重型商用車駕駛室模態試驗與分析

石勝文等

摘要：駕駛室模態分析是商用車NVH特性研究的重要內容，識別駕駛室模態對避免駕駛室結構與聲腔共振以及降低車內噪聲有著重要的意義。本文以某重型商用車駕駛室為例，采用模態試驗法進行模態測試及分析，獲得駕駛室模態頻率和變形部位，為后續駕駛室的結構優化和NVH性能改善提供了重要依據。

關鍵詞：駕駛室模態；模態試驗法；NVH性能；結構優化

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（Vibration）和聲振粗糙度（Harshness），是衡量汽車質量的重要綜合性指標。駕駛室作為是重型商用車四大系統之一，可直接將振動噪聲傳遞給駕駛員和乘客，其結構性能的好壞對整車NVH有重要影響，并將直接影響到產品的競爭力。因此，在研發階段就必須嚴格控制駕駛室結構模態等車輛NVH性能關鍵參數。

商用車駕駛室車內噪聲成分含有低頻、中頻和高頻，在汽車研發階段要分別考慮加以抑制。由結構振動引發的低中頻噪聲，易引起乘客疲勞煩躁等不適，嚴重影響汽車乘坐舒適性。研究通過測試分析和優化駕駛室結構模態以降低駕駛室內振動、噪聲意義重大。本文基于國內某重型商用車，采用模態測試分析技術，研究了駕駛室結構NVH特性，為后續駕駛室結構優化和降低了車內振動噪聲提供了重要依據。

1.模態測試基本原理

駕駛室系統離散化后可視為一種具有N個自由度的線彈性動力系統，其強迫振動的運動方程式可用矩陣形式表示： ①

方程①經拉氏變換得：

傳遞函數可表示為：

[M]--質量矩陣，實對稱矩陣，正定；[C]--阻尼矩陣，實對稱矩陣，半正定；[K]--剛度矩陣，實對稱矩陣，正定或半正定。

令 ，振動系統的頻響函數矩陣為：

對于線性系統，多自由度系統的頻響函數是多個單自由度系統頻響函數的線性組合。要確定全部模態參數 、 、 ，實際上只要測量頻率響應函數矩陣的一行或者一列即可。

對系統i點進行激勵并在j點測響應，可得傳遞函數矩陣中第 行j列元素為：

2.駕駛室模態測試方案

2.1模態分析方法

模態測試分析方法分為時域法和頻域法。時域法是直接由結構的時域響應求得模態參數，而頻域法則是先把測試數據變換成頻域數據，然后進行模態參數識別。實驗模態測試分析是通過試驗測定傳遞函數并識別模態參數，屬頻域法。對結構進行模態試驗，識別模態參數，通常包括下面四個步驟：對結構進行激振、測量力和響應數據、估算傳遞函數、識別模態參數測試數據。文章介紹采用北京東方所INV306U動態測試分析系統結合國際流行的Polylscf（即PolyMAX）模態分析算法進行商用車駕駛室模態測試及分析。

2.2模態試驗方案

本次試驗采用激振器法模態測試，測試方案為單點激勵，多點響應的試驗方案：

2.2.1試驗設備采用北京東方所INV306U動態信號測試分析系統和DH103壓電加速度傳感器；20公斤激振器兩個，配套功率放大器兩個和INV306U自帶信號源模塊組成信號采集系統（獲得響應信號）；用DHDAS基本控制分析軟件和DHMA實驗模態分析軟件；

2.2.2駕駛室采用柔性繩索吊裝，近似于自由-自由條件，經測定，剛體共振頻率為2.5Hz遠低于駕駛室一階固有頻率，對測試影響很小，可忽略不計。激振點選擇在駕駛室左右后懸置上，采用兩個激振器，激振信號采用猝發隨機信號，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圍、前圍、后圍、頂棚和地板上，拾振點建模如圖1。

2.2.4每組測試采用25個傳感器拾振，并逐批移動傳感器；為減少漏掉模態的機會，全駕駛室測點均勻分布，共設置 1000個測點，分40組測量。測試過程中，同時觀察信號的時域波形和頻譜的一致性確保信號的可靠性。

3.模態試驗數據驗證

信號在關心頻率段內（0～200Hz）的相干性很好，說明試驗中混入的噪聲很小，試驗過程是在系統的線性范圍內進行的，如圖2所示。

圖3是對振型相關性的矩陣校驗，采用的是模態置信準則（MAC）來估計。MAC是兩個向量間對應的相關系數，同一物理模態的兩個向量的MAC值一般應當接近于1，而不同模態的兩個向量間的MAC值一般則比較小。通過信號校驗，本輪模態試驗測試信號數據的相關性很好，可靠性非常高。

4.模態試驗結果與分析

用東方所DHMA實驗模態分析軟件對重型商用車駕駛室各測點傳遞函數先進行集總平均，然后進行模態擬合，計算模態參

數。通過觀測識別出的模態振型動畫，可看出：車身振動模態可分為車身剛體模態、車身扭轉、車身彎曲和車身局部振動模態。振動模態參數分布如下表1，部分模態振型如下表2。從表1中可看出，第一階彈性模態是剛體模態的7.6倍，故保證了隔離環境振動對車身模態試驗的干擾，提高了頻響函數的信噪比。

5.結論

根據駕駛室模態參數和振型圖結果，對該重卡駕駛室動態設計水平進行如下評價：

5.1在0～80Hz頻帶內，駕駛室具有15階模態（包括一個剛體模態），駕駛室模態比較分散，說明該駕駛室設計較合理。

5.2該車前、后懸架系統頻率為3～4Hz，而該駕駛室的一階彈性模態頻率為19Hz，表明駕駛室設計避開了該車懸架系統的固有頻率，說明該駕駛室設計是合理的。

5.3六缸發動機怠速時轉速在700r/min，怠速頻率在35Hz左右，因此可判斷，怠速時駕駛室與發動機發生局部共振，后續應通過強化駕駛室內部結構以提高駕駛室4～6階振動模態頻率，使其與發動機點火頻率錯開。

本文以某重型商用車駕駛室為分析對象，通過激振器法模態試驗測試和分析，獲得了主要的模態參數和振型分布。由此可以直觀地獲得該駕駛室的動態特性，為設計人員改進結構設計提供了非常直觀的依據。

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