i=j扭振測量和QTV介紹引言噪聲及振動問題，在旋轉部件開發中，是一個必須充分重視的因素。就車輛而言,旋轉機械或旋轉部件包括：發動機（引擎）,動力傳動系，變速裝置，壓縮機和泵等等。對它們的動力特性，必須了解得非常透徹，力圖實現寧靜、平順、安全地運轉。通常，對線振動和角振動的測量和分析，是分頭進行的。旋轉件橫向振動的測量方法，是大家熟悉的，研究得已經比較透徹，為了充分把握結構的動力特性，通常會實施多通道并行的測量和分析。而扭振測量則需使用專門的設備，它們一般并不集成在一總體動力學測試系統內。扭振的“源一傳導一接收”模型研究動力學問題的一般方法，是建立所謂“源一傳導一接收”模型（圖1）。在某一部位（接收部位）觀測到的響應，視為由源和源在結構上沿某途徑傳導產生的效果。由于結構的共振或反共振效應，源可能在傳導過程中被放大或者被衰減。此外，它們可能沿多個不同途徑，傳導至接收部位。SourceXSystemSourceXSystemTransfer=Receiver圖1扭振的“源一一傳導一一接收”模型接收部位或響應部位的振動，通常是剛體運動伴隨柔體運動的復合現象。前者一般不產生交變應力，后者則會引起交變應力，并成為某種耐久性問題的根源。傳遞途徑分析（TPA）涉及到某接收部位對源的干擾，這種干擾經由其可能的傳導途徑，并依賴于傳導途徑固有的動力學特性，影響整個結構的響應。用同樣的方法，我們來研究扭轉振動。先是有一個“源”，譬如說，發動機給出的交變輸入力矩。力矩傳遞過程，牽涉到軸系、齒輪傳動系或皮帶傳動系等的動力特性。最終表現出來的，是旋轉件的轉速變化。如果沿整個軸，各部位的轉速變化都是相同的、一致的，那么在嚴格的意義上，這不能算作是扭振，僅僅只是轉速在變罷了（這相當于線振動分析中的剛體模態）。僅當沿軸不同部位檢測到的轉速增量有幅值和相位的相對變化時，扭振才確實發生了。當激勵頻率接近于扭振諧振頻率時，會導致旋轉件產生很大的內應力。如果未設置專門的監測設備，就有可能發生嚴重的耐久性問題。習慣上，凡是在平均轉速上、下發生得轉速波動，都被稱之為扭轉振動，無論轉軸的不同截面之間是否真正存在相對扭轉注意，轉矩變化或轉速變化，不能只看到表面現象。實際上，旋轉件之間傳遞的力和力矩，只是機械載荷的一部分。而發生的機械振動和噪聲，也應視為動力載荷的另一部分。下面幾點，請大家關注：?扭振只是結構動力特性的一個局部命題。?扭振和轉軸橫向振動往往同時發生。?扭振不僅關系到結構的耐久性問題，而且關系到車輛的振動、噪聲、舒適性以及其它方面的性能問題。扭振源之往復式發動機往復式發動機大概是大多數扭振問題的根源所在。曲軸旋轉過程中，燃氣壓力不斷變化，從而引起作用于曲軸的平均力矩和交變的力矩分量。（見圖2）另外，諸如活塞、連桿等運動部件的慣性力，也會引起作用于曲軸的變扭矩。這兩種作用力，合成一不規則的扭矩，從而引起轉速的變化，在好的發動機設計中，這種轉速變化通過采用慣性飛輪和扭振減振器等特殊部件，得到盡最大可能的平滑。即便在穩定的工作狀態下，也會存在某些附加的扭振變化。有許多正常的、或

非正常的現象可能誘發扭振振動。譬如：氣缸失火，發動機起停，以及哪怕是不太大的載荷變化等等。甘皇-R成r婺甘皇-R成r婺IJW)ffw1G0Onpm—咿—啊1cpnJ2O0rpfn啊DWOD頓+Wrpffl<900fpT52頓頃軻0叩：4000fpm枷何"flfltfW77B4W1Mfi?頑圖2不同轉速下，隨曲柄角位移變化的燃氣壓力舉例縱坐標：燃氣壓力；橫坐標：曲柄角位移。WOT（油門大開）狀態扭振源之二一一傳動系除了發動機，扭振也可能在傳動系的其它部位發生或放大。虎克萬向節或卡爾丹萬向節，一種變換轉速的設計，其傳動比與萬向節所聯接軸之間的夾角有關。對于雙萬向節聯接情況，如果輸入軸與輸出軸是平行的，那么軸端的扭振應當可以消除掉。然而，如果失調的話，仍可能產生扭振。對變速箱而言，齒輪的質量至為重要，齒輪嚙合不良，可產生大的接觸力，嚙合力的順序變化，可導致扭矩和轉速的變化。離合器也必須有良好的設計，以降低扭振的風險。操縱離合器時，產生的周期性扭矩變化，會引起離合器震顫，其固有頻率與傳動系從離合器動力分離時的固有頻率相接近。