車輪模態及頻響分析和試驗檢測方法研究

李雪貂 廖放心 胡飛

摘? 要：車輪是汽車重要的零部件之一，尤其是在高速行駛狀態下，車輪的振動特性決定著車輪行駛和制動時的振動和噪聲性能，對汽車的操作穩定性、行駛的安全性、乘坐的舒適性有較大的影響。本文主要研究乘用車鋼制車輪模態及頻響分析和試驗檢測方法，以ABAQUS有限元分析軟件為平臺，建立車輪模型進行模態和頻響仿真分析，然后通過OROS公司的激振、振動測量與分析系統進行車輪的模態試驗，通過對比分析與試驗數據，確定分析精度。為主機廠提供模態分析報告，協助其提高整車NVH性能。

關鍵詞：模態;固有頻率;頻響

中圖分類號：U436.34? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2019）04-0076-06

Abstract： The wheel is one of the important parts of the car， especially in the high-speed driving state， the vibration characteristics of the wheel determine the vibration and noise performance of the wheel when driving and braking， the stability of the operation of the car， the safety of driving， the ride Comfort has a big impact. This paper mainly studies the modal and frequency response analysis and test detection methods of steel wheels for passenger cars. The ABAQUS finite element analysis software is used as a platform to establish the wheel model for modal and frequency response simulation analysis， and then through OROS's excitation and vibration. The measurement and analysis system performs the modal test of the wheel， and the analysis accuracy is determined by comparing the analysis with the test data. Provide modal analysis reports to the OEM to help improve NVH performance.

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對汽車綜合性能的要求也日益提高。其中減輕振動強度，降低噪聲，是提高乘車舒適性的重要內容之一，并且有越來越重視的趨勢。而模態分析和試驗是其中最重要的技術之一，通過模態分析和試驗，得到產品結構的模態參數，可以為結構設計部門提供結構動態基本參數，進行結構系統的振動特性分析、結構動力特性優化設計和修改。正是由于模態分析和試驗技術巨大的工程實用價值，使其成為振動理論解決工程問題最重要、應用最廣泛的技術手段[4][5] 而車輪是汽車重要的零部件之一，一方面要避免其固有頻率與其他系統共振引起的失效和乘車舒適性差的問題，另一方面尤其是在高速行駛狀態下，來自路面的激勵會引起車輪結構的強迫振動，從市場反饋來看，車輪的失效模式基本都是疲勞損壞。由于疲勞損壞主要是載荷的累積效應而產生的，所以，即使來自路面的激勵不大，但當波動的次數累積到某一個固定值，也會造成材料的永久變形和疲勞裂紋，繼而導致永久失效。此處的激勵是指隨著時間或者頻率變化的加速度、速度和位移。因此除了研究車輪的模態，還需要研究其頻率響應特性。

與此同時，很多主機廠的客戶都要求供應商提供車輪模態和頻響分析和試驗報告，因此對車輪模態頻響分析和試驗方法的研究刻不容緩。

1? ? 車輪模態頻響分析

模態分析亦稱振型分析，是研究結構特性的一種方法，是系統辨別在方法在工程振動中的應用。模態是結構的固有振動特性，包括固有頻率、阻尼比、模態振型。工作模態分析目的是確定結構的模態參數，如固有頻率、阻尼、振型等。理論分析采用有限元法[3]。

1.1? ?分析和試驗樣件選取

仿真分析的樣件選用了5.5J×15規格的東風0721鋼制車輪，主要通過模態分析和試驗方法提取車輪模態參數。

1.2? ?車輪有限元模態分析

模態是結構系統的固有振動特性，與結構振動密切相關。模態對應到結構的振動固有頻率，是結構本身的固有屬性。從有限元仿真的計算來看，就是對結構網格劃分之后，對方程組的系數形成的矩陣進行對角化，最終求解得到的特征根，這個就是結構的固有頻率，也屬于模態分析的內容。結構有幾個自由度就對應有幾階模態，每個特征根對應的特征向量就對應結構的模態振型。

本文應用Abaqus軟件對車輪樣件進行有限元模態分析，通過模擬仿真分析得到車輪前20階（通常設置的頻率的范圍為0-2000HZ）模態頻率和模態振型。分析步驟如下圖1：

