汽車轉向系統固有頻率測量系統的製作方法

2023-09-17 14:22:35

汽車轉向系統固有頻率測量系統的製作方法
【專利摘要】一種汽車轉向系統固有頻率測量系統。其中，系統主要由激勵系統、測量傳感器和測量分析系統組成；該系統測量加速度傳感器的加速度信號和電磁振蕩器產生激振力信號，判斷是否發生共振，在共振時，激振力信號的頻率則就是轉向系統的固有頻率。本實用新型的系統對於測量人員來說容易掌握並測量準確。
【專利說明】汽車轉向系統固有頻率測量系統【技術領域】
[0001]本發明涉及檢測測量【技術領域】，尤其涉及一種汽車轉向系統固有頻率測量系統。【背景技術】
[0002]汽車轉向系統的振動是駕駛員可以直接感知到的敏感振動，它直接影響整車的操縱穩定性和行駛平順性。研究發現，轉向系統的振動主要是由於汽車在高速行駛的過程中路面的的不平和發動機的怠速激勵造成的，並且在發動機怠速下轉向盤的抖振最為敏感，發動機在怠速的情況下汽車產生的振動是由於活塞往復運動的慣性力造成的，它的振動頻率與發動機的缸數和轉速有關，乘用車發動機怠速轉速一般為700-1000rPm，對於4氣缸的乘用車其激振頻率約為20-35HZ，對於6氣缸的乘用車激振頻率約為35-50HZ。當轉向系統的固有頻率和振動激勵頻率接近時，將會引起轉向盤的過大振動。由於汽車轉向盤和駕駛員的手直接接觸，因此轉向盤 的振動大小必須控制在可以接受的範圍內，否則會引發駕駛員的疲勞，並使汽車舒適性受到影響。所以在設計汽車時，為了避免共振，四缸的乘用車其轉向系統的固有頻率需大於35Hz ;六缸的乘用車其轉向系統的固有頻率需大於50Hz。
[0003]現有汽車轉向測試系統一般都採用力錘激勵法，由於在進行測試和使用力錘時，要進行測試觸發設置，觸發設置的信號源是力錘的力信號，每次的力錘激勵只有達到設定的觸發區域時，系統才會採集並處理數據。另外，由於需要進行多次平均，每次力錘激勵時，需要測試人員保持平穩的力度，每次的激勵不應差別太大，同時還要注意，錘擊時應避免因構件反彈而引起的兩次錘擊。脈衝錘激振雖然簡便有效，但在著力點位置、力的大小、方向的控制方面要有熟練的操作技巧，否則會產生很大的隨機誤差，這對於一般測量人員不容易掌握，而且測試效果也較差。

【發明內容】

[0004]為了解決測試過程中出現的上述技術問題，本發明提出了一種具有固有頻率的汽車轉向系統測量技術方案，該技術方案通過測量轉向系統的固有頻率，判斷其是否在激勵頻率範圍內，以優化轉向系統的振動特性、抑制共振。
[0005]本發明提供了一種汽車轉向系統固有頻率測量系統，該系統主要由激勵系統、測量傳感器和測量分析系統組成:
[0006]其中，
[0007]激勵系統由電磁激振器、電磁振蕩器驅動系統組成；
[0008]測量傳感器採用三向加速度傳感器；
[0009]測量分析系統包括信號調理放大電路、數據採集卡和工控機。
[0010]電磁振蕩器驅動系統主要由PIC單片機、PWM信號發生電路、逆變電路、調幅直流電源和濾波電路組成。該電磁振蕩器驅動系統以Pic單片機為主控單元，結合PWM信號發生電路，採用全橋逆變式功率輸出方式，輸出大電流振蕩方波，經過濾波電路轉變成正弦波，來驅動電磁激振器進行簡諧振動，從而對轉向系統進行振動激勵，使轉向盤獲得一定幅度、頻率的正弦波形式的激振力。
[0011]電磁激振器固定在轉向盤的激勵位置，也就是12點鐘位置。
[0012]七個三向加速度傳感器布置在轉向盤上，其中六個三向加速度傳感器均勻布置在轉向盤的支點上、一個三向加速度傳感器布置在轉向盤中心，分別用於測量每個測點徑向、切向和垂向方向的加速度信號；
[0013]每個三向加速度傳感器的三個輸出管腳Xout、Yout、Zout分別為切向X、徑向Y、垂向Z三個方向上的加速度信號；
[0014]為了提高測量的精度在每個輸出管腳上設置了前置RC濾波器。
[0015]測試分析系統包括信號調理放大電路、數據採集卡和工控機；
[0016]調理放大電路將三向加速度傳感器測量的轉向盤的振動信號進行放大、濾波；
[0017]數據採集卡可以同時採集多個通道的信號，第一通道接收電磁振蕩器產生激振力信號，其他通道分別接收七個測點加速度傳感器三個方向上產生的加速度信號；
[0018]數據採集卡最終將接收的信號傳輸至工控機。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本發明，下面將通過實施例或者現有技術描述中所需要使用的附圖作介紹，顯而易見地，對於本領域技術人員而言，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得的其他附圖。
