（机械电子工程专业论文）基于循环谱的电动滑轨舒适性测试与分析.pdf

l 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文酣 论文作者签名：差：主： 日 导师签轹望。主球日 期：一2 0 - j 4 g 基十循环谱的电动滑轨舒适性测试0 分析中文摘要 中文摘要 随着我国汽车行业的发展和人们对高品质电动座椅需求的增加，研究和检测 座椅电动滑轨的振动特性以及舒适性，对提升电动滑轨产品的品质具有重要意义。 本文以电动滑轨振动信号为研究对象，介绍了电动滑轨振动性能的评价统计方法， 从影响人体舒适性出发，对特征信号的提取进行了相关的研究。 从电动滑轨的结构入手，分析了滑轨主要的振动冲击机理，介绍了振动特性 和舒适性评价的常用统计量。根据不同频率的振动信号对人体的不同影响，对采 集的信号进行加权滤波，再计算计权加速度和振级，以此来评价振动对人体的影 响程度。从频率计权幅频响应，可以得到人体的舒适性敏感区。由于采集到的振 动信号中存在各种各样的噪声，这势必会影响评判的效果。因此，在对原始信号 进行数据分析之前，有必要进行消噪处理。文中利用冗余第二代小波对信号进行 降噪，有效地消除了噪声的影响，保留了对人体舒适性有较大影响的冲击信号。 对预处理后的振动信号，利用循环谱密度函数切片进行分析，可以得到影响 人体舒适性的特征信号。但是由于循环谱密度估计中频率分辨率低以及f f t 变换 的频率泄漏和栅栏效应的影响，很难得到准确的载波频率，从而使得特征提取的 准确性受到影响，甚至产生很大偏差。本文借助振动信号中存在的冲击响应信号， 采用拉普拉斯小波相关滤波法，可以比较准确获取振动信号的载波频率。考虑到 实际信号的复杂性，首先采用有效模式分解方法先对预处理后的信号进行分解； 然后再利用拉普拉斯小波进行相关滤波，找到载波频率；最后对谱密度函数做切 片分析，有效地获取了特征信号。 结合v c + + 6 o 和m a t l a b 6 5 应用软件各自的特点，文中采用这两种软件混 合编程，构建了电动滑轨舒适性测试和分析虚拟平台。在v c + + 6 o 环境下，采用 嵌入式工业计算机进行数据采集、信号处理和分析，并实时进行数据图形和测试 结果的显示，实现了类似于仪器的测试功能。考虑到工厂生产网络化和数据统一 管控的需求，又利用s q ls e r v e r2 0 0 5 组建了振动性能测试数据库系统。 关键词：电动滑轨：冗余第二代小波；循环谱密度函数；拉普拉斯小波；有 效模式分解 作者：苏东 指导老师：王金娥 a b s t r a c t t e s t 柚d 锄a l y s i so fe l e c t r i cs “d e s c o m f o n a b i l i t yb a s e do nc y c i i cs p e c t m md e n s 时 1 e s ta n d a n a l y s i so f e l e c t r i cs l i d e s c o m f i o i r t a b i l i t y b a s e do nc y c l i cs p e c t r u md e n s i t y a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to ft l l ea u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h ei n c r e a s i n gd e m a n d so n t l l ee l e c t r i c a l l yo p e r a t e dc h a i r si no u rc o u n t r y i ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t om a l ( es o m er e s e a r c h e so nt i l e i rv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 嬲w e l la sc o m f o r t a b i l i 吼i n m i sp 印e r ，af e ws t a t i s t i c a lm e t l l o d sf o re v a l 叫i n gt l l ee l e c t r i cs l i d e s v i b r a t i o n p e r f b n a n c ea r ei n t r o d u c e d ， 趾ds o m er e s e a r c h e sa r ec a r r i e do u tt oe x t r a c tt l l e c h a r a c t e r i s t i cs i g n a l st h a ta f r e c