震顫作為車輛沿縱向的振動，通過各工作部件傳遞到司機坐椅上。它還可能作為一種內部噪聲被感覺出來。離合器脫開和接合時發生的撞擊，會引起踏板作低頻振動，這使得踏板移位時間變長，并伴隨惱人的噪聲。對轉軸本身，也必須經過精心的設計，以保證其扭振諧振頻率不至于和發動機的工作范圍發生嚴重沖突。扭矩的變化，不但有可能激發扭振的諧振，而且可能激發彎曲振動的諧振。最后，傳動皮帶的諧振，也會引起它所驅動的皮帶輪產生轉速變化；而轉速的變化，會引起皮帶張力的變化，甚至出現皮帶打滑的現象。對于變速箱，扭振可導致不同類型的問題。例如，齒輪whine（唔……唔……作響），是動力齒輪副由于扭矩脈動產生的嚙合噪聲。如圖3所示，齒輪whine噪聲涉及轉速的許多階次。產生的噪聲無疑會傳到齒輪箱上，甚至可被放大，如果它的頻率與箱體的諧振頻率吻合的話。另一問題是齒輪rattle（拍擊聲，即嗒……嗒作響），這是非動力齒輪副由于扭矩變化引起齒相互擊打而產生的隨機噪聲。Rattle噪聲是一種頻帶較寬的噪聲，它是由連續擊打所產生的噪聲。圖3：齒輪齒whine的三維譜（左圖）和齒rattle的三維譜（右圖）實例。橫坐標為頻率軸，縱坐標為rpm軸。一些瞬態現象，例如齒輪在軸上發生移位，也可能由于動力學特性，產生擾動噪聲。不但往復式發動機可能發生扭振，電動機也可能產生變扭矩。交流同步電機會發生嚴重的扭矩脈動，它正比于所謂“滑差”（slip），即實際轉速與名義轉速之間的轉速差。一個共性的問題是，這種現象一般都是突然發生的，這種扭矩脈動可引起嚴重的諧振。一旦工作轉速正常了，扭矩的變化很快又變小。扭矩和轉速的變化，也可能是負荷變化的結果。例如，當壓縮機、渦輪增壓器和泵的氣體或液體壓力有脈動時，都可以觀測到扭振和轉速的變化。扭振的測量方法測量扭振最通常的方法，是利用與轉軸每回轉一圈相對應的等寬度脈沖串。脈沖串源于某種能敏感齒輪齒面的傳感器（有電感式、霍爾效應式、變磁阻式、電渦流式等多種類型）所獲得的特定軸碼。脈沖串饋入某種電子電路，該電路或者將變頻脈沖串轉換為數字式rpm讀出（要想將該數字信息與其它通道的數據相整合，且同步地測量分析，可能會有一些困難）；或者通過一高頻F-V（頻率一電壓）變換器轉換為與rpm成比例的電壓信號。檢測扭振的另一項技術，是采用雙光束激光器，當雙光束分別對準軸上兩個不同點時，兩點的反射光會產生頻率差（多普勒效應）。雖然，這種方法有某些優點，譬如容易對準軸上的任意測量點，直觀、并容易理解等。但也存在某些缺點，如頻率范圍受限制，價格比較昂貴，尤其是需要多點同時測量的情況。一種新的替換方法，是采用LMS提供的QTV模塊。該模塊完好地集成在SCADASIII多通道數據采集系統內。模塊執行內部的、數字化的頻率一rpm轉換，將脈碼流轉換為數據流，所得到的時域抽樣就是該時刻的瞬時轉速。這一方法的最大優點，是取消了外部的F-V（頻率一電壓）轉換器（這種轉換的精度一般都不高），并且可以保證它和其它振動及聲學測量通道即時、同步地采集數據。此外，它有良好的精度，測量設置的操作十分容易。LMSSCADASI前端產品系列QTV模塊是內嵌在LMSSCADASIII前端的模塊，SCADASIII是一模塊式硬件平臺，涵蓋寬范圍的噪聲和振動的測量應用。其安裝框架有三種尺寸，每個框架均可作為主單元或次單元來使用。305框架是一種理想的小型、便攜式解決方案，可AC或DC供電，最多允許容納60個測量通道并行地采集數據。所有采集模塊，都可裝入任意框架。這些模塊，采用24bitADC和DSP技術，每個通道的采樣率均可高達204.8kHz。在數據吞吐模式方面，采用持續吞吐模式的話，對于時域信號記錄，吞吐速率高于6M采樣/秒。這意味著，如果需要的話，多個通道的脈沖串信號均可同時地得到很好的記錄。LMSSCADASI可內嵌不同類型的采集模塊。每個模塊各包含一個信號調理模塊和一個DSP模塊。QTV的每個模塊有四個輸入通道，所生成的采樣表征即時轉速。

