（仪器科学与技术专业论文）基于振动基频的发动机瞬时转速测量算法研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：塞塑!日期：研究生签名： 鳖塑! 日期： 知f 口i 学 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密 期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、 英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：嚷塑! 导师签名：期：型吵箩 摘要 摘要 随着现代汽车工业的发展，对于汽车测试技术提出了越来越高的要求，而汽车测试技 术中最重要的组成部分就是发动机的测试技术，发动机的转速是其中一个重要的测试参 数，其中蕴含着丰富的信息。准确的获取发动机的瞬时转速，具有重大的现实意义。 目前发动机瞬时转速检测技术已经成熟，其中光电测量法和高频计数法等方法都广泛 应用于工程生产中。但在实际应用中总存在一些缺点和不便。针对这样的情况，本文对基 于发动机振动信号基频的发动机瞬时转速测量技术进行了研究。 本论文首先分析了传统的发动机转速测量方法，并分析了发动机工作时的内部振动和 激励，推导出振动信号基频与转速之问的数学关系，论证了基于振动信号基频的发动机转 速测量的理论可行性。然后设计了基于l a b v i e w 的采集系统，采集发动机振动信号和转速 信号，并调用m a t l a b 程序利用短时处理技术实现短时自相关法、短时傅罩叶变换法、小 波分析方法等不同基频提取算法，根据基频计算出理论转速，并通过与实际转速比较，分 析不同算法的优缺点，最后结合小波变换法、短时傅里叶变换法和短时自相关法，提出一 种改进后的优化算法，并通过实验验证该方法的可行性。 关键词：振动；基频；发动机转速；短时；l a b v i e w ；m a t l a b a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e ma u t o m o b i l ei n d u s t r y , t h er e q u i r e m e n t sf o rt h ea u t o m o b i l e t e s tt e c h n i q u ea r ee v e r - i n c r e a s i n g t h ee n g i n et e s tt e c h n o l o g yl st h em o s ti m p o r t a n tp a r ti nt h e v e h i c l et e s tt e c h n o l o g y t h er o t a t es p e e do fe n g i n ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rw h e nt h ee n g i n e w o r k s w h i c hc o n t a i n sal a r g en u m b e ro fi n f o r m a t i o n so ft h ee n g i n e t og e tt h er e a le n g i n es p e e d w i t ha c c u r a t e l yh a ss i g n i f i c a n tr e a l i s t i cm e a n i n g n o w t h em e a s u r e m e n to fr o t a t es p e e do fe n g i n eh a sb e e nm a t u r i t y ，i n w h i c ht h e o p t o e l e c t r o n i cm e a s u r i n gt e c h n i q u ea n dh i g h f r e q u e n c yc o u n t i n gm e t h o d a r ew i d e l yu s e di n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e b u tt h e r ea r es o m es h o r t c o m i n ga n di n c o n v e n i e n c e i no r d e rt or e s o l v et h e p r o b l e m ，am e a s u r e m