一种轿车车轮自由模态测试方法与流程

本发明属于汽车车轮动态性能测试技术领域，尤其是涉及一种轿车车轮自由模态测试方法。

背景技术：

汽车行驶过程中驾乘人员会受到各个方向的激振力的作用，从而直接影响汽车的乘坐舒适性。一般轿车车轮由轮圈，轮辐和轮心组成，其中车轮轮心通过螺栓与轮轴固定连接，而在车轮的轮圈与轮胎进行装配,三者之间可以是铸造为一整体,也可以单独加工然后进行组装。轿车车轮在使用过程中，主要通过路面传递给轮胎，然后形成作用在车轮轮圈的载荷，以及通过副车架和车辆悬架传递给车轮，并构成作用在车轮轮心位置的载荷。同时由于车辆轻量化的要求，簧下质量有减轻的趋势，使得车轮质量越来越小。

而随着车轮各个位置结构的优化，车轮更容易出现共振。车轮共振模态不仅关系到整车平顺性，而且直接关系到车轮可靠性寿命，为此研究车轮自由模态受到越来越多主机厂以及车轮零部件厂商的关注。但是在车轮自由模态分析上，很多工程师还停留在通过有限元仿真层面，而通过台架试验方法研究较少。其中有限元计算方法首先需要建立模态分析有限元模型，利用此方法可以对车轮的模态频率以及振型进行初步估计，但是由于理论有限元模型与实际车轮结构，性能分布等存在一定差异，使得真实车轮模态与理论仿真存在一定差异，为此一般应用于车轮设计初期。另外一种方法是台架试验的方法，这种方法可以更为准确的预测车轮的真实模态振型。但是并没有公开的标准可供参考，使得整个测试流程会由于不同测试流程而导致显著差异。并且在模态测试时一般需要首先利用有限元模型预测车轮的节点以及振型分布，这样才能合理的设计测量参考点以及激励点的位置，但是一般台架试验时车轮有限元模型很难获取。

并且当前在车轮模态台架试验方法方面并没有公开的行业或国家标准，使得车轮不同测试方法得到测试结果可能存在差异，从而无法进行不同产品之间的直接模态对比以及车轮模态对汽车其它零部件产品的影响评估。为此，对车轮自由模态试验进行研究，建立一套完善的车轮自由模态测试流程，为此车轮产品设计优化奠定基础。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种轿车车轮自由模态测试方法，以解决上述问题的不足之处。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种轿车车轮自由模态测试方法，包括以下步骤：

a.对车轮结构进行模型简化；

b.确定车轮模态测量时参考点的位置；

c.在参考点处布置加速度传感器；

d.确定车轮模态测量试验时的激励点；

e.搭建测试台架和车轮模态测试系统；

f.通过力锤法进行车轮模态测试；

g.车轮模态频率和模态振型仿真模拟；

h.车轮模态频率和模态振型确认。

进一步的，所述步骤a中车轮模型简化结构为：包括轮圈、轮心，所述轮圈一侧内部和轮心之间通过多个均匀分布的轮辐连接，且所述轮圈为环形对称结构。

进一步的，所述步骤b中车轮模态测量中参考点位于轮心处、轮圈外侧靠近轮辐的一端、轮圈外侧中间和轮圈外侧远离轮辐的一端，采用柱坐标定义参考点的位置，所述柱坐标的x轴沿切向方向，z轴沿径向方向，y轴沿轴向方向。

进一步的，所述步骤c中布置加速度传感器的位置关系如下：

沿轮心周向均匀设置多个轮心加速度传感器；

在轮圈外侧临近轮辐的一端周向均匀设有多个第一轮圈加速度传感器；

在轮圈外侧中间位置周向均匀设有多个第二轮圈加速度传感器；

在轮圈外侧远离轮辐的一端周向均匀设有多个第三轮圈加速度传感器。

进一步的，所述轮圈外侧的第一轮圈加速度传感器、第二轮圈加速度传感器、第三轮圈加速度传感器均在对应每个轮辐处和每两个相邻轮辐之间处分布。

进一步的，所述轮心加速度传感器、第一轮圈加速度传感器、第二轮圈加速度传感器、第三轮圈加速度传感器在测量前同时布置并进行测量或者分步布置并进行分步测量。

进一步的，所述步骤d中确定激励点位置的过程为：根据加速度传感器布置特点，在加速度传感器的x、y、z方向进行激励，根据车轮结构，在车轮上分别定义激励点a、b、c，激励点a为圆周切向方向的激励点，在激励点a处的车轮上粘贴一个质量块，激励点a垂直于质量块侧向方向加载，给车轮施加切向方向的加载力，激励点b为圆周径向方向的激励，激励点c为轴向方向的激励点。

