车轮模态及频响分析和试验检测方法研究

2019-10-08李雪貂廖放心胡飞

汽车科技 2019年4期

李雪貂廖放心胡飞

摘要：车轮是汽车重要的零部件之一，尤其是在高速行驶状态下，车轮的振动特性决定着车轮行驶和制动时的振动和噪声性能，对汽车的操作稳定性、行驶的安全性、乘坐的舒适性有较大的影响。本文主要研究乘用车钢制车轮模态及频响分析和试验检测方法，以ABAQUS有限元分析软件为平台，建立车轮模型进行模态和频响仿真分析，然后通过OROS公司的激振、振动测量与分析系统进行车轮的模态试验，通过对比分析与试验数据，确定分析精度。为主机厂提供模态分析报告，协助其提高整车NVH性能。

关键词：模态;固有频率;频响

中图分类号：U436.34 文献标识码：A 文章编号：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.

隨着人们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，是提高乘车舒适性的重要内容之一，并且有越来越重视的趋势。而模态分析和试验是其中最重要的技术之一，通过模态分析和试验，得到产品结构的模态参数，可以为结构设计部门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。正是由于模态分析和试验技术巨大的工程实用价值，使其成为振动理论解决工程问题最重要、应用最广泛的技术手段[4][5] 而车轮是汽车重要的零部件之一，一方面要避免其固有频率与其他系统共振引起的失效和乘车舒适性差的问题，另一方面尤其是在高速行驶状态下，来自路面的激励会引起车轮结构的强迫振动，从市场反馈来看，车轮的失效模式基本都是疲劳损坏。由于疲劳损坏主要是载荷的累积效应而产生的，所以，即使来自路面的激励不大，但当波动的次数累积到某一个固定值，也会造成材料的永久变形和疲劳裂纹，继而导致永久失效。此处的激励是指随着时间或者频率变化的加速度、速度和位移。因此除了研究车轮的模态，还需要研究其频率响应特性。

与此同时，很多主机厂的客户都要求供应商提供车轮模态和频响分析和试验报告，因此对车轮模态频响分析和试验方法的研究刻不容缓。

1 车轮模态频响分析

模态分析亦称振型分析，是研究结构特性的一种方法，是系统辨别在方法在工程振动中的应用。模态是结构的固有振动特性，包括固有频率、阻尼比、模态振型。工作模态分析目的是确定结构的模态参数，如固有频率、阻尼、振型等。理论分析采用有限元法[3]。

1.1 分析和试验样件选取

仿真分析的样件选用了5.5J×15规格的东风0721钢制车轮，主要通过模态分析和试验方法提取车轮模态参数。

1.2 车轮有限元模态分析

模态是结构系统的固有振动特性，与结构振动密切相关。模态对应到结构的振动固有频率，是结构本身的固有属性。从有限元仿真的计算来看，就是对结构网格划分之后，对方程组的系数形成的矩阵进行对角化，最终求解得到的特征根，这个就是结构的固有频率，也属于模态分析的内容。结构有几个自由度就对应有几阶模态，每个特征根对应的特征向量就对应结构的模态振型。

本文应用Abaqus软件对车轮样件进行有限元模态分析，通过模拟仿真分析得到车轮前20阶（通常设置的频率的范围为0-2000HZ）模态频率和模态振型。分析步骤如下图1：

1.3 车轮频响分析

通过提取所关心的轮辐偏转模态频率和模态振型。重新设置模态频率解析范围、仅仅提取轮辐偏转这一阶次加速度对单位激振力的纯模态频响曲线、得到10HZ时轮辐偏转纯模态的频响加速度值，可根据计算公式，计算轮辐转动刚度。

图2示出利用第16阶模态（模态频率是1299.8Hz，为轮辐转动模态）计算的节点744758处对单位激振力的X方向的加速度频率响应函数，包括幅频特性（Magnitude）和相频特性（Phase）。

2 车轮模态试验分析

试验分析是利用实验设施，激励结构使其作横向弯曲振动、纵向振动和扭转振动，通过实时分析仪和计算机进行数据采集和处理，测试结构的响应，给出模态参数。试验分析的结果用于验证理论计算结果的精确性，并找出改进分析精度的途径。

模态试验，通过同时测量系统的输入和输出信号，并对其进行数学处理，估计出被测系统的频响函数或者脉冲响应函数，为模态分析提供可靠的数据。频响函数的测试方法一般分为两种，单点激励和多点激励。前者是对结构一点激励，同時测量所有点的响应。后者是对结构的某些点激励，同时测量多点响应。频响函数测试系统一般由三部分组成，即激励部分、传感部分、记录部分。频响函数数据分析系统主要有记录部分和分析仪器[3]。

本文模态试验方法采用的是锤击法，通过OROS公司的激振、振动测量与分析系统，进行车轮的模态试验分析，测量车轮在“自由—自由”状态下的多模态频率和模态振型，得到所关心的轮辐偏转模态频率和模态振型;把车轮的垂直轴向激振模型等效于单自由度轴向振动模型，用单自由度振动频响方程重新拟合出所关心的某一阶纯模态频响曲线，然后可根据公式计算轮辐转动刚度。

3 分析与试验结果对比

车轮的有限元模态分析得到了多阶轮辋模态，而实验模态分析没有得到这些模态，这主要是由加速度传感器布置决定的。这些安装的加速度传感器基本上仅对轮辐的加速度敏感，对轮辋的加速度不敏感，难以发现轮辋变形占优的模态。

（1）分析和试验结果对比

（2）轮辐转动刚度值

在车轮模态试验中1点激振、1点测振得到的频率响应函数。试验测得第一阶轮辐转动（偏转）模态频率为1279Hz。从实验得到的频率响应函数中取1250Hz至1279Hz之间的频率响应函数值得到的曲线。将利用它们进行单自由度频率响应函数曲线拟合，估计1279Hz这一阶的纯模态频率响应函数。

利用有限元分析法得到的0721车轮的轮辐转动刚度为4.376×108 Nmm/rad，与利用模态试验方法得到的刚度4.845×108 Nmm/rad相比，相对误差为9.7%。

5 结论

本文对规格为5.5J×15的乘用车钢制车轮（0721）进行了模态及频响分析和试验分析，得出结论如下：

（1）0721车轮我们最关注的轮辐偏转振型，仿真分析结果为1299.8Hz和1323.9Hz;

（2）0721车轮我们最关注的轮辐偏转振型，试验采集结果为1279Hz和1388Hz;

（3）0721车轮我们最关注的轮辐转动刚度，仿真分析的计算结果为4.376×108 Nmm/rad;

（4）0721车轮我们最关注的轮辐转动刚度，试验采集的计算结果为4.845×108 Nmm/rad;