[0020]圖1為系統組成框圖；
[0021]圖2為激勵系統組成框圖；
[0022]圖3為轉向盤坐標定義圖；
[0023]圖4為轉向盤測點及激勵點的布置；
[0024]圖5為用加速度判別法判斷共振的李薩如圖。
【具體實施方式】
[0025]本測試系統的基本測試原理是通過共振進行測量判斷:當激振力的頻率和系統固有頻率相等時，引起系統共振，共振時振幅和相位都有明顯變化，通過對這兩個參數進行測量，可以判別系統是否發生共振，從而確定出系統的固有頻率。
[0026]下面結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案作進一步詳細闡述。
[0027]本發明的汽車轉向系統固有頻率測試系統主要由激勵系統、測量傳感器和測量分析系統三部分組成。如圖1所示，激勵系統由電磁激振器、電磁振蕩器驅動系統組成；測量傳感器採用三向加速度傳感器；測量分析系統包括信號調理放大電路、數據採集卡和工控機。
[0028]如圖2所示，電磁振蕩器驅動系統主要由PIC單片機、PWM信號發生電路、逆變電路、調幅直流電源和濾波電路組成。該電磁振蕩器驅動系統以PIC單片機為主控單元，結合PWM信號發生電路，採用全橋逆變式功率輸出方式，輸出大電流振蕩方波，經過濾波電路轉變成正弦波，來驅動電磁激振器進行簡諧振動，從而對轉向系統進行振動激勵，使轉向盤獲得一定幅度、頻率的正弦波形式的激振力。
[0029]電磁振蕩器驅動系統輸出電壓與頻率連續可調，其中PIC單片機控制激振力信號的頻率，調幅直流電源控制激振力信號的幅值。驅動系統頻率和幅值穩定可靠，調節靈活，分別在20Hz-1000Hz和2V-5V範圍內連續可調，調節精度分別可達IHz和0.1V。該系統輸出的激振力信號通過數據採集卡傳輸至工控機。
[0030]使用電磁激振器作為轉向系統振動試驗激勵方式，輸出頻帶寬，可以產生20-1000HZ頻率範圍的激勵力信號，克服了普通採用力錘激勵的方式導致的測量頻率範圍較窄以及對測試人員要求較高的缺陷。
[0031]三向加速度傳感器作為測量傳感器，分別測量每個測點徑向、切向和垂向方向的加速度信號。圖3是轉向盤坐標定義圖，其中X對應轉向盤的切向(駕駛員的敏感方向)、Y對應轉向盤的徑向和Z對應轉向盤的垂向(轉向盤進出方向)。
[0032]測試時，首先需要布置測點和激勵點，本發明的汽車轉向系統固有頻率測試系統，確定測點的位置對於測量的精確地起到非常重要的作用，位置的選擇能夠直接影響測試結果的準確性。三向加速度傳感器的數量和位置應該根據轉向盤的輪輻結構確定。因為轉向盤的連接點和剛度變化明顯，三向加速度傳感器應均勻布置在轉向盤的支點上，並保證採集的信號均勻分布於轉向盤的典型位置。因此，三向加速度傳感器應該均勻分布在轉向盤上。本設計以四輪幅轉向盤為例說明三向加速度傳感器位置的選取。如圖4所示，從轉向盤3點鐘位置開始均勻布置6個測點，每個測點間隔60度，圖中分別標記為#1—#6測點，第7個測點#7布置在轉向盤中心。試驗時，電磁激振器固定在轉向盤12點鐘位置。
[0033]具體測試過程中，將電磁激振器固定於轉向盤的激勵位置，如圖4所示，由低到高調節電磁激振器的激振力頻率，採集激勵力信號以及七個三向加速度傳感器的三個方向的振動信號。每個 加速度傳感器的三個輸出管腳Xout、Yout、Zout分別為X、Y、Z三個方向上的加速度信號，為了提高測量的精度在每個輸出管腳上設置了前置RC濾波器。以#1測點X方向的加速度信號為例說明信號分析原理。
[0034]數據採集卡同時採集多個通道的信號，第一通道接收電磁振蕩器產生激振力信號，第二至第二十二通道分別接收七個測點加速度傳感器三個方向上產生的共二十一路加速度信號。電磁振蕩器產生激振力信號輸入至數據採集卡的第一通道，# I測點加速度傳感器產生的X方向加速度信號輸入第二通道，在LabVIEW軟體中設置第一通道為X方向，設置第二通道為y方向，X與y垂直。激振力驅動轉向盤做簡諧振動，X方向的激振力信號與y方向的加速度信號分別為:
[0035]激振力信號為:1p = Ash ?Χ
[0036]其中:?一時間，J一激振力信號的振幅；O —激振力信號的頻率。
[0037]加速度信號為:=sin( GJt-ψ)
[0038]V一轉向盤#1測點X方向加速度，6) 一加速度/[目號頻率，B一加速度/[目號幅值，-X軸信號和I軸信號的相位差。
[0039]相互垂直、不同頻率的振動合成，在示波器上會顯示出複雜的圖形，叫李薩如圖。圖形的形狀和兩個振動的頻率比以及初相位有關。
[0040]本設計通過判斷李薩如圖形狀的變化得到共振頻率，即系統的固有頻率。