进一步的，所述步骤e中搭建测试台架的过程为：利用桁架搭建立方体结构的测试台架，通过软绳托起车轮并连接在测试台架上；

所述车轮模态测试系统包括加速度传感器、力锤、数据采集器、设置电脑，所述加速度传感器和力锤连接在数据采集器上，并所述设置电脑也连接在数据采集器上。

进一步的，所述步骤f中车轮模态测试流程包括以下步骤：

f1.在车轮模态测试准备阶段，根据参考点位置和粘贴的加速度传感器方向建立模态测试几何模型；

f2.设置模态测试过程中的具体参数；

f3.选择测试的参考点和激励点，并在选择的激励点处进行锤击测试，测试结束后判断测试流程是否合理，如果所测试的传递函数在共振峰值处能量相对其他位置能量大100倍以上，同时相关函数在共振频率处为0，在其他位置处为1，则更换下一激励点进行测试，否则检测试验过程，调整采集参数设置，直至达到上述要求；

f4.不断更新驱动点和参考点，重复步骤f3，最后获得所有点位置的传递函数矩阵。

进一步的，所述步骤g车轮模态频率和模态振型仿真模拟的过程为：所述轮心、轮辐与轮圈连接形成轮心和轮辐的边界约束，通过约束有限元模型中轮辐与轮圈连接处的自由度对应获得轮辐轮心第一阶模态振型和第二阶模态振型；根据车轮尺寸，建立车轮简化的有限元模型；利用车轮简化的有限元模型获得车轮第一阶模态振型、第二阶模态振型和第三阶模态振型。

进一步的，所述步骤h中通过步骤g分析获得的车轮仿真模态振型，对车轮试验模态参数进行识别和确认。

相对于现有技术，本发明所述的轿车车轮自由模态测试方法具有以下优势：

本发明所述的轿车车轮自由模态测试方法首先根据轿车车轮的一般结构以及试验条件，采用敲击法进行车轮模态测试；然后定义了试验时沿轮圈以及轮辐位置参考点布置方式。接着建立模态测试过程中软件参数以及试验操作流程；最后利用简化车轮整体模型、轮圈、轮辐以及车轮整体有限元模型，对试验结果中的模态振型进行识别；可以较为准确的测量车轮自由状态下的模态频率以及模态振型，还可以减少在测试过程中不确定因素，规范化模态测试以及分析流程，节约试验成本，缩短产品开发周期。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的轿车车轮自由模态测试方法流程图；

图2为本发明实施例所述的车轮结构的简化模型；

图3为车轮模态参考点坐标系定义示意图；

图4为本发明实施例所述轮心加速度传感器布置位置示意图；

图5为本发明实施例所述的第一轮圈加速度传感器布置位置示意图；

图6为本发明实施例所述的第二轮圈加速度传感器布置位置示意图；

图7为本发明实施例所述的第三轮圈加速度传感器布置位置示意图；

图8为本发明实施例所述的车轮参考点处加速度传感器整体布置位置示意图；

图9为本发明实施例所述的激励点布置位置示意图；

图10为本发明实施例所述的车轮模态测试系统结构图；

图11为轮圈一阶模态振型；

图12为轮圈二阶模态振型；

图13为轮辐轮心一阶振型；

图14为轮辐轮心二阶振型；

图15为车轮整体一阶振型；

图16为车轮整体二阶振型；

图17为车轮整体三阶振型；

图18为车轮模态频率；

图19为一阶模态频率局部放大；

图20为试验一阶模态振型；

图21为试验二阶模态振型。

附图标记说明：

1-轮圈；2-轮辐；3-轮心；4-测试台架；5-软绳；6-力锤；7-设置电脑；8-数据采集器；9-加速度传感器；10-车轮。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，一种轿车车轮自由模态测试方法，包括以下步骤：

a.对车轮结构进行模型简化；

b.确定车轮模态测量时参考点的位置；

c.在参考点处布置加速度传感器；

d.确定车轮模态测量试验时的激励点；

e.搭建测试台架和车轮模态测试系统；

f.通过力锤法进行车轮模态测试；

g.车轮模态频率和模态振型仿真模拟；

h.车轮模态频率和模态振型确认。

如图2所示，所述步骤a中车轮模型简化结构为：包括轮圈1、轮心3，所述轮圈1一侧内部和轮心3之间通过多个均匀分布的轮辐2连接，且所述轮圈1为环形对称结构。

所述步骤b中车轮模态测量中参考点位于轮心3处、轮圈1外侧靠近轮辐2的一端、轮圈1外侧中间和轮圈1外侧远离轮辐2的一端，如图3所示，采用柱坐标定义参考点的位置，所述柱坐标的x轴沿切向方向，z轴沿径向方向，y轴沿轴向方向。

