扭振测量与分析.docx

1、扭振测量与分析扭振测量和QTV介绍 1. 引言噪声及振动问题,在旋转部件开发中,是一个必须充分重视的因素。就车辆而言,旋转机械或旋转部件包括：发动机(引擎),动力传动系, 变速装置, 压缩机和泵 等等。对它们的动力特性, 必须了解得非常透彻, 力图实现宁静、平顺、安全地运转。通常, 对线振动和角振动的测量和分析, 是分头进行的。旋转件横向振动的测量方法, 是大家熟悉的,研究得已经比较透彻，为了充分把握结构的动力特性, 通常会实施多通道并行的测量和分析。而扭振测量则需使用专门的设备, 它们一般并不集成在一总体动力学测试系统内。2. 扭振的“源传导接收”模型研究动力学问题的一般方法,是建立所谓“源

2、传导接收”模型（图1）。在某一部位（接收部位）观测到的响应,视为由源和源在结构上沿某途径传导产生的效果。由于结构的共振或反共振效应，源可能在传导过程中被放大或者被衰减。此外，它们可能沿多个不同途径，传导至接收部位。图1 扭振的“源传导接收”模型接收部位或响应部位的振动，通常是刚体运动伴随柔体运动的复合现象。前者一般不产生交变应力，后者则会引起交变应力，并成为某种耐久性问题的根源。传递途径分析（TPA）涉及到某接收部位对源的干扰，这种干扰经由其可能的传导途径，并依赖于传导途径固有的动力学特性，影响整个结构的响应。用同样的方法，我们来研究扭转振动。先是有一个“源”，譬如说，发动机给出的交变输入力矩

3、。力矩传递过程，牵涉到轴系、齿轮传动系或皮带传动系等的动力特性。最终表现出来的，是旋转件的转速变化。如果沿整个轴，各部位的转速变化都是相同的、一致的，那么在严格的意义上，这不能算作是扭振，仅仅只是转速在变罢了（这相当于线振动分析中的刚体模态）。仅当沿轴不同部位检测到的转速增量有幅值和相位的相对变化时，扭振才确实发生了。当激励频率接近于扭振谐振频率时，会导致旋转件产生很大的内应力。如果未设置专门的监测设备，就有可能发生严重的耐久性问题。习惯上，凡是在平均转速上、下发生得转速波动，都被称之为扭转振动，无论转轴的不同截面之间是否真正存在相对扭转。注意, 转矩变化或转速变化，不能只看到表面现象。实际上

4、，旋转件之间传递的力和力矩，只是机械载荷的一部分。而发生的机械振动和噪声，也应视为动力载荷的另一部分。下面几点，请大家关注： 扭振只是结构动力特性的一个局部命题。 扭振和转轴横向振动往往同时发生。 扭振不仅关系到结构的耐久性问题，而且关系到车辆的振动、噪声、舒适性以及其它方面的性能问题。扭振源之一 往复式发动机往复式发动机大概是大多数扭振问题的根源所在。曲轴旋转过程中，燃气压力不断变化，从而引起作用于曲轴的平均力矩和交变的力矩分量。（见图2）另外，诸如活塞、连杆等运动部件的惯性力，也会引起作用于曲轴的变扭矩。这两种作用力，合成一不规则的扭矩，从而引起转速的变化，在好的发动机设计中，这种转速变化

5、通过采用惯性飞轮和扭振减振器等特殊部件，得到尽最大可能的平滑。即便在稳定的工作状态下，也会存在某些附加的扭振变化。有许多正常的、或非正常的现象可能诱发扭振振动。譬如：气缸失火，发动机起停，以及哪怕是不太大的载荷变化等等。由于往复式发动机用于广泛的工业部门，从而扭振问题也就受到这诸多部门的关心和重视。采用往复式发动机的设备有：轿车，载重车，采用柴油发动机的大型船只，轻型游乐船，各种动力设备，直升飞机，等等。图2 不同转速下，随曲柄角位移变化的燃气压力举例纵坐标：燃气压力；横坐标：曲柄角位移。WOT(油门大开)状态3. 扭振源之二 传动系除了发动机, 扭振也可能在传动系的其它部位发生或放大。虎克万

