论文基于BBM测试系统的4 H发动机的扭振测量.docx
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论文基于BBM测试系统的4H发动机的扭振测量
摘要
本文以东风商用车EQ4H发动机曲轴的扭振信号为基础，测试扭转振动情况并进行数据分析。
重点研究了以下几个方面：
（1）扭振测量技术的发展；
（2）扭振的原理及实验原理；（3）扭振BBM信号的数据记录；（4）对发动机台架数据进行数据处理与分析。
首先介绍了汽车发动机曲轴扭振信号处理技术在国内外的研究状况，特别是曲轴扭振原理及分析，并提出了本课题的研究意义，内容和方法等。
关键词：
BBM，发动机，扭振，测量
Abstract
Thisdissertationbasedontheenginerankshaft’storsionalvibrationsignalofatypeofDongFengEQ4H.Testinganddataanalysisofthetorsionalvibration.Focusonthefollowingaspects:
（1）theextractionoftorsionalvibrationsignal;
（2）thetorsionalvibrationsignaldemodulation;（3）oftorsionalvibrationsignalofBBMdatarecord;（4）inletonthedataanalysis.Firstthispaperreviewedtheautomobileenginecrankshaftvibrationsignalprocessingtechnologyindomesticandforeignresearchstatus.Especiallythecrankshaftvibrationprincipleandanalysis,andputforwardthistopicresearchmeaning,contentandmethod.
Keywords:
BBM,engine,torsionalvibration,measurement
目录
摘要I
AbstractII
1引言1
1.1课题来源1
1.2课题背景1
1.3扭振信号处理技术的研究现状2
1.4课题的研究意义和内容2
1.4.1本文的研究意义2
1.4.2本文的主要研究内容3
2曲轴扭振测试技术的发展4
2.1机械式测量4
2.2模拟式测量4
2.2.1接触式电子扭振仪测量原理4
2.2.2非接触式智能扭振仪测量原理5
2.3数字式测量6
2.4软件式测量6
2.5基于LabVIEW的扭振测量7
2.6多普勒效应的扭振测量7
2.7本章小结8
3BBMPAK声学振动测试分析软件9
3.1BBMPak介绍9
3.2公司简介9
3.3PAKMobileMKII数据采集前端10
3.3.1多种输入输出信号调理方式11
3.3.2灵巧便携，性能优异11
3.4PAK振动噪声测试分析系统12
3.4.1高效而迅捷12
3.4.2数据的灵活和通用性12
3.5PAK特殊功能13
3.6本章小结14
4轴系扭振实验15
4.1引言15
4.1试验仪器16
4.1.4角标仪（曲轴转角信号发生器）22
4.2试验原理24
5扭振信号的提取26
5.1扭转振动的基本理论27
5.2扭转振动的描述28
5.3扭振实验介绍29
5.4本章小结29
6扭振信号的解调处理30
6.1扭振信号解调的总体方案确定30
6.2MATLAB的瞬时转速计算30
6.3扭振数据分析处理32
6.4直接解调法34
6.5本章小结38
7总结与展望39
7.1总结39
7.2展望39
参考文献41
致谢43
1引言
1.1课题来源
