基于工作模态法的动力总成刚体模态参数识别

万方数据

２００８年１２月

噪『声与振动控制

第６期

测量，选取两个前悬架的上止点作为参考点，并用 单轴加速度传感器来拾振。

表１ 实验刚体模态频率和模态阻尼

模态阶次

振型特征 模态频－：－筝－／Ｈｚ 模态阻尼比／％

Ｍｏｄｅｌ

绕ｘ轴转动

７．４４９３

６．５２

Ｍｏｄｅ２

沿Ｘ平动

７．８２５ｌ

１．１５

Ｍｏｄｅ３

沿Ｙ平动

８．５８２ｌ

５．２４

Ｍ，ｘｌｅ４

绕Ｙ轴转动

９．１８ｌｌ

１．４８

Ｍｏｄｅ５

沿Ｚ平动
பைடு நூலகம்
１２．１２４５

Ｏ．２７

Ｍｏｄｅ６

绕ｚ轴转动

１８．１０５０

２．７１

图２模态测试试验模型

图３测试现场图
４试验测试结果
用ＬＭＳ Ｔｅｓｔ．１ａｂ软件对整车上个测试点传递 函数进行集总平均，再进行模态拟合，通过稳态图 （图４）来拾取可能的模态参数，然后分别仔细观察 每个可能模态振型的动画中动力总成振型与车身 及相关部件振型的关系，从众多模态中准确分辨出 动力总成的模态，最后得到动力总成刚体的六阶模 态。表ｌ为模态参数识别结果。图５为动力总成振 型图。

３ 模拟整车振动模态测试
在道路模拟实验机（ｆｏｕｒ．ｐｏｓｔｅｒ）上模拟不同路 面的激励，用来模拟整车不同的工况。一般是在道 路模拟机上对整车进行专门设置的激振试验。通 过测量整车系统的输ｆＩ｛信号，运用数字信号处理技 术，估计ｆｌｊ频响函数或脉冲响应函数，得到系统的 非参数模型。然后运用参数识别方法，求得动力总 成系统的模态参数。 ３．１ 实验测试系统及准备

５阶

１２．１２４５

１３．４８０

１．３５５５

６阶

１８．１０５０

１９．５６２

１．４５７０

南参数对比可以看出实验识别和理论计算的 结果还是较一致的，尤其是二阶模态和三阶模态 基本相同，这也是由于动力总成在整车上的状态 与自由模态状态比较接近的缘故。而其它模态的 较大差别是不可避免的，除去实验，传感器和计算 等客观条件造成的误差之外，整车实验中传动轴 以及动力总成的油、水、管路和橡胶套对各阶模态 均有影响。比较关心的绕Ｘ轴转动（一阶模态）频 率接近８Ｈｚ，也比较理想。该动力总成六阶刚体模 态频率主要集中在７Ｈｚ一２０Ｈｚ之间，较为合理，避 开了发动机正常工作频率与悬架系统的频率范 围，仅有第６阶频率（１８．１０５０Ｈｚ）稍高，因此在悬 置系统设计时应尽量将该频率调低。总之由于动 力总成在整车上和实验台上的状态不同，模态参 数识别结果与理论计算结果的差别且相近也正说 明了工作模态识别结果的正确性，且更反映实际 情况，更准确。

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基于工作模态法的动力总成刚体模态参数识别

８９

１工作模态参数识别
工作模态参数识别方法现已得到研究人员的 极大关注，很多计算方法也被研究出来，它具有如 下特点：１、根据动力总成在工作情况下激励（或模 拟工作情况下的激励）的响应数据来识别动力总成 的模态参数，该方法识别的模态参数符合实际Ｔ况 及边界条件，能真实地反应动力总成在工作状态下 的动力学特性。２、该方法可以避免繁琐的实验Ｔ作 和对动力总成及连接结构的破坏，节省人工和实验 时间。冈此如何利用汽车的响应信号测试动力总 成的工作模态参数，已经开始受到汽车界的重视。

摘要：介绍工作模态法（ＰｏｌｙＭａｘ方法）进行动力总成工作模态分析的优点，并模拟整车工作情况下对动力

总成的模态参数进行识别，得到动力总成的各阶刚体模态，通过实验识别模态和理论汁算模态的对比，说明采用ｒ

作模态法能够较准确地识别出动力总成的实际刚体模态。

关键词：振动与波；工作模态法；参数识别；动力总成；模态参数
收稿日期：２００８—０３—２７ 基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３）项目（编号：
２００６ＡＡＩ １０１０２） 作者简介：龙岩（１９７９一），男，博士研究生。研究方向：汽车系统动
力学与控制。 通讯作者：史文侔（１９６０一），男，教授，博导，研究方向：汽车系统动
力学与控制。

