一种汽车动力传动系统扭转振动信号的在线检测方法

摘要

本发明涉及一种汽车动力传动系统扭转振动信号的在线检测方法，属于汽车噪声和振动控制领域。本方法在行驶的车辆前置后驱独立悬架型车辆的动力传动系统进行扭振测试和分析。在动力传动系统的被测位置安装测试齿盘和转速传感器，测量动力传动系统的旋转信号，对其进行自适应滤波，将滤波后的信号进行时频分析，计算系统扭转振动频率。利用本方法对实际车辆，特别是前置后驱独立悬架型车辆的加速行驶工况进行扭振测试和分析，无需建立扭转振动实验台架。在动力传动系统的被测位置安装测试齿盘和转速传感器，测量动力传动系统的旋转信号，通过峰值检测计算瞬时转速，并进行滤波，通过对滤波后信号的时频分析，计算系统扭转振动频率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种汽车动力传动系统扭转振动信号的在线检测方法，特别是用于对前置后驱独立悬架型车辆的动力传动系统进行扭振测试和分析，属于汽车噪声和振动控制领域。

背景技术

车辆动力传动系统是一个复杂的，多自由度振动系统，是车辆振动和噪声的重要激励源，其中，扭转振动是动力传动系统的基本振动形式之一。对于发动机前置、后轮驱动、采用独立悬架结构的车辆来说，发动机的动力通过传动轴传递到车的后部，由于动力传递距离较长，传递过程中产生扭振的概率增加；而采用后独立悬架结构的车辆主减速器是直接连接到车身上，这样动力传动系统的扭振也就直接传递到汽车的车身上，严重影响车辆平顺性，产生较大的车内噪声。

针对动力传递系扭转引起的振动噪声问题，可以通过动力传动系统的扭转振动实验，测试分析发动机曲轴和传动系统旋转轴的扭转振动特性。根据获得的系统扭转振动的激励和响应特性，分析动力传动系统的扭转共振以及系统发生扭转共振的主要位置及频率特性。

在旋转轴系的扭转振动测量可分为接触式和非接触式两种，车辆动力传动系统扭转振动的测试目的是分析系统发生扭转共振的主要位置及频率特性，不涉及轴系的应力或者形变，宜采用非接触式扭转振动测试法，在测试分析中常采用仿真和实验台架的方法对车辆动力传动系统进行扭振分析(郭磊，汽车变速箱齿轮传动系统动力学振动特性的研究，振动与冲击，2010；明章杰，基于三维实体有限元的某机车柴油发电机组轴系扭转振动研究，柴油机，2008)。对于加速工况下动力传动系统的旋转信号，频率波动范围较宽，采用传统的测试和分析方法难以达到预期的效果，且实测扭转信号的失真原理错综复杂，且多数伴有随机性，不易准确识别。因此如何准确有效的测量和分析实际车辆加速工况下动力传动系统的扭转振动情况，是改善车辆振动和噪声的关键。

发明内容

本发明的目的是提出一种汽车动力传动系统扭转振动信号的在线检测方法，该方法不需要进行扭转振动系统的台架试验。直接在实际行驶的车辆，特别是前置后驱独立悬架型车辆的动力传动系统进行扭振测试和分析。在动力传动系统的被测位置安装测试齿盘和转速传感器，测量动力传动系统的旋转信号，对其进行自适应滤波，将滤波后的信号进行时频分析，计算系统扭转振动频率。

本发明提出的汽车动力传动系统扭转振动信号的在线检测方法，包括以下步骤：

(1)在被测汽车动力传动系统的转动件上安装测试齿盘，测试齿盘与转动件同轴固定，在车体或转动件的壳体上固定一个转速传感器，并使转速传感器处于测试齿盘的侧面，当被测汽车加速行驶时，采集转动件的旋转信号；

(2)设在时刻t_peak(i)时转动件旋转信号s(t)出现第i个峰值，则测试齿盘上与第i个峰值对应的第i个齿扫过转速传感器的时间周期T(i)为：

T(i)＝t_peak(i+1)-t_peak(i)

根据第i个齿的时间周期T(i)，计算第i+1个齿的时间周期为T(i+1)，T(i+1)的取值

范围为：αT(i)＜T(i+1)＜(α+β)T(i)，其中α、β为周期系数，α和β满足：0＜α＜1，0＜β＜1，在上述取值范围内检索旋转信号的峰值点，得到第i+1个齿的时间周期T(i+1)，依次递推得到测试齿盘上所有齿的时间周期；

