基于頻域積分的汽車動力總成運動姿態(tài)監(jiān)測方法研究

郎春艷，李永焯

基于頻域積分的汽車動力總成運動姿態(tài)監(jiān)測方法研究

郎春艷，李永焯

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 510641）

動力總成的運動姿態(tài)直接影響著汽車振動性能和舒適性能，而常規(guī)的加速度信號特征往往無法有效表征出動總的低頻運動特征。文章基于頻域二次積分原理和多點運動合成方法，提出了一種汽車動力總成質(zhì)心運動姿態(tài)監(jiān)測算法。對加速度信號進行頻域二次積分，同時對超低頻成分置零處理，從而較好地消除傳感器零漂和溫漂的誤差，提高了位移信號的獲取精度；對多測點信號進行運動合成，獲取了動總剛體六自由度運動特征信息。汽車加速竄動工況和靜態(tài)點熄火工況的工程應用表明：所提算法能夠有效并直觀地合成出動力總成質(zhì)心剛體的運動特征信息。

汽車動總；運動姿態(tài)；頻域積分；運動合成

前言

隨著消費者對汽車高品質(zhì)的需求日益增長，汽車振動噪聲性能和駕駛舒適性能逐步發(fā)展為汽車的關(guān)鍵性能。在汽車研發(fā)過程中，經(jīng)常存在著整車低頻縱向竄動、橫向抖動等問題[1-2]。大量的工程實踐表明，整車的低頻問題與動力總成剛體運動姿態(tài)呈現(xiàn)一定關(guān)聯(lián)性[3-5]。而常規(guī)的加速度信號特征往往無法有效表征出動總的低頻運動特征，需要獲取位移信號作進一步表征。

在實時信號測試中，通過電渦流傳感器或者應力應變傳感器獲取位移信號的方法實用性不高[6]，且只能獲取動總3個平動自由度的運動特征，無法體現(xiàn)動總旋轉(zhuǎn)自由度的運動特征。而在離線信號處理中，通過對加速度信號進行離線二次積分所獲取的位移信號往往會增加傳感器零漂和溫漂誤差，導致信號可分析性較差[7-8]。

本文基于頻域二次積分原理和多點運動合成方法，提出了一種汽車動力總成質(zhì)心運動姿態(tài)監(jiān)測算法，獲取了動總剛體六自由度運動特征信息，為整車駕駛舒適性和振動噪聲調(diào)教提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 汽車動總運動六自由度定義

1 動總運動姿態(tài)監(jiān)測算法

首先，汽車動力總成運動方向按圖1所示進行定義，包括3個平動自由度和3個旋轉(zhuǎn)自由度，共6個自由度[9]。其中平動自由度分別為沿軸、軸和軸的直線運動，旋轉(zhuǎn)自由度分別為繞軸的翻滾運動，繞軸的傾覆運動和繞軸的橫擺運動。

本文所提的汽車動力總成運動姿態(tài)監(jiān)控算法流程如圖2所示，具體步驟如下：

（1）在需重點關(guān)注的工況，如點火工況、熄火工況、整車抖動工況等，動總各懸置主動側(cè)的測試方向定義按照圖1所示進行定義，采集動總各懸置的主動側(cè)三方向的加速度振動信號a()、a()和a()，其中=1,2,…,，為動總懸置的總數(shù)。

（2）對加速度信號a()、a()和a()作傅里葉變換處理，分別獲得加速度頻譜信號A()、A()和A()。

（3）按式（1）對加速度頻譜信號A()、A()和A()進行頻域二次積分，從而獲得各測點的位移頻域信號D'()、D'()和D'()。由于對加速度信號進行二次積分，會放大信號的零漂和溫漂誤差，因此需對位移頻域信號()的前5條譜線置0處理，從而獲得高精度的位移頻域信號D()、D()和D()。

()=－4π22() （1）

（4）對位移頻域信號D()、D()和D()作傅里葉反變換處理，然后對其進行低通濾波處理，截止頻率一般設(shè)為50 Hz，從而獲得各懸置主動側(cè)的時域位移信號d()、d()和d()。

（5）通過三維模型或者實測方法，獲得各懸置主動側(cè)測點的三維空間坐標（x，y，z）和動總質(zhì)心的空間坐標（x，y，z），并計算出各測點相對于動總質(zhì)心的空間坐標（x，y，z）。

（6）結(jié)合位移信號和空間坐標，計算動總質(zhì)心六自由度的運動特性。其中向平動d()、向平動d()和向平動d()分別按式（2）、式（3）和式（4）獲得。繞軸翻滾d()、繞軸傾覆d()和繞軸橫擺d()的旋轉(zhuǎn)運動分別按式（5）、式（6）和式（7）獲得。

圖2 汽車動總運動姿態(tài)監(jiān)控算法流程圖

2 工程應用

2.1 加速竄動工況

某四驅(qū)車型在3擋大油門負荷工況加速時，在發(fā)動機3 000轉(zhuǎn)～4 500轉(zhuǎn)之間整車存在較明顯的縱向低頻竄動現(xiàn)象，整車縱向加速度存在約5 Hz的低頻波動，波動幅值達0.05 m/s2，如圖3所示。

