郎春艷，李永焯

基于頻域積分的汽車(chē)動(dòng)力總成運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)方法研究

郎春艷，李永焯

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 510641）

動(dòng)力總成的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)直接影響著汽車(chē)振動(dòng)性能和舒適性能，而常規(guī)的加速度信號(hào)特征往往無(wú)法有效表征出動(dòng)總的低頻運(yùn)動(dòng)特征。文章基于頻域二次積分原理和多點(diǎn)運(yùn)動(dòng)合成方法，提出了一種汽車(chē)動(dòng)力總成質(zhì)心運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)算法。對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行頻域二次積分，同時(shí)對(duì)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(hào)的獲取精度；對(duì)多測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)合成，獲取了動(dòng)總剛體六自由度運(yùn)動(dòng)特征信息。汽車(chē)加速竄動(dòng)工況和靜態(tài)點(diǎn)熄火工況的工程應(yīng)用表明：所提算法能夠有效并直觀地合成出動(dòng)力總成質(zhì)心剛體的運(yùn)動(dòng)特征信息。

汽車(chē)動(dòng)總；運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；頻域積分；運(yùn)動(dòng)合成

前言

隨著消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)高品質(zhì)的需求日益增長(zhǎng)，汽車(chē)振動(dòng)噪聲性能和駕駛舒適性能逐步發(fā)展為汽車(chē)的關(guān)鍵性能。在汽車(chē)研發(fā)過(guò)程中，經(jīng)常存在著整車(chē)低頻縱向竄動(dòng)、橫向抖動(dòng)等問(wèn)題[1-2]。大量的工程實(shí)踐表明，整車(chē)的低頻問(wèn)題與動(dòng)力總成剛體運(yùn)動(dòng)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(hào)特征往往無(wú)法有效表征出動(dòng)總的低頻運(yùn)動(dòng)特征，需要獲取位移信號(hào)作進(jìn)一步表征。

在實(shí)時(shí)信號(hào)測(cè)試中，通過(guò)電渦流傳感器或者應(yīng)力應(yīng)變傳感器獲取位移信號(hào)的方法實(shí)用性不高[6]，且只能獲取動(dòng)總3個(gè)平動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)特征，無(wú)法體現(xiàn)動(dòng)總旋轉(zhuǎn)自由度的運(yùn)動(dòng)特征。而在離線信號(hào)處理中，通過(guò)對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行離線二次積分所獲取的位移信號(hào)往往會(huì)增加傳感器零漂和溫漂誤差，導(dǎo)致信號(hào)可分析性較差[7-8]。

本文基于頻域二次積分原理和多點(diǎn)運(yùn)動(dòng)合成方法，提出了一種汽車(chē)動(dòng)力總成質(zhì)心運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)算法，獲取了動(dòng)總剛體六自由度運(yùn)動(dòng)特征信息，為整車(chē)駕駛舒適性和振動(dòng)噪聲調(diào)教提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 汽車(chē)動(dòng)總運(yùn)動(dòng)六自由度定義

1 動(dòng)總運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)算法

首先，汽車(chē)動(dòng)力總成運(yùn)動(dòng)方向按圖1所示進(jìn)行定義，包括3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，共6個(gè)自由度[9]。其中平動(dòng)自由度分別為沿軸、軸和軸的直線運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)自由度分別為繞軸的翻滾運(yùn)動(dòng)，繞軸的傾覆運(yùn)動(dòng)和繞軸的橫擺運(yùn)動(dòng)。

本文所提的汽車(chē)動(dòng)力總成運(yùn)動(dòng)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(diǎn)關(guān)注的工況，如點(diǎn)火工況、熄火工況、整車(chē)抖動(dòng)工況等，動(dòng)總各懸置主動(dòng)側(cè)的測(cè)試方向定義按照?qǐng)D1所示進(jìn)行定義，采集動(dòng)總各懸置的主動(dòng)側(cè)三方向的加速度振動(dòng)信號(hào)a()、a()和a()，其中=1,2,…,，為動(dòng)總懸置的總數(shù)。

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

（3）按式（1）對(duì)加速度頻譜信號(hào)A()、A()和A()進(jìn)行頻域二次積分，從而獲得各測(cè)點(diǎn)的位移頻域信號(hào)D'()、D'()和D'()。由于對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行二次積分，會(huì)放大信號(hào)的零漂和溫漂誤差，因此需對(duì)位移頻域信號(hào)()的前5條譜線置0處理，從而獲得高精度的位移頻域信號(hào)D()、D()和D()。

()=－4π22() （1）

（4）對(duì)位移頻域信號(hào)D()、D()和D()作傅里葉反變換處理，然后對(duì)其進(jìn)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(dòng)側(cè)的時(shí)域位移信號(hào)d()、d()和d()。

（5）通過(guò)三維模型或者實(shí)測(cè)方法，獲得各懸置主動(dòng)側(cè)測(cè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)（x，y，z）和動(dòng)總質(zhì)心的空間坐標(biāo)（x，y，z），并計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)相對(duì)于動(dòng)總質(zhì)心的空間坐標(biāo)（x，y，z）。

（6）結(jié)合位移信號(hào)和空間坐標(biāo)，計(jì)算動(dòng)總質(zhì)心六自由度的運(yùn)動(dòng)特性。其中向平動(dòng)d()、向平動(dòng)d()和向平動(dòng)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(yùn)動(dòng)分別按式（5）、式（6）和式（7）獲得。