6、向节或卡尔丹万向节，一种变换转速的设计，其传动比与万向节所联接轴之间的夹角有关。对于双万向节联接情况，如果输入轴与输出轴是平行的，那么轴端的扭振应当可以消除掉。然而，如果失调的话，仍可能产生扭振。对变速箱而言，齿轮的质量至为重要，齿轮啮合不良，可产生大的接触力，啮合力的顺序变化，可导致扭矩和转速的变化。离合器也必须有良好的设计，以降低扭振的风险。操纵离合器时，产生的周期性扭矩变化，会引起离合器震颤，其固有频率与传动系从离合器动力分离时的固有频率相接近。震颤作为车辆沿纵向的振动，通过各工作部件传递到司机坐椅上。它还可能作为一种内部噪声被感觉出来。离合器脱开和接合时发生的撞击，会引起踏板作低频振动

7、，这使得踏板移位时间变长，并伴随恼人的噪声。对转轴本身，也必须经过精心的设计，以保证其扭振谐振频率不至于和发动机的工作范围发生严重冲突。扭矩的变化，不但有可能激发扭振的谐振，而且可能激发弯曲振动的谐振。最后，传动皮带的谐振，也会引起它所驱动的皮带轮产生转速变化；而转速的变化，会引起皮带张力的变化，甚至出现皮带打滑的现象。对于变速箱，扭振可导致不同类型的问题。例如，齿轮whine(唔唔作响)，是动力齿轮副由于扭矩脉动产生的啮合噪声。如图3所示，齿轮whine噪声涉及转速的许多阶次。产生的噪声无疑会传到齿轮箱上，甚至可被放大，如果它的频率与箱体的谐振频率吻合的话。另一问题是齿轮rattle (拍击

8、声，即嗒嗒作响)，这是非动力齿轮副由于扭矩变化引起齿相互击打而产生的随机噪声。Rattle噪声是一种频带较宽的噪声，它是由连续击打所产生的噪声。 图3：齿轮齿whine的三维谱（左图）和齿rattle的三维谱（右图）实例。横坐标 为频率轴，纵坐标为rpm轴。一些瞬态现象，例如齿轮在轴上发生移位，也可能由于动力学特性，产生扰动噪声。不但往复式发动机可能发生扭振，电动机也可能产生变扭矩。交流同步电机会发生严重的扭矩脉动，它正比于所谓“滑差”（slip）,即实际转速与名义转速之间的转速差。一个共性的问题是，这种现象一般都是突然发生的，这种扭矩脉动可引起严重的谐振。一旦工作转速正常了，扭矩的变化很快又

9、变小。扭矩和转速的变化，也可能是负荷变化的结果。例如，当压缩机、涡轮增压器和泵的气体或液体压力有脉动时，都可以观测到扭振和转速的变化。4. 扭振的测量方法测量扭振最通常的方法，是利用与转轴每回转一圈相对应的等宽度脉冲串。脉冲串源于某种能敏感齿轮齿面的传感器（有电感式、霍尔效应式、变磁阻式、电涡流式等多种类型）所获得的特定轴码。脉冲串馈入某种电子电路，该电路或者将变频脉冲串转换为数字式rpm读出（要想将该数字信息与其它通道的数据相整合，且同步地测量分析，可能会有一些困难）；或者通过一高频FV（频率电压）变换器转换为与rpm成比例的电压信号。检测扭振的另一项技术，是采用双光束激光器，当双光束分别对

