輪胎模態分析試驗研究

宮少琦，王 暉，朱 健，郭風晨，施長宏

(華晨汽車工程研究院，沈陽 110141）

輪胎賦予了汽車“腳”的功能，是汽車的重要零部件，它主要承受車載重量和路面激勵，因此輪胎的振動特性直接影響車輛駕乘舒適性能。輪胎的低階模態一般分布在300 Hz以內，而大部分底盤零部件在此頻段內也存在模態分布，兩者很可能耦合，一旦耦合就會影響車輛的NVH性能，因此對輪胎的動態特性深入研究有著重大意義[1-2]。另外，輪胎屬于橡膠類彈性體，有限元分析很難建立準確的輪胎橡膠參數，因此通過有限元模擬分析的輪胎模態參數與實際有一定差異[3-5]，相比之下模態試驗測量參數較準確。目前國內主機廠主要通過實驗方法得到輪胎模態參數，但缺少一套適用性較強的方法指導，因此對輪胎模態試驗深入研究，有著較大的工程實用價值，為輪胎噪聲振動控制、底盤結構分析及車輛NVH性能優化提供指導性依據[5]。

模態試驗過程中的種種變量會對模態分析產生一定偏差影響，因此本文以兩種規格尺寸的輪胎為研究對象，結合LMS Test Lab，主要針對模態測點布置、邊界約束和激勵形式三個要素，對輪胎模態進行測量分析對比，得到了更加精確的輪胎模態參數，并提出適用性較強的輪胎模態試驗指導方法，闡述輪胎模態試驗研究的實用價值與重要意義。

1 模態試驗

1.1 模態分析原理

傳遞函數是輸出的拉普拉斯轉換除以輸入的拉普拉斯轉換，同理，頻率響應函數是輸出的傅立葉變換比上輸入的傅立葉變換。頻響函數的定義如下[6]

模態分析就是通過頻響函數識別模態參數，圖1介紹了頻響函數與模態參數的關系。

圖1 頻響函數-模態參數

1.2 模態試驗

試驗模態分析[7]主要有三個重要步驟：第一，建立測量系統，即懸掛測量試件、布置傳感器、安裝激振器、建立試件模型等；第二，測量頻率響應數據，即在某激勵力的作用下結構被激起振動，進而采集并輸出頻響函數；第三，模態數據分析，即利用試件的頻響函數進行計算估計模態參數，如試件的固有頻率和陣型等重要參數。針對輪胎模態試驗研究內容，確定輪胎模態試驗系統設備(表1)，試驗測量系統的連接方式詳見圖2，主要包括加速度振動傳感器、激振系統、數據采集和分析系統。

表1 試驗設備信息

圖2 試驗測量系統

2 模態試驗研究

本文針對測點布置、邊界約束和激勵形式三個要素，進行對比測試，優化輪胎模態試驗方法，提高輪胎模態參數精度。

2.1 布置測點

模態測點布置原則：

1)所設計的測點能估計出輪胎的形狀、尺寸和結構；

2)測量結果能得出清晰可辨的模態陣型。試驗中將測點分別布置在內胎面、正胎面、外胎面，數模見圖3(a)，以10°為間隔在每個胎面上布置36個測點；實際測點布置詳見圖3(b)，激勵方式選用力錘敲擊，激勵軸向(X)、切向(Y)、徑向(Z)的輪胎對應方向頻響信號見圖4。

圖3 輪胎模型與測點布置

圖4 輪胎頻響曲線

結合LMS_Polymax模塊計算模態結果如圖4－圖6。

試驗結果表明：

1）測點分別布置于內胎面、正胎面、外胎面及三胎面測量所得的固有頻率相差不大，偏差在3 Hz以內；

2）測點僅布置于內或外胎面時，輪胎的徑向與軸向模態數值接近易耦合，在計算中難于拾取并發生遺漏，圖5中測點僅布置于外胎面時其1階模態被遺漏；

3）三個胎面同時測量時，有效區分了數值較接近的輪胎徑向和軸向模態的主陣型；

4）輪胎徑向模態呈現花瓣狀，陣型中每個花瓣構成應不少于4個測點才能使陣型清晰可見，八花瓣陣型需要至少32個測點。因此對輪胎模態測量時，應在內胎面、正胎面和外胎面，等角度間隔平行布置36×3個點。

圖5 測點不同模態結果對比

圖6 輪胎主陣型的區分

2.2 優化邊界條件

自由約束要求要盡量降低邊界約束對其振動特性的影響，應滿足：

1)輪胎支撐非常柔軟（支撐模態應低于測量件模態的20%）；

2)支撐連接點的運動幅度要很小。如圖7。對輪胎邊界約束狀態進行：(a)軟繩水平吊裝、(b)軟繩垂直吊裝和(c)整車安裝離地狀態對比。3種約束狀態均接近輪胎自由狀態，每種狀態布置36×3個測點，激勵方式均選用力錘敲擊。

圖7 不同邊界約束情況

結合LMS計算輪胎模態見圖8。

圖8 不同約束頻響曲線

結果表明：

(1)圖8將(a)、(b)和(c)3種約束狀態測量的頻響特征進行對比分析，所關注頻段內，輪胎的特征頻率偏差均在2 Hz以內；

(2)輪胎整車安裝離地狀態受到激勵時，支撐連接點位移量較另外2種狀態更小，且更加便捷。因此對輪胎模態測量時，輪胎處于整車安裝且離地狀態即可得到準確的模態參數。

2.3 選取激勵方式

激勵原則：

1)保證激勵信號的一致性（激勵力信號相干系數應高于0.85）；

2)激勵出試件所關注頻段內所有相關模態。模態試驗分別應用力錘和激振器進行測試，圖9為使用激振器實測圖。

圖9 激振器激勵方式

測試結果表明：

(1)激振器法與錘擊法計算結果偏差在3 Hz以內，兩種不同激勵源均可獲取輪胎模態(圖10)；

圖10 不同激勵方式模態結果對比

(2)激振器激勵力信號的相干系數接近1(圖11)，力錘信號相干性稍差，可知激振器優于力錘，且試驗進行中更加便捷和高效。因此輪胎模態測量時，激振器法優于錘擊法。

圖11 激勵力信號相干系數

3 結語

綜上，經過對兩種尺寸規格的輪胎進行大量模態試驗對比，確定了輪胎模態試驗三要素的選取原則，優化了輪胎模態試驗分析方法，即采用三胎面測點布置、整車安裝離地狀態和激振器激勵方式；同時也通過此方法得到了準確的的輪胎模態參數與模態陣型（見表2），驗證了方法的可行性。

表2 測試輪胎模態參數與陣型

對輪胎模態測量時應使用以下試驗方法：

（1）測點布置：在3個胎面（內胎面、正胎面、外臺面）等間距平行布置至少36×3個測點，即每個胎面按10°等間隔布置36個測點；

（2）邊界約束：輪胎處于整車安裝且離地自由狀態，即將車身置于舉升機上，使輪胎處于離地自由狀態；

（3）激勵形式：選用激振器，分別激勵其徑向、軸向和切向，信號整合計算后得到輪胎模態。