发动机振动测试技术研究

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 System

Abstract : The vehicle vibration 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, 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 ........................................................................................................................... 3

1.1 本文研究的背景及意义 ......................................................................................... 3

1.2 发动机测试设备发展现状 . ...................................................................................... 3 2 发动机振动测试技术概述 .......................................................................................... 5

2.1 振动测试技术概述 . .................................................................................................. 5

2.1.1 发动机振动分析 ................................................................................................... 5

2.1.2 振动测试技术概述 ............................................................................................... 6

2.2 发动机振动测试参数 . .............................................................................................. 6 3 振动信号的采集与分析方法 ..................................................................................... 8

3.1 测试信号的采集 . ...................................................................................................... 8

3.1.1 模拟信号数字化方法 ........................................................................................... 8

3.1.2 采样定理理论 ....................................................................................................... 8

3.2 试验数据的时域分析方法 . ...................................................................................... 8

3.2.1 时域数据的预处理 . ............................................................................................... 8

3.2.2 数据的数字滤波处理 . ........................................................................................... 9

3.3 傅立叶变换 . .............................................................................................................. 9 4 振动测试系统的组成 .............................................................................................. 11

4.1 振动传感器 . ............................................................................................................ 11

4.1.1 惯性式传感器 . ..................................................................................................... 11

4.1.2 压电式加速度传感器 . ......................................................................................... 11

4.1.3 应变式加速度传感器 . ......................................................................................... 12

4.2 滤波器 . .................................................................................................................... 12

4.3 模数转换（A/D转换） ......................................................................................... 12 结 论 . ...................................................................................................................... 14

参考文献 . ...................................................................................................................... 14

1 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。

国外发动机测试设备厂商主要有：A VL 公司，德国皮尔堡公司、德国申克公司等。其中 A VL 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，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2.1 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的数字信号。如果测量量为加速度信号，需要通过标定变换，将电压值处理成加速度信号。试验中信号干扰会造成试验测试数据与实际结果产生偏差。同时在对信号进行积分时会产生影响结果的趋势项，因此需要对采集到的信号进行预处理以去除趋势项。

各个测物理量的单位和数值都不尽相同，这些数据在采集之后由系统自动形成二进制码，为了便于查看，将具有单位和数值的数据与这些二进制数据联系起

来，叫做标定的变换。标定变化对于不同的传感器有不同的方法，对于电压数据，可以直接乘以传感器的灵敏度，如果采集信号为整型数字量，标定变换是需要先整型数字量转化为电压数字量，再乘以传感器的灵敏度得到物理单位数据。

3.2.2 数据的数字滤波处理

由于在发动机试验中，试验环境较差造成测试信号存在较多干扰，影响测试的准确性。通常采用滤波和屏蔽等措施，对试验数据进行处理，过滤干扰信号，改善采样信号品质。过去对数据进行滤波处理可以通过硬件滤波器实现。数字技术的发展，已经可以实现计算机软件的滤波功能，即数字滤波。数字滤波一般依靠计算机程序，去除采集信号中的干扰和不关心成分，且便于编写和修改，已经成为主流的滤波方法。

3.3 傅立叶变换

傅利叶变换在数学上的基本应用就是将满足一定条件的函数展开为一系列三角函数的线性组合[4]。傅利叶变换在最初是用来作为热处理的解析工具，现在被广泛应用于各个行业，特别是机械行业，并且应用的领域不断扩大。20世纪60年代提出的快速傅利叶变换(FFT)方法，结合现代电子计算机强大的数学运算能力，使得大量信号数据的傅利叶分析成为现实，是一种实用性极强的信号分析方法。

利叶级数是分析周期信号频率成分的算法。设周期信号为：

（3.1）

式中，T 称为信号的周期。那么我们任意截取该信号一段，可以展开为：

式中： （3.2）

T

第 k 阶分量，式（3.1）和（3.2）实现了信号从时域到频域的转变。 2πw k 称为第 k 阶圆频率，而 w 、b k 0 = 则称为基频， a k 为傅利叶级数的

