時(shí) 磊
(東風(fēng)汽車(chē)有限公司 東風(fēng)商用車(chē)技術(shù)中心,武漢 430056)
隨著人們對(duì)汽車(chē)NVH(噪聲、振動(dòng)和乘坐的舒適性)等動(dòng)態(tài)性能的要求程度越來(lái)越高,據(jù)權(quán)威部門(mén)調(diào)查“NVH的好壞是顧客購(gòu)買(mǎi)汽車(chē)的一個(gè)非常重要的因素,在所有顧客不滿(mǎn)意的問(wèn)題中,約有1/3是與NVH有關(guān),約1/5的售后服務(wù)與NVH有關(guān)”,但是汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中,時(shí)刻都在承受著機(jī)械運(yùn)動(dòng)等動(dòng)態(tài)負(fù)荷,這就要求汽車(chē)研發(fā)人員在研發(fā)時(shí)必須保證汽車(chē)在動(dòng)態(tài)負(fù)荷中的舒適性以及汽車(chē)不致?lián)p壞。因此,如何運(yùn)用好試驗(yàn)測(cè)試方法和工具,為研發(fā)相關(guān)部門(mén)提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)和建議,研發(fā)出舒適性水平較高的汽車(chē)成為研發(fā)試驗(yàn)人員面臨的首要任務(wù)。
解決汽車(chē)NVH動(dòng)態(tài)性能問(wèn)題,就必須了解汽車(chē)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析,是汽車(chē)研發(fā)過(guò)程中的最基本和最重要的環(huán)節(jié),而在解決汽車(chē)振動(dòng)問(wèn)題的眾多試驗(yàn)方法中,模態(tài)試驗(yàn)分析是解決結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的重要方法,也是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)諸多動(dòng)態(tài)行為研究和判斷的依據(jù),此外,我們研究的隨機(jī)振動(dòng)分析,頻率域反應(yīng)分析等,均需應(yīng)用模態(tài)分析的結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此,模態(tài)試驗(yàn)分析能在汽車(chē)早期開(kāi)發(fā)過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)汽車(chē)存在的問(wèn)題,為提高汽車(chē)整車(chē)的NVH動(dòng)態(tài)性能指明了方向。
針對(duì)某車(chē)在做整車(chē)性能試驗(yàn)時(shí),在A級(jí)瀝青路面和國(guó)家公告載荷狀態(tài)下,在20~62 km/h車(chē)速范圍內(nèi),駕駛室存在5~7 Hz的異常振動(dòng)且振動(dòng)形式為俯仰振動(dòng),在車(chē)速57 km/h(低頻5.4 Hz)時(shí)駕駛室異常振動(dòng)的幅度最大,人體主觀感覺(jué)極不舒適且不能接受。因?yàn)樵撥?chē)駕駛室異常振動(dòng)為低頻振動(dòng),所以根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)分析判斷可以排除發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)激勵(lì)和傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)激勵(lì)的影響。為了進(jìn)一步分析導(dǎo)致該車(chē)駕駛室低頻異常振動(dòng)的原因,從車(chē)輪總成和底盤(pán)懸架系統(tǒng)查找原因。該車(chē)載荷分布示意圖見(jiàn)圖1。
1.1 換裝合格的新子午胎車(chē)輪總成后進(jìn)行乘坐舒適性主觀評(píng)價(jià)振動(dòng)測(cè)量及分析
某車(chē)換裝新子午胎車(chē)輪總成后,從主觀評(píng)價(jià)、測(cè)量結(jié)果和頻譜分析來(lái)看,乘坐舒適性人體主觀感覺(jué)仍不能接受,在57 km/h時(shí)駕駛室異常振動(dòng)沒(méi)有得到改善,且各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)主頻沒(méi)有變化。因此,從車(chē)輪總成上無(wú)法分析得出引起駕駛室異常振動(dòng)的原因。
1.2 在換裝合格的新子午胎車(chē)輪總成的基礎(chǔ)上,降低前兩橋鋼板彈簧剛度(原車(chē)板簧剛度2004 N/cm更換為1680 N/cm,板簧阻尼比原車(chē)增大100%)后,進(jìn)行乘坐舒適性主觀評(píng)價(jià)、振動(dòng)測(cè)量及分析
