CN114199593A - 一种测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置及方法，它包括用于与轮毂固定的固定环和固定于所述固定环的圆周表面一侧的悬臂梁，所述悬臂梁的轴向与所述固定环的轴向垂直布置，所述悬臂梁为具有轴孔的空心梁。本发明所设计的测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置结合常用的NVH测试设备，即可便捷、快速、较高精度的在整车状态下对轮胎旋转运动到接附点的转动灵敏度进行测试，本发明中所设计的测量方法具有较好的实验应用前景，试验过程操作方便、快捷，实验时间成本和投入成本低，实验数据代表性强，便于后期分析，具有很好的参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及车辆NVH性能的实验测试装置技术领域，具体地指一种测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置及方法。
背景技术
车辆处于直线行驶状态时，车轮主要受到来自路面的Z向和X向的动载激励，若悬架匹配不合理则容易引起整车低频振动问题。而整车状态下对悬架系统振动特性(模态、振动灵敏度)较高精度仿真和测试是开展悬架性能匹配的两种重要手段。整车振动仿真理论上可深入、全面的对悬架振动特性进行研究，但其存在建模时间长、建模参数需求多、模型精度难保证、大量竞品车型对标研究难实现等问题。整车状态下悬架系统的振动特性测试具有高效、高精度、便于对大量竞品车型对标研究等优点，目前是主机厂研究悬架振动特性的主要方式，其中整车状态下悬架系统、关键部件模态高精度测试，轮心Z向激励到车身接附点(主要指悬架与车身间的连接点)的振动灵敏度的高精度测试技术已较成熟并广泛应用，但是车轮旋转激励到车身接附点转动灵敏度(车轮轮心旋转方向施加单位力矩的正弦扫频激励，计算接附点的加速度，获得力矩-加速度的振动传递函数，即力矩激励下轮心转动运动到接附点的振动敏感程度)的高精度测试技术还未普及和应用。究其原因主要包含如下两部分：(1)暂无轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的高效、高精度测试方法；(2)缺少对轮心转动激励加载的测试设备，此设备要求安装便捷、成本低、易推广、低频范围(＜25Hz)内测试精度高、便于同现有测试硬件组合应用。
鉴此，本发明提出一种测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的测试方法和测试用的辅助装置就显得十分必要了，以此来丰富悬架系统振动特性测试技术。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种安装便捷、成本低、易推广、低频范围内测试精度高且便于同现有测试硬件组合应用的测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置及方法。
车身接附点：主要指悬架与车身间的连接点。对于路面激励引起车身NVH问题，这些接附点是主要的振动传递通道。
转动灵敏度：车轮轮心旋转方向施加单位力矩的正弦扫频激励，计算接附点的加速度，获得力矩-加速度的振动传递函数，即力矩激励下轮心转动运动到接附点的振动敏感程度。此转动灵敏度是评估轮心转动激励到车身连接点传递特性的一个重要指标。
为实现此目的，本发明所设计的测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置它包括用于与轮毂同轴固定的固定环和固定于所述固定环的圆周表面一侧的悬臂梁，所述悬臂梁的轴向与所述固定环的轴向垂直布置，所述悬臂梁为具有轴孔的空心梁。
进一步的，所述固定环内开设有多个沿其周向方向间隔布置、与所述轮毂的固定螺栓对应的螺栓过孔。
进一步的，所述固定环的一侧表面上固定连接有用于辅助长螺栓穿过所述螺栓过孔固定于所述轮毂的螺栓孔内的导向结构；
其包括固定于所述固定环的一侧表面上的导向环和同轴固定于所述导向环表面、与所述导向环为一体结构的导向套筒；
所述螺栓过孔、所述导向环的环孔和所述导向套筒的轴孔同轴布置。
进一步的，所述导向环的环孔和所述导向套筒的轴孔连接为与所述螺栓过孔同轴、靠近所述螺栓过孔的一侧孔径大于远离所述螺栓过孔的一侧孔径的导向锥孔。
进一步的，所述悬臂梁的一端中部固定连接有与其为一体结构的螺纹杆，所述固定环的圆周表面一侧开设有螺纹孔，所述螺纹杆固定于所述螺纹孔内。
基于上述所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的方法：将固定环安装固定于轮毂上；
在悬臂梁的外边缘处施加Z向激励力F1(ω)，测得接附点的角加速度a1(ω)，得到施力点到接附点的振动灵敏度VTF1(ω)；
