轮胎模态分析试验研究

宫少琦，王 晖，朱 健，郭风晨，施长宏

(华晨汽车工程研究院，沈阳 110141）

轮胎赋予了汽车“脚”的功能，是汽车的重要零部件，它主要承受车载重量和路面激励，因此轮胎的振动特性直接影响车辆驾乘舒适性能。轮胎的低阶模态一般分布在300 Hz以内，而大部分底盘零部件在此频段内也存在模态分布，两者很可能耦合，一旦耦合就会影响车辆的NVH性能，因此对轮胎的动态特性深入研究有着重大意义[1-2]。另外，轮胎属于橡胶类弹性体，有限元分析很难建立准确的轮胎橡胶参数，因此通过有限元模拟分析的轮胎模态参数与实际有一定差异[3-5]，相比之下模态试验测量参数较准确。目前国内主机厂主要通过实验方法得到轮胎模态参数，但缺少一套适用性较强的方法指导，因此对轮胎模态试验深入研究，有着较大的工程实用价值，为轮胎噪声振动控制、底盘结构分析及车辆NVH性能优化提供指导性依据[5]。

模态试验过程中的种种变量会对模态分析产生一定偏差影响，因此本文以两种规格尺寸的轮胎为研究对象，结合LMS Test Lab，主要针对模态测点布置、边界约束和激励形式三个要素，对轮胎模态进行测量分析对比，得到了更加精确的轮胎模态参数，并提出适用性较强的轮胎模态试验指导方法，阐述轮胎模态试验研究的实用价值与重要意义。

1 模态试验

1.1 模态分析原理

传递函数是输出的拉普拉斯转换除以输入的拉普拉斯转换，同理，频率响应函数是输出的傅立叶变换比上输入的傅立叶变换。频响函数的定义如下[6]

模态分析就是通过频响函数识别模态参数，图1介绍了频响函数与模态参数的关系。

图1 频响函数-模态参数

1.2 模态试验

试验模态分析[7]主要有三个重要步骤：第一，建立测量系统，即悬挂测量试件、布置传感器、安装激振器、建立试件模型等；第二，测量频率响应数据，即在某激励力的作用下结构被激起振动，进而采集并输出频响函数；第三，模态数据分析，即利用试件的频响函数进行计算估计模态参数，如试件的固有频率和阵型等重要参数。针对轮胎模态试验研究内容，确定轮胎模态试验系统设备(表1)，试验测量系统的连接方式详见图2，主要包括加速度振动传感器、激振系统、数据采集和分析系统。

表1 试验设备信息

图2 试验测量系统

2 模态试验研究

本文针对测点布置、边界约束和激励形式三个要素，进行对比测试，优化轮胎模态试验方法，提高轮胎模态参数精度。

2.1 布置测点

模态测点布置原则：

1)所设计的测点能估计出轮胎的形状、尺寸和结构；

2)测量结果能得出清晰可辨的模态阵型。试验中将测点分别布置在内胎面、正胎面、外胎面，数模见图3(a)，以10°为间隔在每个胎面上布置36个测点；实际测点布置详见图3(b)，激励方式选用力锤敲击，激励轴向(X)、切向(Y)、径向(Z)的轮胎对应方向频响信号见图4。

图3 轮胎模型与测点布置

图4 轮胎频响曲线

结合LMS_Polymax模块计算模态结果如图4－图6。

试验结果表明：

1）测点分别布置于内胎面、正胎面、外胎面及三胎面测量所得的固有频率相差不大，偏差在3 Hz以内；

2）测点仅布置于内或外胎面时，轮胎的径向与轴向模态数值接近易耦合，在计算中难于拾取并发生遗漏，图5中测点仅布置于外胎面时其1阶模态被遗漏；

3）三个胎面同时测量时，有效区分了数值较接近的轮胎径向和轴向模态的主阵型；

4）轮胎径向模态呈现花瓣状，阵型中每个花瓣构成应不少于4个测点才能使阵型清晰可见，八花瓣阵型需要至少32个测点。因此对轮胎模态测量时，应在内胎面、正胎面和外胎面，等角度间隔平行布置36×3个点。

图5 测点不同模态结果对比

图6 轮胎主阵型的区分

2.2 优化边界条件

自由约束要求要尽量降低边界约束对其振动特性的影响，应满足：

1)轮胎支撑非常柔软（支撑模态应低于测量件模态的20%）；

2)支撑连接点的运动幅度要很小。如图7。对轮胎边界约束状态进行：(a)软绳水平吊装、(b)软绳垂直吊装和(c)整车安装离地状态对比。3种约束状态均接近轮胎自由状态，每种状态布置36×3个测点，激励方式均选用力锤敲击。

图7 不同边界约束情况

结合LMS计算轮胎模态见图8。

图8 不同约束频响曲线

结果表明：

(1)图8将(a)、(b)和(c)3种约束状态测量的频响特征进行对比分析，所关注频段内，轮胎的特征频率偏差均在2 Hz以内；

(2)轮胎整车安装离地状态受到激励时，支撑连接点位移量较另外2种状态更小，且更加便捷。因此对轮胎模态测量时，轮胎处于整车安装且离地状态即可得到准确的模态参数。

2.3 选取激励方式

激励原则：

1)保证激励信号的一致性（激励力信号相干系数应高于0.85）；

2)激励出试件所关注频段内所有相关模态。模态试验分别应用力锤和激振器进行测试，图9为使用激振器实测图。

图9 激振器激励方式

测试结果表明：

(1)激振器法与锤击法计算结果偏差在3 Hz以内，两种不同激励源均可获取轮胎模态(图10)；

图10 不同激励方式模态结果对比

(2)激振器激励力信号的相干系数接近1(图11)，力锤信号相干性稍差，可知激振器优于力锤，且试验进行中更加便捷和高效。因此轮胎模态测量时，激振器法优于锤击法。

图11 激励力信号相干系数

3 结语

综上，经过对两种尺寸规格的轮胎进行大量模态试验对比，确定了轮胎模态试验三要素的选取原则，优化了轮胎模态试验分析方法，即采用三胎面测点布置、整车安装离地状态和激振器激励方式；同时也通过此方法得到了准确的的轮胎模态参数与模态阵型（见表2），验证了方法的可行性。

表2 测试轮胎模态参数与阵型

对轮胎模态测量时应使用以下试验方法：

（1）测点布置：在3个胎面（内胎面、正胎面、外台面）等间距平行布置至少36×3个测点，即每个胎面按10°等间隔布置36个测点；

（2）边界约束：轮胎处于整车安装且离地自由状态，即将车身置于举升机上，使轮胎处于离地自由状态；

（3）激励形式：选用激振器，分别激励其径向、轴向和切向，信号整合计算后得到轮胎模态。