CN103439119A - 一种车辆产品机械装配的动态故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种车辆产品机械装配的动态故障诊断方法，界定车辆的装配部件及其之间的J个装配耦合联结点；在装配部件装配前、后分别激振测试一系列动态“激励-响应”频率响应函数(FRF)谱，计算各装配传递环节的路径贡献及其平方和开方值SRSS；通过比较优等动态质量样车的SRSS₀与待诊断车辆产品所关注的“二级装配部件”的SRSS之间的差值，由差值的绝对值Δ的大小对该车辆二级部件的各装配耦合联结位置的动态质量予以评判，总体Δ值小者可判定为优良、反之为低劣。在对全部装配耦合联结位置的动态质量评判后，则该车辆产品所选定的二级部件的装配动态故障可被有效地予以诊断。本发明的方法，能直接测试并诊断车辆产品机械装配本身的动态故障，进而为整车的动态质量保证(QA)开辟新的有效技术途径。

Description

一种车辆产品机械装配的动态故障诊断方法

技术领域

本发明涉及车辆产品整车装配的质量控制与保证(QC/QA)领域，具体涉及一种车辆产品机械装配的动态故障诊断方法。

背景技术

车辆产品是由一系列机电零部件组合装配而成，这些零部件的装配质量优劣影响产品整体的静态质量与动态质量水平，各机械装配环节的动态质量尤为关键，直接影响产品的动态质量(车辆振动、噪声与操控稳定性-NVH)水平。

目前，现有与车辆机械装配有关的质量控制与保证(QC/QA)工作主要是根据中华人民共和国汽车行业标准进行一系列静态测试和相对简单的震动、噪声及操控稳定性测试与检验，如“汽车整车产品质量检验评定方法(QC/T900-1997)”、“汽车产品质量检验、整车装配调整和外观评定方法(QCn29008.1-1991)”、“汽车操纵稳定性试验方法(GB/T6323.3/4-1994)”和“汽车车辆噪声测量方法(GB/T18697-2002)”等。其中关于搭载乘客的客车产品，有关行业标准还包括“客车结构安全要求(GB13094-1997)”、“客车骨架应力和形变测量方法(GB/T6792-2009)”、“客车车身CO2气体保护焊焊接质量要求及检验方法(GB12429-1990)”、“卧铺客车结构安全要求(GB/T16887-2008)”和“客车车内噪声限值及测量方法(GB/T25982-2010)”等标准。在车辆装配质量方面基本上属于“静态”检测方法。对于常用的焊接、铆接、粘结及螺栓连接等装配工艺，为达到有关装配精度标准，除了选取合适的工艺方法(互换法、选配法、修配法和调整法等)之外，还依据诸如《零件质量特征表》这类规定准则进行装配位置的基准定位，尽量使装配的几何精度(位置、尺寸与角度)以及结构强度(应力与形变)达到有关标准规定的质量要求。比如，汽车产品的底盘与车身联结的总装主要采用焊装、螺栓联结和粘结等工艺，不仅要进行拧紧力矩、静/动态应力测试，对于主要的焊装装配，还要进行严格的装焊夹具工艺与调试以保证焊装质量，以使汽车产品在行驶中不会发生松脱、异响或形变等现象。然而，在“动态质量”检测方面，除基本的车内噪声与或振动水平测试外，主要集中在模拟道路的振动工况台架测试以及操控稳定性测试，以检测是否存在振摆、抖动或失稳之类的动态质量问题。

为改善车辆产品的动态质量，目前国内外现有NVH方面的研发工作主要集中在设计阶段，采用相对成熟的子结构动态分析技术，包括模态分析、有限元方法、统计能量分析以及相关的结构动力修改技术。它们与计算机技术相结合，构成计算机辅助设计(CAD)的核心技术。相关的计算和测试软件(如ME-Scope、ANSYS/NASTRAN/ABAQUS、Auto-SEA/SEAM、LMS/I-DEAS等)与现有的动态测试分析硬件设备一起构成了车辆产品机械结构系统的动态分析、优化设计与性能测试的关键技术支撑。然而，这些传统的机械结构动力学技术方法多属于“正向”技术，即从已知或测得的部件(子结构)及其装配耦合联结界面的动态特性，综合预测整车的动态质量—“行驶稳定性、车内振动与噪声水平”，多适用于产品的“设计阶段”。前述国家标准的动态检测基本上仅限于简单地转向盘瞬态响应、噪声和振动量级的测试。