课题《基于BBM测试系统的4H发动机扭振测量》来源于东风商用车公司发动机厂生产的一类轴系扭转振动情况所产生的问题，EQ4H发动机是东风汽车有限公司开发的新一代发动机产品，该发动机采用目前国际最新的电控高压共轨燃油喷射系统、每缸四气门布置、增压空对空中冷等技术排放达欧Ⅲ并具备达欧Ⅳ潜力。
应实际生产目的要求，以湖北汽车工业学院学生实践的锻炼为目的，通过以老师为主，学生为辅的方式，利用学校的相关硬件及软件设施，运用BBM振动测试系统检测发动机的瞬时转速，了解瞬时转速的测量方法及数据处理方法，包括BBM自带的处理系统及用MATLAB处理采集数据。
光电编码器为1024线。
通过对4H发动机的瞬时转速的测量，来分析发动机的扭振情况。
1.2课题背景
众所周知，在动力装置飞速发展的现今时代，发动机己成为人类生活中不可缺少的一部分，随着人们生活水平的提高，人们对轿车的舒适性要求也越来越高，而发动机曲轴的扭振则是影响轿车乘坐舒适性的一个重要方面，振动一般都会通过发动机轴系传来。
所以研究发动机的扭振对于提高人们的交通及生活质量具有深刻的意义。
而且也由于曲轴的扭振所带来的某一些较大的生产、生活事故，其产生的危害不容忽视，所以人们更是在不断研究和探讨中。
国外从十九世纪末开始，就不断出现各种断轴事故的有关文章和分析报告，人们对轴系扭转振动的研究也逐渐深入。
发动机是一种应用非常广泛的热能动力机械，在很多领域都是作为主要的动力源。
随着技术的发展，对发动机的性能要求、使用寿命和安全性要求也越来越高。
其中曲轴是发动机最主要的运动部件之一，近年来人们对发动机可靠性及动力性的要求不断提高，曲轴的工作条件也越来越苛刻，曲轴的强度、扭振等问题也愈加变得重要，特别是其扭振问题，它极大地影响着发动机的工作可靠性和使用寿命，是发动机性能测试和研究的重难点。
轴系的扭转振动不仅与轴系本身的惯性和弹性特征有关，还与作用在轴系上的激振力矩息息相关。
外界激振力矩包括燃气爆发力、质量块惯性力引起的力矩，以及接收功率部件所吸收的变值扭矩。
这种弹性变形的绝对值在一般情况下是不大的，但是当外界激振力矩的频率与刚性轴的共振频率相同时，刚性轴的扭转变形幅度将远远超过正常值，即产生刚性轴共振，此时将严重影响机械设备的使用寿命和安全性，如果继续在这一情况下工作，则可能发生断轴、主轴瓦损坏等一系列恶性事故，造成人员伤亡和巨大经济损失。
许多研究都表明扭转振动是船舶、汽车和机车发动机系统轴系损坏的主要原因，因此检测、分析发动机轴系的扭振显得尤为重要。
1.3扭振信号处理技术的研究现状
对于曲轴扭振信号的分析处理，首先最重要的一点就是要将扭振信号提取出来。
人们已研究出很多种扭振信号的测量方法，扭振测量是曲轴扭振研究的一项重要内容。
随着传感器技术、电子技术的发展，扭振测量技术已从机械式测量、模拟式测量发展到数字化测量，测量的精度也不断提高。
目前扭振的测量采用得比较广泛的是测齿法。
从信号的角度分析，可将曲轴扭振看成是扭振信号对均匀脉冲载波产生调制的现象。
因采用的传感器不同，测得的脉冲序列相位和幅值都可能携带扭振信息，将此相位调制或者幅值调制信号解调即可获得扭振信号。
1.4课题的研究意义和内容
1.4.1本文的研究意义
目前，对于扭振的研究，人们已研制出很多类型的仪器，如发动机曲轴的扭振测试仪、监测仪、信号分析装置、故障诊断装置等各种扭振仪表。
而为了研究这些仪表、装置是否满足其使用要求，往往需要进行大量的实验，以获得发动机在各种工况下发生扭振的数据信号，以检定这些装置的稳定性和准确性。
特别是对于一些理论研究而言，为了找出扭振发生的规律，增加实验的准确性。
通过现场实验来采集数据，处理得到的扭振信号，实时测量轴系扭振情况可以连续不断地为测试或诊断分析系统提供信号，针对扭振分析、故障诊断等装置所需的信号源进行研究。
本课题即是基于BBM测试系统对东风EQ4H发动机进行检测分析。
