重型商用車駕駛室模態(tài)試驗與分析

龐宇達(dá)

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)試驗法；NVH性能；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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(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、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)振動噪聲提供了重要依據(jù)。

一、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個自由度的線彈性動力系統(tǒng)，其強(qiáng)迫振動的運(yùn)動方程式可用矩陣形式表示：①

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。

對于線性系統(tǒng)，多自由度系統(tǒng)的頻響函數(shù)是多個單自由度系統(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。

二、駕駛室模態(tài)測試方案

（一）模態(tài)分析方法

模態(tài)測試分析方法分為時域法和頻域法。時域法是直接由結(jié)構(gòu)的時域響應(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?zāi)B(tài)測試分析是通過試驗測定傳遞函數(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，識別模態(tài)參數(shù)，通常包括下面四個步驟：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。

（二）模態(tài)試驗方案

本次試驗采用激振器法模態(tài)測試，測試方案為單點(diǎn)激勵，多點(diǎn)響應(yīng)的試驗方案：.試驗設(shè)備采用北京東方所INV306U動態(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，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(tǒng)（獲得響應(yīng)信號）；用DHDAS基本控制分析軟件和DHMA實(shí)驗?zāi)B(tài)分析軟件；.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。激振點(diǎn)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(fā)隨機(jī)信號，激振頻率帶寬為1～200Hz。

1、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(cè)圍、前圍、后圍、頂棚和地板上，拾振點(diǎn)建模。

2、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(tài)的機(jī)會，全駕駛室測點(diǎn)均勻分布，共設(shè)置.1000個測點(diǎn)，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。

三、模態(tài)試驗數(shù)據(jù)驗證.

信號在關(guān)心頻率段內(nèi)（0～200Hz）的相干性很好，對振型相關(guān)性的矩陣校驗，采用的是模態(tài)置信準(zhǔn)則（MAC）來估計。MAC是兩個向量間對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，同一物理模態(tài)的兩個向量的MAC值一般應(yīng)當(dāng)接近于1，而不同模態(tài)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(tài)試驗測試信號數(shù)據(jù)的相關(guān)性很好，可靠性非常高。

四、模態(tài)試驗結(jié)果與分析

用東方所DHMA實(shí)驗?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，計算模態(tài)參數(shù)。通過觀測識別出的模態(tài)振型動畫，可看出：車身振動模態(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模態(tài)。振動模態(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)境振動對車身模態(tài)試驗的干擾，提高了頻響函數(shù)的信噪比。

五、結(jié)論

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態(tài)特性，為設(shè)計人員改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了非常直觀的依據(jù)，這對于我國汽車行業(yè)發(fā)展意義重大。

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