th u m a nc o m f o r t f i r s t ，t l l ee l e c t r i cs l i d e s m e c h a n i s m sa b o u tt l l ei m p a c ta i l dv i b r a t i o na r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt 0t l l e i rm e c h 砌c a ls t m c t u r e s ，a i l dt h e ns o m ec o 倒m o ne v a l u a t i o ns t a t i s t i c s a r ei n 仃o d u c e d ，i n c l u d i n gt h ev i b r a t i o nc h 嬲l c t e r i s t i c sa j l dc o m f o n a b l i l i 吼b e c a u s et l l e s i g i l a l sa td i 虢r e n t 舶q u e n c i e sh a v ed i 旋r e n te 虢c to nm eh u m a l lb o d y aw e i 曲t i n g f i l t e ri su s e df o rt 1 1 ea c q u i r e ds i g n a l s a sar e s u l t ，as e n s i t i v ea r e ac a nb eo b t a i n e df r o m t l l e 锄p l i t u d e 舶q u e n c yr e s p o n s e ，a n dt i l et i m e - a v e r a g e dw e i 曲t e da c c e l e r a t i o nv a l u e s 锄dl e v e l sa r ea j s oc a l c u l a t e dt oe v a l u a t et l l ei m p a c to fv i b r a t i o no nt l l eh u m a i lb o d y s i n c es o m en o i s ee x i s t si i lt i l ec o l l e c t e dv i b r a t i o ns i 印a l s ，“i sn e c e s s a r yt oe l i m i n a t et l l e n o i s ee 脏c t i v e l yb e f o r e 缸t h e rs i g n a lp r o c e s s e s i i l “sp a p e r r e d m l d a i l ts e c o n d g e n e r a t i o nw r a v e l e td e n o i s i n gi su s e dt oe l i m i n a t et l l er l o i s et h a te x i s t si nm ec o l l e c t e d v i b r a t i o ns i 印a l s 柚dr e 翻mm et i e m e n d o u si m p a c ts i 印a l sm a th a v eag r e a ti m p a c to n h 啪a i lc o m f o n a b i l i 够 7 1 1 l ee s t i m a t i o no fc y c l i cs p e c t r u md e n s i t ) ra r ec a r r i e do u ta f k rp r e p r o c e s s i n gt h e c o l l e c t e dv i b r a t i o ns i 印m s ，a u l dt i l e nm es l i c e sa r e 彻a j ) r z e dt oe x t m c tt h ec h a m c t e r i s t i c s i 伊谢sh a v i n gg r e a te f i e c to nc o m f o n a b i i l i t y h o w e v e r b e c a u s eo fl o w 丘e q u e n c y r e s o l u t i o n 锄o n g 吐l ee s t i m a t i o no fc y c l i cs p e c t n 姗d e i l s i t y 锄dt i l e6 q u e n c y s p e c 臼1 瑚d i v u l g i n gp h e n o m e n o n a c c u r a t ec 硎e r6 e q u e n c i e s 嬲t o ! ! 