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NVH測試中的扭振測試
2021-09-12 21:00:21· 來源：汽車NVH云講堂
1、為什么會產(chǎn)生扭振？旋轉(zhuǎn)部件自身產(chǎn)生扭振軸的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)-對于單獨的一個軸而言，在軸兩端施加一對外力偶，由于軸并不是絕對的剛性體，各個軸段的微小截面均會產(chǎn)
1、為什么會產(chǎn)生扭振？
旋轉(zhuǎn)部件自身產(chǎn)生扭振
軸的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)-對于單獨的一個軸而言，在軸兩端施加一對外力偶，由于軸并不是絕對的剛性體，各個軸段的微小截面均會產(chǎn)生位移，進(jìn)而軸端的兩端面會產(chǎn)生一個相對的旋轉(zhuǎn)角。這種現(xiàn)象稱為軸的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)。
軸的動態(tài)扭轉(zhuǎn)-然而當(dāng)軸在運動系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)時，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)運動外，軸的各端面也會存在相對的扭轉(zhuǎn)振動，進(jìn)而表現(xiàn)為軸旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速的波動。
2、傳動系統(tǒng)產(chǎn)生扭振
整車動力NVH問題除來自發(fā)動機本體的振動、噪聲及其傳遞外，還有相當(dāng)一部分可能會來自于發(fā)動機、變速箱、傳動部件和行駛系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)激勵下引起的系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動，簡稱扭振。
傳動系統(tǒng)扭振主要來源于發(fā)動機燃燒壓力波動和曲柄連桿系統(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)減振機構(gòu)匹配不當(dāng)，就可能會產(chǎn)生扭振問題，從而在整車上表現(xiàn)出如聳動、低頻抖動、變速器敲擊、車內(nèi)轟鳴、車內(nèi)地板振動等NVH問題。因此，對傳動系統(tǒng)的扭振問題進(jìn)行管控對于NVH性能的開發(fā)具有十分重要的意義，在開發(fā)前期可以通過CAE方法對傳動系統(tǒng)扭振進(jìn)行仿真與優(yōu)化，而在樣車調(diào)校階段則需要基于對扭振的測試來進(jìn)行分析和改進(jìn)。通過對傳動系統(tǒng)各個節(jié)點的扭振進(jìn)行測試，一方面可以用于對傳動NVH子系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)的進(jìn)行評估和驗收，另一方面，也是解決傳動系統(tǒng)相關(guān)的NVH問題的重要手段。
整車傳動系統(tǒng)扭振測試
3、扭振信號的采集
通常在對扭振信號進(jìn)行測試時，我們最常用的測量物理量是轉(zhuǎn)速即RPM vs time曲線。通過轉(zhuǎn)速波動來反應(yīng)扭轉(zhuǎn)時振動的大小。采集的轉(zhuǎn)速信號如下圖：
左圖：扭振信號 右圖：CAN信號中的轉(zhuǎn)速信號
我們發(fā)現(xiàn)，采集到的轉(zhuǎn)速信號要比CAN信號或者直接測得的轉(zhuǎn)速信號要“粗”很多，這正是由于軸轉(zhuǎn)速的波動引起的。為了測得旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速波動，我們需要對軸的旋轉(zhuǎn)運動進(jìn)行再進(jìn)一步的“精細(xì)化”劃分，以碼帶測試的方法為例，我們將旋轉(zhuǎn)一周的運動劃分為60份或者更高，通過測得每條色帶的速度得到一個更加精細(xì)的轉(zhuǎn)速變化，進(jìn)而研究轉(zhuǎn)速的波動情況。
那么我們?nèi)绾尉?xì)地采集轉(zhuǎn)速的波動呢？一般我們會用到三種方式，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/帶、編碼器三種方式，接下來就詳細(xì)為大家介紹一下三種采集方式的原理及特點。
（1）利用電磁效應(yīng)的轉(zhuǎn)速傳感器+旋轉(zhuǎn)齒輪
