石勝文等

摘要：駕駛室模態(tài)分析是商用車NVH特性研究的重要內(nèi)容，識別駕駛室模態(tài)對避免駕駛室結(jié)構(gòu)與聲腔共振以及降低車內(nèi)噪聲有著重要的意義。本文以某重型商用車駕駛室為例，采用模態(tài)試驗法進行模態(tài)測試及分析，獲得駕駛室模態(tài)頻率和變形部位，為后續(xù)駕駛室的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和NVH性能改善提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：駕駛室模態(tài)；模態(tài)試驗法；NVH性能；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

引言

車輛NVH特性是指在車輛工作條件下駕駛員和乘客感受到的噪聲（Noise）、振動（Vibration）和聲振粗糙度（Harshness），是衡量汽車質(zhì)量的重要綜合性指標。駕駛室作為是重型商用車四大系統(tǒng)之一，可直接將振動噪聲傳遞給駕駛員和乘客，其結(jié)構(gòu)性能的好壞對整車NVH有重要影響，并將直接影響到產(chǎn)品的競爭力。因此，在研發(fā)階段就必須嚴格控制駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)等車輛NVH性能關(guān)鍵參數(shù)。

商用車駕駛室車內(nèi)噪聲成分含有低頻、中頻和高頻，在汽車研發(fā)階段要分別考慮加以抑制。由結(jié)構(gòu)振動引發(fā)的低中頻噪聲，易引起乘客疲勞煩躁等不適，嚴重影響汽車乘坐舒適性。研究通過測試分析和優(yōu)化駕駛室結(jié)構(gòu)模態(tài)以降低駕駛室內(nèi)振動、噪聲意義重大。本文基于國內(nèi)某重型商用車，采用模態(tài)測試分析技術(shù)，研究了駕駛室結(jié)構(gòu)NVH特性，為后續(xù)駕駛室結(jié)構(gòu)優(yōu)化和降低了車內(nèi)振動噪聲提供了重要依據(jù)。

1.模態(tài)測試基本原理

駕駛室系統(tǒng)離散化后可視為一種具有N個自由度的線彈性動力系統(tǒng)，其強迫振動的運動方程式可用矩陣形式表示： ①

方程①經(jīng)拉氏變換得：

傳遞函數(shù)可表示為：

[M]--質(zhì)量矩陣，實對稱矩陣，正定；[C]--阻尼矩陣，實對稱矩陣，半正定；[K]--剛度矩陣，實對稱矩陣，正定或半正定。

令 ，振動系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣為：

對于線性系統(tǒng)，多自由度系統(tǒng)的頻響函數(shù)是多個單自由度系統(tǒng)頻響函數(shù)的線性組合。要確定全部模態(tài)參數(shù) 、 、 ，實際上只要測量頻率響應函數(shù)矩陣的一行或者一列即可。

對系統(tǒng)i點進行激勵并在j點測響應，可得傳遞函數(shù)矩陣中第 行j列元素為：

2.駕駛室模態(tài)測試方案

2.1模態(tài)分析方法

模態(tài)測試分析方法分為時域法和頻域法。時域法是直接由結(jié)構(gòu)的時域響應求得模態(tài)參數(shù)，而頻域法則是先把測試數(shù)據(jù)變換成頻域數(shù)據(jù)，然后進行模態(tài)參數(shù)識別。實驗模態(tài)測試分析是通過試驗測定傳遞函數(shù)并識別模態(tài)參數(shù)，屬頻域法。對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)試驗，識別模態(tài)參數(shù)，通常包括下面四個步驟：對結(jié)構(gòu)進行激振、測量力和響應數(shù)據(jù)、估算傳遞函數(shù)、識別模態(tài)參數(shù)測試數(shù)據(jù)。文章介紹采用北京東方所INV306U動態(tài)測試分析系統(tǒng)結(jié)合國際流行的Polylscf（即PolyMAX）模態(tài)分析算法進行商用車駕駛室模態(tài)測試及分析。

2.2模態(tài)試驗方案

本次試驗采用激振器法模態(tài)測試，測試方案為單點激勵，多點響應的試驗方案：

2.2.1試驗設(shè)備采用北京東方所INV306U動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)和DH103壓電加速度傳感器；20公斤激振器兩個，配套功率放大器兩個和INV306U自帶信號源模塊組成信號采集系統(tǒng)（獲得響應信號）；用DHDAS基本控制分析軟件和DHMA實驗模態(tài)分析軟件；