壁竺壁竺苎堕! ! ! 旦! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 墅：! ! 竺! 0 垒些坐堡! 箜! 璺竺璺璺羔! ! ! ! 兰巳! ! ! 翌里旦竺! ! 堡 垒! ! ! 翌! ! al a 唱ed e v i a t i o n o w i n gt om ei m p a c tr e s p o n s es i g n a l se x i s t i n gi nt h e c o l l e c t e d v i b r a t i o ns i g n a l s ，l a p l a c e 、v a v e l e tc o r r e l a t i o nf i l t e r i n gm e t h o di se m p l o y e dt oo b t a i nt h e a c c u r a t ec a 盯i e r 厅e q u e n c yi nt h i sp a p e r c o n s i d e r i n gt h ec o m p l e x i t i e so ft l l ea c t u a l s i g n a l s ，t l i ee m d m e t h o di sf i r s tu s e dt od e c o m p o s et h es i g n a l sa r e rp r e p r o c e s s i n g ；a n d t l l e nt h ec o r r e l a t i o nf i l t e n gi se m p l o y e dt of i n dt h ec 州e rf r e q u e n c i e sv i al 印l a c e 、v a v e l e t ；f i n a l ly ，t h es l i c e so fc y c l i cs p e c t l l nd e n s i t ya i e2 m a l y z e d ，t l l ec h a r a c t e r i s t i c s i g i l a l so b t a i n e de 腩c t i v e l y a tl 嬲t ，m eh y b r i dp r o 莎a u n 衄1 i n gi sp r e s e n t e d 诵t hm ec o m b i n a t i o no fv i s u a lc + + 6 o 锄dm a t l a b6 5t 0b u i l dav i m i a lp l a t f b mt 0t e s t 锄da i l a l y z ec h a u r a c t e r i s t i c sa n d c o m f o n a b i l i t ) i = o ft h ee l e c t r i cs l i d e s ，a 1 1 da i le m b e d d e di n d u s 仃yc o m p u t e ri su s e dt oc a 玎) ， o u td a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n 2 l lp r o c e s s i n g 锄da n a l y s i s 嬲w e l l 嬲r e a l - t i m ed a 妇黟印h i c s 肌dt e s t i n gr e s u l t sd e m o n s t r a t e d ，w h i c ha r es i m i l 盯t 0i n s t n 肛n e n t st e s t i n g 如n c t i o n s m e a n w m l e ，c o n s i d e r i n gm en e t w o r k i n go ff a c t o 巧p r o d u c t i o n 觚dt h eu n i f i c a t i o no f c r i t e r i 钆ad a t a b a s es y s t e mi sc o n s t r u c t e db a s e do ns q l s e r v e r2 0 0 5 k e yw o r d s ： e l e c t r i c s l i d e s ；r e d u n d a n ts e c o n dg e n e 托i t i o n 、7 v a v e l e t ；c y c l i c s p e c t n 曲d e n s 时；l a p i a c ew a v e l e t ；e m d l l i w r i t t e n b y ： s ud o n g s u p e r v i s e