10、准轴上两个不同点时，两点的反射光会产生频率差（多普勒效应）。虽然，这种方法有某些优点，譬如容易对准轴上的任意测量点，直观、并容易理解等。但也存在某些缺点，如频率范围受限制，价格比较昂贵，尤其是需要多点同时测量的情况。一种新的替换方法，是采用LMS提供的QTV模块。该模块完好地集成在SCADAS 多通道数据采集系统内。模块执行内部的、数字化的频率rpm转换，将脉码流转换为数据流，所得到的时域抽样就是该时刻的瞬时转速。这一方法的最大优点，是取消了外部的FV（频率电压）转换器(这种转换的精度一般都不高)，并且可以保证它和其它振动及声学测量通道即时、同步地采集数据。此外，它有良好的精度，测量设置的操作

11、十分容易。5. LMS SCADAS 前端产品系列QTV模块是内嵌在LMS SCADAS 前端的模块，SCADAS 是一模块式硬件平台，涵盖宽范围的噪声和振动的测量应用。其安装框架有三种尺寸，每个框架均可作为主单元或次单元来使用。305框架是一种理想的小型、便携式解决方案，可AC或DC供电，最多允许容纳60个测量通道并行地采集数据。所有采集模块，都可装入任意框架。这些模块，采用24 bit ADC和DSP技术，每个通道的采样率均可高达204.8 kHz 。在数据吞吐模式方面，采用持续吞吐模式的话，对于时域信号记录，吞吐速率高于6 M采样/秒。这意味着，如果需要的话，多个通道的脉冲串信号均可同时

12、地得到很好的记录。LMS SCADAS 可内嵌不同类型的采集模块。每个模块各包含一个信号调理模块和一个DSP模块。QTV的每个模块有四个输入通道，所生成的采样表征即时转速。图4：用装有QTV模块的SCADAS 并行测量多路扭振信号和其它测量信号图5：LMS SCADAS 前端产品系列与QTV放在一起同用，你可以选择各种各样的信号调理模块：PQA和PQFA用于电压输入或ICP输入，PQMA用于传声器输入，PQCA用于电荷输入。数字式声信号输入可采用QDA模块。所有这些信号都可以在模块内作调理和处理，生成同步的数据，并准备用于进一步的处理：诸如FFT，同步阶次跟踪分析或倍频程分析等，并可记录下所有

13、的阵列时间信号。因此，它可以拥有无限量的“虚拟”通道，任意组合扭转振动、横向振动和声信号的测量。就QTV模块本身而言，其四个输入通道可分别按两种模式来工作：一是作为“常规”的模拟信号输入通道；二是作为“扭振”模式，后者生成即时的rpm值。这意味着，如果无需让所有的QTV通道都用来测量rpm变量的话，那么，它们也可以用作加速度测量通道或传声器测量通道等。6. 用LMS Test.Lab 测量扭振与数据采集硬件一起，有好的软件工具来驱动硬件和处理测量结果也是很重要的。LMS Test.Lab软件系列是专门为一般声学和振动测量而设计的，与LMS SCADAS 硬件测量平台紧密地集成。产品系列之一专用

14、于旋转机械试验，不过，所有的应用都共享一通用平台和数据库。软件设计成“流水线”（streamline）作业方式，以最有效的途径完成有关处理，引导操作者通过不同的流程，不失灵活地返回，或规定综合性处理和特定处理。直观的工作流程说明（见图7），导引操作者通过不同的流程，如：测量设置，试验规定，试验执行（可实施单一处理或多类型处理），试验检验，（包括极其快速地评估前面采集数据的质量,以及跟从前的参考数据作比较），和最终的报告。图6：LMS Test.Lab 旋转机械试验解决方案图7：工作流程导引：窗口下部的工作流程条形栏，导引操作者通过不同的流程，每一步都有适当的GUI。（窗口内显示的是带有电平标尺