1.4.2本文的主要研究内容
根据本文对发动机曲轴扭转振动的测量，扭振信号获得的过程。
（1）研究目标
针对东风EQ4H曲轴传动系统，进行轴系扭振原理的分析研究，通过扭振测试得出信号数据，并对其进行数字化处理，从中解调出扭振信号，然后通过实验实际测量出值与振幅之间的关系。
通过计算分析扭振的最佳振动区域。
（2）研究内容
扭振测试及信号的提取，分析汽车发动机的扭振现象，研究曲轴的扭转振动理论，搭建试验台及测试系统，利BBMPAK软件分析
2曲轴扭振测试技术的发展
扭振的测量大致可以分为两类:
扭应力的测量和扭角的测量。
轴系扭角的测量则是人们常说的扭振测量。
扭应力的测点一般选在轴上的节点处，扭角的测点则在轴系的自由端。
对于内燃机的扭振研究和测试早在19世纪就己开始，直至现今，随着技术的发展进步，扭振的测试则逐步简单智能化。
从最初的盖格尔机械式测量开始，扭振的测试经历了模拟式阶段、数字式阶段，以及之后采用的激光多普勒测量，测试精度在不断提高，方法也越来越先进。
在其分类上，依传感器的类型可分为光电式、磁电式、霍尔式、电涡流式等;按信号拾取装置与轴系是否接触可分为接触式和非接触式。
以下就从信号提取方式上讨论扭振测试技术的发展过程。
2.1机械式测量
扭振测量最早使用的仪器是1916年德国人发明的机械式盖格尔扭振仪，这种仪器结构简单，从信号获取到波形记录均由机械装置实现，可直接安装在曲轴的自由端或者中间轴位置，用麻布带传动，使用方便。
但轴的扭振是通过皮带传递到测量头架的，皮带的弹性振动会引起信号的失真。
机械式扭振仪测量范围、精度有限，主要适用于中、低速柴油机的扭振测试，记录的结果最后还需要人工进行分析，故该种扭振测量方法现在已基本上没有使用。
2.2模拟式测量
模拟电路式的扭振测量可分为接触式测量和非接触式测量，测量仪器都属于电子式的扭振仪。
由于是模拟电路式，抗干扰能力差，对于低频、低扭角的扭振信号测试困难，误差较大。
2.2.1接触式电子扭振仪测量原理
接触式的电子扭振仪，测量原理是在轴上贴应变片或者压电加速度计等敏感元件，利用这些感器直接感知轴的扭振，并将信号经过集流环或遥测方式输出到仪器，再经仪器分析和处理获得被测轴系的扭振特性，属于该类型测量方法的扭振仪有应变片式扭振仪、压电式扭振仪及电感式扭振仪。
这类扭振仪可远距离操作，便于分析记录。
但该方法对元件的安装要求很高，信号传输困难，且因必须在轴上安装传感器，所以很多情况不得不破坏轴的结构，局限性大。
2.2.2非接触式智能扭振仪测量原理
非接触式扭振仪是现今轴系扭振监测方面的一大发展趋势，这也是目前应用最广泛的扭振测量仪器。
与以往的扭振仪相比，非接触式扭振仪有诸多进步的地方，扭振测试更简单，且精度也提高了很多，但测试过程一般要受软硬件条件的局限，分析功能有限，且价格昂贵。
类仪器一般都配备磁电式（或光电式、电涡流式）传感器和测量齿盘，传感器都基于“测齿”的原理，利用轴上的齿轮、码盘或其它等分结构，通过测量齿间角速度的不均匀性来感知轴系的扭振（如图2.1所示）。
具体方法一般是将扭振信息通过传感器的输出脉冲反应出来，即将等分机构装在轴上的测点处，使传感器与齿部对齐并保持适当间隙，利用传感器感应出轴发生扭振时与扭振角速度变化相对应的脉冲，从而获得扭振信号。
这种方法对轴系上齿轮机构的等分精度要求很高，这也是测量信号误差的来源之一。
根据使用的传感器的类型，扭振信息存在于脉冲的相位或幅值中，并采用相应的解调电路将信号解调出来，如典型的锁相环解调电路、调频解调电路等。
由于扭振幅度相对于齿间距很小且扭振引起的轴的角速度波动也很小，因此扭振信号的相位调制度和幅值调制度都很小，采用电路解调时电路的精度则成为关键的部分，该方法解调误差较大。
如图2.1
图2.1非接触法“测齿”原理图