e n to fr o t a t es p e e do fe n g i n eb a s e do nt h eb a s i cf r e q u e n c ya b o u t v i b r a t i o n s i g n a l so fe n g i n ei sr e a s e r c h e di nt h i sa r t i c l e 一 f i r s to fa 1 1 t h et r a d i t i o n a lr o t a t es p e e dm e a s u r e m e n t so fe n g i n ea r ea n a l y z e d ，s e n c o n d l yt h e i n n e rv i b r a t i o np o w e ro fe n g i n ei sa n a l y z e dt od e d u c et h em a t h e m a t i c sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e b a s i cf r e q u e n c yo fv i b r a t i o ns i g n a la n dt h er o t a t es p e e di nt h e o r y a t i e rt h a tt h ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mi sd e s i g n e db a s eo nt h el a b v i e w t oc o l l e c tt h ev i b r a t i o ns i g n a la n dt h er e a le n 毋b es p e e d s i g n a l t h e nt h es h o r t t i m es i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ei su s e dt op i c k i n gt h eb a s i cf r e q u e n c yo f v i b r a t i o ns i g n a lb vm a t l a bw i t hd i f f e r e n t so fa l g o r i t h m ss u c ha ss h o r t - t i m ea u t o e o r r e l a t i o n f u n e t i o n s h o r t t i m ef o u r i e rt r a n s f o r i l la n dw a v e l e tt r a n s f o 锄a n dc o m p a r e dt h ec a l c u l a t e de n g m e s p e e dw i t ht h er e a le n g i n es p e e dt oa n a l y z et h es t r o n g p o i n ta n ds h o r t c o m i n go fd i t l l 奠 e n t a l g o r i t h m s f i n a l l y , ak i n do fn e wa l g o r i t h mw i t ha d v a n c e da n dm o r es u p e r i o ri sp r o p o s e da n d t e s t i f i e db ye x p e r i m e n t t h ea l g o r i t h mc o m b i n e sw a v e l e t t r a n s f o r i l l ，s h o r t 。t i m et o u n e r t e c h n o l o g ya n ds h o r t t i m ea u t o c o r r e l a t i o nf u n c t i o n k e y w o r d s ：v i b r a t i o n ；b a s i cf r e q u e n c y ；e n g i n es p e e d ；s h o r t t i m e ；l a b v i e w ；m a t l a b i l h 录 目录 摘要i a b s t r a c t - i i f 了录i 第一章绪论1 1 1 课题背景：1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究与应用现状。