db y ：w a n gj i n e 目录 第一章绪论“1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 国内外研究现状l 1 3 本课题研究的主要内容及结构安排6 第二章电动滑轨概述及常用振动分析统计量“9 2 1 滑轨的结构9 2 2 电动滑轨在电动座椅上的应用1 2 2 3 电动滑轨中的齿轮振动冲击机理”l3 2 4 振动测试机理分析”1 5 2 5 电动滑轨振动分析的常用统计量”1 7 2 6 本章小结一2 3 第三章数字信号预处理2 4 3 1 数字滤波器设计”2 4 3 2 基于冗余第二代小波的去噪技术2 9 3 - 3 加窗f f t 及频率泄漏3 5 3 4 本章小结”3 7 第四章基于循环谱的特征提取与分析技术3 8 4 1 二阶循环统计量3 8 4 2 循环谱的估计4 2 4 3 循环自相关函数与循环谱密度函数的解调特性4 5 4 4 电动滑轨特征信号的提取4 8 4 5 本章小结5 0 第五章l a p l a c e 小波和e m d 在特征提取中的应用5 l 5 1 基于l a p l a c e 小波的参数识别5 l 5 2 基于l a p l a c e 小波和e m d 的固有频率提取”5 4 5 3l a p l a c e 小波和e m d 在循环谱特征提取中的应用5 9 5 4 本章小结“6 5 第六章滑轨性能测试系统的总体结构及关键技术6 6 6 1 滑轨性能测试系统的功能和结构一6 6 6 2 系统的硬件平台6 9 6 3 系统的软件开发工具7 2 一6 4 关键技术及其实现“一“7 4 6 5 本章小结8 5 第七章电动滑轨的性能测试与可视化”8 6 7 1 测试软件主界面”8 6 7 2 用户密码管理8 7 7 3 系统属性设置8 7 。7 4 导入产品测试指标：8 8 7 5 振动信号分析工具8 9 7 6 本章小结”9 0 第八章总结与展望9 1 8 1 总结”9 l 8 2 展望9 2 参考文献9 3 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文9 7 致谢9 8 基于循环谱的电动滑轨舒适性测试0 分析第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 目前，我国已经成为世界上最大的汽车生产基地和最大的汽车消费国，不仅取 代日本成为全球最大的汽车生产国，而且也成为全球最大的汽车销售市场。随着 我国汽车市场一路高歌猛进迅速增长，社会汽车保有量不断增加，汽车座椅的需 求也不断加大，市场竞争日益加剧。特别是2 0 0 9 年以来，在金融危机冲击下，国 外汽车市场一片萧条，我国汽车市场急速回暖，一枝独秀，国内外各大汽车企业 纷纷加快布局我国汽车座椅市场。 作为乘用车座椅关键核心部件之一，汽车座椅滑轨在国内的市场却被外资或 合资品牌占据主导地位。博泽和佛吉亚等企业往往是许多整车厂的滑轨指定供应 商，其产品技术具有结构紧凑和抗拉强度高等优点。而国内汽车滑轨的技术含量、 产品质量良莠不齐，在一定程度上制约了汽车行业市场的发展。国内滑轨生产厂 家主要有上海明芳汽车部件有限公司、湖北中航精机科技股份有限公司等，面对 的是低端汽车市场，且其技术都不能满足中高端汽车所需的安全和性能等规范。 宁波双林汽车部件股份有限公司正在研发通用型座椅滑轨，并实现了手、电动滑 轨平台的统一，已经申请了专利，其设计与国外座椅滑轨厂家如博泽和佛吉亚等 相比较，正在缩短差距。 上述形势究其原因，一方面是由于我国汽车行业起步晚，工业基础薄弱；另 一方面，国内在汽车及其零部件的噪声和振动控制方面的研究还比较薄弱，国内 厂商对滑轨的舒适性的考虑还不够，缺少相应的质量检测设备，从而限制了其滑 轨产品进入高端市场。随着我国汽车行业的发展和人们生活水平的提高，对座椅 滑轨舒适性的要求也越趋提高。因此，研究座椅滑轨的振动舒适性及其检测方法 或手段，不仅具有理论意义，而且具有实用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 振动对人体舒适i 陛影响的研究现状 人机工程学的研究成果表明，振动加速度是影响乘客乘坐舒适性的重要因素 之一1 1 1 。振动加速度对人体的直接影响涉及躯干和身体局部的生物动态反应行为、 第一章绪论基于循环谱的电动滑轨舒适性测试与分析 生理反应、性能减退和敏感度障碍f 2 】。研究显示人体各个部分的共振频率：眼为2 0 2 5 舷，胸部为4 6 勉，手臂为1 0 2 0 勉，肩部为2 6 舷，躯干为3 6 月2 ， 脊柱为3 5 舷，胃为4 5 舷。如果人体某区域或器官出现共振现象，将会引起 相应的生理变化，这种变化涉及肌肉系统、呼吸系统、血液循环系统、植物神经 系统和感官系统。