此類傳感器根據(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應(yīng)時，通過磁感線圈的磁通量最大。當(dāng)齒圈的齒隙與極軸端部對應(yīng)時，通過磁感線圈的磁通量最小。感應(yīng)線圈中磁通量的變化產(chǎn)生交變電動勢。
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正時, 永磁體傳到霍爾元件的磁力線分散, 磁場較弱, 輸出的霍爾電壓較小。當(dāng)齒圈轉(zhuǎn)到一個齒與霍爾元件對正時, 永磁體傳到霍爾元件的磁力線集中, 磁場較強, 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/帶
傳感器端部發(fā)出光線(一般為紅色可視光)，將碼盤粘貼至旋轉(zhuǎn)物體的端面，當(dāng)光線照射到碼盤上產(chǎn)生反射光，并檢測出碼帶的反射光進(jìn)而得到轉(zhuǎn)速的脈沖信號。
（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)到幾千個脈沖，如果一個編碼器旋轉(zhuǎn)一圈會產(chǎn)生1000個脈沖，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到5000rpm時，一秒就可以產(chǎn)生83000個脈沖信號，因此扭振測試對數(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)對各種普通轉(zhuǎn)速信號的采集以及扭振測試。
4、扭振信號的處理
在扭振測試試驗中，我們測得的信號是脈沖信號，通過設(shè)置觸發(fā)電平可以得到轉(zhuǎn)速隨時間變化的曲線，也就是角速度隨時間變化的曲線。而我們扭振試驗的研究對象是角度，因此我們在測得原始信號后，需要對該信號進(jìn)行一次積分才能得到我們想要的結(jié)果。
另外在實際試驗過程中，如果使用碼帶對旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行測試，在碼帶的連接處，必然會存在不連續(xù)的情況。在使用齒輪盤進(jìn)行測試時，如果存在缺齒的現(xiàn)象，也會引起轉(zhuǎn)速的不連續(xù)現(xiàn)象。這兩種情況都會引起轉(zhuǎn)速信號的急劇波動，給信號處理帶來了困難，那么這種情況應(yīng)該如何處理呢？
原始信號中由于碼帶不連續(xù)或者缺齒引起的信號“缺失”
由于缺齒或者碼帶的不連續(xù)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)速錯誤
（1）碼盤/帶粘貼的特殊情況處理
在實際的信號采集的過程中，在粘貼碼帶的過程中，由于粘貼位置和色帶寬度的不匹配，常常會遇到“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，傳感器掃過重疊位置時會使方波信號有較長的一段時間處于低電平或高電平，從而引起轉(zhuǎn)速的計算錯誤；當(dāng)出現(xiàn)窄帶時，由于窄帶可能過窄，傳感器掃過窄帶位置時會使方波信號也出現(xiàn)一個窄帶的高電平或者低電平，亦會引起轉(zhuǎn)速的計算錯誤。對于窄帶的的處理，我們一般會選擇用相同顏色的色帶將其粘貼至一起，做成一個色帶，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結(jié)合處并按照色帶重疊進(jìn)行計算。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，軟件會自動將碼帶結(jié)合處的方波信號進(jìn)行處理，得到正確的轉(zhuǎn)速波動以及角度波動的信號。
碼帶信號處理的設(shè)置
（2）齒輪缺齒的特殊情況處理
對于齒輪缺齒而言，軟件內(nèi)允許用戶設(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)行補齒計算，得到正確的轉(zhuǎn)速波動以及角度波動。
缺齒信號處理的設(shè)置
在對于碼帶結(jié)合處以及齒輪缺齒處的信號進(jìn)行處理之后，我們就會得到一條正常的轉(zhuǎn)速隨時間波動的曲線。
經(jīng)過處理后的轉(zhuǎn)速信號
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)榻嵌刃盘柌ζ溥M(jìn)行FFT運算，得到對應(yīng)的colormap圖以及相應(yīng)的階次切片圖，如下圖所示：
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