CN103354879B - 用于车辆驱动系中的扭振减振器的诊断方法 - Google Patents

Abstract

一种用于车辆驱动系中的扭振减振器的诊断方法，包括如下步骤：提供驱动系(1)，该驱动系带有用于产生驱动扭矩的驱动机构(5)特别是内燃机、与驱动机构(5)耦接的用于把驱动扭矩传递到从动轴(9)上的驱动轴(6)特别是曲轴、与驱动轴(6)连接的用于对驱动轴(6)的扭振进行减振的扭振减振器(19)；在参考状态下检测驱动轴(6)的参考振动信号(N_ref；N′_ref)；在与参考状态不同的运行状态下检测驱动轴(6)的运行振动信号(N_B；N′_B)；对参考振动信号(N_ref；N′_ref)与运行振动信号(N_B；N′_B)进行比较。

Description

用于车辆驱动系中的扭振减振器的诊断方法

本发明涉及一种用于车辆驱动系中的扭振减振器的诊断方法。

内燃机往往在曲轴形式的驱动轴的自由端上具有扭转振动减振器，下面简称为扭振减振器。扭振减振器用于减小驱动轴的并非所愿的扭振。扭振减振器失灵会导致驱动轴损毁。扭振减振器因而用于吸收驱动系的进而吸收驱动轴的扭振能量。由于扭振减振器持久地受到负荷，会出现干扰，这些干扰会不利地影响扭振减振器的减振特性。所述干扰既可能突然出现，又可能在扭振减振器的寿命期间缓慢地出现。

因此，本发明的目的在于，提出一种用于诊断扭振减振器的方法，该方法能实现以较小的代价可靠地监视扭振减振器。

该目的通过—种具有权利要求1的特征的方法得以实现。根据本发明认识到，可以对扭振减振器进行诊断，其方式为，基于在参考状态下驱动轴的所检测的参考振动信号和在与参考状态不同的运行状态下驱动轴的所检测的运行振动信号，对参考振动信号与运行振动信号的比较即可实现诊断扭振减振器。为此提供有驱动系，其带有用于产生驱动扭矩的驱动机构，其中，该驱动机构可以是内燃机。驱动系还包括与驱动机构耦接的驱动轴，用于把驱动扭矩传递到从动轴上。驱动轴优选可以是曲轴。驱动系还包括与驱动轴连接的扭振减振器，用于对驱动轴的扭振进行减振。

在根据权利要求2的方法中，在参考状态和运行状态下把转速信号用作振动信号，这能实现直接监视驱动轴的振动特性。驱动轴振动特性的变化直接影响到转速信号。其原因是，扭振减振器的减振特性进而驱动轴的振动特性主要取决于扭振减振器的惯性矩。因此，扭振减振器出现干扰会引起位于扭振减振器上的驱动轴的机械参数发生变化，从而机械参数的变化影响驱动轴的进而影响驱动系的振动特性。

在根据权利要求3的方法中，信号分析能实现通过在频域内评价经变换的转速信号来有效地获取信息。由此可以从驱动轴的至少一个发动机级次提取幅度。在此特别是已表明尤为有益的是，分析较低的发动机级次，即比点火级次小的级次(Ordnung)。例如对于直列式六气缸发动机而言，选取第1.5发动机级次对扭振减振器的参数变化反应特别灵敏，因而特别适合于分析经变换的振动信号。