圖2 汽車(chē)動(dòng)總運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)控算法流程圖

2 工程應(yīng)用

2.1 加速竄動(dòng)工況

某四驅(qū)車(chē)型在3擋大油門(mén)負(fù)荷工況加速時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)3 000轉(zhuǎn)～4 500轉(zhuǎn)之間整車(chē)存在較明顯的縱向低頻竄動(dòng)現(xiàn)象，整車(chē)縱向加速度存在約5 Hz的低頻波動(dòng)，波動(dòng)幅值達(dá)0.05 m/s2，如圖3所示。

圖3 整車(chē)縱向加速度特征

經(jīng)調(diào)查，初步懷疑整車(chē)竄動(dòng)問(wèn)題與動(dòng)力總成低頻剛體運(yùn)動(dòng)相關(guān)。對(duì)動(dòng)力總成左懸、右懸和后懸三個(gè)懸置主動(dòng)側(cè)進(jìn)行加速度振動(dòng)信號(hào)采集，如圖4所示。各懸置的加速度信號(hào)無(wú)法直觀地反映出動(dòng)總運(yùn)動(dòng)與竄動(dòng)問(wèn)題的關(guān)聯(lián)性。

圖4 大負(fù)荷加速工況各懸置主動(dòng)側(cè)垂向振動(dòng)特征

根據(jù)本文所提的汽車(chē)動(dòng)力總成運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)控算法，對(duì)各懸置主動(dòng)振動(dòng)信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行合成，問(wèn)題工況下的動(dòng)總6自由度運(yùn)動(dòng)特征如圖5和圖6所示。經(jīng)對(duì)比分析可知，動(dòng)力總成沿向的垂向平動(dòng)和繞軸傾覆運(yùn)動(dòng)均存在與整車(chē)竄動(dòng)頻率相同的波動(dòng)現(xiàn)象，且波動(dòng)幅值比其他自由度的偏大。

圖5 大負(fù)荷加速工況動(dòng)總質(zhì)心平動(dòng)自由度運(yùn)動(dòng)特征

結(jié)合中負(fù)荷加速整車(chē)基本無(wú)竄動(dòng)問(wèn)題的動(dòng)總運(yùn)動(dòng)特征可知（圖7），動(dòng)總的向運(yùn)動(dòng)和繞軸的傾覆運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致整車(chē)加速竄動(dòng)問(wèn)題的主要原因。通過(guò)軟硬件手段抑制以上兩自由度的運(yùn)動(dòng)能夠有效改善整車(chē)低頻竄動(dòng)問(wèn)題。

圖6 大負(fù)荷加速工況動(dòng)總質(zhì)心旋轉(zhuǎn)自由度方向運(yùn)動(dòng)特征

圖7 整車(chē)中負(fù)荷加速工況動(dòng)總質(zhì)心關(guān)鍵自由度運(yùn)動(dòng)特征

圖8 靜態(tài)點(diǎn)火工況動(dòng)總質(zhì)心平動(dòng)自由度運(yùn)動(dòng)特征

2.2 點(diǎn)熄火抖動(dòng)工況

大量工程研究表明：在整車(chē)點(diǎn)火和熄火工況，整車(chē)抖動(dòng)水平與動(dòng)總的剛體運(yùn)動(dòng)特征呈較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性[10-11]。

圖9 靜態(tài)點(diǎn)火工況動(dòng)總質(zhì)心旋轉(zhuǎn)自由度運(yùn)動(dòng)特征

根據(jù)所提算法獲取的某車(chē)型靜態(tài)點(diǎn)火工況下動(dòng)力總成運(yùn)動(dòng)姿態(tài)如圖8和圖9所示。在點(diǎn)火過(guò)程中，動(dòng)總的垂向運(yùn)動(dòng)和繞軸的傾覆運(yùn)動(dòng)占主要成分。在整車(chē)調(diào)校中，通過(guò)抑制以上兩自由度運(yùn)動(dòng)能夠有效地讓動(dòng)總運(yùn)動(dòng)快速收斂，可達(dá)到改善整車(chē)抖動(dòng)問(wèn)題的目的。

該車(chē)型熄火工況動(dòng)總6自由度的運(yùn)動(dòng)特征如圖10和圖11所示。不同的是整車(chē)熄火振動(dòng)性能主要由動(dòng)總繞軸的橫擺運(yùn)動(dòng)決定。因此在整車(chē)熄火抖動(dòng)調(diào)校策略中，需區(qū)別于點(diǎn)火工況。

綜上所述，所提算法能夠有效地合成出動(dòng)力總成的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)特征，為整車(chē)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(dòng)總質(zhì)心平動(dòng)自由度運(yùn)動(dòng)特征

圖11 熄火工況動(dòng)總質(zhì)心旋轉(zhuǎn)自由度運(yùn)動(dòng)特征

3 總結(jié)

本文基于頻域二次積分原理和多點(diǎn)運(yùn)動(dòng)合成方法，提出了一種汽車(chē)動(dòng)力總成質(zhì)心運(yùn)動(dòng)姿態(tài)監(jiān)測(cè)算法。汽車(chē)加速竄動(dòng)工況和靜態(tài)點(diǎn)熄火工況的工程應(yīng)用表明，所提算法能夠有效并直觀地提供動(dòng)總剛體運(yùn)動(dòng)特征信息。

（1）本算法對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行頻域二次積分，同時(shí)對(duì)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(jìn)一步提高了位移信號(hào)的獲取精度。由于算法中低頻置零處理過(guò)程中同時(shí)濾除去了位移信號(hào)的趨勢(shì)項(xiàng)，因此所提算法只適用于分析動(dòng)總剛體運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)量特征。

（2）對(duì)多測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)合成，獲取了動(dòng)總剛體六自由度運(yùn)動(dòng)特征，有效地反映出動(dòng)總的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)特征，為整車(chē)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(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，研究方向：汽車(chē)測(cè)試技術(shù)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.025