在換裝合格的新子午胎車(chē)輪總成的基礎(chǔ)上,降低前兩橋板簧剛度后,從主觀評(píng)價(jià)、測(cè)量結(jié)果和頻譜分析來(lái)看,乘坐舒適性人體主觀感覺(jué)仍不能接受,在57km/h車(chē)速下駕駛室異常振動(dòng)沒(méi)有明顯改善,駕駛室前懸Z向的振動(dòng)減小了12%左右,在57 km/h時(shí)駕駛室前懸置的振動(dòng)主頻為5.2 Hz,駕駛室異常振動(dòng)頻率基本上沒(méi)有變化。因此,從該車(chē)的底盤(pán)懸架系統(tǒng)上無(wú)法分析出引起駕駛室異常振動(dòng)的原因。
因?yàn)樵撥?chē)駕駛室異常振動(dòng)為低頻振動(dòng),所以可以排除發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)軸的影響因素,通過(guò)換裝車(chē)輪總成和降低前兩橋板簧剛度后,仍無(wú)法分析判斷出引起駕駛室異常振動(dòng)的原因。為進(jìn)一步查清引起駕駛室異常振動(dòng)的原因,應(yīng)用模態(tài)試驗(yàn)分析方法對(duì)該車(chē)進(jìn)行整車(chē)(車(chē)架和駕駛室)模態(tài)試驗(yàn)。
振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。如果通過(guò)模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性,就可能預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下實(shí)際振動(dòng)的響應(yīng)。因此,模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及故障診斷的重要方法,是提供研究各種實(shí)際結(jié)構(gòu)振動(dòng)的一條有效途徑,在設(shè)計(jì)的早期階段避免共振的發(fā)生。
通過(guò)上述常規(guī)的振動(dòng)試驗(yàn)分析,仍然無(wú)法查找出引起某車(chē)駕駛室在低頻5.4 Hz處異常振動(dòng)的原因。根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn),初步判斷該車(chē)出現(xiàn)的振動(dòng)問(wèn)題(駕駛室低頻振動(dòng)且振動(dòng)形式為俯仰振動(dòng))與其車(chē)架有關(guān),基于上述對(duì)該車(chē)駕駛室異常振動(dòng)的試驗(yàn)分析和判斷,為進(jìn)一步查找原因?qū)υ撥?chē)進(jìn)行整車(chē)(車(chē)架和駕駛室)模態(tài)試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的頻率范圍為1~40 Hz。
2.2.1 模態(tài)試驗(yàn)原理[1]
結(jié)構(gòu)模態(tài)的意義,可解釋成一種自由運(yùn)動(dòng)的變位分布方式。在不考慮材料阻尼所形成的能量耗散且無(wú)外力干擾的情況下,系統(tǒng)可以周而復(fù)始地運(yùn)動(dòng)下去,形成一個(gè)能量守恒系統(tǒng)。一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在一個(gè)方向上的變位指標(biāo)稱(chēng)為一個(gè)自由度,一個(gè)離散系統(tǒng)的一個(gè)模態(tài),可由一個(gè)以該系統(tǒng)各自由度為分量所組成的向量來(lái)代表。對(duì)多自由度系統(tǒng),各模態(tài)為彼此獨(dú)立的完全集,在模態(tài)合成法中,結(jié)構(gòu)的任何運(yùn)動(dòng)可以由其自由振動(dòng)模態(tài)的線(xiàn)性組合來(lái)表示。
多自由度線(xiàn)性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程是相互耦合的,當(dāng)自由度數(shù)很多時(shí),方程的求解十分困難。模態(tài)分析技術(shù)的原理就是將線(xiàn)性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程組中的物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為模態(tài)坐標(biāo),使方程組解耦,成為一組以模態(tài)坐標(biāo)描述的獨(dú)立線(xiàn)性微分方程,以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。由于采用模態(tài)截?cái)嗟奶幚矸椒?,可以使方程的個(gè)數(shù)大為減少,從而大大減少了計(jì)算量,為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析帶來(lái)了很大的好處。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)就是在此理論的基礎(chǔ)上,利用試驗(yàn)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)來(lái)識(shí)別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù),從而獲得其動(dòng)態(tài)特性。