在根据权利要求4的方法中，信号分析能实现直接、可靠且并不繁琐地诊断扭振减振器。可以在频率分析时直接评价驱动轴的所提取的发动机级次的幅度信号。

根据权利要求5的利用幅度总值的方法能实现提供参考特征值并改善灵敏度，从而已经早早地识别到驱动轴的振动特性的微小偏差，进而早早地识别到扭振减振器的干扰。

根据权利要求6的方法能实现获取驱动轴的非失真的初始的振动特性。

采用根据权利要求7的方法直接地并不繁琐地相互比较幅度值。这种比较可以在汽车中本来就有的控制单元内进行，从而对于本发明的方法来说无需额外的监视/调节单元。

根据权利要求8的方法能实现推断出驱动轴的振动特性，进而推断出扭振减振器的减振特性。

由于减振特性发生改变，可以预计扭振减振器有可能出了故障，根据权利要求9的方法对此及时地发布报警。因而可以实现在扭振减振器发生故障并由此引起损坏特别是不可修复的损坏之前更换该扭振减振器。根据所用的扭振弹簧和在车辆中的应用，即根据内燃机，可以调节幅度差的可预定的无法范围。在持续运行中高于或低于误差范围将被识别为扭振减振器干扰的提示。及时地更换扭振减振器，就能特别是避免驱动轴的断裂。因此，这种方法提供了基于对驱动轴的至少一个发动机级次的评价的防护措施。

根据权利要求10的方法提供了用于所存储的振动信号参考特征值的改善的数据基础。由此可以实现使得诊断方法更好地特别是大范围地应用于重要的发动机转速，尤其可应用于内燃机的整个转速范围，这是因为参考振动信号通常与发动机转速有关。由此可以实现针对一定的给定驱动转速选取与所测得的运行振动信号相应的参考振动信号并相互比较。由此在整体上改善信号比较的精确度，进而改善诊断方法的精确度和可靠性。

根据权利要求11的方法导致提高参考特征值的可靠性。对所选取的给定驱动转速的多个参考值求平均，由此实现较大的统计可靠性。在此，对参考值的求平均要么在时域内或角度范围内进行，也就是说，在执行频率分析之前进行，要么在角度-频率范围内进行，也就是说，在执行完频率分析之后进行。

根据权利要求12的方法简化了对参考振动信号和运行振动信号的检测，这是因为，对于检测振动信号来说不必强制地遵守转速恒定的条件。因此，这将有问题，因为往往只有在有限长度的信号区段内才能满足转速恒定，这是由于例如因空气阻力、车行道下降或上升或者因类似的外部影响致使驱动转速不恒定。若按计划检测例如20个彼此相继的恒定的参考振动信号，检测这种周期将会耗费时间，进而成本高昂。考虑到趋势拟合就可以实现即便如此也能以高精度检测振动信号，其方式为，基于在一定程度上恒定的信号进行频率分析，该信号通过在数字测量信号中拟合测量信号趋势来产生。由此可以实现拟合下降的或上升的转速趋势。通过对测量信号趋势的确定和拟合，可以进行频率分析，而无论实际测量信号恒定与否。相应地，可以在内燃机的任意状态下进行频率分析，而不会由此影响到所获取的信息的准确性。例如可以补偿测量信号中的干扰性的基本趋势，由此进行趋势拟合，从而基本趋势不会长久地影响到频率分析。由此产生的在一定程度上恒定的信号清除掉了趋势，其中，可能残留的在拟合测量信号趋势时因不精确引起的非恒定的部分可被分离出去，从而该部分基本上不会影响到通过频率分析得到的信息的准确性。

根据权利要求13的方法，把扭振减振器布置在驱动轴上，由此特别有效地对驱动轴的扭振进行减振。在驱动轴的自由端上会出现比较大的扭振幅度。把扭振减振器布置在驱动轴的自由端上，就能特别有效地抑制这种振动幅度。相应地，扭振减振器的减振特性的变化对驱动轴的振动特性有特别明显的影响。

实施根据权利要求14的方法即可实现检测基本上不受各个气缸影响的参考振动信号。使得驱动机构在推力运行中不点火，由此可以推断出与气缸有关的喷射特性对转速信号的影响。在推力运行中，基本上能看到驱动轴机械在转速信号中的影响。替代地也可以在点火运行中应用所述方法，其中要确保喷射特性不会对所检测的信号造成不利影响。

