試驗模態技術在車輛中的應用

摘 要：試驗模態技術是借助計算機分析系統通過振動模態試驗來得到車輛結構的動態特征，為其結構設計和改型提供必要的基本參數，是當前汽車制造業極為倚重的技術之一。希望通過文章的分析，能夠對相關工作提供參考。

關鍵詞：試驗模態；汽車制造；振動；分析

引言

目前，我國的整車生產企業達到120家左右，該數目幾乎是歐美日三個地區汽車生產廠家的總和，但是國內的產量之和也不及國外的一個大公司產量，而且在質量等方面也存在很大差距。汽車安全系數是民眾最為關心的問題，所以把好質量關直接關系到汽車制造業的生死存亡。

1 試驗模態技術介紹

模態指的是物體結構所固有的動態特征，包括頻率、阻尼比、振型等參數。具體的模態參數可由計算或者試驗來取得。試驗模態分析的實質是將被測試物的物理坐標系統轉換到模態坐標系統中來，再通過測試其頻率、阻尼、模態振型等特征來描述其結構。

對于機械制造行業而言，試驗模態技術主要有以下作用：（1）評價現有結構動態特征，對結構進行強度設計；（2）深入洞察振動發生的根本原因，快速識別結構設計的薄弱環節；（3）有助于快速檢查產品質量，減少產品召回損失，提高其競爭力[1]。

2 試驗模態技術在車輛中的具體應用

2.1 系統組成

在車輛模態測試中，可采用的方法有單點激振和多點激振，其中多點激振的精度較高。但是由于多點激振布置點及后續調整較為麻煩，且單點激振的測試精度也足以滿足日常使用，所以通常采用的是單點激振法進行。

單點激振模態測試系統的組成主要包括以下幾部分：（1）激振部分。其主要包括激振器、信號發生器及功率放大器；（2）信號采集部分。其主要包括加速度傳感器、阻抗頭、A/D數據轉換器等；（3）數據分析部分。

2.2 傳感器及測試點的布置

在模態試驗中，要求傳感器的動態范圍、工作頻段較寬，有一定對抗干擾能力，且靈敏度和線性都較好。得益于材料技術的發展，目前的傳感器體積和質量都大大減小，且功能和精度得到顯著提高。在車輛測試中，一般選用壓電式加速傳感器和阻抗頭。在進行傳感器安裝時，需要根據測量規定的方向測定其真實制動信號，據此選擇合適的固定方式和位置[2]。

對響應測試點位置、數目、安設方向進行確定時應按照以下原則進行：（1）可以有效顯示設置頻率范圍內的結構振型情況；（2）應將所有的關鍵點包含在測試范圍內；（3）測量方向與激振方向能夠保持一致。

2.3 在白車身測試中的應用

某制造商的白車身模態分析系統如圖1所示。車身被四根橡皮懸吊在剛性支架上，車身保持水平，盡可能使車身處于自由狀態，以減少外界的干擾。在此利用電動激振器單點激振，激振信號為白噪音[3]。因為白噪音的激振頻帶較寬、信噪比及波峰因數較好，能夠呈現多階模態。此外，該方式的試驗速度較快，適合布置多個測點。在選擇激振點時，應注意布置在非節點上，例如車身的承載梁上。這樣可防止激振幅度變化過大，又利于激振能量順利傳遍與整個車身。

激振器的基座要求安裝在剛性結構上，其與阻抗之間通過一條長度為10cm、直徑為5mm的桿連接，它主要起著保證力的傳播方向以及過載保護作用。本項目在測量激振力及振動響應時，設計選用BK型壓電式阻抗頭及加速度計。其中加速度計的固定方式為磁鐵吸力，為了使傳感器便于在測點之間移動。一般在車身框架、門窗、發動機位置處布置實振測點；而對于面積較大的部位，例如車頂、后蓋等采用網格化布點形式[4]。

2.4 在車內噪音測試中的應用

車內噪音模態測試時要求車輛分別以不同速度行駛。本項目的測試點分別布置在前后排司機及成員的耳朵處，且要求傳感器距車廂距離超過0.20m，方向指向前方[5]。表1表示了白車身優化前后車內噪音的測試對比結果。從測試結果中可以看到在白車身優化之后噪音水平有了較大的降低水平，最高達到2.3分貝，不僅使車內環境變得舒適，而且也大大增加了車身的可靠性。

2.5 在輪胎測試中的應用

輪胎對于減少車輛震動，保證運行平穩具有直接影響，也是關系到車輛安全的最直接部位。眾所周知，輪胎的動態特性和車胎內部的氣壓直接相關，所以重點對不同胎壓時輪胎的動態特性進行測量。該測試項目也是采用橡皮繩將輪胎懸吊，之后采用激振錘對固定點施加徑向脈沖激勵，壓電加速器采用膠水黏結在胎面，共布置了24組，每組5個測點[6]。

3 結束語

試驗模態技術具有檢測系統簡單、檢測速度快、結果精確等優點，在現代車輛制造中有著廣泛的應用。文章介紹了該技術在白車身、車內噪音、輪胎等部位的測試應用情況，為以后該類型工作提供了一定的技術參考，具有一定的實用價值。

參考文獻

[1]鄭德清，張立民，李原輝.純模態試驗方法在車輛中仿真分析中的應用[J].噪聲與振動控制，2011（2）：18-23.

[2]王永，張永利.試驗模態分析技術在車輛降噪中的應用[J].汽車技術，2009（5）：24-26.

[3]葛劍敏，王衛防.輪胎模態試驗及在輪胎結構設計中的應用研究[J].輪胎工業，2011（4）：36-39.

[4]尹念東.虛擬試驗技術及其在車輛工程中的應用[J].上海汽車，2013（4）：56-59.

[5]孟霞，李 .復合材料板架結構中純模態試驗技術的應用[J].噪聲與振動控制，2013（4）：18-22.

[6]張立軍，徐卓平，靳曉熊.汽車整車及零部件試驗模態分析測試技術[J].試驗與研究，2010（4）：67-69.

作者簡介：陸江（1970，7-），男，江蘇海門人，畢業于北京理工大學，本科，高級工程師，研究方向：車輛測試。