由采集得到的力信號(hào)和加速度響應(yīng)信號(hào)計(jì)算頻率響應(yīng)函數(shù)和相干函數(shù)。
頻率響應(yīng)函數(shù)計(jì)算公式:
式(1)中:Hxif指第 i點(diǎn)的加速度響應(yīng) Xi(t)對(duì)激振力f(t)的頻率響應(yīng)函數(shù);Gxif指第 i點(diǎn)的加速度響應(yīng) Xi(t)對(duì)激振力 f(t)的互功率譜;Gff激振力 f(t)的自功率譜。
相干函數(shù)計(jì)算公式:
式(2)中:γxif指第 i點(diǎn)的加速度響應(yīng) Xi(t)對(duì)激振力 f(t)的相干函數(shù)。
考慮傳遞函數(shù)矩陣中的某一元素Hij,其下標(biāo)的物理意義為:i是測(cè)量點(diǎn),j是激振點(diǎn)。傳遞函數(shù)矩陣可寫(xiě)成:
其中 ξr=cr/2mrωr
由式(3)可知,傳遞函數(shù)矩陣中的某一行或某一列中,包含了模態(tài)矩陣的全部信息。因此,在進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)時(shí),只要測(cè)量傳遞函數(shù)的某一行(相當(dāng)于固定測(cè)量點(diǎn),移動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)位置)或某一列(相當(dāng)于固定激勵(lì)點(diǎn),測(cè)量全部自由度的響應(yīng))即可。
同時(shí)測(cè)量激勵(lì)力和響應(yīng),將兩種信號(hào)同時(shí)送入雙通道的FFT分析儀或其他數(shù)據(jù)處理設(shè)備中,就可以方便地得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。利用計(jì)算機(jī)對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行擬合計(jì)算,得到系統(tǒng)的模態(tài)頻率ωr,模態(tài)阻尼 ξrωr及留數(shù) φirφjr,由此獲得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。模態(tài)試驗(yàn)分析的各主要環(huán)節(jié)示意圖,如圖2所示。
2.2.2 模態(tài)試驗(yàn)應(yīng)用[2]
我們知道,對(duì)于一個(gè)確定系統(tǒng),給定一個(gè)輸入,則可得到一個(gè)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的輸出。反過(guò)來(lái),已知一個(gè)系統(tǒng)的輸入和輸出特性,就可確定系統(tǒng)的傳遞特性。為此,我們?nèi)藶榈貙?duì)系統(tǒng)加一個(gè)輸入,然后測(cè)量其輸出,通過(guò)輸入輸出的互譜與自譜即可確定系統(tǒng)的傳遞特性。
采用的模態(tài)試驗(yàn)方法如下:首先驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一個(gè)所要測(cè)量范圍內(nèi)的隨機(jī)激勵(lì)白噪聲信號(hào),由于該車(chē)駕駛室異常振動(dòng)為低頻振動(dòng),所以激勵(lì)信號(hào)采用1~40 Hz的正弦掃描信號(hào),激振力垂直向上,經(jīng)D/A輸出,低通濾波器平滑處理后,由功率放大器驅(qū)動(dòng)電磁激振器,對(duì)試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行激勵(lì)。同時(shí)在激振桿上安裝力傳感器,及在所測(cè)測(cè)點(diǎn)上安裝加速度傳感器,并回收力傳感器和所有測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號(hào),經(jīng)電荷放大器放大后,通過(guò)計(jì)算機(jī)A/D輸入至計(jì)算機(jī)中,得到其時(shí)間歷程信號(hào),試驗(yàn)原理如圖3所示。
對(duì)采集到的時(shí)間歷程信號(hào),計(jì)算其所有響應(yīng)點(diǎn)與力作用點(diǎn)的傳遞函數(shù)。
分別回收各測(cè)點(diǎn)X、Y、Z向的加速度響應(yīng)信號(hào),求得傳遞函數(shù)后,利用LMS公司的TEST.Lab中的Spectral Acquisition軟件計(jì)算得到某車(chē)整車(chē)振動(dòng)的模態(tài)參數(shù)(頻率、振型、阻尼)。圖4為某車(chē)車(chē)架和駕駛室模態(tài)試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置圖。