根据权利要求15的方法进行振动补偿，由此能实现在驱动机构与驱动轴上的离合器之间减小旋转振动。

本发明的其它优点和特征可由参照附图对本发明的多个实施例的如下说明得到。其中：

图1为带有扭振减振器的汽车驱动系的示意图；

图2为根据图1的内燃机的放大的原理图；

图3以角度范围示意性地示出参考振动信号和工作振动信号；

图4以角度范围示出根据图3的振动信号的第1.5发动机级次的变化曲线；

图5示出第1.5发动机级次的被提取的幅度值及由此算得的幅度差和该幅度差的误差范围；和

图6示出不同发动机级次的被提取的幅度值及由此算得的经加权的幅度总值。

下面参照图1和2详述用于实施本发明的诊断方法的汽车驱动系1。驱动系1具有离合器2，该离合器把驱动系1分成驱动侧3和从动侧4。驱动侧3包括内燃机形式的驱动机构5，该驱动机构通过曲轴形式的驱动轴6与驱动侧的第一离合器部件7连接。

在从动侧4，驱动系1包括从动侧的第二离合器部件8，该离合器部件通过从动轴9和集成到该从动轴上的变速器10与差速器11连接。差速器11又通过车轮轴12与驱动车轮13连接。

离合器部件7和8可彼此相对移动，从而它们在离合器2的断开状态下并不相互贴靠，而在离合器2的接通状态下相互贴靠，由此可借助离合器2把扭矩从驱动侧3传递至从动侧4。离合器部件7、8优选是离合器盘片或盘片组。为了使得第一离合器部件7贴靠到第二离合器部件8上，可以设置有未示出的离合器促动器，该离合器促动器为液压式设计且和借助油形式的流体予以操纵。离合器促动器可以包括活塞-气缸单元，其带有气缸和在该气缸中引导的活塞。在此，活塞可以作用到第一离合器部件7上，其中，气缸可以形成压力腔，该压力腔在一侧受可轴向移动的活塞限定。替代地，离合器2也可以采用电动方式来操纵。

内燃机5具有发动机组14，该发动机组带有多个气缸15和一个喷射系统16。该喷射系统16针对每个气缸15都包括用于喷射燃油18的喷射单元17。如图2中所示，内燃机5具有六个气缸15，从而气缸数Z＝6。内燃机5既可以自动点火，又可以是非自动点火的内燃机5。曲轴6设置在发动机组14的内部，并在两侧从该发动机组中伸出。为了把燃油18的在气缸15中释放的能量转换成旋转运动，曲轴6与未详细示出的气缸活塞连接。

在曲轴6的从发动机组14伸出的自由端23上设置有扭振减振器19。该扭振减振器19用于对因气缸活塞撞击式地把力传递到曲轴6上引起的曲轴6的扭振能量进行减振，从而短暂地产生扭矩尖峰，扭矩尖峰例如在变速器10中会导致引起噪声和磨损。扭振还使得曲轴6扭转，从而特别是由于持久的负荷会使得曲轴6出现扭转断裂。扭振减振器19是所谓的黏性减振器，其中，采用本发明的诊断方法也可以监视扭振减振器的其它的构造方式。扭振减振器19包括静止的一次质量，该一次质量由发动机组14的壳体20构成。还设置有飞轮环21形式的二次质量。在飞轮环21与壳体20之间设置有弹性部件22，该弹性部件把壳体20与飞轮环21相互耦接起来。弹性部件22是弹性体，例如橡胶或生胶，其中，可以替代地使用其它有良好减振特性的材料，比如硅树脂、油，或者使用螺旋盘形弹簧作为弹性部件。在与弹性部件22相对的一侧，曲轴6的自由端23与飞轮环21牢固地连接。

在曲轴6的与自由端23相对地布置的端部34上，设置有用于测量曲轴6的转速的传感轮24。端部34也称为固定端，这是因为它通过离合器2与从动轴9和变速器10牢固地连接。与自由端23相反，固定端34不能自由振动。

为了获知转速，与曲轴6的转速信号N相应地，传感轮24具有等间距的角度标记25。这些角度标记25具有标记间距ΔW，该标记间距例如相当于曲轴转动6°或10°。角度标记25例如可以由孔眼或齿形成。与传感轮24相邻地设置有传感器比如感应式传感器26，其适合于探测传感轮24上的标记25。利用传感轮24来确定转速信号N，这一方面能实现特别稳健地有效地求取测量信号，另一方面能实现并不繁琐地进而成本低廉地提供转速信号N，这是因为驱动系1上的传感轮24本来就被设置用于求取转速以进行发动机控制。因此，对于实施所述方法来说，无需额外的用于求取曲轴6的转速的组件和构件。