此外，一般大多数扭振仪都是将传感器得到的信号进行放大、隔离、整形、单稳后得到定幅定宽的脉冲位置调制信号（即M），利用低通滤波器和积分器来解调即M信号，从而获得原始的扭振角位移信号。
例如，基于磁电式脉冲原理的扭振仪，测量时当轴发生扭振，则产生重复频率发生改变的脉冲信号，经低通滤波后转化成相应的电压变化波形，再通过电容隔去直流成分，积分后就可获得相应于扭振角位移的变化波形。
国内外不少仪器采用的是这一原理，如国内东南大学ANzT型扭振仪的模拟部分、上海内燃机研究所的FN一1扭振仪们等;国外有美国的Atlanta2524、2538、2521型扭振仪、英国的AETV一4型扭振仪日本的小野PD一860扭振仪等，此类仪器的测量原理如下图1一2所示。
其测量工作过程由磁电式传感器、前置放大、单稳电路、低通滤波、隔直电容及积分放大等电路组成。
2.3数字式测量
20世纪90年代的数字式扭振测量仪，如比利时LMS公司的QTV扭振测量模块，充分利用计算机的软硬件资源，测量分析工作可由计算机自动完成，代替了人工操作，更方便简单。
但此类仪器采用的硬件较多，对采集卡的要求较高，价格昂贵。
数字式扭振测量方法主要有:
A/D高频计数法、信号调理法和A/D采样拟合法。
1.A/D高频计数法，采用高频A/D采集卡采样，计算转过每齿的时间，从而得到扭振信号。
该方法硬件通用性还可以，但仍然受硬件设备的限制，实际应用较少。
2.信号调理法，是将信号调理模块或仪器卡插在PC机系统总线插槽上，或安装在计算机外部专用扩展箱内，通过专用软件实现扭振的自动化测量。
基于信号调理法的扭振虚拟仪器已有一定的应用，如西南交通大学热能与动力工程系开发的TVM系统就是目前有代表性的振动测量分析虚拟仪器。
此方法测量精度高，但因需专用计算机插卡，成本高，维修也不方便。
3.A/D采样拟合法，建立在A/D采样技术和最小二乘拟合法的基础上，可准确求出轴系转过两相邻齿的时间间隔△t，，基于该方法开发的扭振测量虚拟仪器，可实现高精度测量，成本较低，通用性强。
2.4软件式测量
如扭转振动数字信号分析系统TVDSPS，就是一个纯软件的扭振测量系统，采用微机和A/D板构成的主从并行系统控制，数据处理快速、灵活、精度高。
文献介绍了一种利用希尔伯特变换而得到扭振信号的方法，认为扭转振动武汉理工大学硕士学位论文现象可看成轴匀速回转运动的相位调制，将传感器检测出的信号进行相位解调即可得到扭振信号，文献通过傅里叶变换和希尔伯特变换实现了解调，得到了扭振角位移一时间规律。
TVDSPS亦是基于这一思路，利用希尔伯特变换，在数学与信号处理的领域中，一个实值函数的希尔伯特变换（Hilberttransform）——在此标示为H——是将信号s（t）与1/（πt）做卷积，以得到s'（t）。
因此，希尔伯特变换结果s'（t）可以被解读为输入是s（t）的线性非时变系统（lineartimeinvariantsystem）的输出，而此系统的脉冲响应为1/（πt）。
这是一项有用的数学，用在描述一个以实数值载波做调制的信号之复数包络（complexenvelope），出现在通讯理论将解调工作通过编制软件程序来完成，节省了硬件成本，处理效率高、灵活性好。
2.5基于LabVIEW的扭振测量
文献介绍了利用LabVIEW平台开发的扭振测试系统，该扭振仪由数据采集硬件和LabVIEW编程测试软件组成，能够实现数据采集，信号分析和波形显示，数据的保存回放等功能。
而利用LabVIEW平台开发的扭振测量虚拟仪器，主要包含信号采集模块和数据后处理模块，与以往仪器相比，减少了测试工作所需要的硬件设备，使测量成本降低，且数据传输简单、调试方便。
全数字的软件控制系统及基于LabVIEW的测量系统，由于可极大节省硬件投资和调试，这类基于虚拟仪器的测量思路将是未来扭振测试分析技术的一大发展趋势。
2.6多普勒效应的扭振测量