圖3 整車縱向加速度特征

經(jīng)調(diào)查，初步懷疑整車竄動問題與動力總成低頻剛體運動相關(guān)。對動力總成左懸、右懸和后懸三個懸置主動側(cè)進行加速度振動信號采集，如圖4所示。各懸置的加速度信號無法直觀地反映出動總運動與竄動問題的關(guān)聯(lián)性。

圖4 大負荷加速工況各懸置主動側(cè)垂向振動特征

根據(jù)本文所提的汽車動力總成運動姿態(tài)監(jiān)控算法，對各懸置主動振動信號點進行合成，問題工況下的動總6自由度運動特征如圖5和圖6所示。經(jīng)對比分析可知，動力總成沿向的垂向平動和繞軸傾覆運動均存在與整車竄動頻率相同的波動現(xiàn)象，且波動幅值比其他自由度的偏大。

圖5 大負荷加速工況動總質(zhì)心平動自由度運動特征

結(jié)合中負荷加速整車基本無竄動問題的動總運動特征可知（圖7），動總的向運動和繞軸的傾覆運動是導致整車加速竄動問題的主要原因。通過軟硬件手段抑制以上兩自由度的運動能夠有效改善整車低頻竄動問題。

圖6 大負荷加速工況動總質(zhì)心旋轉(zhuǎn)自由度方向運動特征

圖7 整車中負荷加速工況動總質(zhì)心關(guān)鍵自由度運動特征

圖8 靜態(tài)點火工況動總質(zhì)心平動自由度運動特征

2.2 點熄火抖動工況

大量工程研究表明：在整車點火和熄火工況，整車抖動水平與動總的剛體運動特征呈較強關(guān)聯(lián)性[10-11]。

圖9 靜態(tài)點火工況動總質(zhì)心旋轉(zhuǎn)自由度運動特征

根據(jù)所提算法獲取的某車型靜態(tài)點火工況下動力總成運動姿態(tài)如圖8和圖9所示。在點火過程中，動總的垂向運動和繞軸的傾覆運動占主要成分。在整車調(diào)校中，通過抑制以上兩自由度運動能夠有效地讓動總運動快速收斂，可達到改善整車抖動問題的目的。

該車型熄火工況動總6自由度的運動特征如圖10和圖11所示。不同的是整車熄火振動性能主要由動總繞軸的橫擺運動決定。因此在整車熄火抖動調(diào)校策略中，需區(qū)別于點火工況。

綜上所述，所提算法能夠有效地合成出動力總成的質(zhì)心運動特征，為整車各工況調(diào)校提供有力、直觀的數(shù)據(jù)支撐。

圖10 熄火工況動總質(zhì)心平動自由度運動特征

圖11 熄火工況動總質(zhì)心旋轉(zhuǎn)自由度運動特征

3 總結(jié)

本文基于頻域二次積分原理和多點運動合成方法，提出了一種汽車動力總成質(zhì)心運動姿態(tài)監(jiān)測算法。汽車加速竄動工況和靜態(tài)點熄火工況的工程應用表明，所提算法能夠有效并直觀地提供動總剛體運動特征信息。

（1）本算法對加速度信號進行頻域二次積分，同時對超低頻成分置零處理，從而較好地消除傳感器零漂和溫漂的誤差，進一步提高了位移信號的獲取精度。由于算法中低頻置零處理過程中同時濾除去了位移信號的趨勢項，因此所提算法只適用于分析動總剛體運動的波動量特征。

（2）對多測點信號進行運動合成，獲取了動總剛體六自由度運動特征，有效地反映出動總的運動姿態(tài)特征，為整車駕駛性和舒適性調(diào)校提供直觀的數(shù)據(jù)支撐。

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Research on Monitoring Method of Vehicle Powertrain Dynamic Motion Based on Frequency-domain Integration

LANG Chunyan, LI Yongzhuo

( Automobile Research & Development Center of Guangzhou Automobile Group Co., Ltd.,Guangdong Guangzhou 510641 )

The powertrain dynamic motion is the key parameter of the vibration and comfortable perfor- mance of the vehicle. And the conventional acceleration signal characteristics are often unable to characterize the low-frequency motion feature of the powertrain effectively. Based on the principle of the frequency-domain integration and the method of multi-point motion synthesis, an algorithm for monitoring the dynamic motion of the vehicle powertrain is proposed. The algorithm first performs quadratic integration on the acceleration signal in the frequency domain, and then sets the ultra-low frequency components to be zero. These can eliminate the deviation of the sensor zero drift and tempera- ture drift effectively, and improve the calculation accuracy of the displacement signal. Performing the method of motion synthesis on the multi-point signal, the six-degree-of-freedom motion characteristic of a powertrain rigid body is obtained. The applications of the automobile acceleration condition and the key-on/key-off condition shows that the proposed algorithm can obtain the dynamic motion characteris- tic of the rigid body of the vehicle powertrain effectively and intuitively.

Vehicle powertrain; Dynamic motion; Frequency-domain integration; Motion synthesis

A

1671-7988(2022)01-108-05

U461.1

A

1671-7988(2022)01-108-05

CLC NO.: U461.1

郎春艷（1989—），女，碩士，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，研究方向：汽車測試技術(shù)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.025