劉煥領(lǐng)　景亞兵　白　偉（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所　天津　300072）

基于頻響函數(shù)質(zhì)量線法的摩托車整車剛體慣性參數(shù)的辨識(shí)

劉煥領(lǐng)景亞兵白偉
（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所天津300072）

采用基于頻響函數(shù)質(zhì)量線法獲取某摩托車整車的剛體慣性參數(shù)，為整車分析優(yōu)化和懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供條件；并用稱重法進(jìn)行驗(yàn)證，表明基于頻響函數(shù)質(zhì)量線法辨識(shí)摩托車整車慣性參數(shù)準(zhǔn)確度較高。

頻響函數(shù)質(zhì)量線法摩托車慣性參數(shù)

剛體慣性參數(shù)是指質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心坐標(biāo)等參數(shù)。這些參數(shù)是進(jìn)行整車分析和優(yōu)化的前提要求；對(duì)于車輛懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化、系統(tǒng)減振等具有非常重要的作用。簡(jiǎn)單物體的慣性參數(shù)可直接通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算或有限元模型計(jì)算獲得；摩托車整車是由發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)系統(tǒng)和電氣儀表設(shè)備五部分組成，其材料組成、零部件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，很難建立精確的三維模型和有限元模型，因而通過(guò)數(shù)值計(jì)算法很難得到精確的慣性特性參數(shù)；而傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法如落體測(cè)試法、三線擺法、力矩平衡法和復(fù)擺法等對(duì)于大型部件慣性特性參數(shù)的獲得也非常困難。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外不少專家和學(xué)者提出了“基于頻響函數(shù)質(zhì)量線的剛體慣性參數(shù)識(shí)別”的方法。本文在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)此方法的探索，將其應(yīng)用于獲取摩托車整車的慣性參數(shù)。

1　試驗(yàn)原理

質(zhì)量線法是從振動(dòng)系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)的實(shí)部數(shù)據(jù)中提取振動(dòng)系統(tǒng)剛體響應(yīng)的方法，如圖1所示。

圖1　頻響函數(shù)曲線

圖1中的頻響函數(shù)曲線分為三部分：低頻段顯示的是懸吊支撐系統(tǒng)的固有頻率特性；高頻段顯示的是結(jié)構(gòu)在懸吊支撐約束條件下發(fā)生一定變形時(shí)的柔性體模態(tài)；中間近乎平行于頻率軸的頻段即要利用的質(zhì)量線頻段；該頻段內(nèi)FRF值只與質(zhì)量矩陣中被測(cè)結(jié)構(gòu)的各慣性參數(shù)有關(guān)，受懸吊或支承系統(tǒng)自由振動(dòng)固有模態(tài)及被測(cè)物體彈性模態(tài)的影響很小[1]。

因此，可通過(guò)整車試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得到FRF曲線，經(jīng)過(guò)計(jì)算變換得到整車的各項(xiàng)剛體慣性參數(shù)。

2　摩托車整車模態(tài)試驗(yàn)及慣性參數(shù)計(jì)算

2.1測(cè)試系統(tǒng)

模態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)由激振系統(tǒng)、拾振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成，如圖2所示。選用力錘敲擊法進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)。測(cè)試中摩托車的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器不運(yùn)轉(zhuǎn)；前后減震器鎖死；油箱中無(wú)油（干質(zhì)量狀態(tài)）；其質(zhì)量為185kg。

圖2　模態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)

采用LMS公司的相關(guān)儀器設(shè)備與軟件、B&K公司的力錘和三向加速度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)取分析及后處理。

試驗(yàn)中采用橡膠軟繩懸吊整車，使其處于近似無(wú)約束的自由狀態(tài)，懸吊時(shí)應(yīng)盡量減小橡膠軟繩對(duì)整車造成的約束，避免對(duì)整車平動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的影響。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3　測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

2.2試驗(yàn)方法

以后輪中心垂線與地面的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)系X軸正方向?yàn)檐囄仓赶蜍囶^，坐標(biāo)系Y軸正方向?yàn)檐囎髠?cè)指向右側(cè)，坐標(biāo)系Z軸正方向垂直地面向上，如圖4所示

圖4　測(cè)試坐標(biāo)系示意圖

為得到準(zhǔn)確的剛體參數(shù)，要求至少6個(gè)不同位置激勵(lì)和8個(gè)采集響應(yīng)點(diǎn)（測(cè)量3個(gè)方向）。激勵(lì)點(diǎn)和響應(yīng)點(diǎn)都應(yīng)在局部剛度較大的位置選取，以防止局部彈性變形影響測(cè)試結(jié)果。本次試驗(yàn)各車選取的激勵(lì)點(diǎn)及響應(yīng)點(diǎn)如圖5和圖6所示。

