锤击法对轮毂进行模态分析

1 引言

随着生活品质的不断提升，人们对汽车综合性能的要求也日益增长。其中，减轻振动强度和降低噪声是提高乘车舒适性的重要内容之一。模态分析与试验是其中关键技术之一，通过模态试验分析，得到产品结构的模态参数，可为结构设计部门进行结构系统的振动特性分析、结构动力特性优化设计和修改提供准确的参数依据和方向。

轮毂是汽车运动的重要部件，在行驶过程中，承受来自路面不同幅值、不同频率的激励以及动力系统传递到轮毂的各种激励，从而引起轮毂不同形态的变形。其性能的优劣将直接关系到汽车的操纵稳定性、行驶安全性和乘坐舒适性等，而当动态变形波动的次数累积到某一个固定值，就会造成材料的永久变形和疲劳裂纹，继而导致永久失效。

图1 轮毂

从结构疲劳的角度来看，在轮毂设计时应尽量避免因其固有频率与其它系统共振引起的失效和乘车舒适性不佳的问题；从噪声振动传递特性的角度来看，汽车在行驶过程中，路面激励首先作用到轮胎上，再由轮毂传递到轮辐，进而通过悬架传递到车内，所以轮辐和轮毂之间的传递特性是整条传递路径中关键的一环，因此获得并优化车胎的传递特性，可有效的消除车内的振动噪音。

另一方面，轮毂的侧向刚度也是影响车内噪音和振动的关键参数，侧向刚度越大，车轮抵抗变形的能力越强，其大小也决定着轮胎的隔振性能。同时，这些关键参数之间相互影响，因此准确地获得这些试验参数，分析轮毂的振动噪音特性，为最终轮毂的设计、优化提供可靠的试验依据，并能有效地解决汽车的振动噪声问题，改善乘车舒适性。

2 应用案例

东风汽车采用汉航Hunter Box硬件和NTS.LAB模态测试分析及轮胎力传递率和侧向刚度分析软件，通过试验方法获取结构的模态信息、力传递率及刚度参数，并与有限元结果进行对比，从而验证有限元模型的准确性以及可供优化设计的方向。

2.1 车轮模态试验分析

轮毂的约束条件一般有：自由悬挂和柔性支撑。由于模态测试主要测量轮毂的固有特性，因此在模态测试中采用自由悬挂方式，利用弹性绳将轮毂悬挂起来，模态测试如图2所示。

图2 自由悬挂的轮毂

在进行模态测试前，需要建立试验模态模型，并以点线面的形式描绘轮毂形状。由于轮毂主要变形集中在轮辋上，且较容易被激励，这与实际工作中的轮毂变形情况相吻合，所以在对模型进行布点时，将重点放在了轮辋上。基于此，在轮辋上共布置20个测点，具体试验模型如图3所示。

图3 几何模型以及测点布置

模态测试完成后，得到轮毂在0～1000Hz内的模态测试固有频率，并将模态测试结果与有限元分析结果对比，如表1所示。

表1 模态测试结果

通过对比分析发现，有限元分析固有频率与模态测试固有频率吻合度较高，说明有限元模型准确性较高，可以应用于后续结构的改进设计与分析。

2.2 侧向刚度与力传递率测试

侧向刚度作为轮毂的重要指标之一，其大小能有效决定轮胎的隔振性能，同时影响结构噪声的传递路径，进而影响到整车的振动噪音。因此，对这一参数有特定的设计要求，并且很多主机厂都要求供应商提供这一参数的频响分析和试验报告。

基于行业测试标准，如通用汽车提出的GMW14876测试标准：将轮毂自由悬挂，在轮辋中心位置布置单向加速度传感器，轮辋中心上端传感器命名为M2，轮辋中心下端传感器命名为M1（其中 M1与M2粘贴在轮辋中心处平面位置，确保其位于螺栓孔圆周上，且M1与M2的连线通过轮辋中心点），两个传感器的正方向均与轮毂坐标系侧向一致，见图4：

图4 传感器布置

使用力锤分别敲击点M1和M2，获取驱动点频响函数，并将其导入到NTS.LAB侧向刚度分析模块中，计算该轮毂的侧向刚度值，如图5和表2所示。

图5 NTS.LAB 侧向刚度分析模块

表2 侧向刚度结果

通过对试验数据进行分析，可以发现试验结果和有限元分析结果基本一致，进一步验证有限元模型的准确性。同样的，在轮毂上装配车胎，并在车胎中心位置粘贴加速度传感器，利用NTS.LAB软件测试力传递率函数，如图6所示。

图6 车胎位置传感器用于测试力传递率

图7 力传递率测试结果

从力的传递曲线可以发现，在186.5Hz、386Hz、634Hz、756Hz等频率处有极大值，力传递特性相对敏感。在汽车行驶过程中，路谱激励包含上述频率成分时，车身将会产生较大的振动或噪音，因此可根据上述曲线进行结构优化，使其频率对应的峰值降低以减少轮胎对外部激励的传递。

3 结论

通过力锤敲击轮毂的试验方式，并基于NTS.LAB实测得到的频响函数矩阵，搭载汉航NTS.LAB Analysis不同的分析模块，可同步获取以下结果：

1. 利用多参考点最小二乘复频域法和MLE最大似然估计法获取了轮毂结构的模态频率等试验数据，并与有限元结果对比，验证有限元模型的正确性，为进一步优化提供准确的参数依据。工程师可根据振型幅度较大的位置，对结构可能的损伤状态进行预报，为修改设计提供方向，从而提高结构的可靠性。

2. 基于汉航NTS.LAB 力传递和侧向刚度测试模块，得到轮毂的侧向刚度和力传递曲线，其中侧向刚度与有限元结果具有很好的一致性。此外，根据力传递曲线，可以对传递曲线峰值的频点进行优化，使其远大于外部激励频率，从而减小路谱激励对车内振动噪音的影响。