根据上述所有齿的时间周期，得到每一齿的瞬时转速为：

$n\left(t_i\right)=\frac{1}{T\left(i\right)}$

根据上述所有齿的瞬时转速，得到转动件的平均转速为：

$v\left(t_i\right)=\frac{1}{Z}\underset{i=1}{\overset{Z}{\Sigma }}n\left(t_i\right)$

其中Z是测试齿盘的齿数；

(3)根据上述转动件的平均转速，得到用于对瞬时转速进行滤波处理的带通滤波器的中心频率f_c(t_i)为：

根据上述带通滤波器的中心频率，得到带通滤波器的加窗冲击响应函数的时间离散形式为：

$h_{\beta }\left[t_k\right]=\frac{1}{1+\beta }{w}_{\beta }\left[t_k\right]\{4r{f}_c·\sin c[2r{f}_c(t_k-T_d)]·\cos [2\pi f_c(t_k-T_d)\left]\right\},(k=\mathrm{0,1},...,N-1)$

其中，r为带通滤波器的带宽，r＝β，T_d为群延迟，T_d＝N/2F_s，F_s为转动件旋转信号的采样频率，w_β[t_k]为提升余弦窗函数，[t_k]为采样时间序列，[t_k]＝k/F_s，(k＝0，1，…，N-1)，N为滤波函数长度，N＝K/60，K为待滤波信号的长度；

(4)将上述瞬时转速n(t_i)按上述采样时间序列[t_k]进行线性插值，得到瞬时转速的时间离散形式n[t_k]，利用上述加窗冲击响应函数h_β[t_k]对瞬时转速的时间离散形式n[t_k]进行滤波，得到滤波后的转动件瞬时转速为：

$n_s\left[t_k\right]=\frac{1}{F_s}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{h}_{\beta }\left[t_n\right]n[t_k-t_n],(k=\mathrm{1,2},...,K)$

将被测汽车在整个加速过程中采集的旋转信号按测试齿盘每旋转一周的数据长度进行分段，重复步骤(2)、(3)和(4)，对每段信号进行滤波，得到被测汽车在整个加速过程中转动件的瞬时转速n_s-all[t_k]；

(5)将上述被测汽车在整个加速过程中转动件的瞬时转速n_s-all[t_k]通过短时傅里叶变换，转换到频域瞬时转速n_s(t_p，f)，其中t_p为进行短时傅里叶变换的时刻，t_p的取值范围为t_start≤t_p≤t_end，t_start是被测汽车加速的起始时刻，t_end是被测汽车加速的结束时刻，f为频域瞬时转速的频率；

根据上述转动件的平均转速v(t_i)，得到转动件各阶的转速阶次频率为：

f_m(t_i)＝m·v(t_i)

其中，m为阶次；

根据上述计算得到的转动件各阶的转速阶次频率f_m(t_i)，将频域瞬时转速n_s(t_p，f)转换为阶次瞬时转速n_s-m[f_m(f_p)]，其中f_m(t_p)为第m阶的阶次瞬时转速在t_p时刻的转速阶次频率；

对被测汽车整个加速过程中第m阶的阶次瞬时转速n_s-m[f_m(t_p)]进行检索，得到该阶的阶次瞬时转速出现极大值max{n_s-m[f_m(t_p)]}时的转速阶次频率f_m-max(t_p-max)，即转动件第m阶的扭转振动信号的阶次频率为：

f_m＝f_m-max(t_p-max)

其中，t_p-max是转动件第m阶的阶次瞬时转速出现极大值的时刻。

本发明提出的汽车动力传动系统扭转振动信号的在线检测方法，其优点是：

1、本发明的在线检测方法不需要建立扭转振动试验台架，不用将动力传动系统按实车结构在台架上布置，直接以实际车辆动力传动系为测试对象，简化了测试步骤和设备；

2、本发明的在线检测方法可对被测车辆在实际加速行驶工况下的动力传动系统的扭转振动情况进行测试；

3、本发明的在线检测方法可以降低由于车辆的振动导致的转速失真影响，提高分析精度，准确的计算动力传动系统的扭转振动频率。

附图说明

图1是使用本发明提出的在线检测方法时所用的测试系统结构示意图。

图2是测试齿盘结构图。

图3是峰值检测示意图。

具体实施方式

本发明提出的汽车动力传动系统扭转振动信号的在线检测方法，包括以下步骤：

(1)在被测汽车动力传动系统的转动件上安装测试齿盘，测试齿盘与转动件同轴固定，在车体或转动件的壳体上固定一个转速传感器，并使转速传感器处于测试齿盘的侧面，当被测汽车加速行驶时，采集转动件的旋转信号；