圖4：用裝有QTV模塊的SCADASIII并行測量多路扭振信號和其它測量信號圖5：LMSSCADASIII前端產品系列與QTV放在一起同用，你可以選擇各種各樣的信號調理模塊：PQA和PQFA用于電壓輸入或ICP輸入，PQMA用于傳聲器輸入，PQCA用于電荷輸入。數字式聲信號輸入可采用QDA模塊。所有這些信號都可以在模塊內作調理和處理，生成同步的數據，并準備用于進一步的處理：諸如FFT，同步階次跟蹤分析或倍頻程分析等，并可記錄下所有的陣列時間信號。因此，它可以擁有無限量的“虛擬”通道，任意組合扭轉振動、橫向振動和聲信號的測量。就QTV模塊本身而言，其四個輸入通道可分別按兩種模式來工作：一是作為“常規”的模擬信號輸入通道；二是作為“扭振”模式，后者生成即時的rpm值。這意味著，如果無需讓所有的QTV通道都用來測量rpm變量的話，那么，它們也可以用作加速度測量通道或傳聲器測量通道等。用LMSTest.Lab測量扭振與數據采集硬件一起，有好的軟件工具來驅動硬件和處理測量結果也是很重要的。LMSTest.Lab軟件系列是專門為一般聲學和振動測量而設計的，與LMSSCADASIII硬件測量平臺緊密地集成。產品系列之一專用于旋轉機械試驗，不過，所有的應用都共享一通用平臺和數據庫。軟件設計成“流水線（streamline）作業方式，以最有效的途徑完成有關處理，引導操作者通過不同的流程，不失靈活地返回，或規定綜合性處理和特定處理。直觀的工作流程說明（見圖7），導引操作者通過不同的流程，如：測量設置，試驗規定，試驗執行（可實施單一處理或多類型處理），試驗檢驗，（包括極其快速地評估前面采集數據的質量，以及跟從前的參考數據作比較），和最終的報告。圖6：LMSTest.Lab旋轉機械試驗解決方案圖7：工作流程導引：窗口下部的工作流程條形欄，導引操作者通過不同的流程，每一步都有適當的GUI。（窗口內顯示的是帶有電平標尺的脈沖信號）對于扭振而言，可以很容易設置測量參數和對脈沖信號作譯碼處理。陣列時間信號可以目視觀察，幫助操作者設置有關的參數：如觸發電平，觸發斜率，設置或取消觸發延時等。且可以幫助診斷出品質不良的信號，譬如說，由有毛病的探頭給出的信號。當然，對脈沖串信號，即時rpm值和信號波形都可以從窗口上實時看到。扭振通道的處理與其它類型振動信號的處理非常相似，額外的得益是彼此完全同步。處理內容之一是獲得rpm的即時值（表示為rpm,rad/sec或deg/s），參看圖8,圖中表示的是從一發動機飛輪上測量出的rpm變量。注意到這一例子中，對應旋轉的每一圈，有兩個主要的扭振循環。信號的在線積分或微分，可得到角位移或角加速度的變化。其譜成分可以即時測量，或將其表示為rpm的函數（三維譜）。同步重采樣的數據也可構成三維的階次譜。分割的頻率，分割的諧波或分割的階次，可以抽取出來，表示為測量的rpm信號（包括QTV信號）的任意函數。所有這些功能意味著后處理只需要極少的工作量。此外，可以個別地處理每一特定通道，計算要求的導出量：

利用“虛擬通道”的概念，容易在線計算出轉軸不同截面間相對扭轉變量的頻譜（兩個通道的信號先積分再相減）。也一普hdtrtFCnierJJH]WU■:cTGrler4Ja]Mi±.xl.-Hl^FSXrS加站q.nin1M0MipnimwDgHlBUDjCO也一普hdtrtFCnierJJH]WU■:cTGrler4Ja]Mi±.xl.-Hl^FSXrS加站q.nin1M0MipnimwDgHlBUDjCOIL對對輸入數據的進一步處理可定義為“時間信號計算器”。它允許對輸入的數據執行各種數學運算，包括：濾波，消除趨勢項，積分和微分等等。這些處理可以是純粹對話式的后處理，也可以按照預先的安排，在測量之后隨即自動完成計算。這種處理功能，可用于測量相對扭轉角，計算皮帶輪的打滑，或者將轉速轉換為切向的線速度。最后，有興趣的話，可以做到更“全局性地”詮釋測量，這就是在保留所有測量的相位信息下，可以動畫顯示幾何模型的旋轉振動和橫向振動這二者，從而可以更好地了解發生在特定狀況下的振動形態。QTV的原理和精度QTV的結構原理與SCADASIII的其它模塊相同，QTV由兩個模塊組成。其電壓輸入調理模塊，確保100kHz的模擬信號帶寬，用于對輸入轉速信號的調理、放大或衰減，以保證其SP90模數轉換模塊正確地采集數據。