在轮毂的轮心处施加Z向激励力F2(ω)，测得接附点的角加速度a2(ω)，得到施力点到接附点的振动灵敏度VTF2(ω)；
通过数据处理得到轮胎转动激励到接附点的转动灵敏度VTF3(ω)。
进一步的，根据实验的激励频率范围，确定所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的尺寸，其方法是：根据所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的第一阶模态频率的最小值，设计所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的尺寸，使所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的第一阶模态频率大于实验的最大激励频率的2.5倍。
进一步的，所述计算所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的第一阶模态频率的公式是
其中，
所述f为所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的第一阶模态频率，所述E和ρ分别为制成所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的金属的弹性模量和密度，所述I为所述悬臂梁的径向截面的转动惯量矩，所述d为所述悬臂梁的径向截面的内径，所述D为所述悬臂梁的径向截面的外径，所述l为所述悬臂梁的长度。
进一步的，所述振动灵敏度VTF1(ω)的计算公式是：
所述振动灵敏度VTF2(ω)的计算公式是：
更进一步的，所述通过数据处理得到轮胎转动激励到接附点的转动灵敏度VTF3(ω)的方法是：将Z向激励力F1(ω)的作用等效为同时向轮毂的轮心处施加Z向力F1(ω)和绕Y轴旋转的力矩F1(ω)×(l+D/2)，得到
则
本发明的有益效果是：本发明所设计的测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置结合常用的NVH测试设备，即可便捷、快速、较高精度的在整车状态下对轮胎旋转运动到接附点的转动灵敏度进行测试，避免了重复投资、节约了物力、也丰富了悬架系统振动特性的测试技术，具有高效率、低投入的优点。实现了对车辆低频段(≤25Hz)的振动灵敏度的较高精度测试。发明中的测试装置结构简单，能很好与现有实验设备组合套用，不需购买复杂的扭振激振器及配套功率放大器系统。
本发明提供的测试方法简洁、适应性强，通过几步简单数学计算即可间接的从实验数据中分离出轮胎转动运动到接附点的振动灵敏性，不仅可对企业自主开发车型悬架振动特性实验研究，还可广泛应用于竞品车型，为悬架系统振动特性开发提供便捷、有力的手段，同时也降低了研发风险。
综上所述，本发明中所设计的测量装置和方法具有较好的实验应用前景，试验过程操作方便、快捷，实验时间成本和投入成本低，实验数据代表性强，便于后期分析，具有很好的参考价值。
附图说明
图1为本发明中测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置与轮胎的装配立体图；
图2为本发明中测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置与轮胎的装配主视图；
图3为本发明中测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的轴向截面图；
图4为本发明中向悬臂梁外边缘处施加Z向激励到接附点的振动灵敏度仿真计算结果的图表；
图5为本发明中向轮心处施加Z向激励到接附点的振动灵敏度仿真计算结果的图表；
图6为本发明中对于轮胎进行直接扭矩加载的仿真计算结果与本专利中在悬架三角臂大端接附点X向的转动灵敏度的计算结果对比图表；
图7为本发明中对于轮胎进行直接扭矩加载的仿真计算结果与本专利中在悬架三角臂大端接附点Y向的转动灵敏度的计算结果对比图表；
图8为本发明中对于轮胎进行直接扭矩加载的仿真计算结果与本专利中在悬架三角臂大端接附点Z向的转动灵敏度的计算结果对比图表；
其中，1—固定环，2—悬臂梁，3—螺栓过孔，4—导向环，5—导向套筒，6—螺纹杆，7—轮毂，8—轮胎。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1—3所示的测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置，包括用于与轮毂7同轴固定的固定环1和固定于固定环1的圆周表面一侧的悬臂梁2，悬臂梁2的轴向与固定环1的轴向垂直布置，悬臂梁2为具有轴孔的空心梁。