(2)设在时刻t_peak(i)时转动件旋转信号s(t)出现第i个峰值，则测试齿盘上与第i个峰值对应的第i个齿扫过转速传感器的时间周期T(i)为：

T(i)＝t_peak(i+1)-t_peak(i)

根据第i个齿的时间周期T(i)，计算第i+1个齿的时间周期为T(i+1)，T((i+1)的取值

范围为：αT(i)＜T(i+1)＜(α+β)T(i)，其中α、β为周期系数，α和β满足：0＜α＜1，0＜β＜1，在上述取值范围内检索旋转信号的峰值点，得到第i+1个齿的时间周期T(i+1)，依次递推得到测试齿盘上所有齿的时间周期；

根据上述所有齿的时间周期，得到每一齿的瞬时转速为：

$n\left(t_i\right)=\frac{1}{T\left(i\right)}$

根据上述所有齿的瞬时转速，得到转动件的平均转速为：

$v\left(t_i\right)=\frac{1}{Z}\underset{i=1}{\overset{Z}{\Sigma }}n\left(t_i\right)$

其中Z是测试齿盘的齿数；

(3)根据上述转动件的平均转速，得到用于对瞬时转速进行滤波处理的带通滤波器的中心频率f_c(t_i)为：

根据上述带通滤波器的中心频率，得到带通滤波器的加窗冲击响应函数的时间离散形式为：

$h_{\beta }\left[t_k\right]=\frac{1}{1+\beta }{w}_{\beta }\left[t_k\right]\{4r{f}_c·\sin c[2{\mathrm{rf}}_c(t_k-T_d)]·\cos [2\pi f_c(t_k-T_d)\left]\right\},(k=\mathrm{0,1},...,N-1)$

其中，r为带通滤波器的带宽，r＝β，T_d为群延迟，T_d＝N/2F_s，F_s为转动件旋转信号的采样频率，w_β[t_k]为提升余弦窗函数，[t_k]为采样时间序列，[t_k]＝k/F_s，(k＝0，1，…，N-1)，N为滤波函数长度，N＝K/60，K为待滤波信号的长度；

(4)将上述瞬时转速n(t_i)按上述采样时间序列[t_k]进行线性插值，得到瞬时转速的时间离散形式n[t_k]，利用上述加窗冲击响应函数h_β[t_k]对瞬时转速的时间离散形式n[t_k]进行滤波，得到滤波后的转动件瞬时转速为：

$n_s\left[t_k\right]=\frac{1}{F_s}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{h}_{\beta }\left[t_n\right]n[t_k-t_n],(k=\mathrm{1,2},...,K)$

将被测汽车在整个加速过程中采集的旋转信号按测试齿盘每旋转一周的数据长度进行分段，重复步骤(2)、(3)和(4)，对每段信号进行滤波，得到被测汽车在整个加速过程中转动件的瞬时转速n_s-all[t_k]；

(5)将上述被测汽车在整个加速过程中转动件的瞬时转速n_s-all[t_k]通过短时傅里叶变换，转换到频域瞬时转速n_s(t_p，f)，其中t_p为进行短时傅里叶变换的时刻，t_p的取值范围为t_start≤t_p≤t_end，t_start是被测汽车加速的起始时刻，t_end是被测汽车加速的结束时刻，f为频域瞬时转速的频率；

根据上述转动件的平均转速v(t_i)，得到转动件各阶的转速阶次频率为：

f_m(t_i)＝m·v(t_i)

其中，m为阶次；

根据上述计算得到的转动件各阶的转速阶次频率f_m(t_i)，将频域瞬时转速n_s(t_p，f)转换为阶次瞬时转速n_s-m[f_m(t_p)]，其中f_m(t_p)为第m阶的阶次瞬时转速在t_p时刻的转速阶次频率；

对被测汽车整个加速过程中第m阶的阶次瞬时转速n_s-m[f_m(t_p)]进行检索，得到该阶的阶次瞬时转速出现极大值max{n_s-m[f_m(t_p)]}时的转速阶次频率f_m-max(t_p-max)，即转动件第m阶的扭转振动信号的阶次频率为：

f_m＝f_m-max(t_p-max)