在車(chē)架和駕駛室上共布置了185個(gè)點(diǎn),車(chē)架上布置了49個(gè)點(diǎn),駕駛室上布置了136個(gè)點(diǎn),整個(gè)測(cè)點(diǎn)以能反映車(chē)架和駕駛室的結(jié)構(gòu)特征為原則。通過(guò)三向ICP傳感器與玻璃塊、磁鐵通過(guò)螺紋相互連接,再吸附在測(cè)點(diǎn)處,每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量X、Y、Z三個(gè)方向上的加速度信號(hào),并利用LMS公司的TEST.Lab中的數(shù)據(jù)采集軟件回收各測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號(hào)和激振點(diǎn)的激振力信號(hào)。試驗(yàn)前通過(guò)互異性檢驗(yàn)在車(chē)架合適的部位進(jìn)行激振,比較在各點(diǎn)激振時(shí)得到的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線(xiàn)和相干函數(shù)曲線(xiàn),選取使得到的頻率響應(yīng)函數(shù)曲線(xiàn)光滑、峰值明確清晰、不丟失模態(tài)并且具有0.8以上的相干函數(shù)值的激振點(diǎn)作為試驗(yàn)時(shí)的激振點(diǎn)?;厥账胁杉臅r(shí)間歷程信號(hào)并進(jìn)行模態(tài)分析判斷。
對(duì)所有采集回收的加速度響應(yīng)信號(hào),經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后得到的頻率響應(yīng)函數(shù)利用LMS公司的TEST.Lab中的Spectral Acquisition軟件進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別。在1~40 Hz范圍內(nèi)某車(chē)的車(chē)架和整車(chē)共識(shí)別出16階模態(tài),由于該車(chē)駕駛室異常振動(dòng)的頻率為5.4 Hz,所以只列出了車(chē)架和整車(chē)第1階的模態(tài)參數(shù),如表1所示。
表1 車(chē)架及整車(chē)模態(tài)參數(shù)
本文僅給出了該車(chē)車(chē)架第1階模態(tài)振型圖,見(jiàn)圖5;整車(chē)第1階模態(tài)振型圖,見(jiàn)圖6。
從模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果和模態(tài)振型圖分析得出,車(chē)架和整車(chē)的第1階模態(tài)6 Hz的頻率對(duì)該車(chē)的影響非常明顯,車(chē)架整體一彎,駕駛室在車(chē)架的影響下做俯仰運(yùn)動(dòng)。從車(chē)架和整車(chē)的第1階模態(tài)分析可以看出,駕駛室后懸置在車(chē)架上的安裝位置位于車(chē)架一階彎曲節(jié)點(diǎn)前端,由于試驗(yàn)所測(cè)得的駕駛室振動(dòng)狀況為俯仰運(yùn)動(dòng),彎曲節(jié)點(diǎn)距離車(chē)架縱梁前端越遠(yuǎn),引起駕駛室俯仰振動(dòng)的幅度越大。圖7為車(chē)架整體一階彎曲時(shí)節(jié)點(diǎn)示意圖。
結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性與其固有振動(dòng)特性密切相關(guān),當(dāng)外載荷頻率接近結(jié)構(gòu)的固有頻率時(shí),即使外載荷不大,也會(huì)在結(jié)構(gòu)上引起較大的響應(yīng),并可能導(dǎo)致車(chē)身結(jié)構(gòu)提前遭到破壞,對(duì)車(chē)身的振動(dòng)較大,即產(chǎn)生共振。因此,我們?cè)谶x擇安裝汽車(chē)其它零部件或總成時(shí),應(yīng)當(dāng)盡量使這些零部件的固有頻率遠(yuǎn)離汽車(chē)結(jié)構(gòu)(車(chē)架)的固有頻率,同時(shí)選擇合適的懸置隔離振動(dòng)的傳遞。
結(jié)合某車(chē)的車(chē)架和駕駛室第1階模態(tài)結(jié)果和模態(tài)振型圖,車(chē)架整體一彎頻率為6 Hz,受車(chē)架整體一階彎曲影響駕駛室做俯仰運(yùn)動(dòng);車(chē)架整體一階彎曲頻率與該車(chē)在57 km/h時(shí)駕駛室異常振動(dòng)的主頻5.4 Hz很接近,導(dǎo)致了駕駛室與車(chē)架產(chǎn)生共振,并且駕駛室的振動(dòng)形勢(shì)為俯仰振動(dòng)。因此,可以判斷某車(chē)駕駛室異常振動(dòng)是由車(chē)架整體一彎引起的,并且車(chē)架前端比較薄弱,可以采取以下措施來(lái)提高其乘坐舒適性。
