基于PolyMAX的汽车驾驶室系统试验模态分析

曾发林,阮 洋,李建康

(1.江苏大学汽车工程研究院,江苏镇江212013;2.江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013)

基于PolyMAX的汽车驾驶室系统试验模态分析

曾发林1,阮 洋2,李建康1

(1.江苏大学汽车工程研究院,江苏镇江212013;2.江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013)

汽车驾驶室系统的怠速振动是整车NVH性能的重要组成部分.为了满足NVH性能要求，考察模拟实际约束的荣威950型汽车驾驶室系统(空调系统总成、脚踏板总成、转向柱总成、仪表台总成、中控台总成、电器线束系统)的动态特性，采用随机白噪声激励、周期性扫频激励和脉冲激励(锤击)对驾驶室系统及子结构进行模态分析，通过PolyMAX算法获得了前3阶固有频率、阻尼和振型，对比分析其模态参数可知，随机白噪声激励效果最好，并改进其子结构的特性，从而避开整车的激励频率.

驾驶室系统;激励;PolyMAX;模态分析

0 引言

汽车驾驶室系统是由空调系统总成、脚踏板总成、转向管柱总成、电器线束系统、仪表台总成和中控台总成等组成,它们通过仪表台横梁总成连接起来.良好的驾驶环境对行车安全的重要性不言而喻,对驾驶室系统进行动态测试也是非常有必要的.由于驾驶室系统结构复杂、材料的多样性以及各总成的刚度跨度变化大,单一的测试方法不能体现试验结果的可信度,多种测试方法对该复杂结构的分析是必要的.

为改善驾驶员驾驶环境,减小驾驶室系统各部件在汽车行驶中的振动,提升整车的NVH性能,笔者以不同的激励方法、单点激励多点响应及移动传感器的方式对某型汽车的驾驶室系统及子结构进行试验模态分析,通过比较3种不同的激励方法得到的频响函数,得到最佳的激励法和系统模态参数识别结果,为驾驶室系统结构的改进和优化提出建议,避免发生怠速共振现象,从而改善汽车的NVH性能.

1 试验方案与设置

1.1 试验条件

为了合理再现驾驶室系统的动态特性,夹具应使驾驶室系统按实车的姿态、方向和角度安装到台架,实现对驾驶室系统的3处支撑和3处约束,达到与实车相当的支撑和约束状态［1］.建立模态试验整体坐标系,+X方向设为车辆前进方向,+Y方向设为乘员左侧水平方向,+Z设为垂直于车辆向上,如图1、图2所示.

图1 驾驶室系统支撑方式Fig.1 Support way of the cab system

图2 驾驶室系统约束方式Fig.2 Constraint way of the cab system

图1中驾驶室系统左右两侧4个固定点与左右试验台柱相连,图2中前围4个安装点与前试验台柱相连接,驾驶室系统下端两个支架直接与台架固定,其约束状态与实际的约束基本一致.根据测点所在的空间位置,在LMS Geometry模块中建立试验模型.

1.2 试验测试系统

本次试验所用仪器如表1所示.试验测试系统如图3所示.

表1 试验仪器列表Tab.1 Experimental equipments

图3 试验测试系统Fig.3 Experiment system

1.3 参数的设置

试验采用LMS Test.Lab中的脉冲激励法、随机白噪声激励法、周期性扫频激励法对驾驶室系统的动态特性进行测试,参数设置如表2所示.

表2 激励参数的设置Tab.2 Settings of incentive parameter

2 试验结果分析

2.1 理论基础

PolyMAX方法是一种非迭代频域参数估计算法［2-3］,在弱刚度、强阻尼、密集模态系统以及未得到充分激励的情况下,都可以很稳定地产生系统的极点和参与因子,从而得到更容易理解的稳态图,方便模态参数的识别.

第一步:通过建立线性化的直交矩阵分式模型来确定稳态图,判定真实的模态频率、阻尼和参与因子［4-5］

式中:B(ω)为输出参数矩阵;A(ω)为输人参数矩阵;βr为分子多项式系数矩阵;αr为分母多项式系数矩阵;αr、βr均为实值系数,可由最小二乘法求得;p为数学模型阶次;d t为采样时间间隔;z为多项式基函数.