15、的脉冲信号）对于扭振而言，可以很容易设置测量参数和对脉冲信号作译码处理。阵列时间信号可以目视观察，帮助操作者设置有关的参数:如触发电平，触发斜率，设置或取消触发延时等。且可以帮助诊断出品质不良的信号，譬如说，由有毛病的探头给出的信号。当然，对脉冲串信号，即时rpm值和信号波形都可以从窗口上实时看到。扭振通道的处理与其它类型振动信号的处理非常相似，额外的得益是彼此完全同步。处理内容之一是获得rpm的即时值（表示为rpm, rad/sec 或 deg/s）,参看图8，图中表示的是从一发动机飞轮上测量出的rpm变量。注意到这一例子中，对应旋转的每一圈，有两个主要的扭振循环。信号的在线积分或微分，可得

16、到角位移或角加速度的变化。其谱成分可以即时测量，或将其表示为rpm的函数（三维谱）。同步重采样的数据也可构成三维的阶次谱。分割的频率，分割的谐波或分割的阶次，可以抽取出来，表示为测量的rpm信号（包括QTV信号）的任意函数。所有这些功能意味着后处理只需要极少的工作量。此外，可以个别地处理每一特定通道，计算要求的导出量：利用“虚拟通道”的概念，容易在线计算出转轴不同截面间相对扭转变量的频谱（两个通道的信号先积分再相减）。 图8：扭振信号的时间历程、频谱、阶次谱及三维彩色谱图（坎贝尔图）对输入数据的进一步处理可定义为“时间信号计算器”。它允许对输入的数据执行各种数学运算，包括：滤波，消除趋势项，积

17、分和微分等等。这些处理可以是纯粹对话式的后处理，也可以按照预先的安排，在测量之后随即自动完成计算。这种处理功能，可用于测量相对扭转角，计算皮带轮的打滑，或者将转速转换为切向的线速度。最后，有兴趣的话，可以做到更“全局性地”诠释测量，这就是在保留所有测量的相位信息下，可以动画显示几何模型的旋转振动和横向振动这二者，从而可以更好地了解发生在特定状况下的振动形态。7. QTV的原理和精度7.1 QTV 的结构原理与SCADAS III的其它模块相同，QTV由两个模块组成。其电压输入调理模块，确保100kHz的模拟信号带宽，用于对输入转速信号的调理、放大或衰减，以保证其SP90模数转换模块正确地采集数

18、据。过零检测和rpm变化量的计算，则是通过一个高性能的数字信号处理器（DSP）在数字域内实现。QTV的结构原理图如图9所示。它说明了QTV如何将模拟式转速信号转换为高精度、宽频带的rpm变化量。图中只给出一个通道的框图，实际上，一个QTV模块有四个通道，能同时对旋转件四个不同部位的扭振信号进行测量分析。图9：QTV结构原理图内含有扭振信息的转速信号，先馈入一个带宽很宽的模拟式调理电路，该电路可选择适当的放大或衰减因子。必要时，还可插入一高通滤波电路；但一般情况下，不推荐这样做，因为会引起相位失真和不希望的瞬态响应。抗混滤波器和24 bit 、204.8 kHz 采样率的模数转换器，可保证精确采

19、集原始的转速数据。对原始信号作精确的数字化处理后，再由DSP作进一步的运算处理。首先，对ADC输出数据进行二倍升采样。这个过程相对简单，利用FIR（有限冲激响应）插值滤波器，保证运算过程非常精确。然后，对升采样后的数据（此时的采样间隔为2.5s）进行零位检测。图10：内插值方法达到上述采样间隔后，利用可靠、精确的拉格朗日多项式插值法（16阶），再进行32倍插值。此时，对原始转速信号的估计，达到76ns的时间分辨率。而最初的ADC采样率为204.8KHz（4.9的时间分辨率）。最后，对拉格朗日插值后的采样信号再进行检测，查找其“”、“”值的转换点，并用线性插值法确定精确的过零时刻。由于最后一步的

