模态试验在后扭力梁上的应用

汽车后扭力梁是汽车扭力梁式半独立悬架的重要部件之-，在工作状态下承受路面和汽车本身的不等幅不同频率的循环载荷激励。在汽车运行工况中，后扭力梁中的横梁和扭杆是承受后桥的弯曲和扭转主要部件，尤其是横梁，在汽车不等幅不同频率的循环交变载荷的激励下，容易出现由于激励频率和受迫振动的结构固有频率相近振动疲劳m，进而出现结构断裂等现象。试件的模态参数决定了其内在的振动特性，研究部件的振动特性常用的方法是模态试验法。文献呶寸汽车零部件进行了模态试验分析，获得了结构的结构参数；文献圈；fⅡ啊 汽车车身的模态参数进行了试验分析，获取了其模态频率，但是均未阐述模态试验过程中应该优化的问题，比如悬挂位置和测点的布置。大量试验表明，当结构受到外界相近或相同频率激励时，结构容易产生共振，长时间的共振激励易诱发结构产生共振疲劳。由此可见，在进行结构设计时，应使得结构固有频率避开激励频率，以免激励频率和结构固有频率相近而产生共振问题。

拟研究模态试验在后扭力梁上的应用，针对模态试验中悬挂方式、激励方式和测点布置方式的确定问题，提出了相关的优化方法，并目.将试验结果与有限元分析结果进行对比分析。

2汽车后扭力梁的模型汽车后扭力梁是汽车后桥中的承重件，是汽车车架或车身、车轮和悬架的连接件，主要承受汽车后轴在各个方向上传递给车架或车身的载荷。在汽车行驶过程中，后扭力梁除了容易产生弯曲和扭转等变形，还会在各载荷的激励下产生受迫振动。后扭力梁结构图，如图 1所示。

1.衬管 2.纵臂 3.凸缘 4.凸缘连接件 5.减振器安装座 6.弹簧座7.上加强件 8.横粱加强件 9.扭杆 lO.横梁图 1后扭力梁结构图Fig.1 Structure Diagram of Rear Torsion Beam来稿日期：2012-10-05基金项目：江西侍育厅青年科学基金资助项目(GJJ1 1032)作者简介：罗明军，(1980-)，男，江西吉安人，讲师，主要研究方向：汽车NVH和 CAE分析第8期 罗明军等：模态试验在后扭力梁上的应用 55汽车后扭力梁由横梁、扭杆、纵臂和连接件等部件组成。横梁的截面为准等截面厚度为4.Smm的u型开口薄壁梁组成，扭杆为直径 18mm的实心圆杆，纵臂由空心4ram的钢管构成，其余部件为薄壁件。后扭力梁结构各部件的材料参数，如表 1所示。

表 1后扭力梁部件材料参数Tab 1 Material Parameters of Rear Tomion Beam3模态试验3.1试验测试系统组成试验系统由试验激振系统、数据采集系统和模态分析处理系统三大部分组成。其中试验激振系统包括信号锤，数据采集系统主要由加速度传感器、力传感器、信号放大和智能采集系统，模态分析处理系统为东方所 DASP振动测试软件等组成。

3.2后扭力梁悬挂位置的选择在后扭力梁模态试验中，由于自由悬挂能有效避免环境振动和支撑刚度的影响，试验可重复性好，因此可采用橡皮绳将后扭力梁结构悬吊在刚性良好的横梁上，使其处于近似的自由状态。其评判方法为：刚体模态的最低阶频率低于结构自身第 1阶弹性模态频率的(10-2O)%，并且使可能参与振动的质量旧能校3.3传感器的选择及布置原则传感器应满足动态范围宽、工作频段宽、低频性能好、抗干扰能力强、灵敏度高、线性度好、体积孝质量轻的要求。测量动态响应通常采用压电式加速度传感器，激励力用阻抗头测量。与传感器相连的信号传输线要处于免受扭力、拉压力作用的位置，以保证试验数据采集的准确度。

通过合理布置传感器位置，测点数目为 24个，测点在扭力梁结构上分布应旧能均匀。测点过少则很难反映被测部件的基本外形和振动特性，使模态振型不可视；测点过多则加大了试验的工作量和数据处理繁杂程度，故测点布置应遵循如下原则。

