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1為什么會(huì)產(chǎn)生扭振？

 

旋轉(zhuǎn)部件自身產(chǎn)生扭振

 

軸的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)-對(duì)于單獨(dú)的一個(gè)軸而言，在軸兩端施加一對(duì)外力偶，由于軸并不是絕對(duì)的剛性體，各個(gè)軸段的微小截面均會(huì)產(chǎn)生位移，進(jìn)而軸端的兩端面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)的旋轉(zhuǎn)角。這種現(xiàn)象稱(chēng)為軸的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)。

 

 

軸的動(dòng)態(tài)扭轉(zhuǎn)-然而當(dāng)軸在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于軸端受到的力和力矩是變化的，因此除軸沿軸線的剛性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，軸的各端面也會(huì)存在相對(duì)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，進(jìn)而表現(xiàn)為軸旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)。

 

 

2傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生扭振

 

整車(chē)動(dòng)力NVH問(wèn)題除來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)本體的振動(dòng)、噪聲及其傳遞外，還有相當(dāng)一部分可能會(huì)來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、傳動(dòng)部件和行駛系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)激勵(lì)下引起的系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，簡(jiǎn)稱(chēng)扭振。

 

傳動(dòng)系統(tǒng)扭振主要來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒壓力波動(dòng)和曲柄連桿系統(tǒng)部件的慣性載荷變化，當(dāng)系統(tǒng)中離合器、彈性聯(lián)軸器等扭轉(zhuǎn)減振機(jī)構(gòu)匹配不當(dāng)，就可能會(huì)產(chǎn)生扭振問(wèn)題，從而在整車(chē)上表現(xiàn)出如聳動(dòng)、低頻抖動(dòng)、變速器敲擊、車(chē)內(nèi)轟鳴、車(chē)內(nèi)地板振動(dòng)等NVH問(wèn)題。因此，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振問(wèn)題進(jìn)行管控對(duì)于NVH性能的開(kāi)發(fā)具有十分重要的意義，在開(kāi)發(fā)前期可以通過(guò)CAE方法對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)扭振進(jìn)行仿真與優(yōu)化，而在樣車(chē)調(diào)校階段則需要基于對(duì)扭振的測(cè)試來(lái)進(jìn)行分析和改進(jìn)。通過(guò)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的扭振進(jìn)行測(cè)試，一方面可以用于對(duì)傳動(dòng)NVH子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)的進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)收，另一方面，也是解決傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的NVH問(wèn)題的重要手段。

 

整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)扭振測(cè)試

 

3扭振信號(hào)的采集

 

通常在對(duì)扭振信號(hào)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，我們最常用的測(cè)量物理量是轉(zhuǎn)速即RPM vs time曲線。通過(guò)轉(zhuǎn)速波動(dòng)來(lái)反應(yīng)扭轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)的大小。采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)如下圖：

 

左圖：扭振信號(hào)   右圖：CAN信號(hào)中的轉(zhuǎn)速信號(hào)

 

我們發(fā)現(xiàn)，采集到的轉(zhuǎn)速信號(hào)要比CAN信號(hào)或者直接測(cè)得的轉(zhuǎn)速信號(hào)要“粗”很多，這正是由于軸轉(zhuǎn)速的波動(dòng)引起的。為了測(cè)得旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，我們需要對(duì)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行再進(jìn)一步的“精細(xì)化”劃分，以碼帶測(cè)試的方法為例，我們將旋轉(zhuǎn)一周的運(yùn)動(dòng)劃分為60份或者更高，通過(guò)測(cè)得每條色帶的速度得到一個(gè)更加精細(xì)的轉(zhuǎn)速變化，進(jìn)而研究轉(zhuǎn)速的波動(dòng)情況。

 

那么我們?nèi)绾尉?xì)地采集轉(zhuǎn)速的波動(dòng)呢？一般我們會(huì)用到三種方式，分別是：利用電磁效應(yīng)的轉(zhuǎn)速傳感器+旋轉(zhuǎn)齒輪、光電轉(zhuǎn)速傳感器+碼盤(pán)/帶、編碼器三種方式，接下來(lái)就詳細(xì)為大家介紹一下三種采集方式的原理及特點(diǎn)。

 

（1）利用電磁效應(yīng)的轉(zhuǎn)速傳感器+旋轉(zhuǎn)齒輪

 

此類(lèi)傳感器根據(jù)原理可分為兩種，一種是利用電磁感應(yīng)原理工作的，當(dāng)齒圈的齒頂與傳感器的極軸端部相對(duì)應(yīng)時(shí)，通過(guò)磁感線圈的磁通量最大。當(dāng)齒圈的齒隙與極軸端部對(duì)應(yīng)時(shí)，通過(guò)磁感線圈的磁通量最小。感應(yīng)線圈中磁通量的變化產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)。

 

左：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)    右：磁電式轉(zhuǎn)速傳感器波形圖

 

另外一種是利用霍爾效應(yīng)原理工作的，當(dāng)齒圈轉(zhuǎn)到齒隙與霍爾元件對(duì)正時(shí), 永磁體傳到霍爾元件的磁力線分散, 磁場(chǎng)較弱, 輸出的霍爾電壓較小。當(dāng)齒圈轉(zhuǎn)到一個(gè)齒與霍爾元件對(duì)正時(shí), 永磁體傳到霍爾元件的磁力線集中, 磁場(chǎng)較強(qiáng), 輸出的霍爾電壓較大。

