石勝文等

摘要：駕駛室模態(tài)分析是商用車NVH特性研究的重要內(nèi)容，識別駕駛室模態(tài)對避免駕駛室結(jié)構(gòu)與聲腔共振以及降低車內(nèi)噪聲有著重要的意義。本文以某重型商用車駕駛室為例，采用模態(tài)試驗(yàn)法進(jìn)行模態(tài)測試及分析，獲得駕駛室模態(tài)頻率和變形部位，為后續(xù)駕駛室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和NVH性能改善提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：駕駛室模態(tài)；模態(tài)試驗(yàn)法；NVH性能；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

引言

車輛NVH特性是指在車輛工作條件下駕駛員和乘客感受到的噪聲（Noise）、振動(dòng)（Vibration）和聲振粗糙度（Harshness），是衡量汽車質(zhì)量的重要綜合性指標(biāo)。駕駛室作為是重型商用車四大系統(tǒng)之一，可直接將振動(dòng)噪聲傳遞給駕駛員和乘客，其結(jié)構(gòu)性能的好壞對整車NVH有重要影響，并將直接影響到產(chǎn)品的競爭力。因此，在研發(fā)階段就必須嚴(yán)格控制駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)等車輛NVH性能關(guān)鍵參數(shù)。

商用車駕駛室車內(nèi)噪聲成分含有低頻、中頻和高頻，在汽車研發(fā)階段要分別考慮加以抑制。由結(jié)構(gòu)振動(dòng)引發(fā)的低中頻噪聲，易引起乘客疲勞煩躁等不適，嚴(yán)重影響汽車乘坐舒適性。研究通過測試分析和優(yōu)化駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)以降低駕駛室內(nèi)振動(dòng)、噪聲意義重大。本文基于國內(nèi)某重型商用車，采用模態(tài)測試分析技術(shù)，研究了駕駛室結(jié)構(gòu)NVH特性，為后續(xù)駕駛室結(jié)構(gòu)優(yōu)化和降低了車內(nèi)振動(dòng)噪聲提供了重要依據(jù)。

1.模態(tài)測試基本原理

駕駛室系統(tǒng)離散化后可視為一種具有N個(gè)自由度的線彈性動(dòng)力系統(tǒng)，其強(qiáng)迫振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式可用矩陣形式表示： ①

方程①經(jīng)拉氏變換得：

傳遞函數(shù)可表示為：

[M]--質(zhì)量矩陣，實(shí)對稱矩陣，正定；[C]--阻尼矩陣，實(shí)對稱矩陣，半正定；[K]--剛度矩陣，實(shí)對稱矩陣，正定或半正定。

令 ，振動(dòng)系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣為：

對于線性系統(tǒng)，多自由度系統(tǒng)的頻響函數(shù)是多個(gè)單自由度系統(tǒng)頻響函數(shù)的線性組合。要確定全部模態(tài)參數(shù) 、 、 ，實(shí)際上只要測量頻率響應(yīng)函數(shù)矩陣的一行或者一列即可。

對系統(tǒng)i點(diǎn)進(jìn)行激勵(lì)并在j點(diǎn)測響應(yīng)，可得傳遞函數(shù)矩陣中第 行j列元素為：

2.駕駛室模態(tài)測試方案

2.1模態(tài)分析方法

模態(tài)測試分析方法分為時(shí)域法和頻域法。時(shí)域法是直接由結(jié)構(gòu)的時(shí)域響應(yīng)求得模態(tài)參數(shù)，而頻域法則是先把測試數(shù)據(jù)變換成頻域數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別。實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測試分析是通過試驗(yàn)測定傳遞函數(shù)并識別模態(tài)參數(shù)，屬頻域法。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，識別模態(tài)參數(shù)，通常包括下面四個(gè)步驟：對結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振、測量力和響應(yīng)數(shù)據(jù)、估算傳遞函數(shù)、識別模態(tài)參數(shù)測試數(shù)據(jù)。文章介紹采用北京東方所INV306U動(dòng)態(tài)測試分析系統(tǒng)結(jié)合國際流行的Polylscf（即PolyMAX）模態(tài)分析算法進(jìn)行商用車駕駛室模態(tài)測試及分析。

2.2模態(tài)試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)采用激振器法模態(tài)測試，測試方案為單點(diǎn)激勵(lì)，多點(diǎn)響應(yīng)的試驗(yàn)方案：

2.2.1試驗(yàn)設(shè)備采用北京東方所INV306U動(dòng)態(tài)信號測試分析系統(tǒng)和DH103壓電加速度傳感器；20公斤激振器兩個(gè)，配套功率放大器兩個(gè)和INV306U自帶信號源模塊組成信號采集系統(tǒng)（獲得響應(yīng)信號）；用DHDAS基本控制分析軟件和DHMA實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析軟件；