传感器26和喷射单元17与控制单元27信号连接，用于求取曲轴6的转速信号N和用于控制内燃机5。控制单元27包括信号采样单元28、信号预处理单元29、变换单元30和调节与探测单元31。控制单元27还具有和显示单元33信号连接的比较与评价单元32。

同样在曲轴6的固定端34上，即在内燃机5的背离扭振减振器19的一侧，设置有飞轮35作为蓄能器。该飞轮35用于补偿曲轴6上的转速波动，以便特别是改善曲轴6的安静运转。飞轮35能够吸收转速尖峰，所述转速尖峰会在两个通过减振部件比如螺旋弹簧和/或齿轮相互连接的回转质量之间出现。在图1和2中示意性地示出的飞轮35是一种双质量飞轮，即分成两部分。在此，第一部分通过曲轴6与内燃机5连接。第二部分通过曲轴6与离合器2连接，进而与变速器10连接。第二部分能实现避免在变速器10中和在曲轴6的位于飞轮35与离合器2之间的区段中出现共振。

传感轮24直接设置在双质量飞轮35的第二部分上，并抗扭地与该部分连接，由此，例如相比于未过滤的附带有转速波动的转速信号N，利用传感轮24获知的转速信号N受到较小的过程波动。飞轮35还适合于在转速小的情况下把蓄存在弹性部件中的能量输出给曲轴6，进而有助于改善转速信号N的恒定性。把传感轮24与飞轮35一起设置在曲轴6的固定端34上，由此改善对转速信号N的检测。

下面详细介绍用于扭振减振器19的诊断方法。把角度标记25的由传感器26获知的探测信号传递至信号采样单元28。在内燃机1的工作中，借助信号采样单元28把在传感轮24的探测到的角度标记28之间的时间不断地换算成曲轴6的数字的转速信号N。然后把转速信号N输送给信号预处理单元29，在该信号预处理单元中借助所存储的校正值对传感轮24的机械上的制造误差进行校正。机械上的制造误差例如是角度标记25的不相等的间距。在传感轮24上例如以6°或10°的曲轴转角设置角度标记25，由此使得转速信号N离散，并以6°或10°的曲轴转角间距具有采样值。也可以考虑采用具有任意数量的角度标记25的传感轮，其中，角度标记的数量应适当地选取，从而满足采样定律，即满足：

fs＞2·BW，

其中，fs是采样频率，BW是测量信号的带宽。为了产生由转速信号N产生在一定程度上静止的信号N′，把该转速信号输送给未示出的设置在控制单元27中的趋势拟合单元。该趋势拟合单元用于确定转速信号N的测量信号趋势。转速信号N例如可以在第一个静止的部分之后具有非静止的下降的部分。测量信号趋势在趋势拟合单元中通过一阶拟合多项式即直线予以近似。为此观察评价窗口，其逐步地移动一个步距。相应的评价窗口的起始点相当于各有关工作循环的开始，其中，步距以及评价窗口的评价窗口长度恰好等于一个工作循环。内燃机5的一个工作循环相当于曲轴转动720°。相应地，转速信号N在每个工作循环中都用一个拟合多项式予以近似。

通过对用拟合多项式表示的测量信号趋势的拟合，由转速信号N产生在一定程度上静止的信号N′。为了产生在一定程度上静止的信号N′，求取转速信号N与拟合多项式之间的差。所述差求取沿着一定的信号长度进行，从而使得用于后续频率分析的分析窗口充满静止的信号N′。该分析窗口可以具有三个工作循环的分析窗口长度，因而大于评价窗口长度。

为了实施本发明的用于扭振减振器19的诊断方法，首先使得内燃机5在参考状态下工作，其中，对静止的参考转速信号N_ref或者对通过趋势拟合得到的在一定程度上静止的参考转速信号N′_ref进行检测，如上所述。单纯地出于简明的原因，将仅仅参照静止的参考转速信号N_ref(简称为参考转速信号N_ref)来阐述后续方法。但该方法也可以相应地应用于一定程度上静止的参考转速信号N′_ref。优选在曲轴6的新状态下对参考转速信号N_ref进行检测，因为这样一来，曲轴6的振动特性不会失真。接下来，把参考转速信号N_ref变换至频域，其中，在需要情况下可以进行趋势拟合。