随着扭振研究的深入，激光技术在扭振测量中也得到了一定的应用，这方面国外己研制出相关仪器，如丹麦B&K公司推出的2523型激光扭振仪。
激光多普勒效应是指，当激光照射到运动物体表面时，光线被物体散射（或反射），光的频率发生改变的现象，散射（或反射）光的频率与光源原频率的差值即为多普勒频移。
基于多普勒效应的扭振测量法，即采用光的“频移”效应，当激光束照射到旋转轴的表面，轴表面上的线速度使散射光产生多普勒平移，频移量的瞬间值代表轴的瞬态角速度，除去直流分量，即可得到轴的扭振信息。
激光扭振仪一般由激光器、带光电信号倍增器的传感器探头和跟踪处理仪组成。
其特点是用光电探测器和激光反射镜代替传感器和测量齿盘，如图所示该方法安装方便，能实现绝对测量，但装置昂贵且对环境要求苛刻，调试困难不便商业化，目前应用较少。
2.7本章小结
本章节简单扼要的介绍了现在世界上的一些关于扭振的测量方法。
通过大量国内外文献的阅读，进一步了解扭振测试技术的发展现状和新技术在扭振测试中的使用情况。
是自己在扭振测量试验中更能明确实验的优点。
明确实验的方法，
3BBMPAK声学振动测试分析软件
3.1BBMPak介绍
图3.1BBMPAK介绍
备注：
PAK数据采样基本驱动模块及数据分析功能模块，包括：
-原始信号分析（ThroughputAnalysis）-信号基本特征分析（SignatureAnalysis）-数字阶次跟踪分析（DigitalOrderTrackAnalysis）-数字1/n倍频程分析（Digitaln’thOctaveAnalysis）-振动分析（VibrationAnalysis）-曲轴转角跟踪分析（CrankAngleAnalysis）专业分析模块：
-结构分析功能StructuralAnalysis-实时工作模态分析功能OperationDeflectionShape-声强测量分析功能SoundIntensityMeasurement-函数发生器功能FunctionGenerator数据库：
-PAK-ASAMODS标准数据库操作系统平台：
-MicrosoftWindows®XP-Professional
3.2公司简介
德国MüllerBBM（集团）公司成立于1962年，是国际知名的振动声学咨询与测量仪器研究及制造公司。
现有员工600多人，其中博士45人。
下属四个子公司：
MüllerBBM振动与声学系统有限公司，MüllerBBM咨询有限公司，MüllerBBM技术有限公司，以及M+P咨询有限公司。
MüllerBBM振动与声学系统有限公司基于用户角度开发的BBMPAK多通道振动噪声测量与分析系统广泛应用于全球的航空航天、机械制造、汽车工业、船舶工业、家电企业、建筑声学、环境声学、主动降噪、心理声学、声品质等各个领域，同时也成为众多振动与声学咨询公司密不可分的合作伙伴。
随着BBMPAK振动噪声测量与分析系统的市场应用，得到了各个行业的振动噪声工程师的广泛赞誉与认可，其先进的测量手段和独到的振动噪声数据分析技术极大程度上推进了振动噪声研究领域的发展。
许多突破性的振动噪声测量技术实现了划时代的革新。
例如：
旋转机械的转角跟踪分析功能、传递路径分析/合成功能、声阵列的噪声源识别技术、声音主观评价系统的建立等等。
许多客户在使用PAK系统后，体会到了这套产品的优越性能，从而进行了整个噪声振动系统的彻底更新，以德国BMW（宝马）公司为例，目前已经采购200多套PAK系统。
MüllerBBM振动与声学系统有限公司自从推出PAK多通道测试系统以来，在短短的几年时间，BBMPAK测量系统在全球已销售2000多套，并且在世界上十多个国家成立了分支机构，在全球形成了广泛而完善的销售和技术服务网络，MüllerBBM振动与声学系统有限公司通过ISO9001：
2000质量体系认证