固定环1内开设有多个沿其周向方向间隔布置、与轮毂7的固定螺栓对应的螺栓过孔3。固定环1的一侧表面上固定连接有用于辅助长螺栓穿过螺栓过孔3固定于轮毂7的螺栓孔内的导向结构；其包括固定于固定环1的一侧表面上的导向环4和同轴固定于导向环4表面、与导向环4为一体结构的导向套筒5；螺栓过孔3、导向环4的环孔和导向套筒5的轴孔同轴布置，导向环4的环孔和导向套筒5的轴孔连接为与螺栓过孔3同轴、靠近螺栓过孔3的一侧孔径大于远离螺栓过孔3的一侧孔径的导向锥孔。
悬臂梁2的一端中部固定连接有与其为一体结构的螺纹杆6，固定环1的圆周表面一侧开设有螺纹孔，螺纹杆6固定于螺纹孔内。
长螺栓的一端依次穿过螺栓过孔3、导向环4和导向套筒5插入轮毂7中固定，将测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置与轮毂7固定为一体，即完成了测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置与轮胎8的固定装配，安装和拆卸均十分方便，同时测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置结构简单，易于生产制造。
基于上述结构，即可对轮胎转动激励到接附点振动灵敏性进行测量，以轮胎转动激励到悬架三角臂大端的振动灵敏性测试为例进行说明，具体步骤如下：
说明：ω(rad/s)为激励的圆频率，圆频率(rad/s)与激励频率(Hz)的关系为f＝ω/2π。其中a1(ω)、F1(ω)、a2(ω)、F2(ω)这四个参数均是ω的函数，即ω为自变量，a1(ω)、F1(ω)、a2(ω)、F2(ω)为因变量。VTF1(ω)＝a1(ω)/F1(ω)、VTF2(ω)＝a2(ω)/F2(ω)自然就是ω的函数，因此关于振动灵敏性的图表横坐标就是激励频率。
步骤1：设计测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的尺寸：测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的第一阶模态频率的公式
根据装置的第一阶模态频率的最小值，确定装置尺寸，使装置的第一阶模态频率大于实验的最大激励频率(此处取1-25Hz为观察范围)的2.5倍，以防将装置的自身模态共振带入实验误差。则装置的装置尺寸的技术参数要求如下：等截面圆形的悬臂梁2长度l(l≤720mm)，悬臂梁2截面的外径D(D>42mm)，悬臂梁2的管柱厚度3-5mm，悬臂梁2径向截面的内径d>37mm。悬臂梁2通过螺纹杆6的外螺纹与固定环1固定，固定环1的圆周方向设置有一系列阶梯孔(螺栓过孔3)，阶梯孔的个数、尺寸跟轮辋造型有关，与轮毂7上的固定螺栓安装孔一致，用长螺栓将固定环1与轮毂7固定安装。本发明设计的装置的第一阶弹性模态频率为74.7Hz，满足大于62.5Hz的技术需求。
步骤2：如图2所示，在悬臂梁2外边缘处进行Z向激励加载，激励力为F1(ω)＝1sinωtN，测量得到悬架三角臂大端接附点的加速度响应为a1(ω)，根据公式
获得加载点到接附点的加速度-力传递灵敏度VTF1(ω)的图表，见图4。
步骤3：如图2所示，在轮毂7的轮心处进行Z向激励加载，激励力为F2(ω)＝1sinωt N，测量得到悬架三角臂大端接附点的加速度响应a2(ω)，根据公式
获得加载点到接附点的加速度-力传递灵敏度VTF2(ω)的图表，见图5。
步骤4：根据公式
导出轮胎旋转激励到悬架三角臂大端接附点的加速度-力矩传递灵敏度VTF3(ω)(含X向、Y向和Z向)的图表，并与仿真模型中对轮胎进行直接力矩加载的计算结果(即在仿真模型中测量悬架三角臂大端的加速度响应值，计算悬架三角臂大端的转动灵敏度，其包括X向、Y向和Z向三个方向的转动灵敏度)对比，结果见图5-8所示。由图5-8可知，本专利中的分步测试分离法获得的轮胎转动激励到接附点的转动灵敏度与对轮胎进行直接力矩加载的仿真计算转动灵敏度在25Hz内幅值误差均在1-2dB内，因此本专利中的分步测试分离法能较高精度获得轮胎转动激励到接附点的转动灵敏度。
本发明所设计的测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置结合常用的NVH测试设备，即可便捷、快速、较高精度的在整车状态下对轮胎旋转运动到接附点的转动灵敏度进行测试，避免了重复投资、节约了物力、也丰富了悬架系统振动特性的测试技术，具有高效率、低投入的优点。实现了对车辆低频段(≤25Hz)的振动灵敏度的较高精度测试。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置，其特征在于：它包括用于与轮毂(7)同轴固定的固定环(1)和固定于所述固定环(1)的圆周表面一侧的悬臂梁(2)，所述悬臂梁(2)的轴向与所述固定环(1)的轴向垂直布置，所述悬臂梁(2)为具有轴孔的空心梁。