 

霍爾傳感器工作原理

 

（2）光電傳感器+碼盤(pán)/帶

 

傳感器端部發(fā)出光線(一般為紅色可視光)，將碼盤(pán)粘貼至旋轉(zhuǎn)物體的端面，當(dāng)光線照射到碼盤(pán)上產(chǎn)生反射光，并檢測(cè)出碼帶的反射光進(jìn)而得到轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)。

 

 

（3）編碼器

 

編碼器是一種分辨率極高的精密傳感器，其旋轉(zhuǎn)一圈有的甚至可達(dá)到幾千個(gè)脈沖，如果一個(gè)編碼器旋轉(zhuǎn)一圈會(huì)產(chǎn)生1000個(gè)脈沖，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到5000rpm時(shí)，一秒就可以產(chǎn)生83000個(gè)脈沖信號(hào)，因此扭振測(cè)試對(duì)數(shù)采采樣率要求較高，MECALC數(shù)采的轉(zhuǎn)速采集通道可達(dá)到1M pulse/s的采樣率，可以應(yīng)對(duì)各種普通轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集以及扭振測(cè)試。

 

 

4扭振信號(hào)的處理

 

在扭振測(cè)試試驗(yàn)中，我們測(cè)得的信號(hào)是脈沖信號(hào)，通過(guò)設(shè)置觸發(fā)電平可以得到轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線，也就是角速度隨時(shí)間變化的曲線。而我們扭振試驗(yàn)的研究對(duì)象是角度，因此我們?cè)跍y(cè)得原始信號(hào)后，需要對(duì)該信號(hào)進(jìn)行一次積分才能得到我們想要的結(jié)果。

 

另外在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，如果使用碼帶對(duì)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行測(cè)試，在碼帶的連接處，必然會(huì)存在不連續(xù)的情況。在使用齒輪盤(pán)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，如果存在缺齒的現(xiàn)象，也會(huì)引起轉(zhuǎn)速的不連續(xù)現(xiàn)象。這兩種情況都會(huì)引起轉(zhuǎn)速信號(hào)的急劇波動(dòng)，給信號(hào)處理帶來(lái)了困難，那么這種情況應(yīng)該如何處理呢？

 

原始信號(hào)中由于碼帶不連續(xù)或者缺齒引起的信號(hào)“缺失”

 

由于缺齒或者碼帶的不連續(xù)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速錯(cuò)誤

 

（1）碼盤(pán)/帶粘貼的特殊情況處理

 

在實(shí)際的信號(hào)采集的過(guò)程中，在粘貼碼帶的過(guò)程中，由于粘貼位置和色帶寬度的不匹配，常常會(huì)遇到“色帶重疊”以及相交處色帶只有部分窄帶的情況。

 

色帶重疊

 

當(dāng)出現(xiàn)色帶重疊，傳感器掃過(guò)重疊位置時(shí)會(huì)使方波信號(hào)有較長(zhǎng)的一段時(shí)間處于低電平或高電平，從而引起轉(zhuǎn)速的計(jì)算錯(cuò)誤；當(dāng)出現(xiàn)窄帶時(shí)，由于窄帶可能過(guò)窄，傳感器掃過(guò)窄帶位置時(shí)會(huì)使方波信號(hào)也出現(xiàn)一個(gè)窄帶的高電平或者低電平，亦會(huì)引起轉(zhuǎn)速的計(jì)算錯(cuò)誤。對(duì)于窄帶的的處理，我們一般會(huì)選擇用相同顏色的色帶將其粘貼至一起，做成一個(gè)色帶，使其效果變成“色帶重疊”的效果，進(jìn)而保證碼帶上只有一個(gè)結(jié)合處并按照色帶重疊進(jìn)行計(jì)算。如下圖所示：

 

人為碼帶處理的兩種情況

 

在ATOM軟件內(nèi)算法可以允許用戶(hù)設(shè)置觸發(fā)電平，每圈脈沖數(shù)以及結(jié)合處的數(shù)量，軟件會(huì)自動(dòng)將碼帶結(jié)合處的方波信號(hào)進(jìn)行處理，得到正確的轉(zhuǎn)速波動(dòng)以及角度波動(dòng)的信號(hào)。

 

碼帶信號(hào)處理的設(shè)置

 

（2）齒輪缺齒的特殊情況處理

 

對(duì)于齒輪缺齒而言，軟件內(nèi)允許用戶(hù)設(shè)置觸發(fā)電平，每圈脈沖數(shù)以及缺齒的數(shù)量。設(shè)置好參數(shù)后軟件可自行進(jìn)行補(bǔ)齒計(jì)算，得到正確的轉(zhuǎn)速波動(dòng)以及角度波動(dòng)。

 

缺齒信號(hào)處理的設(shè)置

 

在對(duì)于碼帶結(jié)合處以及齒輪缺齒處的信號(hào)進(jìn)行處理之后，我們就會(huì)得到一條正常的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間波動(dòng)的曲線。

 

經(jīng)過(guò)處理后的轉(zhuǎn)速信號(hào)

 

ATOM軟件在后期的處理中將轉(zhuǎn)速的曲線進(jìn)行一次積分轉(zhuǎn)變?yōu)榻嵌刃盘?hào)并對(duì)其進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)的colormap圖以及相應(yīng)的階次切片圖，如下圖所示：

 

ATOM中的扭振結(jié)果展示