其中，t_p-max是转动件第m阶的阶次瞬时转速出现极大值的时刻。

本发明提出的汽车动力传动系统扭转振动信号的在线检测方法，通过在动力传动系统的转动部件上安装测试齿盘和转速传感器，采集被测汽车在加速行驶工况下各测试齿盘的旋转信号，计算动力传动系统的转速，再对其进行滤波，将滤波后的转速进行时频分析，计算系统扭转振动频率。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示为使用本发明方法的测试系统结构示意图。汽车的动力传动系统由发动机、离合器、变速器、万向节、传动轴、主减速器、半轴和车轮等组成，要测量其扭转振动情况需要对相应位置的转速，如发动机转速、变速器转速和传动轴转速等进行测量。在相应的转动件上安装测试齿盘，测试齿盘与转动件同轴并与转动件固定，在测试齿盘的侧面安装转速传感器，转速传感器固定在车体或转动件的壳体上，对转动件的转速进行测量。图1中在发动机输出端、传动轴前端和传动轴后端位置安装测试齿盘，测试齿盘结构如图2所示。齿盘外径(齿顶)为R，其中心孔径为r与转动件直径相同，固结在转动件上，测试齿盘上沿周向均布Z个矩形齿(推荐Z＝60，即共60个矩形齿)，在测试齿盘的侧面安装转速传感器，其前端探头垂直于测试齿盘，与齿盘外径相距1至2mm。传感器与变速器和主减速器壳体固联，在被测汽车行驶中传感器与测试齿盘中心平面之间没有相对位移。

当被测汽车行驶时，测试齿盘随发动机飞轮和传动轴等转动件的转动一起转动，测试齿盘的各个矩形齿依次扫过传感器探头，探头相对于凸齿和凹槽的位置交替变化，在传感器内产生近似周期性正弦信号，其幅值和频率与齿盘的转速成正比，也就是与转动件的转速成正比。被测汽车加速行驶，利用采集系统对传感器在整个加速过程中输出的信号进行采集，即可得到被测转动件的旋转信号。

由于被测汽车行驶过程中的车体振动及其他干扰信号的影响，采集得到的被测转动件的瞬时转速会产生失真，应利用本发明所提出的处理方法对旋转信号进行分析处理。

以实施例中测量的传动轴旋转信号s(t)为例，处理方法如下：

(1)峰值检测识别转速

旋转信号第i个峰值点所对应的时刻为t_peak(i)，则第i个齿的时间周期T(i)为

T(i)＝t_peak(i+1)-t_peak(i)           (1)

计算出前一个齿的时间周期T(i)后，下一个齿的时间周期T(i+1)取值范围为αT(i)＜T(i+1)＜(α+β)T(i)，其中α、β为周期系数。

α和β应满足

$\alpha +\frac{1}{2}\beta =\mathrm{1,0}<\alpha <\mathrm{1,0}<\beta <1---\left(2\right)$

一般在使用中推荐α的取值为0.85，β的取值为0.3。

在上述的取值范围内寻找旋转信号的峰值点，计算时间周期T(i+1)，递推计算所有齿的时间周期。

根据峰值点检测得到的所有齿的时间周期计算每一齿形(6度)内的平均转速作为瞬时转速。

$n\left(t_i\right)=\frac{1}{T\left(i\right)}---\left(3\right)$

瞬时转速为两类转速波动的叠加，如公式(4)，n(t_i)为瞬时转速，v(t_i)为测试齿盘旋转一周内的平均转速，u(t_i)为旋转一周内的转速波动。

n(t_i)＝v(t_i)+u(t_i)           (4)

v(t_i)是测试齿盘旋转一周(360度)内的平均转速，表示为Z个齿形周期的瞬时转速平均值。

$v\left(t_i\right)=\frac{1}{Z}\underset{i=1}{\overset{Z}{\Sigma }}n\left(t_i\right)---\left(5\right)$

转速波动u(t_i)中包含了转动件扭转振动的信息，是分析扭转振动情况的重点分析对象。

(2)构建滤波函数

为减小干扰噪声影响，对初步计算的瞬时转速进行滤波。

计算平均转速的频率f_n(t_i)作为对初步计算的瞬时转速进行滤波的带通滤波器的中心频率f_c(t_i)，如公式(6)所示。

对于60个齿的测试齿盘，平均转速频率等于转动件转速。

带通滤波器的中心频率随转速每一个工作周期内变化一次，设置待滤信号长度K为测试齿盘旋转一周内的信号长度。带通滤波器的带宽r覆盖待滤信号的频率波动，即为前面的β值。根据带通滤波器的中心频率和带宽比计算滤波器的带通上下限频率f_H(t_i)和f_L(t_i)，如公式(7)所示。

