ODS方法在汽車變速器結構動態(tài)分析中的應用概述
論文導讀：模態(tài)分析是通過測試結構的輸入和輸出響應。首先根據(jù)變速器的幾何特征。4．結論：a. ODS分析方法可用來識別結構工作狀態(tài)下的動態(tài)特性。
關鍵詞：汽車，變速器，動態(tài)特性，分析
模態(tài)分析是通過測試結構的輸入和輸出響應，獲得結構的頻響函數(shù)，進而利用模態(tài)擬合法識別結構的模態(tài)參數(shù)，以建立結構系統(tǒng)的模態(tài)模型。所識別出的模態(tài)模型，可用于故障診斷、強迫響應預測、靈敏度分析或結構修改預測等等，使得該方法成為一種強有力的工具，深受工程界的重視。結構的頻響函數(shù)測量必須在嚴格的規(guī)定和控制狀態(tài)下進行，要求結構系統(tǒng)的所有輸入和輸出信號都被測量出來，且沒有其它未知的力作用于系統(tǒng)。但在有些情況下，如實驗設備費用太高，測量對象（樣機）不允許長時間占用來做模態(tài)實驗，或者找不到簡單辦法來隔離其它作用力，以求僅僅施加人為的、可測量的激振力等，無法實施完好的模態(tài)分析。免費論文參考網(wǎng)。
在上述情況下，可考慮在工作狀態(tài)下測量結構系統(tǒng)的工作模態(tài)參數(shù)。工作模態(tài)的測量可在系統(tǒng)輸入未知或者不可測的情況下，利用結構對環(huán)境激勵所產(chǎn)生的動態(tài)響應頻譜直接識別結構的模態(tài)參數(shù)。如果要獲得結構在特定的工作狀態(tài)下的某些主要工作頻率點對應的結構各測點間的相對振動形態(tài)就必須使用工作振型（Operating Deflection Shapes,ODS）[1]測試方法。而這些工作頻率一般取響應譜峰對應的頻率，它們可能是結構本身的固有頻率，或者是對應于激勵力的峰值頻率。嚴格地說，結構的ODS模態(tài)不同于結構的自由模態(tài)振型，但在一定的假設條件下可以近似反映結構模態(tài)特性。
1. 工作振型（ODS）的概念工作振型（ODS）與模態(tài)振型是完全不同的概念，ODS反映的只是在特定工況下，對于特定頻率，各測量自由度之間的往復運動形態(tài)。利用位移/力的頻響函數(shù){H}為基礎的模態(tài)模型，位移ODS{X}可用下式來描述：
（1—1）
其中，
──測量點序號；
──特定的角頻率；
──
自由度激振力(輸入)的線性譜；
──激振力總數(shù)。
工作振型與固有振型的區(qū)別有：
(1) 固有振型是系統(tǒng)本身固有的，只取決于系統(tǒng)本身的性質(zhì)(質(zhì)量、幾何尺寸、彈性模量等)，與外激勵無關；而工作振型不僅與結構本身性質(zhì)有關(即與FRF性質(zhì)有關)，還與外激勵有關。ODS與每一個作用力的頻率成份有關。如果
在
處的值為零，則對ODS
沒有任何貢獻。
(2) 固有振型的值通常用無量綱形式表示，是具有“唯一性”的，在結構共振時，其上的某一點相對于另外一點的相對（運動）位移是唯一確定的；而工作振型隨著施加于結構上的外載荷變化而變化，它的振型是與結構上外載荷唯一對應的；且有量綱，可以是位移、速度或加速度。
(3) 固有振型只適用于線性、穩(wěn)態(tài)的結構系統(tǒng)分析；而工作振型可用于線性、穩(wěn)態(tài)的結構系統(tǒng)分析也可以用于非線性、非穩(wěn)態(tài)的結構系統(tǒng)分析。
(4) 固有振型總是對應系統(tǒng)的固有頻率；而工作振型則對應任何給定的測量頻率。
(5) 在結構的共振點(
)，ODS的值顯著占優(yōu)；而在作用力的譜峰頻率點，ODS的值也顯著占優(yōu)。
2．工作振型(ODS)測量由于與激勵有關，工作振型的測量成了一個難題。嚴格地說，要想獲得準確的工作振型，所有測點的響應必須同時測量。實際上由于受到測量系統(tǒng)中采集通道數(shù)量的限制，往往無法同時測量所有的響應信號。為了從各態(tài)歷經(jīng)的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中獲得ODS，工程中普遍使用一種行之有效的測量方法──傳導函數(shù)法。由此引入了復傳導率概念。將機器運轉(zhuǎn)條件下結構上兩個測量點的響應之比定義為復傳遞率：
(1—2)
式中
──相對ODS值 ；
──結構上某個測點的響應，即絕對ODS值；
──參考點的響應。
實際測量時通常選擇一固定的響應點作為參考點，然后相對該參考點來分批依次測量所有響應，并由式(1—2)估計測量點與參考點之間的傳導函數(shù)。由于每一測量點的復傳遞率均以同一點的振動響應為參考，不同測量周期的工況的微小變化所帶來的影響基本可以被消除掉；同時由于采用了參考信號的相位作為所有信號的相位參考，也確保了不同相應信號之間固定的相位關系。獲得了每一個測量點相對于參考點的復傳導率，結構上各點的相對位置即可確定，由此可以獲得結構在運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振型。
因為參考點的測量信號參與到每個測量點的復傳遞率計算中，因此參考點的選擇至關重要。通常將參考點選擇在結構的振動敏感區(qū)內(nèi)，同時為了保證測量精度，要求各測點與參考點之間在分析頻率處具有良好的相干性，其他測點可根據(jù)需要選擇在結構感興趣的部位上。根據(jù)傳導率和參考自功率譜的有效值可以求得所有測點的變形值：
