ATOM最小二乘复频域法识别模态
在求得系统极点、模态阻尼比、模态参与因子后,可以构建稳态图来判断极点的计算稳定性。对于真实的物理模态,当计算阶次改变后,它们仍然可以稳定地出现在稳态图中;而对于虚假的计算模态,它们不能在稳态图上稳定地出现。在稳态图中,为了更方便的观测频率、阻尼比、模态参与因子随阶次的变化,分别要s、v、d、f、o来表示不同的稳定情况,稳定性的判定主要通过模态频率稳定性、阻尼比稳定性、模态参与稳定性三个维度进行判定。
假设在第n阶计算时得到m个极点(m<=n),并取其中一个极点为例,设该极点对应的频率、阻尼比、模态参与因子为、、,在第n-1阶的计算结果中,寻找频率与差值最小的极点,设该极点对应的频率为、、,计算对应量的偏差量,按照如下的公式判断稳定性:
频率稳定性计算:
公式11
阻尼稳定性计算:
公式12
模态参与因子稳定性计算:
公式13
依据稳定性定义出极点稳定性标记:
表1
极点类型字母 | 极点类型含义 | 满足条件 |
o | 基础类型 (能算出有效极点) | 无 |
f | 频率稳定性达到要求 | 公式6 |
d | 频率、阻尼稳定性达到要求 | 公式6、7 |
v | 频率及模态参与因子稳定性达到要求 | 公式6、8 |
s | 模态频率、阻尼、模态参与因子稳定性均达到要求 | 公式6、7、8 |
为了更加直观的分辨极点,稳态图中将函数曲线与极点标记放在一起,方便观测和判断,对比极点和曲线的峰值、谷值的位置,有助于判断是否为真实的物理模态,这些函数曲线会用到如测点频响函数曲线、模态指示函数、频响函数综合曲线等。如下图所示:

图1
ATOM 基于最小二乘复频域法的模态测试分析应用
某中型客车在60kph(仪表车速,后文无特殊说明均为仪表车速)前后行驶时,驾驶员位置存在明显压耳声,主观不可接受。
采集匀速与加速工况下驾驶员位置噪声数据,频谱分析如图2所示。60kph匀速工况驾驶员位置24Hz噪声峰值远高于其他频率噪声,问题频率为24Hz。加速工况车内噪声存在24Hz共振带特征,且有明显与车速相关阶次特征,在56kph(实际车速,比仪表车速低4kph左右)时阶次特征被24Hz共振带放大。根据轮胎半径(0.376m)与后桥减速器速比(3.69),计算得出实际车速为56kph时,轮胎一阶转动频率为6.6Hz,传动轴一阶转动频率为24.3Hz,由此判断车内问题为传动轴激励与24Hz模态耦合产生。


该车型传动轴为三段式传动轴,前轴与中间轴连接位置通过橡胶支撑安装在车架上,中间轴与后轴通过缓速器连接,缓速器通过橡胶隔振垫安装在车架上。传动轴与橡胶支撑,缓速器与隔振垫组成的弹簧质量系统存在系统模态,初步怀疑24Hz为缓速器/传动轴中间支撑模态。为锁定问题原因,通过ATOM测试并识别0-50Hz传动轴模态。结果如表2所示:其中缓速器刚体模态频率24.1Hz,与车内问题点频率完全对应。车内60kph压耳问题为传动轴一阶不平衡激励与缓速器刚体模态耦合导致。
表2 传动轴0-50Hz模态测试结果

①控制传动轴与缓速器动不平衡,降低源头激励;
②将缓速器刚体模态移频,刚体模态频率≤20Hz,使其不被人感知(人耳听觉范围20-20000Hz)。
考虑该车型传动轴动平衡控制已经处于行业领先,本问题重点从降低缓速器刚体模态着手。降低缓速器隔振垫刚度可有效降低刚体模态频率:将隔振橡胶硬度降低至48HA,且隔振垫结构从面接触调整为锯齿接触,降低接触刚度。方案实施后缓速器刚体模态从24Hz降低至14Hz,60kph车内24Hz噪声降低12dB(A),压耳感显著改善。

图3 隔振垫方案实施前后60kph车内噪声对比
在本案例中,使用ATOM基于最小二乘复频域法的模态识别技术,测试传动轴模态,通过模态将传动轴与问题关联起来,支撑问题解决,实现振动噪声问题的风险控制,模态起到了连接物理世界与动态性能的桥梁。
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