汽車車架的故障診斷

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上汽車車架的故障診斷汽車車架是汽車的重要組成部件。本文針對某汽車車架“牛腿”與縱梁聯(lián)結(jié)處發(fā)生撕裂等現(xiàn)象，應(yīng)用模態(tài)分析方法對其進行故障診斷，找到了產(chǎn)生這一問題的原因，并提出相應(yīng)的改進措施，較好地解決了這一工程實際問題。 現(xiàn)代汽車絕大多數(shù)都具有車架，用于支承聞結(jié)汽車的各零部件，并承受來自車內(nèi)外的各種載荷。汽車車架受到來自路面和車橋的激勵產(chǎn)生振動，因某些結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，由于振動而產(chǎn)生彎曲，扭轉(zhuǎn)等變形，會造成某些部件疲勞破壞，甚至斷裂，比如某車架“牛腿”與縱梁聯(lián)結(jié)處發(fā)生撕裂破壞。振動不僅影響汽車的平順性，還將影響汽車的使用壽命。過去對汽車進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和修理時，主要是靠經(jīng)驗，哪個

2、部件損壞，就在哪里采取措施，哪個部件出現(xiàn)斷裂，就加固哪個部件，這仲補救方法帶有盲目性，不僅沒有從根本上解決問題，還能使汽車的自重增加，影響汽車的其他性能。這主要是對汽車及其零部件的振動規(guī)律缺乏了解。用模態(tài)分析方法對汽車車架或車身進行故障診斷，是研究解決上述問題的一種有效手段。使用該方法可發(fā)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)動力學特性存在缺陷，找到影響汽車可靠性的原因及解決措施。 實驗?zāi)B(tài)分析 1、模態(tài)實驗應(yīng)考慮的問題 實驗?zāi)B(tài)分析就是以控制理論為基礎(chǔ)，從所測得的輸入、輸出信息中去辨識結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。近幾年來，實驗?zāi)B(tài)技術(shù)發(fā)展很快，各種測試手段日益更新，模態(tài)參數(shù)識別軟件也層出不窮，這為我們獲得結(jié)構(gòu)的較為準確的模態(tài)參數(shù)帶

3、來極大方便。 （1）激振方法 激振方法的選擇包括兩方面內(nèi)容：采用什么樣的激振信號；采用單點激振還是多點激振。問題的中心在于是否能夠提供足夠的能量，把需要的頻段中的模態(tài)全部激發(fā)出來。激勵信號可采用隨機信號、脈沖信號等。隨機信號可用白噪聲發(fā)生器產(chǎn)生，試驗中選用了0-160Hz白噪聲信號，其優(yōu)點是，能量均勻分布在頻帶上，且在較寬頻率范圍內(nèi)對結(jié)構(gòu)進行激勵，總的激振力水平，便如平均值、均方值等是可以控制的；其缺點是泄漏誤差大。用錘擊法提供脈沖信號，該方法的優(yōu)點是設(shè)備簡單，不需要精心設(shè)計安裝激振器的夾具，便于現(xiàn)場測試或在線測試；激振點可以靈活，敲擊力方向可以任意；測試精度能滿足一定要求，高于隨機激勵。缺點

4、是激振力頻率范圍不易控制；僅適合于低頻，高頻模態(tài)不易激出來；由于振動能量分散，從而信噪比??；錘擊有時可能過載，使結(jié)構(gòu)進入非線性范圍。固定的激振點是經(jīng)過多點試敲后選定的。模態(tài)分析的頻域法有兩種：單點激振法和多點激振法。多點激振法需要昂貴的多點激振設(shè)備，試驗過程復(fù)雜，但計算比較簡單；單點激振法所需設(shè)備簡單，試驗也較容易，但計算方法要復(fù)雜上些。在本次實驗中根據(jù)現(xiàn)有條件，采用單點激振法。? （2）固定方式 在進行部件模態(tài)實驗分析時，首先要確定被測物體的固定方式。固定方式一般有兩種：一種是按照其實際工作狀的方式約束，這種固定方式主要是用于較波折部件或在振動臺上進行試驗；二是懸吊式。由于本次實驗對象是車架

5、，不可能選擇實際工作狀態(tài)方式，故采用橡皮繩懸吊式，使其處于自由狀態(tài)下進行分析。結(jié)構(gòu)處于自由狀態(tài)具有最多的自由度，這樣得到的模態(tài)參數(shù)便于與其他部件一起進行整體結(jié)構(gòu)的綜合模態(tài)分析。具體懸吊方江是：車架左右縱梁前后端各用一根橡皮繩將整個車架吊掛在大型吊架上，即為四點懸吊式。經(jīng)實測，車架掛上后，系統(tǒng)的固有頻率（所謂的“剛體模態(tài)頻率”）中的最高者為0.816Hz，小于第一階彈性模態(tài)頻率（FI=20.67Hz）的1/5，可近似認為被吊的車架處于自由狀態(tài)，這樣可以防止懸掛的剛體模戊與車架的彈性模態(tài)發(fā)生耦合。 （3）激勵方式 采用電磁式激振器，最大激振力為200N。激振器的推桿頂端連接一個力傳感器，力傳感器固

