基于MATLAB的某DCT車型一擋抖動分析及濾波優化

嚴家 張飛兵 朱麗丹

摘? 要：整車駕駛性開發中，整車抖動是個至關重要的問題，其嚴重影響駕乘人員的舒適性。本文針對某DCT車型抱怨的M1擋抖動問題，首先通過整車測試采集相關數據，其次借助MATLAB軟件，應用時頻分析的階次跟蹤技術進行問題分析，并通過MATLAB濾波設計工具進行優化，最后抖動問題顯著改善。

關鍵詞：DCT抖動;MATLAB時頻分析;階次跟蹤;濾波

中圖分類號：U467? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2021）01-0036-05

Abstract： Vibration is a important issue in the drivability performance development of vehicle， which seriously affected driver and passenger s comfort. In this paper， vehicle test was used to collect vibration related data， MATLAB software， time-frequency analysis and order tracking are applied for M1 vibration issue analysis. And based on MATLAB FilterDesigner tool， vibration issue was improved a lot with filter processing.

Key Words： Dct? Vibration; Matlab Time-frequency Analysis; Order Tracking; Filter

前? ?言

隨著人們的生活水平的不斷提高，人們對汽車的要求已經不單單停留在代步工具這個層面，對整車的駕駛性和舒適性品質也提出了更高的要求。整車的駕駛性表征主要反映了車輛縱向動力學的瞬態品質，駕駛性主觀感受是車輛行駛過程中舒適性與易操控性的綜合感覺[1]。而在駕駛性評價體系里，常見的沖擊、抖動類問題也是最容易被消費者感知的，嚴重影響駕乘人員的舒適性。如果整車出現明顯的抖動，會嚴重影響消費者的對車輛的滿意度和汽車品牌效應。本文基于大量的駕駛性客觀測試數據和駕駛性工程師的主觀評價，借助MATLAB對某DCT車型抖動問題測試數據分析，找到了抖動問題的原因，并通過標定控制量的濾波處理解決了該問題。

1? ? 問題描述

根據某DCT變速箱開發公司的駕駛性測試規范，某開發車型在M模式一擋小油門起步中出現了抖動抱怨。具體測試工況：變速箱油溫80℃以上，M模式下，5-13%定油門起步，發動機轉速在1300-2300rpm時，車輛出現明顯抖動。具體實測抖動工況數據如圖1所示，可以看到加速度、輸入軸轉速、離合器壓力信號波動明顯。

2? ? 數據采集系統

測試采用INCA軟件采集相關數據，其中TCU和CAN信號通過ET581采集，而整車縱向加速度信號通過ES415外接三軸加速度傳感器采集，該套簡易駕駛性數據采集系統簡單且經濟。本文研究的抖動問題的分析是基于該系統采集分析的數據，抖動問題在客觀數據上的直接表現是縱向加速度信號的高頻波動，縱向加速度高頻波動的幅值反應抖動的劇烈程度。ETAS簡易駕駛性數據采集系統硬件如圖2所示，其中三軸加速度傳感器安裝在主駕導軌上。

3? ? 原因分析

時頻分析是非平穩信號分析的重要工具之一，它可以幫助人們理解信號的復雜結構，揭示其內在規律[2]。而駕駛性測試中的信號大都屬于非平穩信號，需要借助時頻分析技術進行數據分析。

階次跟蹤技術被廣泛用于旋轉機械的故障診斷，階次跟蹤是從受周期載荷作用的機械系統中分離正弦成分的一種信號處理方法。其恒角度增量采樣能夠得到穩定的信號[3]。階次的循環定義為參考軸每轉內發生的次數，它與振動頻率的關系為：

式中，o為階次;n為參考軸轉速。

本文借助簡易駕駛性數據采集系統，采集M1擋小油門起步抖動工況數據。通過MATLAB分別完成對問題車輛縱向加速度信號、輸入軸轉速信號、離合器壓力和離合器請求壓力信號進行時頻分析，并結合相關轉速信號的階次跟蹤進行分析。

對縱向加速度進行時頻分析和階次跟蹤，結果如圖3所示。其中，x軸為采樣時間，y軸為頻率，色譜的顏色深淺代表了加速度信號波動的幅度大小（即振動），Eng_Ord0.5為發動機0.5階的頻率，Eng_Ord1為發動機1階的頻率，Eng_Ord1.5 為發動機1.5階的頻率，Eng_Ord2為發動機2階的頻率，Slip O Ord1為離合器滑摩轉速的1階頻率，Slip O Ord2為離合器滑摩轉速的2階頻率。