2 1 2 2 国内研究与应用现状3 1 3 基频提取研究现状一4 1 3 1 时域算法4 1 3 2 频域算法5 1 3 3 时频混合算法5 1 3 4 改进算法5 1 4 本论文的主要内容5 第二章发动机转速测量方法7 2 1 传统转速测量方法7 2 1 1 机械转速测量法8 2 1 2 光电式测量法一8 2 1 3 点火脉冲式测量法8 2 1 4 音频测鼍法一8 2 1 5 尾气噪声测量法8 2 2 基于振动的发动机转速测量方法9 2 3 基于振动的转速测量方法的工作过程1 1 2 4 本章小结1 2 第三章振动信号采集系统13 3 1 采集系统硬件部分1 3 3 1 1 传感器1 3 3 1 2 转速计1 4 3 1 3 数据采集卡15 3 2 采集系统软件部分1 5 3 2 1 虚拟仪器和l a b v i e w 开发环境简介15 3 2 2 采集系统软件设计1 7 3 3 振动信号采集系统的实现18 3 4 本章小结1 9 第四章振动信号分析处理算法的研究2 0 4 1 振动信号的特性及分析方法概述2 0 4 2 振动信号预处理21 4 2 1 数据的截取21 4 2 2 滤波2 2 4 2 3 加窗分帧2 2 东i ：人学硕i j 学位论义 4 3 振动信号基频提取算法的研究一2 5 4 3 1 短时自相关法2 5 4 3 2 短时傅早叶变换法2 6 4 3 3 短时平均幅度差函数法2 8 4 3 4 倒谱法2 8 4 3 5 小波分析方法3 0 4 4 基频提取的后处理3 3 4 5 本章小结3 3 第五章振动信号数据处理与基频提取3 4 5 1 数据处理软件的设计3 4 5 1 1l a 0 v i e w 和m a t l a b 混合编程环境：二- ：3 4 5 1 2 不同算法软件的实现3 4 5 2 不同算法处理数据3 6 5 2 1 短时自相关法处理数据。3 7 5 2 2 短时傅里叶变换法处理数据3 8 5 2 3 小波分析方法处理数据3 8 5 3 各种算法比较3 9 5 4 本章小结3 9 第六章优化算法的提出与实现。4 0 6 1 算法提出4 0 6 2 算法实现4 1 6 3 算法验证与分析4 3 6 3 1 分阶段数据处理4 3 6 3 2 车体其他位置数据比较4 5 6 4 本章小结：5 0 第七章总结与展望5 1 j 改谢! ；：! 参考文献5 3 作者简介5 6 h 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着社会的不断进步，汽车在现代交通中的作用越来越重要，我国的汽车行业发展迅 速，汽车保有量急剧增加，性能不断完善，汽车电子化程度不断提高和更新，汽车的内部 结构同益复杂，对于汽车的检测、诊断和维修等方面的的要求也越来越高，传统的汽车检 测、诊断技术侧重的是准确性，却具有耗时，操作复杂，对操作人员要求高等方面的不足， 已经很难满足同益增长的要求，因此现代汽车检测与诊断技术便应运而生。现代的汽车检 测与诊断已经不再是传统意义上的仅靠经验和手工操作就能完成的工作了，而是一种全新 的，现代化的检验工作，它借助于科学技术发展的新成就，利用必要的仪器设备，在满足 整车不解体( 即不拆卸汽车部件) 的前提下进行全方位检测，确定汽车运行状况、部件信 息及故障位置，具有诊断速度快、准确性高、操作相对简单以及对检测人员专业要求低等 优点。 汽车测试技术的发展在很大程度上决定着汽车技术的发展水平，而汽车测试技术中最 重要同时也是最复杂的组成部分无疑是发动机的测试技术，发动机测试技术的发展状况在 一定程度上反映了整个汽车工业的发展状况。发动机结构复杂，零件多，运行时其内部零 部件要在高温、高压的苛刻条件下工作，并且转速及负载也经常变化，其研究具有重要应 用价值。发动机的性能指标主要有：动力性指标、经济性指标、环境指标、可靠性指标和 耐久性指标，一般包括发动机的功率、扭矩、转速、燃油消耗率、燃油温度、进气与排气 的压力和温度等参数。 转速是发动机的一个重要参数，是发动机运行状况的一个综合体现，其中蕴含着丰富 的信息。其变化规律是作用于曲轴上的各种力矩共同作用的结果，发动机的转速通常可分 为平均转速、循环转速和瞬时转速。平均转速是指发动机在一段时间内曲轴所转过的圈数 与时间的比值，循环转速( 或称循环平均转速) 是指发动机在一个工作循环内的平均转速：瞬 时转速是指发动机在一个工作循环中每一瞬时的转速n ，。对于汽车的检测、诊断、维修等 行业，发动机瞬时转速的测量具有重大的现实意义，利用瞬时转速可以估算发动机功率， 为分析和推断发动机某些实时运行参数提供了丰富的信息，从而成为在发动机运行过程中 检测发动机性能、发现发动机故障的重要手段和工具。