4 振动测试系统的组成

一般的振动测试系统硬件部分主要包括振动传感器，信号调理器，信号采集仪，上位机，如图4.1所示[5]。

图4.1 硬件组成图

4.1 振动传感器

振动传感器是一种能感受机械振动参量(振动位移、速度、加速度等) 并将其转换成可识别信号的传感器，属于一种机电转换装置，是振动测试的关键部件。

4.1.1 惯性式传感器

所谓惯性式传感器，实质上就是一个单自由度有阻尼的弹簧质量系统，利用其强迫振动特性进行振动测量，它包括一个质量块 m ，一组刚度为 k 的弹簧和阻尼 c ，阻尼包括材料内阻尼或人为设置的电磁阻尼、油阻尼等。常用的电磁式传感器和压电式加速度传感器都属于这一类。这种传感器直接固定在被测振动体上，不需要相对固定点。

图4.2为惯性式传感器的结构原理图。单自由度的弹簧质量系统安装在一个刚性外壳里面，可以根据质量块和刚性外壳的相对运动来计算振动体的振动量。

图4.2 惯性式传感器的结构原理图

4.1.2 压电式加速度传感器

压电式加速度传感器是利用某些物质(如石英晶体) 的压电效应，在加速度传感器感受到振动体的振动时，压电元件承受质量块的压力而产生与加速度成正比

例的电压或电荷，实现了由机械信号向电信号的转换。

4.1.3 应变式加速度传感器

应变式加速度传感器属于惯性式传感器，其结构如图4.3所示，主要构造包括基座、应变片、应变梁、质量块、硅油和外壳等。质量块5通过应变梁2连接基座1，应变片6粘贴在应变梁上。外壳4的内部充满硅油3，通过硅油粘度的调节来提供合适的阻尼。

图4.3 应变式加速度传感器结构示意图

4.2 滤波器

传感器采集到的信号除了需要的频率信号外，还有很多高频信号，由采样定理可知，如果信号的频率大于采样频率的 1/2，则在对信号进行时频变换时，信号频谱会出现混叠现象，无法恢复原始的时域信号。所以在采集信号前，要将信号经过低通滤波器进行滤波。

低通滤波器即允许低频信号通过，将高频信号衰减的电路。如图4.3所示为一简单的 RC 滤波电路。

图4.3 RC 滤波电路图

4.3 模数转换（A/D转换）

模数转换（Analog-to-Digital Converters，ADC ）亦称模拟—数字转换，与数/模(D/A)转换相反，将连续的模拟量（如电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。一般情况下，为了保证时变电压的数字化精度，数据采集系统在模数转

换之前会对电压进行采样保持。

数据采集系统中模数转换基本参数是精度（即分辨率）和速度，分辨率用其输出二进制数码的位数来表示。位数越多，量化误差小，分辨力越高，模数转换一般为8位、12位和16位，典型的12位100 KHz模数转换输入范围为-5V 至5V ，满量程数为212，即4096，0位对应2048点。如10V 范围除以4096点，则可知最小有效位幅值为1/212，约为2.44mV ，同样输入范围的16位转换器总点数为216，即65536，最小有效位为1/216，约为153μV 。工作频率通常处于数十Hz 到1MHz 之间。

模数转换有很多类型，比较常见的有 4 种类型：并行转换器，逐次逼近转换器，压频变换型转换器和积分型转换器，其中最常用的为并行转换器和逐次逼近转换器。不同类型的模数转换器的速度、分辨率和精度不同。

结 论

发动机的振动不仅影响其本身工作性能，还会影响汽车驾乘的舒适性。为了解决发动机的振动问题，有必要对发动机进行试验研究，掌握发动机的整体振动状态。

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。具体的实验方案设计及实验的实施还有待深入。

参考文献

[1] 王辉. 直列四缸发动机的振源分析与仿真. 北京:机械工程与自动化,2009.5

[2] 刘成, 颜伏伍. 车用发动机振动测试方法的新进展. 柴油机,2006,28(6)

[3] Hwang S. J. Modeling and simulation of a Power train-vehicle system with

automatic transmission[J].International Journal of Vehicle Design. 2000,23(1): 145-160.

[4] 周林, 殷侠. 数据采集与分析技术[M]. 西安:电子科技大学出版社, 2005

[5] 舒歌群, 高文志, 刘月辉. 动力机械振动与噪声[M]. 天津: 天津大学出版社.

2008