如图4至图8所示，所述步骤c中布置加速度传感器9的位置较为平坦，且按照柱坐标定义方向进行粘贴，具体位置关系如下：

沿轮心3周向均匀设置多个轮心加速度传感器；

在轮圈1外侧临近轮辐2的一端周向均匀设有多个第一轮圈加速度传感器；

在轮圈1外侧中间位置周向均匀设有多个第二轮圈加速度传感器；

在轮圈1外侧远离轮辐2的一端周向均匀设有多个第三轮圈加速度传感器。

所述轮圈1外侧的第一轮圈加速度传感器、第二轮圈加速度传感器、第三轮圈加速度传感器均在对应每个轮辐2处和每两个相邻轮辐2之间处分布，本实施例中选用的车轮10的轮辐2数目为5，为此在正对轮辐2位置以及轮辐2和轮辐2之间位置布置，因此第一轮圈加速度传感器、第二轮圈加速度传感器、第三轮圈加速度传感器的数量分别为10个，图4中a1至a5为轮心加速度传感器，图5中b1至b10为第一轮圈加速度传感器，图6中c1至c10为第二轮圈加速度传感器，图7中d1至d10为第三轮圈加速度传感器。

所述轮心加速度传感器、第一轮圈加速度传感器、第二轮圈加速度传感器、第三轮圈加速度传感器在测量前同时布置并进行测量或者分步布置并进行分步测量。

所述步骤d中确定激励点位置的过程为：根据加速度传感器9布置特点，在加速度传感器9的x、y、z方向进行激励，如图9所示，根据车轮10结构，为保证能够激励车轮10所有方向上的模态，在车轮10上分别定义激励点a、b、c，激励点a为圆周切向方向的激励点，能够激励圆周方向的切向，在激励点a处的车轮10上粘贴一个质量块，激励点a垂直于质量块侧向方向加载，给车轮10施加切向方向的加载力，激励点b为圆周径向方向的激励，激励点c为轴向方向的激励点，本实施例中，激励点a、b、c在竖直方向的投影位置均匀分布在车轮10周向上，激励点a、b、c所在的三个水平面之间间距一致。

所述步骤e中搭建测试台架4的过程为：利用桁架搭建立方体结构的测试台架4，通过软绳5托起车轮10并连接在测试台架4上；

如图10所示，所述车轮模态测试系统包括加速度传感器9、力锤6、数据采集器8、设置电脑7，所述加速度传感器9和力锤6连接在数据采集器8上，并所述设置电脑7也连接在数据采集上。

所述步骤f中车轮模态测试流程包括以下步骤：

f1.在车轮模态测试准备阶段，根据参考点位置和粘贴的加速度传感器9方向建立模态测试几何模型；

f2.设置模态测试过程中的具体参数，包括传感器量程的设置，锤头类型的选择，采样带宽的设置，为了避免泄露进行窗函数的选择，激励点位置选择，对比在参考点处粘贴同等大小的质量块前后车轮模态振型和模态频率的变化，确认传感器质量对整个模态测试影响程度分析等；

f3.选择测试的参考点和激励点，并在选择的激励点处进行锤击测试，测试结束后判断测试流程是否合理，如果所测试的传递函数在共振峰值处能量相对其他位置能量大100倍以上，同时相关函数在共振频率处接近于0，在其他位置处接近于1，则更换下一激励点进行测试,否则检测试验过程，寻找导致相干函数分布不合理的原因，调整采集参数设置，直至达到上述要求。

f4.不断更新驱动点和参考点，重复步骤f3，最后获得所有测量点的位置的传递函数矩阵，其中传递函数矩阵中的元素为对应测量点处得到的传递函数。

所述步骤g车轮模态频率和模态振型仿真模拟的过程为：车轮模态是由各部件模态综合得到，根据车轮的结构，车轮部件的模态可以分为轮圈自由模态和轮辐轮心约束模态。其中单独轮圈的自由模态，如图11所示为车轮轮圈弯曲模态。如图12所示，为车轮轮圈扭转模态。由于实际车轮的轮心轮辐与轮圈连接，使得其车轮轮心轮辐的边界约束。这里约束有限元模型中轮辐与轮圈连接处的单元的三个方向转动和三个方向平动自由度，对应获得轮辐轮心第一阶模态振型和第二阶模态振型，如图13和图14所示。同时根据车轮尺寸，建立车轮简化的有限元模型。利用此模型获得车轮第一阶模态振型、第二阶模态振型、第三阶模态振型分别如图15、图16、图17所示。

所述步骤h中通过步骤g分析获得的车轮仿真模态振型，对车轮试验模态参数进行识别和确认。本实施例中，如图18所示为按照以上模态测试方法获得的车轮在1000hz以内车轮模态频响估算图，图中有4个区分度非常明显的峰值。将第一个峰值进行放大，如图19所示，可以看出存在比较接近的两个共振峰值。将此处频率对应的振型，分别如图20和21所示，可以看出，图20中振型与图14中的轮圈弯曲振型以及图16中的车轮整体模态振型一致。图21中振型与图12中轮胎的扭转振型接近。为此可以确定车轮的这两个接近峰值对应的车轮模态振型是合理存在的。按照同样方法可以确认图19中其他位置的模态频率对应的模态振型。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。