在频率较低时，作为对振动过程的同步反应，后背的脊柱肌肉 保护系统活动阶段和放松阶段交替进行；但当承受无规律的振动时，肌肉系统则 不能很快地对单个振动刺激做出反应，并将持续地紧张而没有放松阶段，这意味 着对人体产生了巨大的负荷，同时也对椎间盘产生附加压力，间接伤害椎间盘。 由此可见，垂直机械振动对人体脊柱和与之相关的神经系统的危害最大。振动负 荷还可使某些机能减退，有直接影响的如手和腿，间接影响的如疲劳效应。剧烈 而无规律的振动可降低控制机能，由此使进行控制工作时的错误率增加。当通过 座面与靠背传递给人体的振动频率达2 0 3 0 舷并影响到头部时，人的视觉能力将 减退，视网膜上的影象变得模糊，视力下降。由此，振动负荷在很大程度上会延 长眼睛对信号和标志的理解时间。 机械振动对人体的影响，不仅取决于振动的频率、强度、峰值、作用方向和 持续时间，而且个体差异较大，不同的坐姿对振动的敏感程度不同；既有客观因 素，又与主观因素即人体的素质有关。因此，对振动加速度的控制体现了对乘坐 舒适性的要求。自2 0 世纪3 0 年代以来研究人员在评价人体对振动的反应这一方 面做了大量的工作，但是很难得到公认的指标和评价方法。直到1 9 7 4 年国际标准 化组织( i n t e m a t i o n a js t 觚d a r do r g 1 n j z a t i o n ) 制定了国际标准i s 0 2 6 31 人体承受 全身振动评价指南，才有了对人体振动舒适性的评价标准。该标准经过先后修改， 主要有i s 0 2 6 3 l ：1 9 8 5 和i s 0 2 6 3 l ：1 9 9 7 两个版本【3 j 【4 j 。i s o2 6 3 1 1 9 8 5 提出以振 动加速度有效值、振动方向、振动频率和受振持续时间这四个最基本的振动参数 之间的关系来评价全身振动对人体产生的影响，推荐的两种评价方法是l 3 倍频 带分析对比法和总加速度加权均方根值评价法。i s 0 2 6 3 l ：1 9 9 7 在i s 0 2 6 3 l ：1 9 8 5 的基础上进行了修正，取消了暴露极限、疲劳一工效降低界限和舒适降低界限的 提法，并对频率加权系数进行了修改，采用“加权加速度均方根值作为基本评 价方法；当采用基本评价方法出现低估的结果时，可采用持续加权加速度均方根 与四次方振动剂量两种附加评价方法。根据i s 0 2 6 3 l 和其它相关标准，国际标准 化委员会又制定了用于人体振动测量的仪器标准，即i s 0 8 0 4 1 1 9 9 0 人体对振动 2 基于循环i 誓的电动滑轨舒适性测试j 分析 第一章绪论 的响应测量仪器，后修订为i s 0 8 0 4 1 2 0 0 5 人体对振动的响应测量仪器 f 列。除i s o 体系外，还有与之类似的英国标准b s6 8 4 1 1 9 8 7 和吸收功率法等等， 但是这些研究都以人体的主观评价作为依据，因此不同学者的研究结果存在着差 异，对各种评价方法的比较研究和争论较多。吸收功率法比i s o 体系更全面、能 更好地体现振动对人体的影响，但是吸收功率法不易实现，应用较少。目前，b s 6 8 4 l 、 i s o2 6 3 1 和i s 0 8 0 4 l 已经得到了广泛应用。 与西方发达国家相比，我国对于人体振动响应特性的研究起步较晚。国内已 开展了一部分工作，如长春汽车研究所在8 0 年代末就对坐姿人体模型进行了研 究，分析了刚体、单自由度、二自由度的人体模型；汪芳子、戴诗亮等人也对人 体振动模型进行了大量的研究，用模态法识别参数，分析人体模型的非线性；军 事医学科学院卫生装备研究所、吉林大学的学者对卧姿模型进行了研究；清华大 学夏群生教授基于3 1 个人体测试了立姿下的人体动态等效质量，识别二自由度模 型参数，分析了人体因素的影响；重庆大学汽车系结合摩托车实际振动特点，提 出了一种摩托车振动舒适性的评价方、法1 6 】【7 1 ，并开发了一套便携式摩托车振动舒适 性测试系统，文献【8 】进一步完善该评价方法和摩托车振动舒适性测试系统；文献【9 】 以出租车驾驶员的振动舒适性为研究对象，建立职业驾驶员的振动舒适性评价体 系；文献【加】分析研究了铁道车辆舒适性评估标准，建立舒适性动力学分析模型， 构建铁道车辆舒适性试验虚拟场景。 目前，我国对全身振动的评价主要借鉴国际上的成果，现行的国家标准有： g b t1 3 4 4 l 一1 9 9 2 人体全身振动环境的测量规范、g b t1 3 4 4 2 一1 9 9 2 人体 全身振动暴露的舒适性降低界限和评价准则、g b t1 3 4 4 1 2 - 2 0 0 8 机械振动与冲 击人体暴露于全身振动的评价和g b t2 3 7 1 6 2 0 0 9 人体对振动的响应测量仪 器等等，其中，g b t1 3 4 4 1 2 2 0 0 8 等同于i s o2 6 3 1 - 2 ：2 0 0 3 ，g b t2 3 7 1 6 - 2 0 0 9 等同于i s 0 8 0 4 l ：2 0 0 5 。 