在七十年代末，科学技术的迅速发 展，特别是微电子技术和计算机技术、传感器技术的发展和普及，使测量发动机的瞬时转 速成为可能。同时，内燃机工业的发展、电控技术的采用、可诊断性要求的提高以及测量 技术发展的要求也大大推动了发动机瞬时转速的测量技术的发展。 传统的发动机瞬时测量技术已经相当成熟，也具备相当的测量精度，可是在实际应用 中，总是不可避免的存在着弊端，这些测量方法一般都需要在发动机内部器件上安装传感 器，费时费力，不符合快速实时的检测要求。例如目前通常使用的非接触式的光电测量， 用这种方法测量时，需要在发动机传动轴上粘贴光标纸，同时在测量时需要转速表距离光标 纸很近，否则无法达到准确测量的目的，测量十分不便2 1 。另一种常用的方法是高频计数 法，即使用霍尔或磁电传感器测取与发动机同轴连接的均匀分布的齿盘或发动机启动飞轮 齿圈上的转角信号，由此来获得发动机转速3 1 。采用这种方法时，在齿盘和飞轮处安装传 感器都不是很方便。在车辆试验领域，最可靠的测量方法的是通过采集发动机总点火线的 电磁脉冲来测量转速，但由于总点火线一般位于车前盖内，这给车辆行进过程中对转速的 东南人学硕i j 学位论文 测量带来了相当的不便，而且随着发动机设计的集成化程度不断提高，很多车辆发动机的 总点火线在不解体的状态下无法找到，这种测量方法的局限性也越来越明显。 因此开发一种便捷快速的测量发动机转速，降低对于汽车检测人员的专业要求的测量 技术，成为汽车测试、检测和维修领域一个迫在眉睫的需求。经研究表明，发动机的振动 信号的基频与发动机的转速之间存在一定的函数关系“1 ，而利用现代的数据采集技术，发 动机振动信号可以很方便快速的获取，这就给我们开发一种基于发动机振动信号的发动机 瞬时转速测量技术奠定了基础。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究与应用现状 国外在发动机检测技术方面起步比较早，技术上比国内也有明显的优势。早在2 0 世 纪中叶，工业化国家就形成了以故障诊断和性能调试为主的单项检测技术。一些发达国家 成功研制了一些功能单一的检测或诊断设备，它们通过检测电流、电压、温度、速度等用 简单仪表就可获得的参数，简单判断汽车运行状态，再结合操作者的经验进行故障诊断， 但是这种方法主要依赖于操作者的经验。6 0 年代后期随着信号处理理论的发展，国外汽车 发动机检测诊断技术发展很快，出现了示波器、转速表、功率表及一氧化碳测定器等检测 仪器，这些便是发动机检测与诊断设备的雏形。进入7 0 年代后，随着计算机技术和传感 器技术的飞速发展，发动机性能检测和故障诊断技术得到了突飞猛进的发展，有了质的飞 跃。在这段时间，不仅单个检测、诊断设备实现了微机控制，而且出现了检测控制自动化、 数据采集自动化、数据处理自动化、检测诊断结果自动储存并可打印的现代综合检测技术， 检测效率较高。进入8 0 年代后，一些发达国家的现代检测与诊断技术己达到广泛应用的 阶段，先进的检测与诊断设备得到了普及和推广，不仅应用于在专职的汽车检测、维修站， 而且在一般的维修企业都得到了广泛的使用，能进行功率、转速检测，尾气分析，润滑油 油质分析等，并采用先进的信号处理技术，除传统的压力、温度、转速、功率等指标外， 又采用了振动分析( 时域、频域) 等方法，综合分析汽车状态，检测性能，诊断故障。从而 在交通安全、环境保护、节约能源、降低运输成本等方面，带来了明显的社会效益和经济 效益5 1 。 日本小野测器公司是当前世界上最著名的汽车检测设备制造商，在行业内一直居于领 先地位，在测量发动机转速方面，其典型产品有高速数字式手握转速表h r 一6 8 0 0 ，非接触型 手握光电式转速表h t - 4 2 0 0 ，非接触式汽油发动机数字转速表s e - 2 5 0 0 等一系列转速计， 具有相当的准确性和可靠性，如图1 - 1 、1 - 2 和图卜3 所示。但是，小野测器在通过振动 信号测量转速方面，也仅有一款基于振动脉冲来测量转速的发动机振动传感器，型号为 v p 一2 0 1 2 0 2 ，女口图1 4 所示。 目前，伴随着微电子技术、传感器技术、计算机技术、大规模集成电路技术和人工智 能技术的进一步发展，国外发动机的检测和诊断技术进入了一个全新的发展阶段，正朝着 智能化、自动化、精密化和综合化方向发展，应用新技术，开拓新领域，研制新的检测与 诊断设备已成为国外发动机检测与诊断技术发展的标志。 