1.3? ?車輪頻響分析

通過提取所關心的輪輻偏轉模態頻率和模態振型。重新設置模態頻率解析范圍、僅僅提取輪輻偏轉這一階次加速度對單位激振力的純模態頻響曲線、得到10HZ時輪輻偏轉純模態的頻響加速度值，可根據計算公式，計算輪輻轉動剛度。

圖2示出利用第16階模態（模態頻率是1299.8Hz，為輪輻轉動模態）計算的節點744758處對單位激振力的X方向的加速度頻率響應函數，包括幅頻特性（Magnitude）和相頻特性（Phase）。

2? ? 車輪模態試驗分析

試驗分析是利用實驗設施，激勵結構使其作橫向彎曲振動、縱向振動和扭轉振動，通過實時分析儀和計算機進行數據采集和處理，測試結構的響應，給出模態參數。試驗分析的結果用于驗證理論計算結果的精確性，并找出改進分析精度的途徑。

模態試驗，通過同時測量系統的輸入和輸出信號，并對其進行數學處理，估計出被測系統的頻響函數或者脈沖響應函數，為模態分析提供可靠的數據。頻響函數的測試方法一般分為兩種，單點激勵和多點激勵。前者是對結構一點激勵，同時測量所有點的響應。后者是對結構的某些點激勵，同時測量多點響應。頻響函數測試系統一般由三部分組成，即激勵部分、傳感部分、記錄部分。頻響函數數據分析系統主要有記錄部分和分析儀器[3]。

本文模態試驗方法采用的是錘擊法，通過OROS公司的激振、振動測量與分析系統，進行車輪的模態試驗分析，測量車輪在“自由—自由”狀態下的多模態頻率和模態振型，得到所關心的輪輻偏轉模態頻率和模態振型;把車輪的垂直軸向激振模型等效于單自由度軸向振動模型，用單自由度振動頻響方程重新擬合出所關心的某一階純模態頻響曲線，然后可根據公式計算輪輻轉動剛度。

3? ? 分析與試驗結果對比

車輪的有限元模態分析得到了多階輪輞模態，而實驗模態分析沒有得到這些模態，這主要是由加速度傳感器布置決定的。這些安裝的加速度傳感器基本上僅對輪輻的加速度敏感，對輪輞的加速度不敏感，難以發現輪輞變形占優的模態。

（1）分析和試驗結果對比

（2）輪輻轉動剛度值

在車輪模態試驗中1點激振、1點測振得到的頻率響應函數。試驗測得第一階輪輻轉動（偏轉）模態頻率為1279Hz。從實驗得到的頻率響應函數中取1250Hz至1279Hz之間的頻率響應函數值得到的曲線。將利用它們進行單自由度頻率響應函數曲線擬合，估計1279Hz這一階的純模態頻率響應函數。

利用有限元分析法得到的0721車輪的輪輻轉動剛度為4.376×108 Nmm/rad，與利用模態試驗方法得到的剛度4.845×108 Nmm/rad相比，相對誤差為9.7%。

5? ? 結論

本文對規格為5.5J×15的乘用車鋼制車輪（0721）進行了模態及頻響分析和試驗分析，得出結論如下：

（1）0721車輪我們最關注的輪輻偏轉振型，仿真分析結果為1299.8Hz和1323.9Hz;

（2）0721車輪我們最關注的輪輻偏轉振型，試驗采集結果為1279Hz和1388Hz;

（3）0721車輪我們最關注的輪輻轉動剛度，仿真分析的計算結果為4.376×108 Nmm/rad;

（4）0721車輪我們最關注的輪輻轉動剛度，試驗采集的計算結果為4.845×108 Nmm/rad;

經過模態和頻率響應分析和試驗驗證，我公司模態及頻響分析精度超過90%，車輪固有頻率、輪輻轉動剛度分析和試驗結果完全滿足客戶要求，公司完全掌握了車輪模態及頻響分析和試驗檢測方法。

參考文獻：

[1]李曉雷，俞德孚，孫逢春.機械振動基礎.北京理工大學出版社.2010.

[2]胡海巖.機械振動基礎.北京航天航空大學出版社.2005.7.

[3]（比利時）海倫著，白化同，郭繼忠譯. 模態分析理論與試驗.北京理工大學出版社.2000.

[4]張立軍，余卓平，靳曉雄，周宏. 汽車整車及零部件試驗模態分析測試技術.《汽車工程學報》.2000.

[5]（美）黃顯利（XianLi Huang）.卡車的噪聲與振動及其控制策略.北京理工大學出版社.2018.1.