(2)应布置在后扭力梁信噪比较好的部位，如扭力梁的横梁、纵臂和加强板件等。在试验中主要关注的部位，测点布置应密- 些；对于规则的部件尽量采取对称布置。

(3)加速度传感器应安装在待测点的待测方向上，旧能减杏速度传感器横向灵敏度带来的误差影响。

(4)lJ点尽量布置在刚度较大处 ，不应在振动节点上，否则会丢失模态信息。

3.4激励系统该试验选用单点激励多点响应的拾振系统 ，其优点是结构简单，容易控制。对了结构不算复杂和质量不大的部件，这是通常采用的激励方式。激励锤-般通过单向力传感器传递作用力。

3.5试验测试系统检验在采集试验数据之前需对测试系统进行检验以确保试验数据的准确性 ，通常采用相干法来检验系统的相干性。

选择后扭力梁上的某-点作为加速度传感器信号采集点，使用单个激振信号激励，得到相关函数，相干系数越接近 1越好，- 般应保证相干性在 80%以上。选取离激振点较远处的-点作为相干性评价点某点相干函数，测点与激振点的相关性越好，信噪比越高，激振方法越有效。通过对相关性进行验证，表面其系统的抗干扰能力较强。

4后扭力梁结构模态试验在进行模态试验时，通过对后扭力梁模态试验方法进行讨论优化，选择试件振幅较小的位置作为悬挂点。为此，需要对试件进行预试验，确定其振幅较小的位置点，即最佳悬挂点[41。后扭力梁衬管和减振器安装处为初始悬挂点。经试验结果表明，在横梁1/4处附近的振幅较小，故后扭力梁的悬挂点布置在横梁两端的1/4处。

加速度传感器采用常规的压电式传感器，最大量程为 50g，灵敏度为 3pC/g。为了更加准确的测得后扭力梁结构的模态参数，将加速度传感器均布在横梁上，并且在后扭力梁的关键部位上布置。通过对加速度传感器位置的优化，在后扭力梁结构上二共布置了 24个加速度传感器，其中 1-8为三向加速度传感器，其余为单向加速度传感器，具体如图2所示。

(a)反面(b)正面图2加速度传感器布置示意图Fig 2 Layout Diagram of Acceleration Sensor为了提高信号的信噪比，激励位置的选择应该布置在后扭力梁刚度较大的部位，并且要避免后扭力梁响应中的节点位置。

经过对后扭力梁的预模态试验可知 ，在后扭力梁中的纵臂结构出的刚度较大，而且不是后扭力梁的节点，故激励位置确定在后扭力梁的纵臂处，具体布置，如图3所示。需要注意的是，为了激励出后扭力梁结构的更多的频率，需要对后扭力梁各个方向进行激励。

56 机械设计与制造NO.8Aug.201 3图3后扭力梁的模态试验Fig.3 Modal Test of the Rear Torsion Beam通过对后扭力梁模态试验的数据进行处理，分析得到了后扭力梁自由模态中的前十阶固有频率，如表2所示。采用有限元方法对后扭力梁进行有限元模态分析，得到后扭力梁前十阶固有频率，并与模态试验测试得到的固有频率进行对比，如表 3所示。

通过对比可知，采用优化后方案测得的后扭力梁的模态参数与有限元分析的结果误差较小，该方案具有较高的准确性。

表 2后扭力梁前十阶固有频率Tab.2 The First Ten Natural Frequenciesof the Rear Torsion Beam表3后扭力梁前十阶固有频率Tab.3 The Comparison of First Ten Natural Frequencies5结束语(1)介绍了模态试验法在汽车后扭力梁上的应用，对模态试验中悬挂部位、传感器的选择及布置、测点的布置等关键问题提出了要求。

(2)合理布置振动响应点，在保证试验准确性的前提下提出了较为优化的汽车后扭力梁模态分析测试方法。

(3)将优化后的模态试验方法在汽车后扭力梁结构上进行应用，测得后扭力梁的前十阶固有频率。经与有限元分析结果对比，误差在 6%范围内，表明了该实验方法的准确性较高。