1 2 2 循环平稳理论的发展及应用现状 振动对人体舒适性影响的实验表明：4 8 舷是一个人体敏感区，此时身体部 分区域产生共振，随着频率的增高，敏感度下降：若振动频率下降到2 胁以下就 有强烈的敏感度，甚至出现“晕车症”1 2 1 。因此，在设计汽车、座椅及相关器件 时应尽量避免这些频率范围，或者使得在该频率范围内的振动幅度尽量地小。目 前，对舒适性评价的研究较多，而对影响舒适性的振动特征频率的分析和提取的 第一章绪论基于循环谱的电动滑轨舒适性测试与分析 文章却不多见。 在实践中，由于滑轨在调节过程中不可避免的产生振动，而这种振动是产品 本身动力学特征的外在表示，因此影响舒适性的缺陷信息最直接的载体就是产品 的振动信号。相对于其他状态处理而言，振动信号分析方法简便易行，是目前工 程中故障诊断使用的主要方法】，将其应用在产品的缺陷诊断和质量检测中也越 来越多。通过对产品振动信号的分析与处理，就可以得到零部件由于加工、装配 等原因引起的潜在缺陷信息，并由此可以判断产品的缺陷所在。 振动信号的分析和处理技术一般可分为时域分析、频域分析、时频域分析和 时问序列建模分析等。这些分析处理技术从不同的角度对信号进行观察和分析， 为提取与设备运行状态有关的特征信息提供了不同的手段。经过几十年的发展， 故障诊断技术已经相当成熟和完善，并且在企业的生产实践中，产生了巨大的经 济效益。从机械设备故障诊断过程来看，故障诊断技术主要涉及三个方面的基本 问题：状态信息的获取、状态信息的特征表示、状态的模式识别，这也是故障诊 断研究的主要内容，其中故障特征提取方法的研究是机械设备诊断技术的关键【1 2 j ， 这些研究方法同样也适用于产品检测场合。 通常，我们利用加速度传感器检测得到的振动信号一般都是非平稳信号，而 且往往表现为一定的周期性，我们称这种统计特征量随时间呈现出周期或多周期 变化规律的非平稳信号为循环平稳或周期平稳( c s ：c y c l o s t a t i o n a r y ) 信号。本文将着 重研究该类振动信号的特征提取。 循环平稳现象在自然界中普遍存在。早在二十世纪五十年代，人们就已经发 现许多的人工信号和天然信号是这类特殊的非平稳信号，例如水文信号、气象信 号、大气信号、海洋信号和天文信号等具有季节性变化或周期性变化的天然信号， 都是典型的循环平稳信号，甚至心电图等人体信号也具有循环平稳性。在机械设 备中，齿轮、轴、轴承、活塞等部件的振动信号也具有循环平稳特征。 虽然人们很早就已经意识到许多信号中都存在循环平稳性的客观事实，但是 直至上个世纪八十年代，g 砌n e r 才在两本有关循环平稳的专著中系统阐述了循环 统计量的基本思想1 1 3 】：分析了大量的循环平稳人工信号，以正弦波抽取的角度看 待循环平稳现象：提出了谱相关理论以及谱冗余的思想，用以揭示循环平稳现象 产生的本质：这些重要思想、理论、方法的提出为以后循环平稳研究在通讯及相 关领域的稳步发展奠定了坚实的基础，吸引了该领域内的大批学者从事与之相关 4 基于循环鹃的电动滑轨舒适性测试j 分析 第一章绪论 的研究工作，同时使人们看到了循环平稳分析的广阔前景，其它领域的学者也开 始关注循环平稳现象，不断充实和完善循环统计量理论。 相对其他非平稳信号而言，循环平稳信号具有一些独特的性质：通过非线性 变换，一循环平稳信号可以产生出有限强度的正弦波，而信号本身并不典型地包含 有任何有限强度的加性正弦量1 1 4 j 。分析和处理循环平稳信号的各种方法的根本出 发点就是通过选取适当的非线性变换来提取出信号中的正弦波分量，进而再分析 信号的时变特征，最终获取非平稳信号中的有用信息。 一般来说，平稳的随机信号都具有遍历性，当计算其统计特征函数时( 如均 值、相关函数和谱相关密度函数) ，可以用单次采样记录的时间平均代替集合平均。 然而，对于非平稳的随机信号，其统计特征参量是时变的，无法再用时间平均来 代替集合平均。循环平稳信号由于自身独特的周期平稳性，使单次采集到的记录 具有周期遍历特性，克服了非平稳信号的这个缺陷，简化了非平稳信号分析的难 度，为实现设备状态监测和故障诊断的实时性和在线监测提供了必要的保证。 按照统计特征参数的不同，循环统计量分为一阶循环统计量( 循环均值) 、二阶 循环统计量( 循环自相关函数和谱相关密度函数) 和高阶循环统计量( 三阶及以上) 。 目前，一阶和二阶循环统计量理论是研究的重点。高阶循环统计量理论是在二阶 循环统计量的基础上发展起来的。它吸取了高阶统计量和循环平稳二者的优点， 可以有效地分离出平稳与循环平稳信号，可以完全抑止任何平稳噪声以及非平稳 的高斯噪声干扰，还可以表征非线性系统以及恢复时变的相位信息。但同时也继 承了高阶统计量和循环平稳两者的缺点，突出表现为：为了提高分析结果的精度， 需要更长的时间序列，不可避免地增加了计算量：此外，对于噪声的免疫具有一 定的渐近性。这些缺点在很大程度上限制了其应用。 循环统计量理论的引入使机械设备故障诊断领域内增添了一个强有力的分析 与处理工具。