V ol 39No.1
Feb.2019
噪
声与振动控制NOISE AND VIBRATION CONTROL 第39卷第1期2019年2月
文章编号：1006-1355(2019)01-0099-04
宫少琦，王
晖，朱
健，郭风晨，施长宏
(华晨汽车工程研究院，沈阳110141）
摘要：为了优化轮胎模态试验方法，得到精确的轮胎模态参数，开展对比试验研究，经过大量模态试验数
据的对比，结合LMS Test Lab ，研究模态试验3要素的选用原则，即测点布置、边界约束和激励形式的选取方式。试验结果表明：(1)对轮胎单一胎面进行模态测量，存在模态遗漏现象，且轴向与径向阵型易混淆，因此须进行轮胎3胎面(内胎面、正胎面、外台面)布点测量；(2)胎面整周少于36个测点时，轮胎高阶次花瓣阵型难以清晰呈现，因此须于3个胎面等角度间隔平行布置36×3个测点；(3)轮胎处于整车安装离地状态受激励时，支撑位移量微小，优于软绳约束状态；(4)激振器激励信号相干系数达到1，优于力锤锤击信号，并且使试验进行更加便捷与高效。根据以上结果提出一种新的轮胎模态测试方法，并应用此方法得到准确的轮胎模态参数，研究结果可为轮胎噪声与振动控制提供依据。
关键词：振动与波；轮胎；模态分析；固有频率中图分类号：O422.6
文献标志码：A
DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1355.2019.01.019
The Experimental Study on Tire Modal Analysis
GONG Shaoqi ,WANG Hui ,ZHU Jian ,
GUO Fengchen ,SHI Changhong
(Brilliance Auto R &D Center,Shenyang 110141,China )
Abstract :In order to optimize the tire modal test method and obtain the precise parameters of the tire modal,comparative test and analysis are performed.Through the mutual comparison of large amount of experimental data of the modal test by adopting LMS Test Lab,the selection principle of measurement point layout,boundary constraint condition and incentive form is studied.The results show that (1)Single surface measurement may easily lead to modal parameters lose and modal shape confusion,therefore,the measurement point layouts in three tire surfaces (the inner,front and outer surfaces)are necessary;(2)The high order modal shape is not clear with less than 36measurement points around one tire circle only,so each tire surface must be arranged by equally spaced 36measurement points,and there are totally 36×3measurement points;(3)The tire should be installed on the vehicle and free from the ground,the support displacement in this state is very small,this is better than soft rope constraint;(4)The signal coherence coefficient of the exciter reaches 1.It is better than hammering signal and makes the experiment more convenient and efficient.This study presents a new method for tire modal testing,and using this method can obtain the precise parameters.The results provide a fundamental basis for the noise and vibration control of tires.
Keywords :vibration and wave;tire;modal analysis;natural frequency
轮胎赋予了汽车“脚”的功能，是汽车的重要零部件，它主要承受车载重量和路面激励，因此轮胎的振动
特性直接影响车辆驾乘舒适性能。轮胎的低阶模态一般分布在300Hz 以内，而大部分底盘零部件在此频段内也存在模态分布，两者很可能耦合，一旦
收稿日期：2018-04-03基金项目：国家自然科学基金资助项目（51641404）；
辽宁省教育厅科技研究资助项目（L2015218）
作者简介：宫少琦(1986-)，女，河北省深州市人，硕士，主要研
究方向为汽车NVH 性能分析与优化。@brilliance-auto
耦合就会影响车辆的NVH 性能，因此对轮胎的动态特性深入研究有着重大意义[1–2]。另外，轮胎属于橡胶类弹性体，有限元分析很难建立准确的轮胎橡胶参数，因此通过有限元模拟分析的轮胎模态参数与实际有一定差异[3–5]，相比之下模态试验测量参数较准确。目前国内主机厂主要通过实验方法得到轮胎模态参数，但缺少一套适用性较强的方法指导，因此对轮胎模态试验深入研究，有着较大的工程实用价值，为轮胎噪声振动控制、底盘结构分析及车辆NVH 性能优化提供指导性依据[5]。