2.2.2駕駛室采用柔性繩索吊裝，近似于自由-自由條件，經(jīng)測定，剛體共振頻率為2.5Hz遠低于駕駛室一階固有頻率，對測試影響很小，可忽略不計。激振點選擇在駕駛室左右后懸置上，采用兩個激振器，激振信號采用猝發(fā)隨機信號，激振頻率帶寬為1～200Hz。

2.2.3傳感器布置原則要盡量布置在振動量大及能反映駕駛室外觀特征的位置上。因此，傳感器布置在駕駛室的左右側(cè)圍、前圍、后圍、頂棚和地板上，拾振點建模如圖1。

2.2.4每組測試采用25個傳感器拾振，并逐批移動傳感器；為減少漏掉模態(tài)的機會，全駕駛室測點均勻分布，共設(shè)置 1000個測點，分40組測量。測試過程中，同時觀察信號的時域波形和頻譜的一致性確保信號的可靠性。

3.模態(tài)試驗數(shù)據(jù)驗證

信號在關(guān)心頻率段內(nèi)（0～200Hz）的相干性很好，說明試驗中混入的噪聲很小，試驗過程是在系統(tǒng)的線性范圍內(nèi)進行的，如圖2所示。

圖3是對振型相關(guān)性的矩陣校驗，采用的是模態(tài)置信準則（MAC）來估計。MAC是兩個向量間對應的相關(guān)系數(shù)，同一物理模態(tài)的兩個向量的MAC值一般應當接近于1，而不同模態(tài)的兩個向量間的MAC值一般則比較小。通過信號校驗，本輪模態(tài)試驗測試信號數(shù)據(jù)的相關(guān)性很好，可靠性非常高。

4.模態(tài)試驗結(jié)果與分析

用東方所DHMA實驗模態(tài)分析軟件對重型商用車駕駛室各測點傳遞函數(shù)先進行集總平均，然后進行模態(tài)擬合，計算模態(tài)參

數(shù)。通過觀測識別出的模態(tài)振型動畫，可看出：車身振動模態(tài)可分為車身剛體模態(tài)、車身扭轉(zhuǎn)、車身彎曲和車身局部振動模態(tài)。振動模態(tài)參數(shù)分布如下表1，部分模態(tài)振型如下表2。從表1中可看出，第一階彈性模態(tài)是剛體模態(tài)的7.6倍，故保證了隔離環(huán)境振動對車身模態(tài)試驗的干擾，提高了頻響函數(shù)的信噪比。

5.結(jié)論

根據(jù)駕駛室模態(tài)參數(shù)和振型圖結(jié)果，對該重卡駕駛室動態(tài)設(shè)計水平進行如下評價：

5.1在0～80Hz頻帶內(nèi)，駕駛室具有15階模態(tài)（包括一個剛體模態(tài)），駕駛室模態(tài)比較分散，說明該駕駛室設(shè)計較合理。

5.2該車前、后懸架系統(tǒng)頻率為3～4Hz，而該駕駛室的一階彈性模態(tài)頻率為19Hz，表明駕駛室設(shè)計避開了該車懸架系統(tǒng)的固有頻率，說明該駕駛室設(shè)計是合理的。

5.3六缸發(fā)動機怠速時轉(zhuǎn)速在700r/min，怠速頻率在35Hz左右，因此可判斷，怠速時駕駛室與發(fā)動機發(fā)生局部共振，后續(xù)應通過強化駕駛室內(nèi)部結(jié)構(gòu)以提高駕駛室4～6階振動模態(tài)頻率，使其與發(fā)動機點火頻率錯開。

本文以某重型商用車駕駛室為分析對象，通過激振器法模態(tài)試驗測試和分析，獲得了主要的模態(tài)參數(shù)和振型分布。由此可以直觀地獲得該駕駛室的動態(tài)特性，為設(shè)計人員改進結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了非常直觀的依據(jù)。

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作者簡介：石勝文（1989-），男，廣西欽州人，本科，助理工程師，現(xiàn)工作于東風柳州汽車有限公司，主要從事汽車NVH研發(fā)方面的工作。