文献【1 6 l 研究了二阶循环平稳分析和双线性分析方法在齿轮箱的故障 诊断中的应用，指出二阶循环平稳分析方法在齿轮箱故障诊断中的优势。文献【1 7 l 指出齿轮箱的振动信号具有二阶循环平稳特征，谱相关密度函数可以有效地识别 振动特征参数。文献【1 8 l 研究了二阶循环统计量在齿轮箱故障诊断中的应用，并对 比了一阶、二阶和三阶循环统计量理论在齿轮箱故障诊断中的效果。文献【1 9 】利用 二阶统计量循环自相关函数和循环谱密度的解调特性，应用于滚动轴承的内、外 圈及滚动体的故障诊断，有效地提取出故障特征频率。文献【2 0 l 在原有的平面循环 第一章绪论基于循环谱的电动滑轨舒适性测试与分析 平稳近场声全息基础上，提出一种基于波叠加法的循环平稳近场声全息技术，可 以对具有复杂表面的声源进行全息重建，重建的声源表面声压谱相关密度函数能 反映出调制信号的信息，由此确定调制信号源的产生位置。文献【2 l l 研究了信号的 二阶循环统计特戤即循环自相关函数和谱相关密度，指出循环自相关函数不为 零的循环频率对应着信号中的某些周期特征，并可以对调幅信号进行解调。文献【2 2 】 以滚动轴承和齿轮中的循环平稳现象为研究对象，针对滚动轴承和齿轮的运转特 点，建立各自的循环平稳模型，分析其振动信号的循环平稳特征，结合循环统计 量理论以及相关的数学分析方法，研究其早期故障的物理本质，从而客观、有效 的识别微弱故障特征。文献1 2 3 l 对滚动轴承点蚀故障振动信号的周期平稳性进行了 分析，根据其宽频带的特征，提出了应用带通滤波和二阶循环统计量相结合的方 法进行故障特征的提取。 随着机械领域循环平稳现象研究的深入，学者们不再满足于循环平稳机理的 基础性研究，开始进行深入的探索。一些学者也尝试把小波分析、神经网络、遗 传算法等先进分析方法引入轴承、齿轮的循环平稳分析中。文献【2 4 1 在研究小波变 换消噪性能的基础上，针对滚动轴承物理结构和旋转工作方式使得当轴承元件出 现损伤时测得的振动信号表现出幅值调制现象这一特点，提出了一种小波循环自 相关函数的分析算法，探讨了基于小波循环自相关函数的滚动轴承振动信号处理 方法。文献【2 5 j 采用循环平稳分析方法，提取出滚动轴承振动信号特征之后，进行 人工神经网络学习、分类、诊断，取得了满意的效果。 目前，在周期平稳分析方法领域，主要研究应用一阶、二阶循环统计量提取 信号特征，二阶循环统计量理论在机械设备故障诊断领域的应用较多，而对高阶 循环统计量理论及其应用的研究还很少，特别在故障诊断领域更是寥寥无几。 1 3 本课题研究的主要内容及结构安排 本课题参照g b t2 3 7 1 6 2 0 0 9 和i s 0 8 0 4 l ：2 0 0 5 标准即人体对振动的响应测 量仪器，结合滑轨实际振动特点，提出了一整套振动舒适性的评价和分析方法， 并开发了一套滑轨振动舒适性测试系统，主要研究如下内容： ( 1 ) 结合传统的振动信号分析评价方法和舒适性评价标准，建立滑轨质量控 制评价方法； ( 2 ) 对原始振动信号进行冗余第二代小波降噪，得到信噪比高的有用信号； ( 3 ) 利用l 廿l a c e 小波和e m d 方法，找出振动信号的载波信号； 6 基于循环谱的i 乜动滑轨舒适性测试与分析 第一章绪论 ( 4 ) 利用循环谱密度函数切片图，找出影响产品舒适性的特征频率； ( 5 ) 选择合适的振动加速度传感器和数据采集卡，组建多通道数字信号采集 系统： ( 6 ) 利用v c + + 6 o 软件多蚜发工具，采用( 1 ) ( 4 ) 中提出的方法进行信一 号处理和分析，调用m a t l a b 链接库进行混合编程，建立滑轨舒适性虚拟测试和分 析平台； ( 7 ) 借助s q ls e r v e r2 0 0 5 ，建立振动性能测试数据库，实现网络化生产和质 量检测统一管控。 根据研究内容，全文安排如下： 第一章主要介绍课题相关背景和意义，以及国内外研究现状，对全文研究内 容及安排作扼要介绍。 第二章概述电动滑轨结构及常用振动分析统计量，主要介绍了滑轨的结构、 振动冲击机理以及常用的振动测试统计量和舒适性统计量，为第六章的滑轨性能 测试的理论基础。 第三章数字信号预处理，主要介绍了数字信号分析中几种常用的预处理方 法，包括数字滤波器设计、第二代小波去噪以及加窗f f t 。这些方法在对采集到。 的数字信号作进一步分析之前，可能都是必要的，以便得到我们所需要的真实有 用的信号成分。 第四章基于循环谱的特征提取与分析技术，主要介绍了循环自相关的二阶统 计量( 循环自相关函数和谱密度函数) 的定义和实质，以及幅度解调的原理。通 过仿真信号，验证了对称形式的谱密度函数的解调特性，并得出了具体的操作方 法，将其应用到滑轨的特征提取中，可以找到影响人体舒适性的频率信号。 第五章l a p l a c e 小波和e m d 在特征提取中的应用，针对谱密度函数估计 中频率分辨率低以及载波频率难以准确获取的缺陷，提出了采用有效模式分解 e m d 和l a p l a c e 小波原子相关滤波法得到载波频率的方法，然后再进行循环谱 密度分析，作循环频率或谱频率切片图找到特征信号。