[0041]設轉向盤的固有頻率為,當轉向盤發生共振時，ω = φ= π；2 ,即χ軸信號
和y軸信號的相位差為1/2。根據李薩如圖原理可知，兩個相互垂直的頻率相同的正弦振動的合成是橢圓，當?>等於％時，,通過LabVIEW實現的顯示界面中的圖象將是一個正橢圓，當ω'略小於％或略大於％時，即@#2時，圖象為斜橢圓，其變化過
程如圖5所示。因此圖象由斜橢圓變為正橢圓的頻率?)就是轉向盤的固有頻率％。
[0042]不同測點不同方向測得的固有頻率可能不一致，要獲知轉向盤的固有頻率需要在不同的方向做振動測試，同時測量轉向盤多個測點不同方向的振動頻率與振動幅值，最後在某一個方向上振幅最大的測點的頻率為轉向盤在該方向上的固有頻率。上述得到的固有頻率僅為# I測點X方向的固有頻率，其他測點三個方向採集的加速度信號分別輸入採集卡的其他通道，每個通道與X通道設為互相垂直，根據每個通道的信號與X通道輸入信號形成的李薩如圖形的變化情況(如# I測點X方向信號的分析方式)判斷得到不同測點不同方向上的固有頻率。本測量裝置採用七個三向加速度傳感器進行轉向盤固有頻率的測試，根據各個加速度傳感器X、Y、Z三個方向測得的不同的共振頻率及共振時加速度值，每個方向上加速度值最大的測點的共振頻率即為該方向上的固有頻率。通過測試可以推斷對於特定頻率範圍的激勵哪個方向振動最強，該結論對於轉向系統振動特性的優化改進提供了可靠的理論依據。
[0043]測試分析系統包括信號調理放大電路、數據採集卡和工控機。調理放大電路將三向加速度傳感器測量的轉向盤的振動信號進行放大、濾波，然後通過數據採集卡傳輸至工控機，數據採集卡採用NI公司的多通道數據採集卡，如PC1-6224M，可以採集32路信號，軟體由LabVIEW編寫實現採集信號的再現與實時分析。
[0044]本設計採用相位判別法，根據共振時特殊的相位值以及共振前後相位變化規律判斷是否發生共振。在簡諧力激振的情況下，相比幅值判別法，用相位法來判定共振是一種較為敏感的方法，而且共振時的頻率就是系統的無阻尼固有頻率，可以排除阻尼因素的影響。
[0045]以上所述，僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明保護的範圍並不局限於此，任何熟悉本領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可以輕而易舉地想到、變形或者替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以權利要求的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種汽車轉向系統固有頻率測量系統，其特徵在於，該系統主要由激勵系統、測量傳感器和測量分析系統組成: 其中， 激勵系統由電磁激振器、電磁振蕩器驅動系統組成； 測量傳感器採用三向加速度傳感器； 測量分析系統包括信號調理放大電路、數據採集卡和工控機。
2.根據權利要求1所述的固有頻率測量系統，其中， 電磁振蕩器驅動系統主要由PIC單片機、PWM信號發生電路、逆變電路、調幅直流電源和濾波電路組成；該電磁振蕩器驅動系統以PIC單片機為主控單元，結合PWM信號發生電路，採用全橋逆變式功率輸出方式，輸出大電流振蕩方波，經過濾波電路轉變成正弦波，來驅動電磁激振器進行簡諧振動，從而對轉向系統進行振動激勵，使轉向盤獲得一定幅度、頻率的正弦波形式的激振力； 電磁激振器固定在轉向盤的激勵位置，也就是12點鐘位置； 七個三向加速度傳感器布置在轉向盤上，其中六個三向加速度傳感器均勻布置在轉向盤的支點上、一個三向加速度傳感器布置在轉向盤中心，分別用於測量每個測點徑向、切向和垂向方向的加速度信號； 每個三向加速度傳感器的三個輸出管腳Xout、Yout、Zout分別為切向X、徑向Y、垂向Z三個方向上的加速度信號； 為了提高測量的精度在每個輸出管腳上設置了前置RC濾波器； 調理放大電路將三向加速度傳感器測量的轉向盤的振動信號進行放大、濾波； 數據採集卡可以同時採集多個通道的信號，第一通道接收電磁振蕩器產生激振力信號，其他通道分別接收七個測點加速度傳感器三個方向上產生的加速度信號； 數據採集卡最終將接收的信號傳輸至工控機。
【文檔編號】G01H1/14GK203824640SQ201420105837
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年3月7日 優先權日:2014年3月7日
【發明者】高潔, 王亮, 徐樂年, 任來紅, 蘇興明 申請人:山東科技大學