性参数。现在通用的动力总成实验模态分析识别 方法虽然行之有效，但是存在很多不足之处。主要 是传统实验方法需要人工激励，且测试数据大多是 在实验条件下得到的，结构内部各部件之间的摩 擦、间隙、外界载荷和边界条件这些凶素都会直接 影响到动力总成的模态，从而使得实验得到的模态 与工作环境激励下的动力总成所反映出来的特性 有较大差异，从而直接影响到动力总成悬置系统及 其它总成部件的设计准确性。有限元法、三维数模 计算法也存在类似问题且丁作每较大。本文基于 模拟整车工作模态分析技术来进行动力总成模态 识别，可以有效地识别出动力总成的模态参数，为 悬置系统优化设计提供更真实的参数，简化实验过 程，并对发动机的模态设计进行分析。
近些年来，人们已经提出了多种Ｔ作环境激励 下模态参数识别的方法，大致分类如下：
按识别信号域分为：时域识别方法、频域识别 方法、联合时域频域识别方法；
按激励信号分为：平稳随机激励和非平稳随机 激励（有的方法假设环境激励为白噪声激励）；
按信号的测取方法分为：单输入多输出和多输 入多输出等等；
按识别方法特征分为：时间序列法、随机减量 法、ＮＥｘＴ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）、随机子空间 法、模态函数分解法、峰值拾取法、频域分解法及联 合时域频域方法等等。
２ ＰｏｌｙＭａｘ模态识别方法
ＬＭＳ公司推出ＰｏｌｙＭａｘ模态识别方法，属于多 自由度时域识别法，也称作多参考点最小二乘复频 域法（Ｐｏｌｙｒｅｆｅｒｅｎｅｅ ｌｅａｓｔ—ｓｑｕａｒｅｓ ｃｏｍｐｌｅｘ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ），是最小二乘复频域法（ＬｓＣＦ）的多 输入形式，是一种对极点和模态参预因子进行整体 估计的多自由度法，一般首先通过实验建立稳态 图，以判定真实的模态频率、阻尼和参预因子；建立 可以线性化的直交矩阵分式模型，然后基于正则方 程缩减最小二乘问题，得到压缩正则方程，于是模 态参数可以通过求解最小二乘问题得到，具体理论 方法参见参考文献［３］。该方法集合了多参考点法 和ＬＳＣＦ方法的优点，可以得出非常清晰的稳态图， 并且密集窄问町以被分离出来，尤其存模态较密集 的系统（动力总成系统），或者ＦＲＦ数据受到严重噪 声污染的情况下仍町以建立清晰的稳态图，识别出 高度密集的模态，对每一个模态的频率，阻尼和振 型都有很好的识别精度。适合于环境激励和经典 模态分析，是国际最新发展并流行的传递函数模态 分析方法。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｗａｖｅ；ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄａｌ；ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ；ｍｏｄｅ ｐａ—
ｒａｍｅｔｅｒ

随着汽车工业的快速发展，汽车的动态特性研 究开始受到重视。动力总成悬置系统的性能直接 影响着整车的ＮＶＨ水平。当今汽车上各种结构的 复杂性日益增大，新兴结构不断出现，设计也开始 从传统的由经验、类比和静态设计方式向动态设计 方式转换，在这一过程中，结构的动态特性起着至 关重要的作用，结构的安全可靠性是与结构特性参 数密切相关的。对悬置系统的动静态特性设计和 优化首先就要准确确定动力总成的模态参数和惯

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｅｒｉｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｂｙ ＰｏｌｙＭａｘ ｆｏｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄａｌ ｏｆ ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｄａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ ｆｏｒ ａｎ ｏｖｅｒａｌｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ａｌｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｗｉｔｈ ｔｈａｔ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｍｏｄａｌ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｉｇｉｄ ｂｏｄｙ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ ｃａｎ ｂｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｂｙ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｄａｌ ｍｅｔｈｏｄ．
２００８年１２月