20、线性插值是在超高的过采样后进行的,可以认为输入数据具有极好的线性度，它有效地保证了最佳的RPM精度。仿真处理表明，理论上，QTV处理的时间分辨率等效于工作在几个GHz的计数器。当然，这只是在理论上的分析。下面，我们来考察一下实际受到的限制和可能的误差源。7.2 QTV的精度分析QTV将模拟转速信号转换到rpm数据的精度主要取决于下面两个因素： 输入信号的品质； ADC的幅值精度（位数，或量化误差）QTV的更详细计算和误差分析说明如下。图11： 最后的线性插值QTV的最终估计是通过线性插值得出的。这种估计的误差可由图11说明。灰色面积表明的是幅值精度不确定性，主要源于模数转换的量化误差。当然，模

21、拟量的热噪声（高斯噪声）也起到小的作用。假定观察的是一个正弦信号：令 为 采样序号， 为 采样间隔，则另一个表示采样值的方法涉及到值，它等于插值后的采样点到实际过零点之间的时间间隔（见图11）：零点两边的两个采样分别为：在充分过采样的情况下，可以简化为：于是，可以将表示为插值抽样的函数：QTV的精度受到采样数据精度的限制。采样值存在某些不确定因素，图11的粗灰线表示出该不确性。作为QTV原理上的分析，可以假定模拟输入的噪声可忽略不计，主要以量化噪声作为讨论限制因素的出发点。根据统计理论，量化的方差等于其中，LSB代表最小有效位（Least Significant Bit），即ADC的分辨率。由

22、于利用两个采样数据，必须以去计算的方差。这样，最终的量化误差为：可以给出不确定性的表达式为：如果令信号周期 ，可得到相对误差的表示式：由此，可以得到的结论是，QTV的精度只取决于ADC的精度，而与转速信号本身和采样频率均无关。绝对误差为：7.3 QTV与传统计数器法的比较QTV与传统的计数器法比较，有两大性能差别：1. QTV的相对误差对所有频率是常数（这是因为零位估计的误差只与信号周期有关）。而计数器的相对误差则随频率的增加而增加，它可以表示为：其中，是信号周期，而则是计数器的分辨率。上式说明计数器的绝对误差正比于，而QTV的绝对误差与频率成线性关系。尤其对更高的频率而言（每转的脉冲数较多）

23、，QTV的优点非常突出。这种情况的绝对误差为：2. 噪声抑制。由于高频计数器本身属于一种超高带宽的装置，模拟输入的宽带噪声是重要的影响因素。零位附近的幅值噪声直接转换为相位噪声，导致检测精确过零时刻的不确定性增加。而QTV滤除高于的所有噪声，因此过零时刻的估计会非常精确。7.4 计算实例考察下述情况：升速测量过程从600 RPM起，到6000 RPM止。采集的转速信息由120(脉冲/转)的编码器给出，给定的频带为1.2kHz至12kHz。用100MHz的计数器与QTV做比较。对于QTV，取幅值A1。由两种方法的理论误差公式，我们得出：频率计数器的绝对误差QTV的绝对误差1.2KHz2.9mrp

24、m15.5rpm12KHz290mrpm182rpm虽然这只是纯理论限，与实际状态可能不十分一致。然而它还是说明了计数器法和QTV的精度值在数量级上的差别。QTV的精度：RPM每转脉冲数rpm的绝对误差6001201.82E-0510003.04E-0520006.07E-0530009.11E-0540001.21E-0450001.52E-0460001.82E-0470002.12E-0480002.43E-0490002.73E-04100003.04E-04计数器的精度：RPM每转脉冲数rpm的绝对误差120用100MHz计数器用40MHz计数器6002880720010008000

25、20000200032000800003000720001800004000128003200005000200005000006000288007200007000392009800008000512001280000900064800162000010000800002000000QTV与计数器法的精度比较：RPMrpm绝对误差rpm绝对误差rpm绝对误差（100MHz计数器）（40MHz计数器）(QTV)6000.002880.00721.82E-0510000.0080.023.04E-0520000.0320.086.07E-0530000.0720.189.11E-0540000.

