整车状态下的动力总成刚体模态测试注意事项

动力总成是汽车NVH问题的源之一，它的性能直接影响着整车的NVH水平，因此，合理地设计动力总成及悬置系统至关重要。理想的发动机悬置系统应该在低频范围有较大的动刚度和阻尼，而在高频范围有较低的动刚度。通常为了验证动力总成悬置设计是否合理（6个刚体模态的解耦率），需要做动力总成刚体模态。另一方面，通过刚体模态也可以进一步获得动力总成的刚体特性参数。

1试验方法
动力总成的坐标定义：x方向为发动机变速箱连线方向；y方向为水平垂直于连线方向；z方向为垂向。由于动力总成具有不同的布置方式，因此，动力总成的坐标系统可能与整车坐标系统不相同。动力总成六个刚体模态与对应的英文描述如表1所示。

表1 动力总成六个刚体模态描述



对于整车状态下的动力总成刚体模态测试，需注意以下几个方面：

1.激励方式选择：可以选择力锤或激振器。如果选择力锤，那么将涉及到锤头和力锤型号选择，由于动力总成刚体模态的频率范围集中位于5~30Hz之间，而在整车状态下能够锤击的地方多半是变速箱底部的一个角点的三个方向，如图1所示的三个蓝色短箭头表示的位置，此点的刚度较大，因此，要求选择锤头时，应选择最软的锤头，以便在低频段提供理想的相干系数。另外，选择力锤型号时应为中型力锤，如PCB 086D05，INV MSC-3，如果力锤过小不足以激起这六个刚体模态。如果低频相干不理想，还可以锤击位置处粘一块橡胶垫，以进一步提高锤击作用时间，改善低频特性。如果选择激振器激励，需要对结构进行倾角激励，为了完全得到这六个刚体模态，需要两个激振器同时进行倾角激励。另外进行倾角激励时，无须将激励力分解到三个方向的分量，因为即使分解后，也不能得到三个线性无关的激励力。由于安装与设置激振器较复杂，因此，从效率上讲，力锤激励更方便，经济。

2.传感器选择：由于需要测量六个刚体模态，所以要用到三向加速度计。且要求加速度计的灵敏度要高。另外质量要轻，易于安装，因此宜选用六面体型的三向加速度计。可用型号，如PCB 型号为356A16，356A32等加速度计，安装可采用胶粘方式。

3.确定测量自由度：由于动力总成形状不规则，因此用于表征振型动画的几何模型只能是它的大致形状。在动力总成结构上可布置16个测点，每个测点测量三个自由度，故总测量自由度为48个。当然也可以用更多的测点，但从测量效率和测量要求来讲，此测点布置方案已满足要求。测点布置如图1所示，如图中的黑色圆形和方形实心点表示（两种形状表示分两批测试），图中显示的总共13个点，其中3个点位于对应的背面，图中看不到。



图1 测点布置与测量顺序示意图(原始图片来自网络)

4.测量顺序：总共16个测点，48个测量自由度，因此可能需要分两批次进行测量。第一批次的测点为图1中的圆形实心点，第二次批次为方形实心点。从测量效率和布线方便性考虑，在移动加速度计时可按图1中白色箭头方向平行移动加速度计。这样测量的原因是，即使只有第一组的数据，也能大致得到这六阶刚体模态，因为已经测量了最外侧8个角点的数据。

5.采样频率：由于动力总成的刚体模态位于5~30Hz内，因此响应信号的采样频率可设为60Hz，此时能得到较高的频率分辨率。当然不同的采集仪可能采样频率档位不同，但可就近选择一档。

6.提供无泄漏的测量。信号如果不满足FFT变换要求，那么就会存在泄漏，为了减少泄漏就需要加窗函数。因此，不管是锤击法还是激振器测试，都应该尽量提供无泄漏的测量：满足FFT变换的周期性要求。对于锤击法而言，要保证在采样结束前信号完全衰减；对于激振器而言，要保证使用的激励信号避免加窗。

7.需要布置额外的测点。前面所讲的测点布置仅仅是动力总成结构上的测点布置，但是对动力总成结构进行激励后，从得到的FRF中明显可以看出，在0~第一阶刚体模态频率之间还有很多共振峰，在振型动画中表现出来的也是平动和转动，与动力总成的刚体模态振型相同，这些导致难于识别想要的刚体模态。但这些共振峰不是动力总成的刚体模态，而是其他的频率，如整车刚体模态。此时，为了将动力总成的刚体模态和整车的刚体模态区别开来，需要在整车上其他位置布置测点。此时，可以在附近支承的车架上、轮胎轱辘上和外侧车身上分别布置三向加速度计。对比这些点的FRF和动力总成的FRF，以区分哪些频率是动力总成的刚体模态频率，哪些是整车的刚体模态频率。

2结果分析
在分析时发现：在0~第一阶刚体模态频率之间还有很多共振峰，振型动画表现出来的也是平动和转动，与动力总成的刚体模态振型相同。出现这样的原因是，只关心动力总成这一部分结构，也只测量了这一部分的响应，而没有测量系统的其他组成部件。大多数这样测试的结果可能不可靠，在系统不同组件之间或者不同部位之间，经常存在显著的动力耦合，不可能只测试关心的那部分结构就总能满足要求。如果实验模态测试只采集结构关心部分的数据，那么得出的模态振型会让人感到迷惑，因为整个结构的模态振型是未知的。这如同把结构的其他部分遮盖起来，只能看到关心的那部分一样，这样会使人相当迷惑，不确定到底看到了什么（如同盲人摸象）。很多时候，对这类测试的结论是：系统出现多阶相同的模态振型。显然这是完全不可能的！系统不可能存在相同的模态。但是从限制条件看，只测试结构的一部分，确实出现了好像两阶相似的模态，就像本例中出现了两个相同的刚体模态一样。因此，在测量系统的一部分结构时，应同时测量系统其他部分结构，当然可以是少数几个测点，这时从FRF中就可以区别哪些频率是系统的或者其他部件的，哪些频率是你需要测量的那部分结构的频率。对某次动力总成刚体模态试验进行分析，得到的模态振型三视图如2~7所示。



图2 x方向平动


图3 y方向平动



图4 Z方向平动



图5 绕x方向的转动



图6 绕y方向的转动



图7 绕z方向的转动