2 第一章绪论 图1 - 1 高速数字式手握转速表h r 6 8 0 0图1 21 卜接触型手握光电式转速表h t - 4 2 0 0 图1 3 非接触式汽油发动机数字转速表s e 2 5 0 0图l - 4 发动机振动传感器v p - 2 0 1 1 2 2 国内研究与应用现状 我国的发动机检测技术起步比较晚，而且汽车电子技术也远远落后于发达国家，因此 到目前为止，总体水平比较落后。我国从2 0 世纪6 0 年代才开始进行相关研究，当时为满 足汽车维修需要，交通部主持进行了发动机气缸漏气量检测仪、点火正时仪等检测仪器的 研究和开发。7 0 年代，我国大力发展汽车检测技术，汽车不解体检测技术及设备被列为国 家科委的开发应用项目，由交通部主持研制开发了发动机综合检测仪、汽车性能综合检验 台、发动机综合检测仪、汽车性能综合检验台等检测设备。进入8 0 年代，对发动机检测 诊断技术进行了不断地研究开发，交通部主持研制开发了汽车制动试验台、侧滑试验台、 轴( 轮) 重仪、速度试验台、灯光检测仪、发动机综合分析仪、底盘测功机等等。但由于缺 乏使用维修人员的参与，对发动机真实运用情况了解不够，使检测诊断技术与实际应用之 间相互脱节。因此，一些看似先进的检测设备仪器却因其不能直观地确定故障的性质、部 位和评定发动机的技术状况而一时难以找到用户，距简单适用、针对性强以及重复性好的 要求仍有较大的差距。9 0 年代以后，随着国民经济和科学技术水平的飞速发展，汽车检测 与诊断技术也随之得到快速发展，加之我国的汽车制造业和公路交通运输业发展迅猛，汽 车保有量迅速增加，政府有关部门对于如何保证车辆快速、经济、灵活、安全以及尽可能 减少污染等社会公害问题也越来越重视，对汽车检测与诊断技术和设备的需求也与日俱 东南人学硕i j 学位论文 增，从而促进了汽车发动机检测和诊断技术的发展。 近年来国内众多的研究机构和高等院校也进行了大量研究，并取得了相当的研究成 果。山东工业大学黄宜琼教授等人开发了一套e s m ( e n g i n es y s t e mm a n a g e r ) 转速测量仪 以测量瞬时转速6 1 。吉林大学提出了基于发动机声响信号的转速估计方法，通过采集发动 机工作时的声响信号，对其做自相关分析与功率谱分析，利用其与转速之间的关系，检测 出转速。浙江大学吴锋等人利用光电编码器，实现了瞬时转速的高精度测量r 。武汉 理工大学的淮立俊、王志华等在建立柴油机动力学模型的基础上进行了瞬时转速的仿真计 算，并根据单缸漏气、漏油时瞬时转速的波动情况提出了诊断方法8 1 。深圳大学的国家自 然科学基金资助项目提出了通过非接触传声器测量汽车噪声从而计算汽车发动机转速的 新方法，运用小波变换理论为基础的信号降噪处理技术，将有用信号从汽车排气管口噪声 背景中提取出来，测量提取汽车转速信息的信号阳1 。内蒙古科技大学提出了音频法测转速 们。北理工车辆工程学院利用振动速度传感器，频谱仪直接得出基频信号，利用基频与 转速关系间接测量出发动机转速1 。本文所采用的方法就是基于这种理论，通过求取振动 信号的基频利用其与转速之间的函数关系计算出发动机瞬时转速，整个流程的核心就是如 何准确的提取出基频信号。 目前国内对于发动机的性能检测与故障诊断越来越重视，除交通部外，众多高校、研 究所和企业也积极参与发动机检测与诊断设备的研发、生产和销售，并取得一定成绩，但 从整体来说，与国外相比还有很大差距。 1 3 基频提取研究现状 本论文所采用的转速测量方法的核心和灵魂就是对振动信号基频的提取。在如何对发 动机振动信号的基频信号进行提取和检测方面，国内外的相关研究很少。但在语音信号处 理方面，语音信号的基频提取历来是一个重要的方向，被称作基音周期检测或语音基频的 提取。考虑到语音信号本质也是一种振动信号，是由声带的振动引起的，基音周期的倒数 也就是指声带振动的频率也即基频，与本课题中的发动机振动信号在形成机理与特征等方 面具有极大的相似性，而且语音信号的分析与处理技术已相对成熟，形成了许多高效的基 频提取算法，因此，语音信号的基频提取理论可以很好的应用到本课题当中。 从语音波形中准确地提取基频的工作，几十年来都是使全世界的科学家研究的热点课 题，从2 0 世纪6 0 年代以来出现了很多种基频提取的方法，特别是在有噪环境下的语音信号 的基频检测方面更是提出了许多有效的方法。进行基频提取方面早期研究工作的国家主要 有美国等欧美国家，之后，我国在基频提取方面，尤其是对汉语的基频提取工作也取得了 很大进展。为了提高基频检测的准确性，降低计算复杂度，人们已经从语音信号的时域、 频域和时频混合域出发，开发了许多基频提取算法u 。 1 3 1 时域算法 时域的主要传统算法有自相关法，平均幅度差函数法等。