由分析結果可知：縱向加速度信號在10Hz波動明顯，最大波動的幅值為0.13m/s2，和發動機及離合器的旋轉階次無相關性，抖動為10Hz的定頻抖動。

同理對輸入軸轉速進行時頻分析和階次跟蹤，結果如圖4所示，色譜的顏色深淺代表了輸入軸轉速波動的幅度大小。

由分析結果可知：輸入軸轉速信號在10Hz波動明顯，最大波動的幅值為32rpm，和發動機及離合器的旋轉階次無相關性。

同理對離合器壓力進行時頻分析和階次跟蹤，結果如圖5所示，色譜的顏色深淺代表了離合器壓力信號波動的幅度大小。

由分析結果可知：離合器壓力信號在10Hz波動明顯，最大波動的幅值為70mbar，和發動機及離合器的旋轉階次無相關性。

同理對離合器請求壓力進行時頻分析和階次跟蹤，結果如圖6所示，色譜的顏色深淺代表了離合器請求壓力信號波動的幅度大小。

由分析結果可知：離合器壓力請求信號在10Hz波動明顯，最大波動的幅值為20mbar，和發動機及離合器的旋轉階次無相關性。

綜上分析，該抖動問題為10Hz的定頻抖動，和發動機及離合器的旋轉階次無相關性，同時輸入軸轉速，離合器壓力和離合器請求壓力在該頻率下也有明顯波動。結合工程經驗以及離合器控制邏輯，波動的傳遞路線：離合器請求壓力波動→離合器壓力波動→輸入軸轉速波動→抖動。

4 濾波設計及驗證

該抖動問題為10Hz的定頻抖動，對離合器請求壓力進行10Hz帶阻濾波，從而衰減10Hz的壓力波動，繼而減弱10Hz壓力波動引起的的抖動問題。

4.1? ?濾波設計

IIR數字濾波器是一種離散時間系統，其系統函數為[4]：

式中，ak和bk為濾波器的分母和分子系數，IIR數字濾波器設計實際上是求解濾波器的系數ak和bk。IIR數字濾波器設計是目前最通用的方法是借助于模擬濾波器的設計方法。模擬濾波器設計已經有了相當成熟的方法，它不但有完整的設計公式，而且有較為完整的圖標供查詢。

FilterDesigner[5]是MATLAB信號處理工具箱里的專用的濾波器設計分析工具，FilterDesigner可以設計幾乎所有的常規濾波器，包括FIR和IIR的各種設計方法且操作簡單方便。本文采用MATLAB FilterDesgin工具箱進行10Hz的IIR濾波設計。

在responsetype中選擇帶阻濾波bandstop（帶阻濾波器），在design method選項中選擇IIR（butterworth），在filter order中的specify order設置為2，信號頻率Fs設置為400Hz，帶阻下限截止頻率Fc1設置為9Hz，帶阻下限截止頻率Fc2設置為11Hz。具體IIR的仿真和濾波系數如圖7和圖8所示。

將濾波分子系數，分母系數，gain值輸入到TCU標定對應的濾波模塊的參數中，就可以對離合器請求壓力進行濾波優化。

4.2 濾波驗證

對整車M1擋小油起步抖動問題，進行離合器請求壓力10Hz濾波前后對比，驗證濾波手段的有效性以及抖動原因的再次確認。

對濾波前后對比數據的縱向加速度進行進行時頻分析和階次跟蹤，結果如圖9：

由分析結果可知：濾波前后縱向加速度信號在10Hz波動幅值：0.13m/s2→0.02m/s2。

對濾波前后對比數據的輸入軸轉速信號進行進行時頻分析和階次跟蹤，結果如圖10：

由分析結果可知：濾波前后輸入軸轉速信號在10Hz波動幅值32rpm→6rpm。

對濾波前后對比數據的離合器壓力信號進行進行時頻分析和階次跟蹤，結果如圖11：

對濾波前后對比數據的離合器請求壓力信號進行進行時頻分析和階次跟蹤，結果如圖12：

由分析結果可知：濾波前后離合器請求壓力信號在10Hz波動幅值20mbar→5mbar。

濾波前后對比匯總如表1：

綜上結果，該抖動問題根本原因鎖定為離合器壓力波動，對離合器請求壓力進行濾波的方法有效，且濾波后的主、客觀評價都達到整車要求。

5? ? ?總結

抖動是整車駕駛性開發過程中的一種常見問題。本文結合工程實踐經驗，借助MATLAB軟件，應用基于時頻分析的階次跟蹤技術，完成了對M1擋小油門起步抖動問題的相關分析。借助MATLAB FilterDesigner工具箱進行濾波設計和對比驗證，確認了標定相關控制量進行濾波優化的有效性，并最終集成到TCU軟件中。在幾乎不增加成本的情況下，解決了該抖動問題。該分析方法經濟有效，為同類型抖動問題的分析和解決給出了參考。

參考文獻：

[1] 孫堅. 駕駛性評價及其仿真方法研究[D]. 吉林大學，2017.

[2]武國寧，齊晶晶，周亞同. 時頻分析方法：研究與展望[J].圖像與信息處理，2018，7（1）：24-35.

[3]龍月泉，石曉輝，施全.基于階次跟蹤的變速箱噪聲源識別[J].噪聲與振動控制，2009，28（ 1） ： 76-80.

[4]耶曉. 基于MATLAB的IIR數字濾波器設計及DSP實現.電子設計工程，2011.

[5]MATLAB.Signal Processing Toolbox Users Guide[J]. The Mathworks， 2009.