我们现代人对工笔花鸟瓷画进行解读的时候可以见证它让人过目难忘的艺术魅力，在品味工笔花鸟瓷画艺术魅力的时候需要从它外在的形式美进行考究，从它的结构形式上进行探索，更重要的是需要领会其内在的文化价值，即画者内心世界的表达，也就是画面塑造的意境美。

第二步:在求出分母多项式系数αr的基础上,将其扩展的“友”矩阵的特征值分解,就可以得到极点pr和模态参与因子lTr,其极点留数模型如式(3)所示.

在极点pr和模态参与因子已知的条件下,可以根据测量得到的FRF,(ω)按照不同的取样频率列出,如式(3)所示,用最小二乘法求出式中未知的模态振型φr以及上下余项LR和UR.

2.2 3种激励方法得到频响函数的比较

如果被测结构具有非线性特性以及材料的刚度跨度比较大,则激励显得尤为重要,因为测量出来的频响函数决定于激励信号的性质和量级.通过比较3种方法得到的频响函数,获得一种更容易识别模态参数的激励方法,如图4所示.由图4可知:

图4 频响函数Fig.4 The frequency response function

(1)锤击法具有快速、方便的特点,但在测量复杂结构且材料的刚度跨度比较大时,因其激励能量小,不能使整个结构激振起来(图中22.49, 29.72 Hz处无波峰).实测结构上的响应信号过小、信噪比过低,导致模态测试精度不高,从而不能得到准确的频响函数.故该方法不采纳.

(2)随机白噪声激励法可以经过多次平均消除非线性因素的影响,能得到线性估算最佳的频响函数.但由于白噪声激励信号容易产生能量泄漏误差,相比于周期性扫频激励信号,在37.5 Hz处不能激励出明显的波峰.对于考虑本试验所需的模态参数,该激励法是可以采纳的.

(3)周期性扫频信号具有极好的峰值有效值比及良好的信噪比［6］.在34.21～43.36 Hz区间,内部阻尼比较复杂的情况下,该激励法能激出明显的波峰,得到试验所需模态参数,可以采纳.

2.3 驾驶室系统的模态参数识别

基于LMS Test.lab软件,检验测试系统采集试验数据的准确性.根据随机白噪声激励法采集的数据,运用PolyMAX方法对采集的数据在频域内进行参数辨识,得到了驾驶室系统频响函数的稳态图如图5所示.开始时的假定极点数很少,都是计算极点,标以o,表示程序在该频率上没有预先找到极点.随着假定的极点数的增加,这些o就演化成f、d、v和s等,分别表明预先已找到了那个频率、频率和阻尼稳定、频率和模态参与因子稳定和所有3种参数全部稳定.把值比较一致的s点看作一个极点,在稳态图上进行拾取.对于模棱两可的极点,不应随便抛弃,应经过模态验证确认这些极点是否为物理极点,这样就完成了系统极点的估计.

提取驾驶室系统的前3阶固有频率,结合驾驶室系统各阶固有频率的模态振型如图所6示,获得系统的模态参数如表3所示.

引起驾驶室系统振动的原因是怠速时发动机激励通过传动系统、排气系统和悬架系统传给驾驶室的,因此,避免激励源和驾驶室系统的固有频率重合是非常重要的.发动机怠速时的激振力主要是二阶往复惯性力,其频率与车辆搭载的发动机转速和气缸数有关［7-8］.发动机怠速时的激振频率计算公式:

式中:n为发动机怠速转速;Z为发动机的气缸数.对于四冲程四缸的乘用车发动机,怠速转速一般为700～1 000 r/m in,怠速时的激励频率一般在25～28 Hz［9］.

图5 驾驶室系统模态稳态图Fig.5 Modal steady-state figure of the cab system

图6 驾驶室系统前3阶模态振型Fig.6 The first three order modal vibration mode of the cab system

表3 系统整体模态参数Tab.3 Overall system modal parameters

在设计驾驶室系统时,其一阶模态值应大于发动机的怠速激励频率,以减少振动.对该车型,由表3知,驾驶室系统中手操箱的一阶固有频率在25.75 Hz,容易产生共振.建议改变手操箱的约束方式或材料属性,提高其刚度,以消除局部模态,提高整体的模态值.而方向盘整体一阶固有频率为35.04 Hz,怠速时方向盘不会发生共振.驾驶室系统的整体固有频率为38.39 Hz,仪表板上表面与内表面发生扭动,应通过局部加厚或增设加强筋来增加局部刚度,以减小仪表板的局部振动,提高整车的NVH性能.