2.如权利要求1所述的测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置，其特征在于：所述固定环(1)内开设有多个沿其周向方向间隔布置、与所述轮毂(7)的固定螺栓对应的螺栓过孔(3)。
3.如权利要求2所述的测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置，其特征在于：所述固定环(1)的一侧表面上固定连接有用于辅助长螺栓穿过所述螺栓过孔(3)固定于所述轮毂(7)的螺栓孔内的导向结构；
其包括固定于所述固定环(1)的一侧表面上的导向环(4)和同轴固定于所述导向环(4)表面、与所述导向环(4)为一体结构的导向套筒(5)；
所述螺栓过孔(3)、所述导向环(4)的环孔和所述导向套筒(5)的轴孔同轴布置。
4.如权利要求3所述的测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置，其特征在于：所述导向环(4)的环孔和所述导向套筒(5)的轴孔连接为与所述螺栓过孔(3)同轴、靠近所述螺栓过孔(3)的一侧孔径大于远离所述螺栓过孔(3)的一侧孔径的导向锥孔。
5.如权利要求1所述的测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置，其特征在于：所述悬臂梁(2)的一端中部固定连接有与其为一体结构的螺纹杆(6)，所述固定环(1)的圆周表面一侧开设有螺纹孔，所述螺纹杆(6)固定于所述螺纹孔内。
6.一种测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的方法，其特征在于：将上述权利要求1—5中任意一条所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的固定环(1)安装固定于轮毂(7)上；
在悬臂梁(2)的外边缘处施加Z向激励力F1(ω)，测得接附点的角加速度a1(ω)，得到施力点到接附点的振动灵敏度VTF1(ω)；
在轮毂(7)的轮心处施加Z向激励力F2(ω)，测得接附点的角加速度a2(ω)，得到施力点到接附点的振动灵敏度VTF2(ω)；
通过数据处理得到轮胎转动激励到接附点的转动灵敏度VTF3(ω)。
7.如权利要求6所述的测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的方法，其特征在于：根据实验的激励频率范围，确定所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的尺寸，其方法是：根据所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的第一阶模态频率的最小值，设计所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的尺寸，使所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的第一阶模态频率大于实验的最大激励频率的2.5倍。
8.如权利要求7所述的测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的方法，其特征在于：所述计算所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的第一阶模态频率的公式是
其中，
所述f为所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的第一阶模态频率，所述E和ρ分别为制成所述测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的装置的金属的弹性模量和密度，所述I为所述悬臂梁(2)的径向截面的转动惯量矩，所述d为所述悬臂梁(2)的径向截面的内径，所述D为所述悬臂梁(2)的径向截面的外径，所述l为所述悬臂梁(2)的长度。
9.如权利要求8所述的测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的方法，其特征在于：所述振动灵敏度VTF1(ω)的计算公式是：
所述振动灵敏度VTF2(ω)的计算公式是：
10.如权利要求9所述的测量轮胎转动激励到接附点振动灵敏性的方法，其特征在于：所述通过数据处理得到轮胎转动激励到接附点的转动灵敏度VTF3(ω)的方法是：将Z向激励力F1(ω)的作用等效为同时向轮毂(7)的轮心处施加Z向力F1(ω)和绕Y轴旋转的力矩F1(ω)×(l+D/2)，得到
则
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