离散频谱校正理论研究及其在发动机振动分析中的应用

摘要

汽车NVH（噪声、振动与舒适性）性能是当今各汽车生产厂家和相关学者研究的热点之一。发动机作为汽车振动与噪声的主要激励源，对其振动的控制与隔离成为整车NVH研究的重点。发动机激励力和扭转振动特性作为发动机NVH开发所需的必要参数，其测试分析是NVH测试中一个重要的问题。
　　 本文针对精确地获取发动机激励力和扭振特性这一目标，系统研究了离散频谱校正理论，指出了其中存在的一些问题，并对其进行了针对性的改进与发展。主要的理论研究内容包括：推导了加任意对称窗时高斯白噪声的离散频谱特性，从理论上系统研究了随机噪声背景下单谐波信号离散频谱分析和校正方法的精度，并结合仿真研究，指出比值校正法在接近于整周期采样时抗噪性能较差，相位差法在对相位差进行解卷绕操作过程中，由于噪声的影响可能产生过度调整而导致频率估计错误；提出了一种调制FFT算法，相对于传统的FFT算法将频率分辨率提高了一倍，减小了离散频谱分析的误差；将调制FFT应用到离散频谱校正当中，进一步提高了比值校正法、相位差法和能量重心法的校正精度与抗噪性能，消除了基于传统FFT校正方法所存在的缺陷。
　　 将基于调制FFT的离散频谱校正方法应用到了发动机激励力识别中，直接提取缸体表面各测点振动响应各分析谐次的频率、幅值和相位，从而识别出发动机激励力，避免因无法精确获得各测点的相位而需求解非线性问题，仿真和试验分析均表明了该方法具有较高的识别精度。
　　 通过仿真对比分析确定了基于调制FFT的能量重心法特别适用于转速有较小波动的发动机稳态扭振信号的处理。结合瞬时频率估计理论与能量重心频谱校正方法提出了一种无需转速测量的阶比跟踪分析算法，可在精确提取转速的同时，一次提取出各分析谐次的幅值，简化了测试设备，并将其应用到了发动机瞬态扭振信号处理中。对发动机稳态和瞬态扭振信号分别进行了仿真和实测分析，并同目前工程应用中较常用的计算阶比跟踪分析和Kalman滤波分析进行了对比，结果表明这几种方法都具有较好的一致性，充分说明了所提方法的有效性和实用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景与意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 发动机激励力识别研究现状

1.3.2 发动机扭振测试分析方法的研究现状

1.3.3 离散频谱校正技术研究现状

1.4 主要研究内容

1.5 论文结构

第二章 离散频谱校正精度分析

2.1 高斯白噪声序列及其谱的统计特性

2.1.1 高斯白噪声序列统计特性

2.1.2 高斯白噪声序列离散频谱的统计特性

2.2 随机噪声背景下离散频谱分析的统计特性

2.2.1 幅值和相位的分布

2.2.2 满足精度要求的离散频谱分析条件

2.2.3 谐波信号离散幅值谱最大值取错的概率

2.2.4 仿真验证与分析

2.3 比值校正法精度的理论分析和仿真计算

2.3.1 加矩形窗比值校正法精度的理论分析

2.3.2 加Hanning窗比值校正法精度的理论分析

2.3.3 仿真分析

2.4 相位差校正法精度的理论分析和仿真计算

2.4.1 时移相位差校正法精度分析

2.4.2 改变窗长相位差校正法精度分析

2.4.3 综合相位差校正法精度分析

2.5 小结

第三章 调制FFT及其在离散频谱校正中的应用

3.1 调制FFT原理与作法

3.2 调制FFT的性能分析

3.3 调制FFT的仿真分析

3.4 调制FFT在离散频谱校正技术中的应用

3.4.1 基于调制FFT的比值校正法

3.4.2 基于调制FFT的相位差校正法

3.4.3 基于调制FFT的能量重心校正法

3.4.4 基于调制FFT离散频谱校正法的综合比较

3.5 本章小结

第四章 发动机激励力的精确识别

4.1 发动机激励力形成机理

4.1.1 运动学分析

4.1.2 质量换算

4.1.3 激励力分析

4.2 发动机激励力识别原理

4.2.1 发动机振动模型

4.2.2 发动机激励力识别原理与方法

4.2.3 发动机激励力识别仿真分析

4.3 发动机激励力识别实例

4.4 本章小结

第五章 发动机扭振测试分析方法研究

5.1 发动机扭振简介

5.2 稳态扭振测试分析方法

5.3 加Hanning窗的转速跟踪分析方法

5.3.1 理论分析

5.3.2 仿真分析

5.4 基于能量重心法的转速跟踪分析

5.4.1 基本原理

5.4.2 实现步骤与参数设置

5.4.3 仿真分析

5.5 发动机扭振测试分析实例

5.5.1. 实例1：发动机台架测试

5.5.2 实例2：BBM扭振测试案例

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致 谢