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1、 硕士研究生课程论文发动机振动测试系统研究任课教师：XXX学生姓名：XXX年 级：2013级学生编号：专 业：车辆工程时 间：2014年1月10日发动机振动测试系统研究摘要：发动机振动是影响汽车性能的重要因素，会严重影响汽车的平顺性以及其他性能。因此对发动机振动的测试、信号处理以及分析是发动机测试中十分重要的环节。本文简述了发动机振动测试的意义，对发动机测试的方法、信号采集与分析的基本理论和测试系统的基本组成做了简要介绍。关键词：发动机振动；振动测试；测试系统Study on Engine Vibration Test SystemAbstract: The vehicle vibration
2、 is the important factor which influences vehicle functions and this kind of vibration will seriously influence the performances and functions of the whole vehicle. So, vehicle vibration measurement, signal processing and analysis is a very important part. The significance of engine vibration test,
3、basic theory of acquisition and analysis methods of the engine test signals and the constitute of the test system is introduced briefly in this thesis.Key words: engine vibration；vibration test；test system目 录1 绪论21.1本文研究的背景及意义21.2 发动机测试设备发展现状22 发动机振动测试技术概述42.1 振动测试技术概述42.1.1 发动机振动分析42.1.2 振动测试技术概述52
4、.2 发动机振动测试参数53振动信号的采集与分析方法73.1 测试信号的采集73.1.1 模拟信号数字化方法73.1.2 采样定理理论73.2 试验数据的时域分析方法73.2.1 时域数据的预处理73.2.2 数据的数字滤波处理83.3 傅立叶变换84振动测试系统的组成104.1 振动传感器104.1.1 惯性式传感器104.1.2 压电式加速度传感器104.1.3 应变式加速度传感器114.2 滤波器114.3 模数转换（A/D转换）11结 论13参考文献131 绪论1.1 本文研究的背景及意义随着汽车行业的快速发展，汽车作为现代化交通工具的重要性越来越突出，同时人们对汽车驾乘的舒适性也越来
5、越关注，对汽车的振动的研究也越来越多。在整车振动系统中，发动机动力总成作为一个激励源同时也是受迫振动体的特殊子系统。发动机的整机振动情况不但会降低其本身工作寿命，同时还影响汽车行驶平顺性和乘坐舒适性。目前世界上绝大多数汽车采用的都是往复活塞式内燃机，这种内燃机运转时将产生激振力和力矩，这种激振力及力矩包括曲柄连杆机构的惯性力及力矩、气体压力引起的倾覆力矩、 曲轴和机体弹性变形引起的力矩和工作过程中的气体脉冲力。由于受到这些不平衡的周期性变化的力和力矩的作用。发动机将产生整机振动和曲轴的扭转振动1。这些振动不但对发动机本身的振动和噪声有很大的影响，还会对车辆整体振动产生严重的不良影响，不但会降低
6、乘车的舒适性还会带来环境污染等问题，此外，发动机的振动还会引起周围机器的损坏2。为了解决和改善发动机的这种振动问题，必须采取有效的主动与被动减振、隔振措施，以削减、消除发动机各种振动，提高车辆的综合指标。而在采取措施之前，必须对振动进行评价、分析，因此振动测试技术在发动机消振中显得非常有意义。本课题研究的目的就是通过对发动机的振动测试，掌握发动机的振动状态以对发动机的振动进行评价、分析。发动机由于结构复杂，运动不间断，以及受燃料燃烧和摩擦等原因的影响，许多零部件处在高温、高压和强烈振动的恶劣条件下工作，造成发动机运行的故障率较高。发动机振动信号是发动机技术状况和过程征兆的信息载体，因此，对发动
7、机实行必要的振动监测和故障诊断有着越来越重要的意义。就发动机振动技术而言，无论是国内还是国外都还没有达到完全成熟的高度实用的阶段，但是发展和研究发动机振动测试技术并没有因此而降低。1.2 发动机测试设备发展现状发动机结构复杂测试参数繁多，测试不同参数使用的设备不尽相同，导致测试系统硬件搭建困难，同时对测试系统软件编写造成较大的难度，由于试验现场恶劣的条件，高噪声，高温、高电磁干扰等问题对测试结果会造成不利影响。早期的发动机测试台架在测试过程中的试验操作、数据采集、数据分析、数据输出大多依靠人工完成。现代的测控系统是现代化学科与计算机技术融合的系统，能够自动完成传统人工完成的内容，更加智能和高效
8、。国外发动机测试设备厂商主要有：AVL 公司，德国皮尔堡公司、德国申克公司等。其中 AVL 公司采用搭积木的方式，搭载了模块化的软硬件测试系统，提高了发动机台架搭建的效率，具有适用范围广，测试系统精度高，应用广泛的特点。国内的发动机测试与设备研发工作起步较晚，上世纪70年代，在交通部带领下，对发动机检测技术进行了研究讨论，并开始发动机点火正时灯和汽缸漏气量检测仪等设备的开发工作。进入80年代，随着时代的进步和电脑技术的提高，科技领域高速进步带动了发动机测试技术的发展，与此同时我国的汽车工业也开始蓬勃发展，对汽车发动机的产量的质量的要求也与日俱增，国内对汽柴油发动机测试台的需求越来越大。近年来，
9、我国已经具备了研发和生产大型的测试设备的能力，如汽车底盘测功机、四轮定位仪、制动检测台、发动机综合分析仪、悬挂检测台、灯光检测仪、排气分析仪等，打破了国外垄断测试设备的现象。2 发动机振动测试技术概述2.1 振动测试技术概述2.1.1 发动机振动分析所谓振动系统，是对一般机器或结构系统的一类抽象数学模型，当研究的目的是关于这个系统的振动性能时，所抽象的系统模型，就称为振动系统。一个振动系统，从外界输入一定形式的激励就呈现一定形式的输出，该输入通常称为激励，输出称为响应。而输出特性不仅取决于输入特性，还取决于振动系统的振动特性。输入、输出和系统的振动特性这三者之间的关系如图 2.1 所示。图2.