自相关法是r a b i n e r 等人于 1 9 7 7 年提出的n ”，自相关函数法的原理是周期信号的自相关函数将在时延等于函数周期 的地方产生一个极大值，因此通过计算语音信号的自相关函数可以估计信号的基频，算法 的精确性高，计算量不大，是目前各种应用中最为常用的基频检测算法。平均幅度差函数 法是r o s s 等人于1 9 7 4 年提出的n 朝，当语音波形达到最佳匹配时，平均幅度差函数有最小 谷值点。其主要特点是无需进行乘法运算，因而算法复杂度小。 4 第一章绪论 i 3 2 频域算法 频域的主要传统算法是倒谱法。倒谱法是n o l l 由等人于1 9 6 7 年提出的4 1 ，倒谱算法 通过对信号的功率谱取对数，再通过滤波或者再做一次傅里叶变换来把相当于频谱包络的 慢变分量和相当于基频谐波峰值的快变分量分开，但是相对于时域算法，其算法比较复杂， 同时反映基频信息的倒谱峰在过渡音和含噪语音中将会变得不清晰甚至完全消失。对于发 动机振动信号而言，在采集过程中也存在大量噪声，并且由于汽车的行进过程中状态不断 变化，其倒谱峰信息也因此受到较大影响，变得很不清晰。 1 3 3 时频混合算法 现代时频处理方法如小波变换的出现和兴起，为语音信号的基频检测提供了新的途 径，1 9 9 2 年，s k a m a b e 等人最早提出了基于小波变换的基频检测算法，将小波变换应用到 语音基频提取中，并演示了其相对于自相关法和倒谱法的优点1 钉。这种算法缺点是受大 尺度平滑作用和噪声的影响，基频定位容易产生偏差和漏报。针对这些缺点，不断有人提 出了各种改进的小波变换基频提取算法。如：小波变换偏移补偿的基频检测算法，利用小 波变换和其他方法结合的基频检测算法等等。 1 3 4 改进算法 上述这些常用的方法在一定环境下有自己的优势。有的原理简单，计算量较小，但是 均存在基频检测不够准确等缺陷。有的则因为寻求较高的精度使计算复杂度大大增加。针 对这些问题，新的改进后的基频提取方法不断被提出，如循环的平均幅度差法n 6 1 、利用 平均幅度差函数倒数作用与自相关函数以突出基频周期处峰值的方法n 、采用不同的“高 时窗函数 ，在保证基频提取准确性的同时减小基频搜索范围的倒谱改进算法“钉等。 1 4 本论文的主要内容 本文通过分析发动机的振动与转速之间的关系，得出发动机转速与振动信号基频之间 的函数关系。采集发动机振动信号，利用不同的算法分别提取振动信号的基频，从而根据 公式计算出发动机的理论转速，并通过与实际发动机的转速信号相对比，比较各种算法的 优缺点，提出一种准确性和鲁棒性较高的优化算法。 本论文共分为七章，安排如下： 第一章“绪论 ：主要介绍了本课题的研究背景和意义以及国内外的研究现状 第二章“发动机转速测量方法”：概述了现有的发动机转速测量方法并简要介绍了其 中几种常用测量方法，并对本文所采用的振动测量法进行了理论推导。 第三章“振动信号采集系统 ：分硬件和软件构建了振动信号采集系统。 第四章“振动信号分析算法的研究：介绍振动信号分析中使用的不同算法。 第五章“数据处理与分析 ：对试验中采集到的数据应用不同算法进行分析，并与实 际转速信号相比较，并通过分析结果对不同算法进行比较，分析其优缺点。 第六章“优化算法的提出 ：提出一种准确性和鲁棒性较高的改进优化算法，并予以 实现和验证。 5 东南人学硕l j 学位论文 第七章“总结及展望”：对完成的工作进行总结，并提出工作中存在的问题以及后续 工作中的改进方向。 ： 6 第二章发动机转速测量方法 第二章发动机转速测量方法 2 1 传统转速测量方法 在发动机试验研究中，转速是一个重要的特征参数，其中蕴含着丰富的信息，利用其 可以估算发动机功率，分析和推断发动机某些实时运行参数。对于转速的测量，很早以来 就研究出各种不同的转速测量方法和转速仪表，近年来随着新的测量方法的纷纷诞生，也 研发成功了不少高质量的转速计，这些测量手段大都是具有高精度和高响应性，保证了转 速测量的准确性和高效性。 转速测量的方法有很多，根据工作原理可分为计数式、模拟式、同步式。计数式方法 是用某种方式读出一定时问内的总转数；模拟式方法是测出由瞬时转速引起的某种物理量 的变化；同步式是利用已知的频率与旋转体的旋转同步来测量转速，各种方法的具体参数 见表2 1 5 1 。 。 表2 1 各种常用的转速测量法及其特点 型式转速表 测量方法 应用范围准确度特点 r m i n( ) 利j 1 j 蕈块的离心 简单、价廉、 机械 离心式 力j 转速的f 方 3 2 4 0 0 0 式 成正比 中、低速 l 一2 2应用较广，但 准确度较低 发电机 利用直流或交流可远距离指 式 发电机的电压与一l o o o ol 一2示，心用广， 模 转速成正比关系 易受温度影响 拟 电气 利用电容充放电 简单、可远距 型电容式回路产生与转速中、高速2 式离指示 成正比的电流 电涡流 利用旋转盘在磁 简单、价廉， 场内使电涡流产 中、高速 l 式多用于机动车 生变化测转速 机械 齿轮式 通过齿轮转动数 中、低速l简单、低价， 钟表式 ! 