26、1280.321.21E-0450000.2000.501.52E-0460000.2880.721.82E-0470000.3920.982.12E-0480000.5121.282.43E-0490000.6481.622.73E-04100000.82.000.0003035638. 应用举例8.1发动机和传动系的扭振分析对于装置有自动变速箱的车辆来说，传动系的扭振会加大油耗。自动变速箱的低速扭矩转换器是常用的。早期的扭矩转换器通过一个锁止离合器能很有效地脱离或锁定。图12：传动系扭振检验。右上：9个旋转振动的测量部位示意；左下：说明扭振谐振的三维谱（彩色图）之一； 右下：扭振的计算值与

27、测量值的对比传动系的扭振可妨碍扭矩的尽快锁定，从而导致增大油耗。扭振还可能导致降低操纵平顺性。图12所示为整车在底盘功率计上作试车情况下，用试验和分析混合的途径研究和预测传动系的扭振。该混合途径建立在整车多体动力学模型基础上，其所有重要部件都按柔体来考虑。该混合途径分成若干步骤，允许逐步“混合”成一可靠的模型，它基于对每个子部件的逐一验证。最后做整车的测量检验，目的是验证和完善分析模型。8.2多轴装置的扭振图13所示为一双轴机械装置，通过一同步齿轮组使两个轴彼此完全同步转动。对这一轴系的旋转振动特性进行了测量和分析。对两个轴分别在各自的驱动端和同步输出端测量即时转速变量，测量采用电感式位移计和

28、测（转）速专用齿轮（参看图4），并在人工控制逐步降低转速情况下进行测量。图13：一双轴同步旋转齿轮装置的扭振试验。左图：机械装置示意及降速过程中转速的变化曲线右图：用LMS SCADAS 测量出的4路扭振信号和2路线加速度信号的三维彩色频谱。其上部4个图中的铅垂点线可视为扭振谐振以驱动电机的转速信号作为参考，在图13的左图中，以绿颜色细线表示电机转速随时间的变化。该图中，轴1入端和出端的转速变化分别用红色线和蓝色线表示。从该图可以清楚地看出存在有围绕递减的平均转速的转速波动。图13的右图表示出四路转速信号和两路线加速度信号的三维频谱彩色图。从这些图可看出，转速变量有正比于轴转速谐波的分量，也有

29、若干固定频率的谐振分量。有意思的是，两个同步齿轮的三维谱非常相似。对它们的相位关系作分析表明，二者的振动完全反相，而两个轴的旋转也是反方向同步旋转。8.3森林割草机的扭振分析图14表示一森林割草机在起动阶段的转速信号，以及离合器脱离和闭合阶段的转速信号。图中，发动机的转速信号以红线表示，离合器的转速信号用蓝线表示。将油门全开升速，发动机转速稳定几分之一秒，离合器转速开始按一固定的频率发生振蘯。轴的扭振谐振频率约为36HZ，该谐振被发动机的0.5倍谐波所激励（所使用的是单缸,四循环式发动机）。对转速信号的仔细分析表明，发生了频率约36Hz，幅值为6的扭振。这6正好相应于齿轮变速器接合刀具的齿间间隙。由此造成齿轮的拍击（rattle）,并导致齿轮变速器的反作用力。此外，刀具的护罩也发生相同频率的谐振。图14：森林割草机转速变量分析说明9. 结论扭振不仅引起耐久性问题，且由于扭振和结构振动的交互作用会引起噪声、振动和舒适性问题。在LMS SCADAS 前端采用QTV模块，结合LMS Test.Lab软件，可以使扭振的测量变得极为简便。由此可获得用途很广的测量和处理功能，适用于扭振测量以及更多的其它测量和分析。