模态试验过程中的种种变量会对模态分析产生
第39卷
噪声与振动控制一定偏差影响，因此本文以两种规格尺寸的轮胎为研究对象，结合LMS Test Lab ，主要针对模态测点布置、边界约束和激励形式三个要素，对轮胎模态进行测量分析对比，得到了更加精确的轮胎模态参数，并提出适用性较强的轮胎模态试验指导方法，阐述轮胎模态试验研究的实用价值与重要意义。
1模态试验
1.1模态分析原理
传递函数是输出的拉普拉斯转换除以输入的拉普拉斯转换，同理，频率响应函数是输出的傅立叶变换比上输入的傅立叶变换。频响函数的定义如下
[6]
H (ω)=
X (ω)
Y (ω)模态分析就是通过频响函数识别模态参数，图1
介绍了频响函数与模态参数的关系。
图1频响函数-模态参数
1.2模态试验
试验模态分析[7]主要有三个重要步骤：第一，建
立测量系统，即悬挂测量试件、布置传感器、安装激振器、建立试件模型等；第二，测量频率响应数据，即在某激励力的作用下结构被激起振动，进而采集并输出频响函数；第三，模态数据分析，即利用试件的频响函数进行计算估计模态参数，如试件的固有频率和阵型等重要参数。针对轮胎模态试验研究内容，确定轮胎模态试验系统设备(表1)，试验测量系统的连接方式详见图2，主要包括加速度振动传感器、激振系统、数据采集和分析系统。
表1试验设备信息
仪器名称三轴加速度传感器LMS 数据采集分析系统
激振器力锤
数量10121
设备信息量程：0.7～6500Hz
48通道型号：TV 51120M 量程：＞2000
N
图2试验测量系统
2模态试验研究
本文针对测点布置、边界约束和激励形式三个要素，进行对比测试，优化轮胎模态试验方法，提高轮胎模态参数精度。2.1布置测点
模态测点布置原则：
1)所设计的测点能估计出轮胎的形状、尺寸和结构；
2)测量结果能得出清晰可辨的模态阵型。试验中将测点分别布置在内胎面、正胎面、外胎面，数模见图3(a)，以10°为间隔在每个胎面上布置36个测点；实际测点布置详见图3(b)，激励方式选用力锤敲
击，激励轴向(X )、切向(Y )、径向(Z )的轮胎对应方向频响信号见图4
。
(a)轮胎数模(b)测点布置图
图3
轮胎模型与测点布置
图4轮胎频响曲线
100
第1期结合LMS_Polymax 模块计算模态结果如图4－图6。
试验结果表明：
轮胎参数1）测点分别布置于内胎面、正胎面、外胎面及三胎面测量所得的固有频率相差不大，偏差在3Hz 以内；
2）测点仅布置于内或外胎面时，轮胎的径向与轴向模态数值接近易耦合，在计算中难于拾取并发生遗漏，图5中测点仅布置于外胎面时其1阶模态被遗漏；
3）三个胎面同时测量时，有效区分了数值较接近的轮胎径向和轴向模态的主阵型；
4）轮胎径向模态呈现花瓣状，阵型中每个花瓣构成应不少于4个测点才能使阵型清晰可见，八花瓣阵型需要至少32个测点。因此对轮胎模态测量时，应在内胎面、正胎面和外胎面，等角度间隔平行布置36×3
个点。
图5
测点不同模态结果对比
(a)径向四花瓣主阵型
(b)轴向1阶弯曲主阵型
图6轮胎主阵型的区分
2.2优化边界条件
自由约束要求要尽量降低边界约束对其振动特性的影响，应满足：
1)轮胎支撑非常柔软（支撑模态应低于测量件模态的20%）；
2)支撑连接点的运动幅度要很小。如图7。对轮胎边界约束状态进行：(a)软绳水平吊装、(b)
软绳
(a)水平吊装
(b)垂直吊装
(c)整车安装离地
图7不同边界约束情况
垂直吊装和(c)整车安装离地状态对比。3种约束状态均接近轮胎自由状态，每种状态布置36×3个测点，激励方式均选用力锤敲击。
结合LMS 计算轮胎模态见图8
。
图8不同约束频响曲线
结果表明：
(1)图8将(a)、(b)和(c)3种约束状态测量的频响特征进行对比分析，所关注频段内，轮胎的特征频率偏差均在2Hz 以内；
(2)轮胎整车安装离地状态受到激励时，支撑连接点位移量较另外2种状态更小，且更加便捷。因此对轮胎模态测量时，轮胎处于整车安装且离地状
态即可得到准确的模态参数。2.3选取激励方式
激励原则：
1)保证激励信号的一致性（激励力信号相干系数应高于0.85）；
2)激励出试件所关注频段内所有相关模态。模
态试验分别应用力锤和激振器进行测试，图9为使
用激振器实测图。
图9激振器激励方式
轮胎模态分析试验研究101
第39卷
噪声与振动控制测试结果表明：
(1)激振器法与锤击法计算结果偏差在3Hz 以内，两种不同激励源均可获取轮胎模态(图10)
；
图10不同激励方式模态结果对比
(2)激振器激励力信号的相干系数接近1(图11)，力锤信号相干性稍差，可知激振器优于力锤，且
试验进行中更加便捷和高效。因此轮胎模态测量
图11激励力信号相干系数
时，激振器法优于锤击法。
3结语
综上，经过对两种尺寸规格的轮胎进行大量模态试验对比，确定了轮胎模态试验三要素的选取原
则，优化了轮胎模态试验分析方法，即采用三胎面测点布置、整车安装离地状态和激振器激励方式；同时也通过此方法得到了准确的的轮胎模态参数与模态阵型（见表2），验证了方法的可行性。
表2测试轮胎模态参数与阵型
内容235/50R18245/55R19模态种类
模态阵型
径向模态
1阶96.0488.28径向
两花瓣
2阶120.49113.71径向
三花瓣
3阶143.68136.08径向
四花瓣
4阶167.33158.13径向
五花瓣
5阶193.67181.14径向
六花瓣
6阶222.71205.55径向
七花瓣
7阶252.70229.87径向
八花瓣
轴向模态1阶101.0694.29轴向
一弯
2阶150.89139.23轴向
二弯
3阶182.11163.83轴向
三弯
对轮胎模态测量时应使用以下试验方法：（1）测点布置：在3个胎面（内胎面、正胎面、外台面）等间距平行布置至少36×3个测点，即每个胎面按10°等间隔布置36个测点；
（2）边界约束：轮胎处于整车安装且离地自由状态，即将车身置于举升机上，使轮胎处于离地自由状态；
（3）激励形式：选用激振器，分别激励其径向、轴向和切向，信号整合计算后得到轮胎模态。
参考文献：
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