目前，企业的客户对产品声学与振动性能的要求越来越高，作为产品的开发者要不断地追求产品声学振动方面的优异品质。
利用MüllerBBM公司开发的高性能测试分析系统，进行声学振动信号的测量、分析以及评价，将帮助您实现您的目标。
3.3PAKMobileMKII数据采集前端
图3.2数据采集前端
3.3.1多种输入输出信号调理方式
包括：
ICP®/模拟电压输入、Tacho转速脉冲输入、模拟电压信号输入模块、热电偶温度信号输入、惠斯通桥式应变输入、Charge电荷输入、200V极化电压麦克风输入、GPS全球定位系统输入、数字音频输入、CANbus总线输入等。
3.3.2灵巧便携，性能优异
单机箱可选择2-128通道，多数采同步可扩展至1968通道。
同时支持4-16台主机在半径1-2公里范围内实时同步数据采集。
在同行业中体积最小、重量最轻，结构坚固、设计紧凑，单通道16/24位精度204.8KHz的采样率以及50M时钟频率和1000K脉冲采样率更是在同行业内遥遥领先。
方便用于实验室和现场测量。
抗振性能满足MIL-STD-810。
数据采集前端荣获2006年IF产品设计大奖。
3.4PAK振动噪声测试分析系统
图3.3PAK振动噪声测试分析系统
3.4.1高效而迅捷
PAK系统提供了振动噪声以及相关信号的测试、分析、评价等全方位的解决方案，由于设计完全贴合实际的工程应用，决定了她高度的灵活性和实用性。
超强的自动测量和分析处理功能，即使对于缺乏实际工程经验的人来说，也可以进行绝大部分测量标准所规定的测量和分析工作。
PAK系统已经在全球的汽车工业、航空航天、船舶工业、科研院所及其他行业得到广泛的应用。
之所以得到客户的充分认可，在于其能够适合任何工作场合，并具有丰富的扩展功能，从而满足客户全方位的需要。
3.4.2数据的灵活和通用性
早在1998年，MüllerBBM成为噪声振动行业中第一家加入ASAMODS标准的企业，积极地参与了其中NVH方面的标准制定。
（ASAM-ODS为国际通用的开放式数据标准，这个标准已经在汽车行业得到广泛的使用。
）这将确保证您工作在一个长久稳定的数据系统平台上，并使您的测试数据与其他的试验数据兼容共享。
3.5PAK特殊功能
PAK是强大的分析和测量功能软件。
包括了声学与振动测量的各个方面。
除了常规的测量和信号分析功能外，PAK的特殊功能包括：
（1）扭振测量TorsionalVibration
（2）曲轴角跟踪分析CrankAngleAnalysis
（3）发动机燃烧分析CombustionAnalysis
（4）阶次跟踪OrderTracking
（5）声功率测量SoundPower
（6）声强测量AcousticIntensity
（7）材料吸声测量ImpedanceTube
（8）振动模态测试Impact/MIMOModalTesting
（9）十字声阵列噪声源识别SoundLocation
（10）声质量SoundQuality
（11）加速通过噪声测量Pass-By（simulationandreal）
（12）噪声传递路径分析TransmissionPathAnalysis
（13）实时工况振形OperationalDeflectionShape（ODS）
PAK软件的功能采用模块化设计，用户根据需求选择功能模块。
系统的功能扩展通过软件的升级实现。
PAK作为实时的测量系统，在采集各通道时域信号的同时能够实时分析并显示测量结果。
PAK系统在测量结果显示和报告生成方面灵活多样，可以根据客户的需求自行设计。
在测量报告中，可以将测量实物和测量结果合为一体，各种测量量和图表溶为一体。
图中各图表显示的结果是相互关联的，在任一个图中移动光标的位置，均可看到图中不同变量下的结果，其他B
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