過零檢測和rpm變化量的計算，則是通過一個高性能的數字信號處理器（DSP）在數字域內實現。QTV的結構原理圖如圖9所示。它說明了QTV如何將模擬式轉速信號轉換為高精度、寬頻帶的rpm變化量。圖中只給出一個通道的框圖，實際上，一個QTV模塊有四個通道，能同時對旋轉件四個不同部位的扭振信號進行測量分析。轉速信號變化量抗混濾波加密重采樣信號調理圖9：QTV結構原理圖轉速信號變化量抗混濾波加密重采樣信號調理內含有扭振信息的轉速信號，先饋入一個帶寬很寬的模擬式調理電路，該電路可選擇適當的放大或衰減因子。必要時，還可插入一高通濾波電路；但一般情況下，不推薦這樣做，因為會引起相位失真和不希望的瞬態響應。抗混濾波器和24bit、204.8kHz采樣率的模數轉換器，可保證精確采集原始的轉速數據。對原始信號作精確的數字化處理后，再由DSP作進一步的運算處理。首先，對ADC輸出數據進行二倍升采樣。這個過程相對簡單，利用FIR（有限沖激響應）插值濾波器，保證運算過程非常精確。然后，對升采樣后的數據（此時的采樣間隔為2.5us）進行零位檢測。圖10:內插值方法達到上述采樣間隔后，利用可靠、精確的拉格朗日多項式插值法（16階），再進行32倍插值。此時，對原始轉速信號的估計，達到76ns的時間分辨率。而最初的ADC采樣率為204.8KHz（4.9s的時間分辨率）。最后，對拉格朗日插值后的采樣信號再進行檢測，查找其“+”、“一”值的轉換點，并用線性插值法確定精確的過零時刻。由于最后一步的線性插值是在超高的過采樣后進行的，可以認為輸入數據具有極好的線性度，它有效地保證了最佳的RPM精度。仿真處理表明，理論上，QTV處理的時間分辨率等效于工作在幾個GHz的計數器。當然，這只是在理論上的分析。下面，我們來考察一下實際受到的限制和可能的誤差源。QTV的精度分析QTV將模擬轉速信號轉換到rpm數據的精度主要取決于下面兩個因素：?輸入信號的品質；-ADC的幅值精度(位數，或量化誤差)QTV的更詳細計算和誤差分析說明如下。圖11：最后的線性插值QTV的最終估計是通過線性插值得出的。這種估計的誤差可由圖11說明。灰色面積表明的是幅值精度不確定性，主要源于模數轉換的量化誤差。當然，模擬量的熱噪聲(高斯噪聲)也起到小的作用。假定觀察的是一個正弦信號：義n]=Asin(2兀f(t+10))令n為采樣序號，Ts為采樣間隔，則t=n-T=f_s另一個表示采樣值的方法涉及到△值，它等于插值后的采樣點到實際過零點之間的時間間隔(見圖11):yl/z]=Asin2兀I零點兩邊的兩個采樣分別為：而］=Asin-23f"f7ks'y1]=Asin2兀[在充分過采樣的情況下，可以簡化為：雨］=-2兀A\Lfsy1］=2兀A(1-A)fs于是，可以將A表示為插值抽樣的函數：A=0.5-上雨］+0］2兀Af2QTV的精度受到采樣數據精度的限制。采樣值存在某些不確定因素，圖11的粗灰線表示出該不確性。作為QTV原理上的分析，可以假定模擬輸入的噪聲可忽略不計，主要以量化噪聲作為討論限制因素的出發點。根據統計理論，量化的方差等于1…c2=LSB212其中，LSB代表最小有效位(LeastSignificantBit)，即ADC的分辨率。由于利用兩個采樣數據，必須以2c2去計算A的方差。這樣，最終的量化誤差為：8=|X2-N\：6可以給出A不確定性的表達式為：溫_f8f11~l^fAl^l^fA5如果令信號周期M=了，可得到相對誤差的表示式:8△—111M2kA赤5由此，可以得到的結論是，QTV的精度只取決于ADC的精度，而與轉速信號本身和采樣頻率均無關。絕對誤差為：八I,111、Absolute-error(rpm)=(__-――-$)xrpmQTV與傳統計數器法的比較QTV與傳統的計數器法比較，有兩大性能差別：QTV的相對誤差對所有頻率是常數（這是因為零位估計的誤差只與信號周期有關）。而計數器的相對誤差則隨頻率的增加而增加，它可以表示為：RE='1Xclock\6T其中，T是信號周期，而Tcioc^］是計數器的分辨率。上式說明計數器的絕對誤差正比于f2,而QTV的絕對誤差與頻率成線性關系。