轮；通过齿轮 式 转动加入计时器 一1 0 0 0 0 o 5 与秒表并用 利用来自旋转体 中，高速简单、没有扭 计 光电 光电式上的光线，使光 l 一2 数 式 电管产生电脉冲 3 - - 4 8 0 0 0矩损失 型 利用磁、电等转 简单、数字传 电气 电磁式换器将转速变化中、高速 o 5 2 输 式 转换成电脉冲 转动带槽网盘， 机械 目测式目测与旋转体同中、高速 l 简单、价廉 式 步的转速 同 频闪 步 式利用频闪光测旋 简单、可远距、 型闪光式中、高速o 5 2 转体频率数字测量 下面对几种较典型的测量方法进行简单的介绍并分析其不足之处。 7 东南人学颀i j 学化论文 2 1 1 机械转速测量法 机械转速测量是测量转速最传统的方法，目前仍频繁使用，该方法是将转速通过一机 械轴转移至一转动或钟摆式运动，再利用机械测量传感器进行数据采集，传感器所采集到 的转速资料，还需要通过仪器内部的电子分析。此方法的缺点是在测量期间负载运动不恒 定，这主要取决于接触压力。而且，如果转速太高，可能发生滑移，导致测量不精确。 2 1 2 光电式测量法 光电式测量法是目前最常用的转速测量方法，一般通过在发动机转轴上贴光标纸，应 用相应的光电传感器和计数电路来进行转速的测量，要求光标纸和相应的光电技术设备保 持较近的距离，这种方法在测量时需要拆卸汽车上的部分部件，同时还需要安装一些辅助 测量设备，使用不是很方便，因此一般在专业的实验室和检测机构使用。 2 1 3 点火脉冲式测量法 点火脉冲式测量也是一种常用的测量方法。由汽油机原理可知，发动机的高压点火脉 冲与其转速具有一定的函数关系，假设在一个工作循环中，各汽缸交错均匀做功，此时点 火脉冲的频率与内燃机的转速之间满足如下关系n 盯： 3 0 矿 n = = 一 j ( 2 1 ) 式中，n 为汽油机的转速( r m i n ) ，t 为冲程数，f 为点火脉冲的频率( h z ) ，i 为 汽油机的缸数( 如果同时有两个汽缸做功，则按总缸数的一半计算) 。对某个特定的汽油机 而言，t 和i 都是已知的。因此，将传感器安装在发动机的点火线圈上，把频率为f 的点 火脉冲信号号经过分频( 分频数等于汽油机的缸数i ) ，并倍频( 倍频数为3 0t ) ，然后对 脉冲信号进行计数，并作相应转换，即可得到转速。这种方法必须要将传感器安装在发动 机的总点火线上，而总点火线一般位于车前盖内，对于车辆行驶过程中的实时测量带来很 大不方便，同时，随着发动机设计集成化程度的提高，很多的汽车发动机没有外在的总点 火线，即在不解体状态下无法找到其点火总线，这样就对利用该方法进行转速测量产生了 很大的限制。除此之外，该方法还具有采集频率低，精度较低的缺点。 2 1 4 音频测量法 音频法测速是一种新型的测速方法。该方法通过采集机械声频信号，并作相关分析和 功率谱密度分析，利用信号低频成分主要峰值处的频率与转速的直接关系，检测出转速。 但音频法测量要求对被测对象的噪声特性有清晰的认识，而且易受外界干扰，因此不适用 于工况较差时的瞬时转速测量9 1 。 2 1 5 尾气噪声测量法 汽车尾气噪声测量法是一种具有实用价值的测量方法，能实现汽车噪声和转速的同时 测量。研究表明，通过测量汽车排气管出口处的噪声，可借助数字信号处理技术获得相应 的转速。如果已知汽车发动机的缸数i 、每个工作循环的冲程数t ，再通过测量排气出口 8 第二章发动机转速测过方法 的噪声信号后，通过适当数字信号处理算法对该信号进行处理，获取发动机气缸爆发的频 、率f ，则相关参数问关系也满足式2 1 ，据此可计算出汽车发动机的转速。其工作过程是， 通过传声器拾取声音信号，经前置放大、滤波等信号调理，进行a d 转换，再把数据输入给 数字信号处理器，数字信号处理器对输入数据进行算法处理( 包含f f t 、倒谱等运算、噪 声分析、转速运算) ，最后得出噪声和转速值。但是废气从排气f 批后并不直接排入大 气，而总要经过二段形状比较复杂的管道才排入大气，而且在压较需秘：的车辆上，都安装 了消声器，这样排气管道就形成了一条声学传递链，极大的影响了排气噪声的强度和频率 筋布。所以，目前这种方法的精度并不高，相关的研究还在进行当中8 1 。 2 2 基于振动的发动机转速测量方法 振动测量法是基于对车辆振动理沦的研究，分析发动机的内在激励对发动机机体和车 身造成的振动影响，利用合适的算法计算出相应的转速。 