10、1 振动系统原理框图在工程技术当中，研究振动问题就是在激励、响应和系统特性这三者中知道其二求其三的问题。在已知激励条件和系统振动特性的情况下，求系统的响应，这就是所谓的振动分析问题。在已知系统振动特性和系统响应的情况下，求系统的激励状态，这就是所谓的振动环境预测问题。在已知系统激励和系统响应的情况下确定系统的振动特性，这就是所谓的振动特性测试或系统识别问题。发动机的激励由离心力、往复惯性力、离心力矩和惯性力矩以及颠覆力矩组成等。发动机的振动类型主要包括：发动机的结构振动、部件和曲轴扭振、以及整机振动等。发动机所受的激励通常通过对各缸激励合成，得到发动机质心坐标系下的空间力系，如图2.2所示。一
11、般燃气压力所产生的激振力矩比惯性力产生的激振力矩大很多，因而计算时常应用忽略惯性力部分，而仅使用燃气压力部分。图2.2 发动机质心坐标系下的空间力系2.1.2 振动测试技术概述振动测试是通过传感器、放大仪器以及显示或记录仪表测量运动机械或工程结构在外界激励（包括环境激励）或运行工况中其重要部位的位移、速度、加速度等运动量，从而了解机械或结构的工作状态。振动测试主要作用是在现场或实验室对振动系统的实物或模型进行响应测量、动态特性参数测定以及载荷识别。响应侧量是己知激励条件和系统振动特性时，求振动系统的响应；动态特性参数测定是己知系统激励和系统响应时，确定系统的振动特性；载荷识别是己知系统振动特性
12、和系统响应时，求系统的激励状态。一般来说，振动测试与分析系统由两大部分组成。一部分是传感器测量装置，包括各种压力传感器、振动传感器及其有关测量部分，其作用是对表征机械运行状态的振动响应进行测量，如位移、速度、加速度等，并转换为标准的电压或电流信号输出；另一部分是振动信号采集、显示、处理及分析系统，其作用是采集信号并进行具体振动信号的显示、分析和处理。而实际的振动实验系统通常由三部分组成：激振系统、测量系统以及分析系统。激振系统中所用的设备称为激振设备，例如实验室中常用的振动台、现场激振时常用的偏心激振器，都属于激振设备，用来激发被测结构或机械振动，然后通过振动测试与分析系统对其响应进行测量。机
13、械系统在工作中总会产生振动，而且振动信号中蕴含了系统运行的各种状态信息，振动测试能够获得机械运行状态比较全面的信息。因此，振动测试在机械设备状态监测、故障诊断和振动与噪声控制中具有重要意义。2.2 发动机振动测试参数使汽车、机械运行过程中产生振动的激振力很多都具有周期性。根据傅利叶变换公式，任何复杂的周期振动都可以分解为若干个简谐振动之和。对于简谐振动来说，只要通过测量确定振动的三个特性参数，即振幅、频率和相位，就可以确定整个运动。振动的振幅是振动物体离开平衡位置的最大距离，描述了物体振动幅度的大小和振动的强弱，单位用 m或cm表示。频率是物体单位时间内完成振动的次数，是描述振动物体往复运动频
14、繁程度的量，常用符号f表示，单位为赫兹，用Hz来表示。每个振动体都对应由它本身性质决定的一个或几个固有频率，当振动频率为这个频率时，振动振幅是最大的。所谓相位就是表示物体振动部分相对于其他振动部分或其他固定部分位置的一个量，单位是角度，用o表示。相位是振动的一个重要特征，可用于判断共振点、谐波分析等。为了分析振动对机械结构的影响，我们需要知道振动的位移、速度和加速度。谐振动的三个特性参数具有确定的函数关系，可以相互推导，因此得到位移、速度和加速度三个参数中的任何一个量，便可以推算出其它的量3。振动信号总是混杂着噪声信号，其会对信号分析造成影响，甚至造成信号失真，因此，在信号采集前须对信号进行放
15、大及滤波处理，去除振动噪声后，再进行分析，保证分析的准确性。3 振动信号的采集与分析方法3.1 测试信号的采集3.1.1 模拟信号数字化方法随着计算和信号分析技术的进步，数字化的测试信号已经得到广范的应用。测试信号处理流程如图3.1所示。由于测试的模拟信号中存在干扰，需要对模拟信号进行滤波后，通过 A/D 转换后可以获得计算机可分析处理的数字信号。图3.1 测试信号处理流程3.1.2 采样定理理论在采样过程中，采样频率高过高会增加数据量不便于存储，采样频率低，不利于对数据进行精密分析，有可能会造成信息缺失，并产生混叠现象，影响分析的精度。只有试验中采样频率相比采样信号频率成分高2倍以上时，采样结果才能与试验真实结果较为接近，该原理即为采样定理。采样定理可以有效控制频率混叠现象，对满足采样定理信号进行傅里叶逆变，可以获得采集点的时域信号。3.2 试验数据的时域分析方法3.2.1 时域数据的预处理预处理发动机振动信号可以使振动信号更真实的体现，试验采集的振动信号以电压为主，需要将电压值转换为可分析