(1—3)
工況變形的振動參數(shù)可以為位移、速度或加速度。如果需要其他形式的信號，則可由如下公式換算得到：
(1—4)
(1—5)
工程中，由于加速度信號因受低頻剛體運動影響較小，且加速度傳感器的信噪比高、動態(tài)范圍寬，因此一般選加速度信號進行分析。
3．工作振型(ODS)的應用變速器是汽車的重要部件，它的工作噪聲是變速器質(zhì)量優(yōu)劣的重要標志之一，也是汽車總體噪聲的重要來源。變速器是封閉式的箱體結構，其噪聲中90％～95％的聲能量是通過固體傳導途徑由箱壁振動而輻射到箱體外面的，變速器的箱壁表面振動情況與變速器工作噪聲息息相關[4]。某型號汽車變速器各擋噪聲普遍大于同系列其它型號汽車變速器對應各擋噪聲。為找到降低該型號變速器工作噪聲的方法，對變速器箱體的動態(tài)特性進行了研究。免費論文參考網(wǎng)。
3．1變速器的工作振型(ODS)測試分析
3．1．1傳遞函數(shù)矩陣測量及運行模態(tài)(ODS)計算
首先根據(jù)變速器的幾何特征，合理簡化，建立整機的運行模態(tài)分析幾何模型。
運行模態(tài)測量時，可以測量頻率響應函數(shù)(Frequency Response Function，F(xiàn)RF)也可以測量傳遞率(Transmissibi1ity)。本文采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為Dataphysics公司的Signa1C1ac 430動態(tài)信號分析系統(tǒng)。測量時，變速器安裝在測試臺上，在一臺4kw交流電機的驅(qū)動下正常運行，分別用兩路加速度傳感器采集殼體點的振動信號，選取通道1作為參考信號通道，在外殼上選取合適的測點作為參考信號點；選取連接通道2的傳感器作為移動點信號，逐點測量殼體各測點處的振動加速度信號。加速度傳感器(B＆K4384)信號經(jīng)過電荷放大器(B＆K2635)進行放大調(diào)理一起送入Signa1C1ac 430動態(tài)信號分析系統(tǒng)。測量完成后，試驗數(shù)據(jù)按照殼體測點編號順序送入VibrantTechno1ogy．Inc．公司的運行模態(tài)分析軟件Me’Scope進行后處理。經(jīng)過計算，可得傳遞函數(shù)矩陣，再根據(jù)傳遞函數(shù)矩陣計算出各優(yōu)勢頻率處的運行模態(tài)及模態(tài)參數(shù)。變速器工作振型(ODS)測試分析系統(tǒng)見圖1。
3．1．2變速器的工作振型分析
我們比較關心變速器噪聲優(yōu)勢頻率下變速器的工作振型。免費論文參考網(wǎng)。以變速器V擋為例，從圖2變速器V擋的噪聲圖譜可以看出：該擋噪聲的優(yōu)勢頻率為976Hz、1017 Hz、l520 Hz、2029 Hz。其它各擋的噪聲譜與圖2也有相同的特征。
圖3給出的是優(yōu)勢頻率為976Hz、1017Hz下變速器V擋的工作振型，從工作振型圖中可以清楚的看出變速器各主要噪聲輻射面的振動情況。以左側面為例，從圖中可以清楚看出變速器左側面中間部分測點2附近的局部剛度薄弱，振動相對較強。圖4給出的是變速器Ⅴ擋左側面上測點2的振動速度頻譜圖、噪聲測量點的噪聲頻譜圖以及兩者的相干函數(shù)曲線。從圖4可看出該點的振動與噪聲測量點的噪聲在各優(yōu)勢頻率處相干性都比較好，根據(jù)振動與噪聲的關系，可確定測點2附近區(qū)域為變速器左側面的主要噪聲輻射區(qū)域。用同樣的方法可以確定其它幾個主要噪聲輻射面的主要噪聲輻射區(qū)域。
因此對于該型號變速器，可以提高變速器各主要噪聲輻射面的主要噪聲輻射區(qū)域的結構強度，從而降低各主要噪聲輻射區(qū)域的噪聲輻射強度，進而達到降低變速器整體噪聲的目的。
4．結論：a. ODS分析方法可用來識別結構工作狀態(tài)下的動態(tài)特性，也可用于主要振動源及噪聲源的識別。
b. 采用ODS方法對某型號變速器在模擬實際運行狀態(tài)下的振動特性進行了分析，識別出了變速器在各擋位運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的振動形態(tài)，并通過振動與噪聲的相干關系找出了變速器各主要噪聲輻射面的主要噪聲輻射區(qū)域，為降低變速器的整體噪聲提供了結構修改的初步依據(jù)。
參考文獻
1李德葆.振動模態(tài)分析及應用[M].北京:宇航出版社,1999.
2李中付,宋汗文,華宏星等.基于環(huán)境激勵的模態(tài)參數(shù)識別方法綜述.振動工程學報,2000;13(S):578—585
3[澳]M P 諾頓.工業(yè)噪聲和振動分析基礎.北京:航空工業(yè)出版社,1993:113—154
4亓文果,宋孔杰,張慰波.齒輪箱類結構振動功率流分析.山東工業(yè)大學學報,2002,32(1):6—9
5Me’Scope VES Operating Manual, VibrantTechnology, Inc. 2001
6Mark H Richardson. Is it a mode shape, or anoperating deflection shape? Sound and Vibration, 1997;(1): 54—61