6、定在車架后橫梁右下部。為了保證測試精度，不能讓被測物體有附加約束而產(chǎn)生其它外力，例如，對結(jié)構(gòu)激振時，除了產(chǎn)生垂直振動外，還將產(chǎn)生回轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)角），這時如果因為有激振器連接限制其轉(zhuǎn)動，就會產(chǎn)生附加的彎矩。為了解決這一問題，激振器和被測物體之間的推桿需要有一定的側(cè)向彈性，這樣既能保證在激振方向有一定的剛度，不影響激振力的傳遞，雙能減少在側(cè)向?qū)剞D(zhuǎn)的約束。另外，推力桿的自振頻率應(yīng)遠離被測物體的模態(tài)頻率。在試驗中要求頂桿與車架之間不能脫離，頂桿與力傳感器間不能有任何松動和間隙。此次試驗采用頂桿與力傳感器間通過螺紋連接。為防止頂桿與車架脫離，將力傳感器固定在一個小底座上，該底座用螺紋與一磁鐵相聯(lián)，同時將磁鐵

7、塊吸附在車架上。還應(yīng)注意激振點不應(yīng)與測試頻段內(nèi)任何一階振型的節(jié)點相重合。因此在進行正式試驗以前應(yīng)先進行預(yù)測。? （4）試驗頻段的選擇 試驗頻段的選擇應(yīng)考慮到汽車在運行條件下可能的激振頻率范圍，通常認為，遠離振源頻帶的模態(tài)對結(jié)構(gòu)的實際振動影響（貢獻量）較小。通俗的說法就是“低頻激勵激不出高頻模態(tài)”。事實上，高頻模態(tài)貢獻的大小，除與激振頻率有關(guān)外，還與激振力的分布狀況有關(guān)。此外，如果部件進行綜合分析，以求整體結(jié)構(gòu)的模態(tài)，為使整體模態(tài)具有更高的精確度，部件模態(tài)試驗的頻段也應(yīng)適當放寬，以求得稍多的模態(tài)?？傊的昴B(tài)過少，而各部件之間的連接點較少時，就不便于對整車進行綜合分析。 考慮到汽車的運行速度與路面

8、條件以及車架與其他部件進行綜合分析的需要，選取0-120Hz作為其試驗頻段。 （5）測點布置 測點布置原則是：布置在懸架支點，縱、橫梁連接點和剛度變化較顯著的點上；盡可能使車架縱梁布點均勻，左右對稱布置。這樣，既便于今后的模態(tài)綜合，又不致使識別的模態(tài)失真。測點布置、測點數(shù)量的選擇還應(yīng)考慮到以下兩方面的要求：能夠明確顯示在試驗頻段內(nèi)所有模態(tài)的基本特征及互相間的區(qū)別；保證所關(guān)心的結(jié)構(gòu)點（如與其它結(jié)構(gòu)的連接點），都在所選的測量點之中。為提高信噪比，測點不應(yīng)選在各階振型節(jié)點附近；在研究的主要部位，測點布置應(yīng)較為密集。用壓電式加速度傳感器測量各測點在垂直方向上的振動加速度響應(yīng)，并將信號記錄在磁帶機上（錘

9、擊法時），或現(xiàn)場采集信號，實時處理得到頻響函數(shù)，存儲于微機硬盤（白噪聲激勵時）。 測振時加速度計安裝正確與否，對測量結(jié)果的正確性有很大的影響。安裝方式多種多樣，我們根據(jù)測試頻段及車架的構(gòu)造，采用永久磁鐵吸附法的安裝方式以求簡便、準確。 （6）為提高測試精度應(yīng)采取的措施 a.仔細標定系統(tǒng)靈敏度。在機械阻抗測量時，我們校正的不僅是單個傳感器的靈敏度，而是力傳感器與加速度傳感器靈敏度的相對比值。具體方法見參考文獻。 b.沖擊力的大小決定于激起各階模態(tài)所需之能量水平，但過大的沖擊力會造成局部非線性，所以錘擊時要控制沖擊力的大小。同時錘擊的動作要迅速，不能抖動，特別要防止試件反彈造成二次沖擊。 c.為了