尤其對更高的頻率而言（每轉的脈沖數較多），QTV的優點非常突出。這種情況的絕對誤差為：』，、匚⑶打60）Absolute-error（rpm）=-X-tacho■\6F"nb_of_pulses/rev）counter噪聲抑制。由于高頻計數器本身屬于一種超高帶寬的裝置，模擬輸入的寬帶噪聲是重要的影響因素。零位附近的幅值噪聲直接轉換為相位噪聲，導致檢測精確過零時刻的不確定性增加。而QTV濾除高于fs的所有噪聲，因此過零時刻的估計會非常精確。7.4計算實例考察下述情況：升速測量過程從600RPM起，到6000RPM止。采集的轉速信息由120（脈沖/轉）的編碼器給出，給定的頻帶為1.2kHz至12kHz。用100MHz的計數器與QTV做比較。

對于QTV,取幅值A=1。由兩種方法的理論誤差公式，我們得出:頻率計數器的絕對誤差QTV的絕對誤差1.2KHz2.9mrpm15.5urpm12KHz290mrpm182urpm雖然這只是純理論限，與實際狀態可能不十分一致。然而它還是說明了計數器法和QTV的精度值在數量級上的差別。rpmAbsoluteerrorQTVrpmAbsoluteerrorQTVRPM每轉脈沖數rpm的絕對誤差6001201.82E-0510003.04E-0520006.07E-0530009.11E-0540001.21E-0450001.52E-0460001.82E-0470002.12E-0480002.43E-0490002.73E-04100003.04E-040D00350.00030.0002bI1QQ020000150.00010000050GOD1OD020003ODD4DD05D00GOOD700090009000100DDrpm計數器的精度:

RPM每轉脈沖數120rpm的絕對誤差用100MHz計數器用40MHz計數器600288072001000800020000200032000800003000720001800004000128003200005000200005000006000288007200007000392009800008000512001280000900064800162000010000800002000000AbsoluteError:Counter(1120pulsesperrsv)QTV與計數器法的精度比較:RPMrpm絕對誤差rpm絕對誤差rpm絕對誤差（100MHz計數器）（40MHz計數器）(QTV)6000.002880.00721.82E-0510000.0080.023.04E-0520000.0320.086.07E-0530000.0720.189.11E-0540000.1280.321.21E-0450000.2000.501.52E-0460000.2880.721.82E-0470000.3920.982.12E-0480000.5121.282.43E-0490000.6481.622.73E-04100000.82.000.000303563

(120pulsesperrev)—rpmAbsoluteError(Counter100MHzj—rpmAbsoluteError(Courter40MHa)rpmAbsolute—rpmAbsoluteError(Counter100MHzj—rpmAbsoluteError(Courter40MHa)rpmAbsoluteErrorQTVJIoJIJIDEnsq用對于裝置有自動變速箱的車輛來說，傳動系的扭振會加大油耗。自動變速箱的低速扭矩轉換器是常用的。早期的扭矩轉換器通過一個鎖止離合器能很有效地脫離或鎖定。圖12:傳動系扭振檢驗。右上：9個旋轉振動的測量部位示意；左下：說明扭振諧振的三維譜（彩色圖）之一；右下：扭振的計算值與測量值的對比

傳動系的扭振可妨礙扭矩的盡快鎖定，從而導致增大油耗。扭振還可能導致降低操縱平順性。圖12所示為整車在底盤功率計上作試車情況下，用試驗和分析混合的途徑研究和預測傳動系的扭振。該混合途徑建立在整車多體動力學模型基礎上，其所有重要部件都按柔體來考慮。該混合途徑分成若干步驟，