f_H(t_i)＝(1+r)f_c(t_i)

f_L(t_i)＝(1-r)f_c(t_i)           (7)

r＝β

构造数字滤波器的频域传递函数H(f)，

$H\left(f\right)=\left(\begin{array}{cc}{e}^{-j2\pi T_{d}f}& f\in [f_L\left(t_i\right),f_H\left(t_i\right)]\\ e^{-j2\pi T_d(f-F_s)}& f\in [F_s-f_H\left(t_i\right),F_s-f_L\left(t_i\right)]\\ 0& \mathrm{else}\end{array}\right)---\left(8\right)$

其中，T_d为群延迟，即滤波器输出相对于输入的时间延迟；F_s为旋转信号的采样频率。计算冲击响应函数h(t)。

$h\left(t\right)=2r{f}_c·\sin c\left[2\mathrm{\pi r}{f}_c(t-T_d)\right]·[e^{j2\pi f_c(t-T_d)}+e^{j2\pi F_{s}t}{e}^{-j2\pi f_c(t-T_d)}]---\left(9\right)$

将冲击响应函数按采样时间序列进行离散，离散化后的冲击响应函数，如公式(10)所示。

h[t_k]＝4rf_c·sinc[2rf_c(t_k-T_d)]·cos[2πf_c(t_k-T_d)](10)

[t_k]＝kΔt＝k/F_s

其中，h[t_k]是冲击响应函数h(t)的时间离散形式，[t_k]为采样时间序列，[t_k]＝k/F_s，(k＝0，1，…，N-1)，N为滤波函数长度，N＝K/60，即测试齿盘旋转一个齿形内的信号长度。

对h[t_k]加提升余弦窗，加窗后的冲击响应函数h_β[t_k]，如公式(11)所示。

$h_{\beta }\left[t_k\right]=\frac{1}{1+\beta }{w}_{\beta }\left[t_k\right]h\left[t_k\right],(k=\mathrm{0,1},...,N-1)---\left(11\right)$

其中，w_β[t_k]为提升余弦窗函数，群延迟T_d为T_d＝N/2F_s。

(3)瞬时转速的滤波处理

将前面初步计算得到的瞬时转速n(t_i)按采样时间序列[t_k]进行线性插值，离散后得到初步瞬时转速的时间离散形式n[t_k]

利用离散化后的加窗冲击响应函数h_β[t_k]对初步瞬时转速的时间离散形式进行滤波，如公式(12)所示。

$n_s\left[t_k\right]=\frac{1}{F_s}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{h}_{\beta }\left[t_n\right]n[t_k-t_n],(k=\mathrm{1,2},...,K)---\left(12\right)$

其中，n_s[t_k]是滤波后的瞬时转速，K为待滤信号的长度。

将整个加速过程的动力传动系瞬时转速按测试齿盘旋转一周的数据长度进行划分，对每段信号按上述过程进行滤波处理，得到整个加速过程中动力传动系的瞬时转速n_s-all[t_k]。

(4)计算扭转振动频率

将上述被测汽车在整个加速过程中转动件的瞬时转速n_s-all[t_k]通过短时傅里叶变换，转换到频域瞬时转速n_s(t_p，f)，其中t_p为进行短时傅里叶变换的时间段序列，其取值范围为t_start≤t_p≤t_end，t_start是被测汽车加速的起始时刻，t_end是被测汽车加速的结束时刻，f为频率。

计算转动件各阶的转速阶次频率如公式(13)所示。

f_m(t_i)＝m·v(t_i)                  (13)

根据上述计算得到的转动件各阶的转速阶次频率f_m(t_i)，将频域瞬时转速n_s(t_p，f)转换为阶次瞬时转速n_s-m[f_m(t_p)]，其中f_m(t_p)为第m阶的阶次瞬时转速在t_p时刻的转速阶次频率。

因此各个阶次的扭转振动频率为各阶次瞬时转速的极值频率，对被测汽车整个加速过程中第m阶的阶次瞬时转速n_s-m[f_m(t_p)]进行检索，得到该阶的阶次瞬时转速出现极大值max{n_s-m[f_m(t_p)]}时的转速阶次频率f_m-max(t_p-max)，则转动件第m阶的扭转振动阶次频率为：

f_m＝f_m-max(t_p-max)               (14)

其中，t_p-max是转动件第m阶的阶次瞬时转速出现极大值的时刻。