2.2.2駕駛室采用柔性繩索吊裝，近似于自由-自由條件，經(jīng)測定，剛體共振頻率為2.5Hz遠(yuǎn)低于駕駛室一階固有頻率，對測試影響很小，可忽略不計(jì)。激振點(diǎn)選擇在駕駛室左右后懸置上，采用兩個(gè)激振器，激振信號采用猝發(fā)隨機(jī)信號，激振頻率帶寬為1～200Hz。

2.2.3傳感器布置原則要盡量布置在振動(dòng)量大及能反映駕駛室外觀特征的位置上。因此，傳感器布置在駕駛室的左右側(cè)圍、前圍、后圍、頂棚和地板上，拾振點(diǎn)建模如圖1。

2.2.4每組測試采用25個(gè)傳感器拾振，并逐批移動(dòng)傳感器；為減少漏掉模態(tài)的機(jī)會，全駕駛室測點(diǎn)均勻分布，共設(shè)置 1000個(gè)測點(diǎn)，分40組測量。測試過程中，同時(shí)觀察信號的時(shí)域波形和頻譜的一致性確保信號的可靠性。

3.模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

信號在關(guān)心頻率段內(nèi)（0～200Hz）的相干性很好，說明試驗(yàn)中混入的噪聲很小，試驗(yàn)過程是在系統(tǒng)的線性范圍內(nèi)進(jìn)行的，如圖2所示。

圖3是對振型相關(guān)性的矩陣校驗(yàn)，采用的是模態(tài)置信準(zhǔn)則（MAC）來估計(jì)。MAC是兩個(gè)向量間對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，同一物理模態(tài)的兩個(gè)向量的MAC值一般應(yīng)當(dāng)接近于1，而不同模態(tài)的兩個(gè)向量間的MAC值一般則比較小。通過信號校驗(yàn)，本輪模態(tài)試驗(yàn)測試信號數(shù)據(jù)的相關(guān)性很好，可靠性非常高。

4.模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與分析

用東方所DHMA實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析軟件對重型商用車駕駛室各測點(diǎn)傳遞函數(shù)先進(jìn)行集總平均，然后進(jìn)行模態(tài)擬合，計(jì)算模態(tài)參

數(shù)。通過觀測識別出的模態(tài)振型動(dòng)畫，可看出：車身振動(dòng)模態(tài)可分為車身剛體模態(tài)、車身扭轉(zhuǎn)、車身彎曲和車身局部振動(dòng)模態(tài)。振動(dòng)模態(tài)參數(shù)分布如下表1，部分模態(tài)振型如下表2。從表1中可看出，第一階彈性模態(tài)是剛體模態(tài)的7.6倍，故保證了隔離環(huán)境振動(dòng)對車身模態(tài)試驗(yàn)的干擾，提高了頻響函數(shù)的信噪比。

5.結(jié)論

根據(jù)駕駛室模態(tài)參數(shù)和振型圖結(jié)果，對該重卡駕駛室動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)水平進(jìn)行如下評價(jià)：

5.1在0～80Hz頻帶內(nèi)，駕駛室具有15階模態(tài)（包括一個(gè)剛體模態(tài)），駕駛室模態(tài)比較分散，說明該駕駛室設(shè)計(jì)較合理。

5.2該車前、后懸架系統(tǒng)頻率為3～4Hz，而該駕駛室的一階彈性模態(tài)頻率為19Hz，表明駕駛室設(shè)計(jì)避開了該車懸架系統(tǒng)的固有頻率，說明該駕駛室設(shè)計(jì)是合理的。

5.3六缸發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)轉(zhuǎn)速在700r/min，怠速頻率在35Hz左右，因此可判斷，怠速時(shí)駕駛室與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生局部共振，后續(xù)應(yīng)通過強(qiáng)化駕駛室內(nèi)部結(jié)構(gòu)以提高駕駛室4～6階振動(dòng)模態(tài)頻率，使其與發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率錯(cuò)開。

本文以某重型商用車駕駛室為分析對象，通過激振器法模態(tài)試驗(yàn)測試和分析，獲得了主要的模態(tài)參數(shù)和振型分布。由此可以直觀地獲得該駕駛室的動(dòng)態(tài)特性，為設(shè)計(jì)人員改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了非常直觀的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Brughmans M ， Goosense S ， Takei T， et al.Morphing technology applied to body modeling [J].AutoVehicle Technique，2003.

[2]傅志方等.模態(tài)分析理論與應(yīng)用.上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[3]張學(xué)榮等.NJ6400白車身結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2002.

[4]楊英等.某轎車白車身模態(tài)分析與試驗(yàn)研究.東北大學(xué)學(xué)報(bào)[J]，2008.

作者簡介：石勝文（1989-），男，廣西欽州人，本科，助理工程師，現(xiàn)工作于東風(fēng)柳州汽車有限公司，主要從事汽車NVH研發(fā)方面的工作。