基于頻響函數質量線法的摩托車整車剛體慣性參數的辨識

劉煥領　景亞兵　白　偉（天津大學內燃機研究所　天津　300072）

基于頻響函數質量線法的摩托車整車剛體慣性參數的辨識

劉煥領景亞兵白偉
（天津大學內燃機研究所天津300072）

采用基于頻響函數質量線法獲取某摩托車整車的剛體慣性參數，為整車分析優化和懸架系統的設計優化提供條件；并用稱重法進行驗證，表明基于頻響函數質量線法辨識摩托車整車慣性參數準確度較高。

頻響函數質量線法摩托車慣性參數

剛體慣性參數是指質量、轉動慣量、質心坐標等參數。這些參數是進行整車分析和優化的前提要求；對于車輛懸架系統的設計與優化、系統減振等具有非常重要的作用。簡單物體的慣性參數可直接通過數學計算或有限元模型計算獲得；摩托車整車是由發動機、傳動系統、行走系統、轉向、制動系統和電氣儀表設備五部分組成，其材料組成、零部件結構非常復雜，很難建立精確的三維模型和有限元模型，因而通過數值計算法很難得到精確的慣性特性參數；而傳統的試驗方法如落體測試法、三線擺法、力矩平衡法和復擺法等對于大型部件慣性特性參數的獲得也非常困難。

近年來國內外不少專家和學者提出了“基于頻響函數質量線的剛體慣性參數識別”的方法。本文在此基礎上，通過對此方法的探索，將其應用于獲取摩托車整車的慣性參數。

1　試驗原理

質量線法是從振動系統頻率響應函數的實部數據中提取振動系統剛體響應的方法，如圖1所示。

圖1　頻響函數曲線

圖1中的頻響函數曲線分為三部分：低頻段顯示的是懸吊支撐系統的固有頻率特性；高頻段顯示的是結構在懸吊支撐約束條件下發生一定變形時的柔性體模態；中間近乎平行于頻率軸的頻段即要利用的質量線頻段；該頻段內FRF值只與質量矩陣中被測結構的各慣性參數有關，受懸吊或支承系統自由振動固有模態及被測物體彈性模態的影響很小[1]。

因此，可通過整車試驗模態分析得到FRF曲線，經過計算變換得到整車的各項剛體慣性參數。

2　摩托車整車模態試驗及慣性參數計算

2.1測試系統

模態測試分析系統由激振系統、拾振系統、數據處理系統等組成，如圖2所示。選用力錘敲擊法進行模態試驗。測試中摩托車的發動機和變速器不運轉；前后減震器鎖死；油箱中無油（干質量狀態）；其質量為185kg。

圖2　模態測試分析系統

采用LMS公司的相關儀器設備與軟件、B&K公司的力錘和三向加速度傳感器進行數據的測取分析及后處理。

試驗中采用橡膠軟繩懸吊整車，使其處于近似無約束的自由狀態，懸吊時應盡量減小橡膠軟繩對整車造成的約束，避免對整車平動或轉動的影響。測試現場如圖3所示。

圖3　測試現場

2.2試驗方法

以后輪中心垂線與地面的交點作為坐標原點建立坐標系，坐標系X軸正方向為車尾指向車頭，坐標系Y軸正方向為車左側指向右側，坐標系Z軸正方向垂直地面向上，如圖4所示

圖4　測試坐標系示意圖

為得到準確的剛體參數，要求至少6個不同位置激勵和8個采集響應點（測量3個方向）。激勵點和響應點都應在局部剛度較大的位置選取，以防止局部彈性變形影響測試結果。本次試驗各車選取的激勵點及響應點如圖5和圖6所示。

圖5　激振點和拾振點幾何模型

圖6　部分測點

由于質量線法計算慣性參數時所截取的數據是低頻段的FRF值，因此應選用較軟的錘頭如橡膠錘頭或尼龍錘頭，并設置較高的頻率分辨率。為取得較好的數據計算結果，一般要保證所選質量線頻段內的頻率譜線數大于5條。但若在較大的頻域范圍內，結構本身的質量線數據可保持相對的恒定值，那么可將采樣頻率分辨率設置得較低，以提高運算速度、加快試驗進程[2-3]。

2.3數據處理及計算結果

該車激勵點及響應點的測量、選取的質量線范圍等參數見下表1所示。

表1　試驗參數匯總

首先，選取測試采集到的模態數據導入到LMSTest.Lab剛體特性計算模塊，選擇合適的質量線頻段，選取原則是數據段平坦、遠離第一階彈性模態且與0Hz保留一段距離。據此，截取質量線頻段在4Hz~12Hz之間，如圖7所示。

圖7　加速度FRF曲線

然后，輸入以下參數如表2所示。

表2　計算輸入參數

最后，將以上模態數據和參數輸入到剛體特性計算模塊中，計算得到該車剛體慣性參數見下表3。

2.4方法驗證

利用傳統的測量質心的方法--稱重法驗證上述基于頻響函數質量線法求取質心坐標等慣性參數的方法的準確性。稱重法測試現場如圖8所示。

圖8　質心高度測量

表3　慣性參數測試結果

2種方法計算的質心坐標對比結果見表4。可以看出稱重法和基于頻響函數質量線法測得的X、Z方向的質心坐標誤差在10%以內，符合工程要求；由于稱重法無法得到摩托車Y向質心坐標，因此沒有比較。

表4　 2種方法計算的質心坐標對比

3　結論

基于頻響函數質量線的剛體慣性參數識別方法，設備簡單，操作方便，精度較高，可以用來進行摩托車整車等復雜結構慣性參數的識別。利用頻響函數估計，可以有效地從存在擾動的測試信號中提取出關心的慣性參數。本文通過基于加速度頻響函數準確地獲取摩托車整車的慣性參數，為進行摩托車整車的分析和優化以及懸架系統的設計與優化提供了條件。

1朱石堅，施引.利用加速度FRF的質量控制區段求測剛體質量分布特性[J].車用發動機，1994(6):35-38，34

2 JMW Lau，F Deblauwe.Advanced FRF based determination of structural inertia properties[C].SAE Paper 2007-01-2329

3德國Siemens公司.LMS Test.Lab Rev13A Theory Documents Rigid Body Modes[EB/OL].http://www.siemens.com/ p lm/lms,2013

Identification ofM otorcycle Rigid Body Inertia Parameters Based on FRFMass LineM ethod

Liu Huanling，Jing Yabing，BaiW ei
Tianjin InternalCombustion Engine Research Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）

The rigid body inertia parameters of amotorcycle are identified based on the FRFmass line method,providing the conditions for the vehicle analysis optimization and the design optimization of the suspension system.And compared with theweighingmethod,the results indicate that themass linemethod hasa good accuracy.

FRF，Mass linemethod，Motorcycle，Inertia parameters

U483

A

2095-8234（2016）02-0055-03

2016-02-24）

劉煥領（1982-），女，碩士，主要研究方向為摩托車振動噪聲。