2.4 仪表台横梁总成的参数识别

将安装在BBC总成上的各子系统拆除,按照其实际约束进行安装,如图7所示.采用随机白噪声激励法对BBC总成进行激励,通过多输人多输出(M IMO)的方式采集响应信号,运用PolyMAX算法提取BBC总成稳态图,识别其模态参数,试验结果如图8、表4所示.

图7 BBC总成安装Fig.7 The BBC assembly installed

图8 BBC总成稳态图Fig.8 The BBC assembly steady state diagram

表4 BBC总成模态参数Tab.4 The BBC assembly modal parameters

由表4可知,频率为45.84 Hz时,为空调安装处的局部振动,且振幅比较大.当汽车以某一速度且开空调行驶过程中,空调的振动过大,发生异响,是因为激励频率与仪表台横梁总成的一阶固有频率重合,产生共振.建议增加仪表板横梁总成与支架连接处的焊点数量,提高连接刚度;将空调连接支架板厚由原来的1.5 mm增加至3 mm,提高支架刚度,或者将空调尽量固定于BBC的某阶固有振型的节点处,减小空调振动时的振幅.汽车仪表板横梁总成的整体模态频率为90.25 Hz,处于合适的频率范围之内,远离发动机怠速时的激振频率.汽车在正常行驶或以最高速度行驶时,发动机转速较高,激振频率一般大于100 Hz［10-12］,同时也避开了发动机正常工作的频率范围.其他各阶模态频率值比较大,一般都为局部振动,则进行结构分析时要重点考虑仪表板横梁总成的空调系统、转向系统、脚踏板总成、中控台总成的安装支架等部件.

2.5 空调系统的振动分析

根据空调系统在整车的实际约束情况［13］,在随机白噪声的激励下,对空调系统进行SIMO的采样方法,通过分析两处测点的功率谱密度,全面地考察空调系统的振动能量分布.

空调L型支架的PSD图和空调的PSD图如图9～10所示.对比两图可知,空调测点的振动能量级大于支架处,且各方向的能量分布更为集中化.其X和Z方向在26 Hz处仍有峰值,在45～60 Hz频带内的能量较小,而主要能量分布于20～40 Hz中频段和70～80 Hz高频段.Y方向在26 Hz处没有峰值,在0.25～75 Hz频带内的振动能量相对其他两个方向明显较弱,该方向的主要能量集中在75～90 Hz高频段内,且Y向的振动能量在0.25～40 Hz中低频段相对其他两个方向较小,表明其Y向的约束刚度相对较大.

图9 空调L型支架PSDFig.9 Air conditioning I-shaped bracket PSD

图10 空调PSDFig.10 Air conditioning PSD

3 结论

(1)试验模态分析参数识别适用于建立在频响函数基础上的线性模型,所以避免或平均掉频响函数中的非线性失真是非常重要的.而周期性扫频激励法不能将这些非线性平均掉,所以针对驾驶室系统,建议采用随机白噪声激励法.

(2)PolyMAX方法在强阻尼、密集模态系统情况下,仍可获得清晰的稳态图,从而容易实现物理模态的定阶,结果的客观性更好.

(3)改进驾驶室系统中某个组成部分的结构、材料,使得其刚度值改变,从而避免局部产生共振,提高整车的NVH性能.

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Experimental Modal Analysis of the Cab System Based on PolyM AX

ZENG Fa-lin1,RUAN Yang2,LI Jian-kang1
(1.Automotive Engineering Research Institute,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China;2.School of Automotive and Traffic Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

Id le vibration of automotive cab system is an important part of vehicle NVH performance.In order to meet the requirements of NVH,the dynam ic characteristics of the practical constraints of Roewe 950 cab system which consists of air conditioning system assembly,a pedal assembly,steering column assembly,assembly,instrument panel console assembly,electricalwiring system are studied using random white noise,periodic scanning incentive,pulse excitation(hammer)to the modal analysis of the cab system and sub structure,through the PolyMAX algorithm to obtain the first three natural frequencies,damping and mode.Comparison and analysis of the modal parameters obtained from random white noise excitation is best,and improved properties of the sub structure,so as to avoid the excitation frequency of the vehicle.

cab system;excitation;polyMAX;modal analysis

U463.837

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.03.012

1671-6833(2015)03-0054-05

2015-01-02;

2015-03-03

江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXLX12_0630)

曾发林(1965-),男,江苏无锡人,江苏大学副教授,主要从事车辆噪声振动分析与控制方面工作,E-mail:jsdxzfl@163.com.