基于频响函数质量线法的摩托车整车刚体惯性参数的辨识

刘焕领　景亚兵　白　伟（天津大学内燃机研究所　天津　300072）

基于频响函数质量线法的摩托车整车刚体惯性参数的辨识

刘焕领景亚兵白伟
（天津大学内燃机研究所天津300072）

采用基于频响函数质量线法获取某摩托车整车的刚体惯性参数，为整车分析优化和悬架系统的设计优化提供条件；并用称重法进行验证，表明基于频响函数质量线法辨识摩托车整车惯性参数准确度较高。

频响函数质量线法摩托车惯性参数

刚体惯性参数是指质量、转动惯量、质心坐标等参数。这些参数是进行整车分析和优化的前提要求；对于车辆悬架系统的设计与优化、系统减振等具有非常重要的作用。简单物体的惯性参数可直接通过数学计算或有限元模型计算获得；摩托车整车是由发动机、传动系统、行走系统、转向、制动系统和电气仪表设备五部分组成，其材料组成、零部件结构非常复杂，很难建立精确的三维模型和有限元模型，因而通过数值计算法很难得到精确的惯性特性参数；而传统的试验方法如落体测试法、三线摆法、力矩平衡法和复摆法等对于大型部件惯性特性参数的获得也非常困难。

近年来国内外不少专家和学者提出了“基于频响函数质量线的刚体惯性参数识别”的方法。本文在此基础上，通过对此方法的探索，将其应用于获取摩托车整车的惯性参数。

1　试验原理

质量线法是从振动系统频率响应函数的实部数据中提取振动系统刚体响应的方法，如图1所示。

图1　频响函数曲线

图1中的频响函数曲线分为三部分：低频段显示的是悬吊支撑系统的固有频率特性；高频段显示的是结构在悬吊支撑约束条件下发生一定变形时的柔性体模态；中间近乎平行于频率轴的频段即要利用的质量线频段；该频段内FRF值只与质量矩阵中被测结构的各惯性参数有关，受悬吊或支承系统自由振动固有模态及被测物体弹性模态的影响很小[1]。

因此，可通过整车试验模态分析得到FRF曲线，经过计算变换得到整车的各项刚体惯性参数。

2　摩托车整车模态试验及惯性参数计算

2.1测试系统

模态测试分析系统由激振系统、拾振系统、数据处理系统等组成，如图2所示。选用力锤敲击法进行模态试验。测试中摩托车的发动机和变速器不运转；前后减震器锁死；油箱中无油（干质量状态）；其质量为185kg。

图2　模态测试分析系统

采用LMS公司的相关仪器设备与软件、B&K公司的力锤和三向加速度传感器进行数据的测取分析及后处理。

试验中采用橡胶软绳悬吊整车，使其处于近似无约束的自由状态，悬吊时应尽量减小橡胶软绳对整车造成的约束，避免对整车平动或转动的影响。测试现场如图3所示。

图3　测试现场

2.2试验方法

以后轮中心垂线与地面的交点作为坐标原点建立坐标系，坐标系X轴正方向为车尾指向车头，坐标系Y轴正方向为车左侧指向右侧，坐标系Z轴正方向垂直地面向上，如图4所示

图4　测试坐标系示意图

为得到准确的刚体参数，要求至少6个不同位置激励和8个采集响应点（测量3个方向）。激励点和响应点都应在局部刚度较大的位置选取，以防止局部弹性变形影响测试结果。本次试验各车选取的激励点及响应点如图5和图6所示。

图5　激振点和拾振点几何模型

图6　部分测点

由于质量线法计算惯性参数时所截取的数据是低频段的FRF值，因此应选用较软的锤头如橡胶锤头或尼龙锤头，并设置较高的频率分辨率。为取得较好的数据计算结果，一般要保证所选质量线频段内的频率谱线数大于5条。但若在较大的频域范围内，结构本身的质量线数据可保持相对的恒定值，那么可将采样频率分辨率设置得较低，以提高运算速度、加快试验进程[2-3]。

2.3数据处理及计算结果

该车激励点及响应点的测量、选取的质量线范围等参数见下表1所示。

表1　试验参数汇总

首先，选取测试采集到的模态数据导入到LMSTest.Lab刚体特性计算模块，选择合适的质量线频段，选取原则是数据段平坦、远离第一阶弹性模态且与0Hz保留一段距离。据此，截取质量线频段在4Hz~12Hz之间，如图7所示。

图7　加速度FRF曲线

然后，输入以下参数如表2所示。

表2　计算输入参数

最后，将以上模态数据和参数输入到刚体特性计算模块中，计算得到该车刚体惯性参数见下表3。

2.4方法验证

利用传统的测量质心的方法--称重法验证上述基于频响函数质量线法求取质心坐标等惯性参数的方法的准确性。称重法测试现场如图8所示。

图8　质心高度测量

表3　惯性参数测试结果

2种方法计算的质心坐标对比结果见表4。可以看出称重法和基于频响函数质量线法测得的X、Z方向的质心坐标误差在10%以内，符合工程要求；由于称重法无法得到摩托车Y向质心坐标，因此没有比较。

表4　 2种方法计算的质心坐标对比

3　结论

基于频响函数质量线的刚体惯性参数识别方法，设备简单，操作方便，精度较高，可以用来进行摩托车整车等复杂结构惯性参数的识别。利用频响函数估计，可以有效地从存在扰动的测试信号中提取出关心的惯性参数。本文通过基于加速度频响函数准确地获取摩托车整车的惯性参数，为进行摩托车整车的分析和优化以及悬架系统的设计与优化提供了条件。

1朱石坚，施引.利用加速度FRF的质量控制区段求测刚体质量分布特性[J].车用发动机，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德国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）

刘焕领（1982-），女，硕士，主要研究方向为摩托车振动噪声。