，
噪声与振动控制

文章编号：１００６—１３５５（２００８）０６－００８８－０４

第６期

基于工作模态法的动力总成刚体模态参数识别

龙 岩１， 史文库１， 兰靛靛ｊ， 梁天也３
（１．汽车动态模拟国家重点实验室，长春１３００２５； ２．长安汽车股份有限公司汽车工程研究院，重庆４０１１２０２；３．吉林大学植物科学学院，长春１３００６２）

基于工作模态法的动力总成刚体模态参数识别

９ｌ

表２ 实验模态与理论计算模态对比

模态阶次

试验识别

理论计算

项目 １阶 ２阶 ３阶 ４阶

频率Ｈｚ
７．４４９３ ７．８２５ｌ ８．５８２ｌ ９．１８１１

频率Ｈｚ
５．９３４ ７．６２７ ９．２７１ １１．１１０

相差Ｈｚ
１．５１５３ ０．１９８１ ０．６８８９ １．９２８９

图５动力总成模态图
由于实验中动力总成的模态参数精确值无法 得到，于是本文应用工程上测试精度较高的复摆方 法（见网６）较准确地识别出该动力总成（除去油、水 等）的惯性参数，然后由惯性参数计算出动力总成 模态参数的理论值，并作为本次试验的参考值。识 别结果和参考值对比结果见表２。

万方数据

图４稳态图

图６惯性参数测试
２．Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈａｎｇ’ａｎ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０１ １２０，Ｃｈｉｎａ；
３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３００６２，Ｃｈｉｎａ）

中图分类号：Ｕ４６１．１

文献标识码：Ａ

Ｍｏｄａｌ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒｔｒａｉｎ Ｒｉｇｉｄ Ｂｏｄｙ Ｕｓｉｎｇ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ Ｍｏｄａｌ Ｍｅｔｈｏｄ

ＬＯＮＧ Ｙａｈｌ，ＳＨＩ Ｗｅｎ．ｋｕｌ，ＬＡＮ Ｄｉａｎ．ｄｉａｎ２，ＬＩＡＮＧ Ｔｉａｎ－ｙｅ３ （１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｄｙｎａｍｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２５，Ｃｈｉｎａ；
图】 实验测量分析系统关系图
为保证识别出的频响函数具有较好的一致性， 而且不遗漏模态，设计的模拟整车工况必须要保证 能够激起动力总成全部刚体模态。由于在整车Ｔ 况下激振，所以选片ｊ能量较为集巾的正弦信号对车 轮进行激励。 ３．２测试点的布置
首先对整车相关部件进行几何尺寸测绘，建立 ｉ维的几何实验模型，一共布置了３９个测点（动力 总成上布置７个测点）并用三向加速度传感器测茸 每个测点的ＸＹＺ的加速度信号。根据每个传感器 （测点）在整车啦标系上的位置坐标在Ｔｅｓｔ．１ａｂ里建 立模态测试实验模型，如图２所示。传感器布置的 原则Ｈ１是测每的目标模态可观可控，能够测取系统 的全部刚体模态，以及车身等相关部件的振动响 应；避免给动力总成造成局部质量和刚度的过大改 变；尽量避开模念的节点或者支撑点；布点尽量较 清楚地反映出车身，悬架系统，及动力总成等的几 何形状；保证较高的信噪比。由于传感器和采集通 道数量有限，因此在测量时采用同工况分两轮进行
实验测试分析系统包括模拟实验激振系统、响 应拾振系统以及模念分析和处理系统ｉ大部分。 本次模拟实验激振系统为道路模拟实验机；响应拾 振系统为加速度传感器和ＬＭＳ ＳＣＡＤＡＳ ｍ３０５；模态 分析和处理系统主要是ＬＭＳ公司的Ｔｅｓｔ．１ａｂ软件， 用ＰｏｌｙＭａｘ方法进行模态分析。图１为实验测量分 析系统关系图。

５结语

通过工作模态方法（Ｐｏｌｙｍａｘ）在整车上对动力 总成模态参数进行识别，由于动力总成属于低频大 阻尼，且模态比较集中，故该方法能较好地识别出 动力总成的刚体模态。为悬置系统的改进与设计 提供指导。
同时采用工作模态法得到的模态参数比传统 自由模态法测得的模态参数更接近于动力总成的 交际模态。实验过程得到简化，但是对实验数据的 后处理需要较长时间（分辨模态麻烦），这也是该方 法的一个不足。为研究车辆动力总成及其它复杂 总成的模态识别提供思路。