优选在内燃机5的推力运行中对参考转速信号N_ref进行检测，也就是说，内燃机5并不发生点火。由此实现推断出各个气缸对转速信号的影响，这些气缸可以具有各种不同的喷射特性。在推力运行中，基本上只能看到曲轴机械在参考转速信号N_ref中的影响。

在图3中，与曲轴转角相关地在时域内或者以角度范围示意性地示出参考转速信号N_ref(实线)和运行转速信号N_B(虚线)。基于转速信号N_ref、N_B的用恒定的发动机转速N₀表示的共同的直线分量，波峰表示内燃机5的六个气缸的振动。运行转速信号N_B的波峰高于参考转速信号N_ref的波峰，也就是说，从参考状态起，在运行状态下利用扭振减振器19对扭转进行的减振有所减小。由图3还可得知，内燃机5的一个工作循环相当于曲轴转动720°。

接下来把转速信号N_ref、N_B输送给变换单元30并变换至角度-频率范围。这种变换例如借助离散傅里叶变换(DFT)来进行。替代地，这种变换也可以借助离散哈特利变换(DHT)来进行。相比于DFT，DHT提供的优点是，可以仅通过实数运算进行计算。由这种变换分别得到被输送给调节与探测单元31的转速信号N_ref、N_B的频谱。然后，在该调节与探测单元中分别对相应的频谱进行频率分析，其中将得到关于曲轴6的转速特性进而关于扭振减振器19的减振特性的准确信息。通过频率分析，特别是通过DFT或DHT，可以分析曲轴6的转速信号，并提取发动机级次，特别是对于直列式六气缸发动机而言提取第1.5发动机级次。

经变换的转速信号N_ref、N_B的第1.5发动机级次的幅度A_ref、A_B在图4中与曲轴转角相关地示出。相应的幅度值A_ref、A_B直接由DFT或DHT得到。

接下来把经变换的转速信号N_ref、N_B传递至比较与评价单元32，用于提取幅度值A_ref、A_B。首先对第1.5发动机级次的两个幅度值A_ref、A_B进行比较，通过求得差，用幅度差ΔA来表示这种比较，其中：

ΔA＝A_ref-A_B。

也可以采用其它方式，例如通过求取商，或者采用其它由信号分析领域已知的方法对幅度A_fef、A_B进行比较。由对幅度A_ref、A_B的比较得到的幅度差ΔA在图5中结合预定的可调的误差范围TB示出。根据图5的误差范围关于参考幅度A_ref对称地布置，从而根据所示设计，相比于参考幅度A_ref无论提高的还是减小的运行幅度A_B，基本上都可以位于误差范围TB内。也可以根据应用情况考虑把误差范围TB仅设置在参考幅度A_ref之上或之下。根据图5，幅度差ΔA位于误差范围内。

一旦幅度差ΔA偏离了预定的误差范围TB，比较与评价单元32就会引发被传递至显示单元33的报警信号。显示单元33例如可以在汽车仪表区域中设计成指示灯的形式。也可以考虑把相应的记录存储在汽车的故障存储器中，从而该记录在例行检查汽车时例如登记在发动机试验台上。故障存储器中的该记录例如可以关系到打算在哪个时段检查故障存储器，即关系到将在何时对汽车进行下一次检查。也可以考虑把误差范围TB例如设计成两级，即确定一个内部的误差范围和一个比内部误差范围大的外部的误差范围。只要幅度差ΔA位于内部的误差范围内，就不会有报警信号从控制单元27传递至显示单元33。只要幅度差ΔA离开了内部的误差范围而处于外部的误差范围内，就有报警信号以警报的形式传递至显示单元33，从而向操作者警告：扭振减振器19在不远的将来可能会失灵，由此可能会产生损坏。在第二级中，如果幅度差ΔA离开了外部的误差范围，就把停止信号作为报警信号传递至显示单元33。在这种情况下明确地向操作者提示：若内燃机5继续运行，则必定直接估计到扭振减振器19损坏，进而曲轴6损坏。

