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模态试验分析方法在轮胎异常磨损研究中的应用

2012/1/21    来源:万方数据    作者:魏传峰  周鋐  徐刚  麻海舰      
关键字:模态试验分析  轮胎  异常磨损  
本文将模态试验方法应用于轮胎异常磨损研究中,构建了轮胎的三维多点离散化试验模型,采用接地支承方式,利用触发随机信号进行激励,应用单点激励多点响应的方法对某轿车新、旧(异常磨损)195/65R15 91V型Hankook轮胎进行模态试验,测取了新、旧轮胎在高、中、低三种胎压时的模态数据,并使用最新的多参考最小二乘复频域模态分析方法(Polymax)对实测数据进行分析。

1 前言

    汽车轮胎的动力学特性是影响汽车操纵稳定性和行驶平顺性的重要因素之一,而轮胎早期的异常磨损严重破坏轮胎的正常使用性能,因而研究轮胎的异常磨损对于改善汽车的性能具有重要意义。对于轮胎特性的研究可以借助各种经验公式和轮胎理论模型,但是这些模型和公式均需要轮胎的模态参数,因而无法用来研究轮胎异常磨损对轮胎特性的影响。

    现代工程技术的快速发展,模态分析技术应运而生。根据模态测试的结果进行模态参数识别,其主要任务是从测试所得的数据中提取确定振动系统的模态参数,包括模态固有频率、阻尼比和模态振型等,试验模态分析方法已是解决工程振动问题的重要手段。本文将模态试验方法应用于轮胎异常磨损的研究,并对轮胎的异常磨损机理进行了初步探索。阐述了轮胎模态试验的理论基础,并在轮胎模态试验过程中,构建轮胎的三维多点离散化试验模型,采用接地支承方式,利用触发随机信号进行激励,应用单点激励多点响应的方法对某轿车新、旧(异常磨损)195/65R15 91V型Hankook轮胎进行模态试验,测取了新、旧轮胎在高、中、低三种胎压时的模态数据。并应用LMS公司最新推出的多参考最小二乘复频域模态分析方法(LSCF法)对实测数据进行分析并提取模态参数。通过对比研究得到了轮胎的异常磨损和胎压的变化与轮胎动态特性的关系,为轮胎的异常磨损研究提供了新的思路。

2 轮胎模态试验理论模型

    进行模态试验的基本原理是将轮胎离散化,轮胎的振动可以假设为具有n自由度的线性弹性振动系统,其振动微分方程为:

    式中:M、C、K——系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵,均为n×n阶实对称矩阵;

    X、——系统的位移、速度和加速度响应n阶列阵(系统输出响应);

    {P(t)}——n阶激振力列阵(系统输入)。

    将(1)式两边分别进行傅立叶变换可得:

    式中:([Hω]——频响函数矩阵。

    当在第i坐标激振,第j坐标拾振时测得的频率响应函数为:

    式中:Mr——模态质量;Cr——模态阻尼;Kr——模态刚度;φr——各阶模态振型。

    式(3)表明了传递函数和模态参数间的关系,其中式中的分母与响应点和激振点无关,仅与频率和阻尼有关,因而不论在那一点测量,得到的传递函数其分母值相同。式中的分子取决于模态质量及激振点i和响应点j的振动模态值的大小。

    这样可以通过试验实测出传递函数后,计算出各模态参数。在实际测试中,一般通过功率谱密度来求系统的频响函数

    式中:Gpx(ω)——输入输出互功率谱密度;Gpp(ω)——输入自功率谱密度。

    采用互功率谱密度分析经多次平均处理后,可减少噪声,利于模态识别。

3 轮胎模态试验

    3.1 试验方案

    试验所用轮胎为某轿车新、旧195/65R15 91V型Hankook轮胎,旧轮胎为具有多边形和偏磨等异常磨损的轮胎,分别测试两种轮胎胎压为1.4bar、2.2bar和3.0bar时的模态参数。

    模态试验的支承方式一般有两种:自由支承和接地支承。为了更好的反映轮胎的实际工作状态,本次试验采用接地支承方式,该方式理论上要求与地固结,支承刚度无穷大,本次试验采用直径为150mm高度为250mm的钢锭支承(具体见图),经验证完全可以满足要求。

    根据轮胎具有轴对称的特点,综合目前国内外的测试方法,本次轮胎试验采用单点激振多点拾振的方法。在胎面中线的一点使用激振器激振,在轮胎表面布置84个拾振点,使用36个单向加速度传感器分9批测量新、旧轮胎每种胎压下的84个响应点x、y、z等三个方向共252个方向的响应,试验测量0Hz~500Hz之间的所有模态。各测点的传递函数试验数据处理与试验数据的采集现场同步进行,每采好一批信号,当场观察其信号的相干性,只有相干系数(除去节点或反节点外)在0.95以上的信号才有效,对符合要求的信号进行实时保存,以便分析处理。

 

责任编辑:程玥
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