汽车发动机在运转时，汽缸爆发压力、活塞往复惯性力、旋转惯性力及其扭转是曲轴 转角的周期性函数，是造成发动机运转不平衡的主要原因，而这种复杂的由发动机运转不 平衡所产生振动激励信号的频率与曲轴转速成一定比例关系。测得的振动信号中包含有丰 富的频率分量时，可以设想应该能够从中提取出相关频谱，从而计算得到发动机曲轴的转 速钉。 一般情况下，把内燃机中的曲轴及与其相连的连杆、活塞、飞轮等运动构件称为曲轴 扭转振动系统，由于该轴系并不是一个绝对的刚体，因此如同其它弹性系统一样，也具有 一个扭振自振频率，另一方面，曲轴是在周期性变化的扭矩作用下工作的，这个周期性变 化的扭矩，在振动中被称为干扰力矩。 干扰力矩是产生扭转振动的根源。作用在内燃机曲轴上的干扰力矩，主要是气缸内燃 气压力以及曲轴连杆机构的惯性力所产生的切向力矩，其次还有因受功部件吸收功率不均 匀而产生的干扰力矩。 1 压力所引起的干扰力矩及其简谐分析 内燃机一个气缸发出的扭矩为t 2 0 l ： 以= 等。警r ( ) ( 2 2 ) 式中只是作用在单位活塞面积上的燃气压力，d 为汽缸直径，口是曲柄转角， 是连杆中心线与气缸中心线之间的夹角，r 是曲柄半径。 上式表示的扭矩是随曲柄转角口而变化的函数关系式，它是一个复杂的周期性函数， 按傅立叶级数可将它展开为扭矩的平均值和一系列具有不同振幅、不同频率、不同初相的 丝= 删= 强+ a i m s a + a hm s 2 a + a 3o o s 3 a + 电血口+ 包如知+ 包血孙+ 简谐力矩之和，即： ：必+ 孰洲口+ 蟛硪+ 孰州q + 坼) = 必+ m 叫惋+ 泞坛+ m 虹q + 1 v 一 y 、 v7 v 一 y 、 v7 ，爿，嗣 ( 2 3 ) m 。是燃气作用力所形成的平均扭矩，m ，是v 次简谐力矩的振幅，a 、b 是傅立叶系数，q 干扰力矩的圆频率，1 ，数学简谐次数( ，= 1 ，2 ，3 ) ，是1 ，次简谐力矩的初相位； 由高等数学可知： m o = 亡【f ( a ) d a ( 2 4 ) m ，= 厕 ( 2 5 ) 4 厶 东南人学硕一i j 学位论文 口，= 妻f 厅m ) c o s v 。础= # f ( f 2 岫s v f m ( q z ) 驴m ) s i nv 砒= 胭f ) s i n v t - 2 d ( f 2 r ) 钟v 2 方 对于二冲程内燃机，曲轴每转一周，干扰力矩变化一次， 的角谏庸相等即q = w 式中，) 旱曲轴谁转的角谏唐 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 故干扰力矩的圆频率与曲轴 对于四冲程内燃机，曲轴每转两周，干扰力矩变化一次，显然干扰力矩的圆频率是曲 轴角速度的一半，即q 兰昙：由此，+ 式( 2 3 ) 可以写成如下形式，即舶1 2 巳 m g = m o + m ，s i n ( v w t + 绒) ( 二冲程) ( 2 8 ) m g = m o + m ，s i n ( ，w t + q , ) ( 四冲程) ( 2 9 ) v 对于二冲程内燃机v = 1 ，2 ，3 ，对于四冲程内燃机v = l 2 ，1 ，3 2 。 通过对干扰力矩的简谐分析可知，在周期性变化的干扰力矩作用下，内燃机曲轴的运 动包括两部分，一部分是在平均扭矩m 。作用下的以角速度w 所进行的匀速旋转运动：另 一部分是在各次简谐力矩作用下所产生的不同频率的简谐振动，后者就是扭转振动研究的 全部内容。对于四冲程发动机，一般取l 2 谐波为最基本的简谐波。 2 曲柄连杆机构惯性力所引起的干扰力矩 内燃机曲柄连杆机构的惯性力，有离心惯性力和往复惯性力。离心惯性力由于作用线 通过曲轴的回转中心，故作用力矩为零。往复惯性力与燃气压力一样，作用在活塞销的中 心，通过连杆传到连杆轴颈，对曲轴产生周期性变化的切向力矩，该力矩也是引起扭转振 动的动力。 往复惯性力矩为“1 ： 1 2 m ，= 一m ，r 2 w 2 ( 寻s i n 口一昙s i n 2 a 一2 s i n 3 a - 每s i n 4 a ) ( n m ) ( 2 1 0 ) ， 、，、 式中m ，为往复运动部件的质量；口为曲柄转角；r 为曲柄半径；为曲轴角速度；入 为曲柄半径与连杆长度之比。往复惯性力矩是由许多简谐力矩所组成的。振幅随谐次增大 而迅速减小，故一般只考虑到v = 4 为止。实际上，往复惯性力矩所引起的干扰力矩比较 小，往往忽略不计，也可以考虑燃气压力与往复惯性力二者所形成的合成扭矩，进行简谐 分析。 输出总扭矩是随着缸数的不同而不同的，图2 - 1 所示为各缸的输出扭矩随转角变化的 情况，可以看到，输出总扭矩是随着转角周期性变化的，当曲轴转速为r l 时，单缸机的输