛過程中，路譜激勵(lì)包含上述頻率成分時(shí)，車身將會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)或噪音，因此可根據(jù)上述曲線進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其頻率對(duì)應(yīng)的峰值降低以減少輪胎對(duì)外部激勵(lì)的傳遞。

3 結(jié)論

通過力錘敲擊輪轂的試驗(yàn)方式，并基于NTS.LAB實(shí)測(cè)得到的頻響函數(shù)矩陣，搭載漢航NTS.LAB Analysis不同的分析模塊，可同步獲取以下結(jié)果：

1. 利用多參考點(diǎn)最小二乘復(fù)頻域法和MLE最大似然估計(jì)法獲取了輪轂結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與有限元結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型的正確性，為進(jìn)一步優(yōu)化提供準(zhǔn)確的參數(shù)依據(jù)。工程師可根據(jù)振型幅度較大的位置，對(duì)結(jié)構(gòu)可能的損傷狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)，為修改設(shè)計(jì)提供方向，從而提高結(jié)構(gòu)的可靠性。

2. 基于漢航NTS.LAB 力傳遞和側(cè)向剛度測(cè)試模塊，得到輪轂的側(cè)向剛度和力傳遞曲線，其中側(cè)向剛度與有限元結(jié)果具有很好的一致性。此外，根據(jù)力傳遞曲線，可以對(duì)傳遞曲線峰值的頻點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，使其遠(yuǎn)大于外部激勵(lì)頻率，從而減小路譜激勵(lì)對(duì)車內(nèi)振動(dòng)噪音的影響。