圖5　激振點(diǎn)和拾振點(diǎn)幾何模型

圖6　部分測(cè)點(diǎn)

由于質(zhì)量線法計(jì)算慣性參數(shù)時(shí)所截取的數(shù)據(jù)是低頻段的FRF值，因此應(yīng)選用較軟的錘頭如橡膠錘頭或尼龍錘頭，并設(shè)置較高的頻率分辨率。為取得較好的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，一般要保證所選質(zhì)量線頻段內(nèi)的頻率譜線數(shù)大于5條。但若在較大的頻域范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量線數(shù)據(jù)可保持相對(duì)的恒定值，那么可將采樣頻率分辨率設(shè)置得較低，以提高運(yùn)算速度、加快試驗(yàn)進(jìn)程[2-3]。

2.3數(shù)據(jù)處理及計(jì)算結(jié)果

該車激勵(lì)點(diǎn)及響應(yīng)點(diǎn)的測(cè)量、選取的質(zhì)量線范圍等參數(shù)見下表1所示。

表1　試驗(yàn)參數(shù)匯總

首先，選取測(cè)試采集到的模態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到LMSTest.Lab剛體特性計(jì)算模塊，選擇合適的質(zhì)量線頻段，選取原則是數(shù)據(jù)段平坦、遠(yuǎn)離第一階彈性模態(tài)且與0Hz保留一段距離。據(jù)此，截取質(zhì)量線頻段在4Hz~12Hz之間，如圖7所示。

圖7　加速度FRF曲線

然后，輸入以下參數(shù)如表2所示。

表2　計(jì)算輸入?yún)?shù)

最后，將以上模態(tài)數(shù)據(jù)和參數(shù)輸入到剛體特性計(jì)算模塊中，計(jì)算得到該車剛體慣性參數(shù)見下表3。

2.4方法驗(yàn)證

利用傳統(tǒng)的測(cè)量質(zhì)心的方法--稱重法驗(yàn)證上述基于頻響函數(shù)質(zhì)量線法求取質(zhì)心坐標(biāo)等慣性參數(shù)的方法的準(zhǔn)確性。稱重法測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

圖8　質(zhì)心高度測(cè)量

表3　慣性參數(shù)測(cè)試結(jié)果

2種方法計(jì)算的質(zhì)心坐標(biāo)對(duì)比結(jié)果見表4?？梢钥闯龇Q重法和基于頻響函數(shù)質(zhì)量線法測(cè)得的X、Z方向的質(zhì)心坐標(biāo)誤差在10%以內(nèi)，符合工程要求；由于稱重法無(wú)法得到摩托車Y向質(zhì)心坐標(biāo)，因此沒(méi)有比較。

表4　 2種方法計(jì)算的質(zhì)心坐標(biāo)對(duì)比

3　結(jié)論

基于頻響函數(shù)質(zhì)量線的剛體慣性參數(shù)識(shí)別方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，精度較高，可以用來(lái)進(jìn)行摩托車整車等復(fù)雜結(jié)構(gòu)慣性參數(shù)的識(shí)別。利用頻響函數(shù)估計(jì)，可以有效地從存在擾動(dòng)的測(cè)試信號(hào)中提取出關(guān)心的慣性參數(shù)。本文通過(guò)基于加速度頻響函數(shù)準(zhǔn)確地獲取摩托車整車的慣性參數(shù)，為進(jìn)行摩托車整車的分析和優(yōu)化以及懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了條件。

1朱石堅(jiān)，施引.利用加速度FRF的質(zhì)量控制區(qū)段求測(cè)剛體質(zhì)量分布特性[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，1994(6):35-38，34

2 JMW Lau，F(xiàn) Deblauwe.Advanced FRF based determination of structural inertia properties[C].SAE Paper 2007-01-2329

3德國(guó)Siemens公司.LMS Test.Lab Rev13A Theory Documents Rigid Body Modes[EB/OL].http://www.siemens.com/ p lm/lms,2013

Identification ofM otorcycle Rigid Body Inertia Parameters Based on FRFMass LineM ethod

Liu Huanling，Jing Yabing，BaiW ei
Tianjin InternalCombustion Engine Research Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）

The rigid body inertia parameters of amotorcycle are identified based on the FRFmass line method,providing the conditions for the vehicle analysis optimization and the design optimization of the suspension system.And compared with theweighingmethod,the results indicate that themass linemethod hasa good accuracy.

FRF，Mass linemethod，Motorcycle，Inertia parameters

U483

A

2095-8234（2016）02-0055-03

2016-02-24）

劉煥領(lǐng)（1982-），女，碩士，主要研究方向?yàn)槟ν熊囌駝?dòng)噪聲。