10、減少譜泄漏，在處理時應(yīng)采用數(shù)據(jù)窗。對沖擊激勵函數(shù)分析，采用指數(shù)衰減數(shù)據(jù)窗可以減少噪聲總電平。 d.為檢查模態(tài)參數(shù)可靠性，可采取互易性來檢驗，即根據(jù)阻抗矩陣的對稱性，在P點激振、L點測振的響應(yīng)與L點激振、P點測振的響應(yīng)相同。 e.進行數(shù)據(jù)處理時，首先需要確定觸發(fā)系統(tǒng)。脈沖信號采用信號觸發(fā)。即當有一脈沖信號過來時，才進行一次觸發(fā)平均。為減少隨機誤差，應(yīng)進行多次平均。? f.考慮到架結(jié)構(gòu)的阻尼較小，頻響函數(shù)的半功率帶較窄，故應(yīng)盡量提高頻率分辨率。 g.傳遞函數(shù)可信性檢驗。所有時域信號均在微機上顯示，正常時才往下進行。每個傳遞函數(shù)都用相干函數(shù)檢驗，相干函數(shù)絕大多數(shù)都在0.85以上。 h.力譜要符合要求

11、，幅值差不大于3dB。 2、模態(tài)實驗 模態(tài)實驗框圖如圖。 白噪聲信號經(jīng)低通濾波器在白噪聲信號發(fā)生器仙部進行低通濾波；截止頻率為160Hz的白噪聲信號通過超低頻功率放大器放大，馬鈴薯動激振器；激振器通過力傳感器使汽車激振。用加速度傳感器測量汽車的響應(yīng)。兩種傳感器均剛性聯(lián)接在被測部位，兩種信號均經(jīng)電荷放大器放大，力作為輸入信號、加速度作為輸出信號，輸入微機，獲取加速度導(dǎo)納參數(shù)（共測41個點）。 我們用MASP軟件的復(fù)模態(tài)參數(shù)識別方法CMDOF進行模態(tài)分析，識別出前4階模態(tài)參數(shù)。 另外用錘擊法進行定點錘擊，提供脈沖激勵。在用微機處理時，設(shè)置采樣頻率220Hz，低通濾波120Hz，取25段平均，頻率分

12、辨率為0.195Hz。還用有限元方法對車架進行了靜力分析和模態(tài)分析。識別和計算出的各階模態(tài)頻率見表1。 表1計算結(jié)果與實驗結(jié)果（模態(tài)頻率Hz） 1階 2階 3階 4階 隨機激勵 有限元法 脈沖激勵 20.67 21.85 20.72 22.45 23.85 22.86 45.55 44.61 43.36 80.06 79.84 79.69 3、故障診斷 通過模態(tài)實驗和有限元分析提供的豐富信息，可用來研究汽車零部件或整車的振動情況，可以直接對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行評價。其評價原則： 車架低階頻率，即一階扭轉(zhuǎn)和彎曲頻率的值，應(yīng)高于懸掛下結(jié)構(gòu)的固有頻率，低于發(fā)動機機怠速運轉(zhuǎn)頻率，以避免發(fā)生整體共振現(xiàn)象；車架彈

13、性模態(tài)頻率應(yīng)盡可能避開發(fā)動機經(jīng)常工作的頻率范圍；車架振型應(yīng)盡可能光滑，避免有突變。? 根據(jù)以上評價原則對該車架的模態(tài)進行了分析，首先查明汽車在使用環(huán)境中的實際激振頻率，以便使汽車各階模態(tài)頻率盡可能遠離上述頻率。 由于路面不平，汽車運動所引起的運動學激勵多屬于20Hz以下的垂直振動；發(fā)動機的激振頻率：486Q2發(fā)動機怠速700r/min，相應(yīng)爆發(fā)頻率為23.3Hz，常用車速50-80km/h，相應(yīng)發(fā)動機爆發(fā)頻率為72.2-115.2Hz；非懸掛質(zhì)量的固有頻率一般為6-15Hz；當車速為50-80km/h時，傳動軸不平衡的彎曲振動頻率為33-68Hz。 結(jié)合識別出的模態(tài)頻率、模態(tài)振型及重要測點的留數(shù)值可以看出：車架的一階彎曲模態(tài)頻率（20.67Hz），避開了路面對汽車的激振頻率范圍，高于非懸掛質(zhì)量的固有頻率，低于發(fā)動機怠速頻率；車架的2、3、4階模態(tài)頻率與發(fā)動機激振頻率、常用車速相應(yīng)的發(fā)動機爆發(fā)頻率、汽車傳動軸的激振頻率有耦合現(xiàn)象；第門橫梁從第三階模態(tài)開始振動均較大，與縱梁振型比較有突變，說明第六橫梁剛度不足，造成在第六橫梁與縱梁聯(lián)結(jié)處，縱梁經(jīng)常發(fā)生扭轉(zhuǎn)及變曲變形，此處