由于转速信号N_ref、N_B以及相关幅度值与转速有关，所以有利的是，根据给定驱动转速N₀来分析多个参考振动信号N_ref。

此外，如每个测量任务本身那样，由于统计上的波动造成测量不可靠，所以有利的是，针对每个选取的给定驱动转速N_0、i都检测多个参考振动信号N_ref、i并对这些参考振动信号求平均，或者从中提取多个参考幅度A_ref、i并对这些参考幅度求平均。下标i表示不同给定驱动转速N_0、i的计数下标，例如，N_0、1＝6001/min，N_0、2＝15001/min，N_0、3＝2500 1/min，等等。因而接下来可以把参考幅度A_ref、i归总成幅度平均值A_m例如算术平均值。

如上所述，已表明例如对于第1.5级直列式六气缸发动机来说特别适宜的是，检测曲轴6的振动特性变化，进而检测扭振减振器19的减振特性的变化，这是因为，所述级对扭振减振器19的机械减振特性的变化反应特别灵敏。扭振减振器19特别是弹性部件22的损坏导致扭振减振器19的振动特性改变，从而由此产生改变了的振动信号。因而有时可以有益的是，检测不同的发动机级次并提取它们的参考幅度A_ref、j，其中，下标j表示相应的发动机级次。如图6中所示，所提取的参考幅度A_ref、j可以根据A_sun＝∑(A_ref、j·k_j)归总成特别是加权的幅度总值A_sum，其中，k_j是与一定的发动机级次的参考幅度A_ref、j相关的加权系数。

Claims (16)

1.一种用于车辆驱动系中的扭振减振器的诊断方法，包括如下步骤：

a. 提供驱动系（1），该驱动系带有

　i. 用于产生驱动扭矩的驱动机构（5），包括内燃机，

　ii. 与驱动机构（5）耦接的用于把驱动扭矩传递到从动轴（9）上的驱动轴（6），包括曲轴，和

　iii. 与驱动轴（6）连接的用于对驱动轴（6）的扭振进行减振的扭振减振器（19）；

b. 在参考状态下检测驱动轴（6）的参考振动信号（N_ref；N'_ref）；

c. 在与参考状态不同的运行状态下检测驱动轴（6）的运行振动信号（N_B；N'_B）；

d. 对参考振动信号（N_ref；N'_ref）与运行振动信号（N_B；N'_B）进行比较。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，振动信号是驱动轴（6）的转速信号（N_ref、N'_ref；N_B、N'_B）。

3.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在对参考振动信号（N_ref；N'_ref）与运行振动信号（N_B；N'_B）进行比较之前，把振动信号（N_ref、N_B；N'_ref、 N'_B）变换至频域，用于提取驱动轴（6）的至少一个发动机级次的幅度（A_ref；A_B）。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，对所提取的发动机级次的幅度（A_ref、A_B）进行比较。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，特别是对所提取的不同发动机级次的幅度总值（A_sum）进行加权，作为参考幅度值（A_ref）。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，把驱动轴（6）的新状态用作参考状态。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，求得幅度差（⊿A），作为参考幅度（A_ref）与运行幅度（A_B）的差，由此对幅度（A_ref、A_B）进行比较。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，对幅度差（⊿A）进行评价。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在超过幅度差（⊿A）的可预定的误差范围（TB）时，更换扭振减振器（19）。

10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，根据给定驱动转速（N₀）检测多个参考振动信号（N_ref；N'_ref）。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，针对所选取的给定驱动转速（N₀）和所选取的发动机级次，对多个参考值（N_ref；N'_ref；A_ref）进行求平均。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在检测参考振动信号（N_ref；N'_ref）时考虑趋势拟合。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，把扭振减振器（19）布置在驱动轴（6）的自由端（23）上。

14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在推力运行中对至少一个振动信号（N_ref；N_B；N'_ref、 N'_B）进行检测。

15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，借助安置在驱动轴（6）的固定端（34）上的飞轮（35）作为蓄能器，对驱动轴（6）的扭振进行补偿。

16.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少一个发动机级次是第1.5发动机级次。