通過(guò)增強(qiáng)車(chē)架與車(chē)廂副梁的連接剛度,來(lái)提高整車(chē)的彎曲剛度,以達(dá)到移動(dòng)其一階彎曲節(jié)點(diǎn)的目的,減小駕駛室異常振動(dòng)幅度,能夠使乘坐舒適性提高,但是成本增加較大,建議不采用。
鑒于某車(chē)為現(xiàn)生產(chǎn)車(chē)型及成本考慮,不可能通過(guò)重新設(shè)計(jì)和大規(guī)模改進(jìn)來(lái)解決駕駛室異常振動(dòng)的問(wèn)題,只能采取被動(dòng)隔振的辦法減小駕駛室在5.4 Hz處的振動(dòng)能量,通過(guò)試驗(yàn)摸索對(duì)該車(chē)局部進(jìn)行改進(jìn),將駕駛室懸置型式由半浮式改為全浮式,駕駛室懸置改為全浮式后,隔振效果和乘坐舒適性都達(dá)到了很好的效果。
表2為某車(chē)原車(chē)狀態(tài)與駕駛室懸置改為全浮式后,在車(chē)速57 km/h時(shí),駕駛室左前懸上Z向的加速度RMS值對(duì)比。圖8為將駕駛室懸置型式由半浮式改為全浮式后,在車(chē)速57 km/h時(shí),駕駛室左前懸上Z向在5.4 Hz處的自功譜密度圖對(duì)比。
表2 原車(chē)狀態(tài)與駕駛室懸置改為全浮后,駕駛室左前懸上Z向的加速度RMS值對(duì)比/m·s-2
從表2中可以看出,將駕駛室懸置型式由半浮式改為全浮式后,在車(chē)速57 km/h時(shí),駕駛室前懸上Z向的RMS值減小了63%,駕駛室前懸Z向的振動(dòng)大大減小。
從圖8中可以看出,將駕駛室懸置型式由半浮式改為全浮式后,在車(chē)速57 km/h時(shí),駕駛室左前懸上Z向在5.4 Hz處的振動(dòng)能量大幅降低,且峰值小于 0.3(m/s2)2/Hz。
綜上所述,將某車(chē)的駕駛室懸置由辦浮式改為全浮式后,在全車(chē)速范圍內(nèi),駕駛室異常振動(dòng)現(xiàn)象消失,人體主觀感覺(jué)乘坐舒適性“較好”,駕駛室懸置總體隔振效果“較好”。
本文主要闡述了針對(duì)某現(xiàn)生產(chǎn)車(chē)在行駛試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)低頻5.4 Hz的駕駛室異常振動(dòng)的現(xiàn)象,通過(guò)常規(guī)振動(dòng)試驗(yàn)分析方法無(wú)法查清引起駕駛室異常振動(dòng)的原因,最后利用模態(tài)試驗(yàn)分析方法對(duì)該車(chē)整車(chē)(車(chē)架和駕駛室)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn),從整車(chē)模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果和模態(tài)振型圖分析得出,在第1階模態(tài)頻率6 Hz處車(chē)架整體垂直一彎,駕駛室受車(chē)架的影響做俯仰運(yùn)動(dòng)(pitch),駕駛室異常振動(dòng)的原因得以查清,對(duì)問(wèn)題的解決提供了可靠數(shù)據(jù)依據(jù)??偨Y(jié)如下:
1)模態(tài)試驗(yàn)分析方法,在解決車(chē)輛行駛過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)題方面扮演著重要角色,是常規(guī)振動(dòng)分析方法無(wú)法替代的;
2)通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)分析,獲得了某車(chē)車(chē)架和駕駛室的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù),并對(duì)主要模態(tài)分析得出駕駛室異常振動(dòng)是由車(chē)架整體一彎引起的。
3)通過(guò)模態(tài)試驗(yàn)分析,能為駕駛室匹配整車(chē)開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在的問(wèn)題提前做出分析判斷,在避免共振發(fā)生、NVH性能提高、降低開(kāi)發(fā)成本和縮短開(kāi)發(fā)周期等方面發(fā)揮著重要作用。
[1]許本文,等.機(jī)械振動(dòng)與模態(tài)分析基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版,1998.
[2]李德葆,陸秋海.實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析及其應(yīng)用[M].科學(xué)出版社,2001.
[3]李英平.汽車(chē)車(chē)身模態(tài)分析實(shí)例研究[J].汽車(chē)技術(shù),2007,11.
[4]張立軍,余卓平.汽車(chē)整車(chē)及零部件試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析測(cè)試技術(shù)[J].汽車(chē)研究與開(kāi)發(fā),2000.