通过仿真和实例，验证了 这种方法的有效性和鲁棒性。 第六章系统的总体结构及关键技术，主要介绍了滑轨性能测试系统的总体结 构，包括硬件平台和软件开发工具，以及系统开发的关键技术及其实现。 第七章电动滑轨的测试与可视化，展示了滑轨性能测试系统软件的功能和可 操作性。 第一章绪论基于循环谱的电动滑轨舒适性测试与分析 第八章总结与展望，回顾论文的主要工作内容，并进行小结，同时对论文的 不足之处及后续工作的开展提出了一些想法和建议。 8 基于循环谱的 乜动滑轨舒适性测试弓分析第一二章电动滑轨概述及常用振动分析统计量 第二章电动滑轨概述及常用振动分析统计量 随着汽车行业的发展和生活水平的提高，我国居民中汽车占有率正逐年提高， 人们在追求汽车舒适、便捷的同时，驾车人对座椅的舒适便捷性要求也越来越高， 电动座椅也日益受到汽车消费者的青睐。作为与驾乘者密切接触的电动座椅，必 须要满足便利性和舒适性两大要求。驾驶者只要通过键钮操纵，就可以将座椅调 整到最佳的位置上，使驾驶者获得最好视野，获得最舒适和最习惯的乘坐角度。 汽车座椅电动滑轨作为汽车电动座椅的核心部件之一，其要求自然也很高，除了 满足功能性要求之外，还必须要有很好的舒适性。如果电动滑轨在调整过程中振 动冲击较大，势必影响乘坐人员的舒适感，尤其对于行车中的驾驶人员来说，这 种不舒适感更容易引起注意力分散，甚至会影响到行车的安全性。本章将介绍汽 车滑轨的结构及调节时的振动冲击机理，最后着重介绍了滑轨振动测试分析的常 用统计量。 2 1 滑轨的结构 滑轨作为汽车座椅的基本部件，其主要功能包括连接车身与座位的连接功能、 实现座位相对车身运动的运动功能和固定座位并相对车身静止的固定功能。对应 于滑轨的功能要求，一般由以下几部分组成：滑动调整装置组合、下轨组合、上 轨组合、锁止和解锁机构组合。 1 滑动装置组合 常见的手动式滑动调整机构主要有：滑轨式、滑块式、滑杆式等【2 6 1 ，配合齿 轮齿条和丝杠螺母副可用于电动座椅调整，表2 1 是常见的座椅调整机构。而各种 形式的滑动调整机构又有多种款式，图2 1 为三种款式滑轨式的滑动调整机构【2 7 】， 图a 为手动调整式，图b 和图c 为电动调整式。图2 2 为丝杠螺母副配合蜗轮蜗杆 调节机构。 9 第二章电动滑轨概述及常用振动分析统计量基于循环谱的电动滑轨舒适性测试与分析 表2 1常见的座椅调整机构 机构名称机械原理 滑轨式滚动副 一墨柏钧鼢 曩套 滑块式 一一，l 厂 移动副 纩一飚 厂尊t 岛m ，_ 易 滑杆式 一囊冀虫 移动副 l _ _ ，。一 覆氛一、骶 u 翼岁 己 、- 睁晰 暂困裕 ( a ) ( b )( c ) 图2 1 滑轨式滑动调整机构 2 上、下轨组合 图2 2 丝杠螺母副配合蜗轮蜗杆调节机构 l o 基十循环讲的电动滑轨舒适性测试j 分析 第二章 电动滑轨概述及常用振动分析统计量 滑轨具有可固定在车辆底板上的下部轨道和可固定在座椅上的并且可滑动地 安装在所述下部轨道上的上部轨道，上下滑道中间是可实现相对滑动或移动的滑 动装置。不同的滑动装置，上下滑轨的形状和结构也不相同。对应于滑轨式滑动 装置，上下滑轨上必须有滚珠凹槽；对应于滑块式滑动装置，下滑轨需有槽型通一 孔；对应于滑杆式滑动装置，下滑轨与滑杆连接在一起。 3 锁止和解锁机构组合 滑轨位置调整到合适的位置后，可利用锁止机构来将固定于座椅上的上轨锁 止到下轨上；当需要再次调整时，通过解锁手柄的操作促动锁止机构，将上轨装 置与下轨装置解锁。按照滑轨的锁止和解锁方式，可以分为三种形式：内部锁止， 内部的解锁手柄；外部锁止，外部的解锁手柄：内部锁止，外部的解锁手柄。 4 滑轨总成及其传动装置 将上滑道、下滑道、钢球组件、锁止和解锁机构组装在一起，就构成滑轨总 成，按照功能又可分为：滑动单元、调节单元和接口单元。上下滑道与钢球组件 构成了滑轨的滑动主体单元，锁体组件和齿条组件构成滑道的滑动调节单元，各种 托架和支架构成车体椅盆接口单元。滑轨总成的调节分电动调节和手动调节两种 结构形式，配合手动锁装置可实现座椅在水平位置的手动调节，配合电机和驱动 机构可实现座椅在水平位置的自动调节。图2 3 为h g s 6 型号的滑轨，该滑轨采用 上下滑道中间双层钢球支撑滚动方式实现功能滑动，滑动调整装置采用齿轮传动， 该滑轨有电动调节和手动调节两种结构，电动滑轨通过齿轮齿条传动实现滑道的 相对位置调节，手动滑道通过手动调节实现滑道的相对位置调节。 图2 - 3h g s 6 滑轨总成 电动座椅中通过电机和驱动机构调节滑轨移动，采用的传动装置主要由变速 器( 蜗轮蜗杆) 、联轴装置、齿轮齿条等组成。其作用是把直流电机产生的旋转 运动，变为座椅的位置调整。图2 4 为某电动座椅前后调整传动机构及滑轨，由涡 轮蜗杆、齿轮齿条及导轨等组成，齿条装在导轨上。调整时，直流电机产生的力 矩经蜗杆传至两侧的蜗轮上，后经齿轮齿条传动，带动滑轨使座椅前后移动。图 第二