同时现有动态故障诊断技术多针对转子或扭力(矩)传递系统展开系统动态响应的测试与评价，主要采用转子动力学与传统的结构动力学方法。对于车辆成品的各装配环节及其动态“力激励-振动与声响应”传递路径的动态质量优劣—动态故障，目前尚无合适的成套动态检测与诊断的技术规范和标准要求。这对于车辆产品由标准零部件在机械装配阶段的动态质量控制或整车成品的动态质量保证，需要寻求有效的技术途径。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种车辆产品机械装配的动态故障诊断方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种车辆产品机械装配的动态故障诊断方法，包含以下顺序的步骤：

（1）界定车辆产品的待装配A部件上的M个动态响应点oa_m(m=1,2,3,…,M)、待装配B部件上的N个外部动态力激励点ib_n(n=1,2,3,…,N)以及A部件、B部件之间的J个机械装配耦合联结点ca_j、cb_j(j=1,2,3,…,J)；

（2）A部件、B部件装配前，分别在A、B部件上的动态响应点、装配耦合联结点和动态力激励点进行动态“激励-响应”激振测试，得到频率响应函数(FRF)谱Hoa_mca_j、Hcb_jib_n、Hca_jca_j和Hcb_jcb_j，它们分别表示“在A部件上第j个装配耦合点激励输入-第m个点响应输出”、“在B部件上第n个点激励输入-第j个装配耦合点响应”、“在A部件上第j个装配耦合点激励输入-第j个装配耦合点响应输出”和“在B部件上第j个装配耦合点激励输入-第j个装配耦合点响应输出”所形成的传递函数(FRF)；

（3）A部件、B部件装配后，在A、B部件的机械装配耦合联结点进行动态“激励-响应”激振测试，得到的FRF谱Hsca_jca_j、Hsca_jcb_j和Hscb_jcb_j,它们分别表示“在A部件上第j个装配耦合点激励输入-第j个点响应输出”、“在B部件上第j个装配耦合点激励输入-A部件上第j个装配耦合点响应输出”和“在B部件上第j个装配耦合点激励输入-第j个装配耦合点响应输出”所形成的传递函数，其中‘s’代表装配耦合联结状态；

（4）由直接逆子结构动态分析方法，分析计算A部件、B部件之间的装配耦合动刚度为K_d，J个装配耦合联结点处的耦合联结动刚度K_dj构成一个J×J的复数矩阵[K_d]由下式计算：

[K_d]=([Hsca_jca_j][Hsca_jcb_j]^-T[Hscb_jcb_j]-[Hsca_jcb_j])^-1，

第j个装配耦合联结点的刚度系数C_jj由下式计算：

C_jj=(Hca_jca_j+Hcb_jcb_j+K_djj ^-1)^-1，

其中，K_djj是[K_d]的第j个对角元素，上述二式中，“-1”表示矩阵求逆或求倒数运算，“-T”表示矩阵求逆再转置运算；

（5）从“B部件上的第n个动态力激励输入ib_n”经由“第j个装配耦合联结点cb_j与ca_j”到“A部件上的第m个动态响应输出点oa_m”这个路径的动态“激励-响应”的路径贡献值可由下式计算得到：

PC_m-j-n=Hoa_mca_j×C_jj×Hcb_jib_n；

（6）对各路径所求的PC值先求它们的平方和，再进行开平方根，得到它们的SRSS值；

（7）以国家有关标准甄选的振动、噪声及操控稳定性均优良的优等动态质量的同型号车辆产品作为检测对象，按照步骤（1）～（6）进行检测计算，得到各路径的SRSS₀作为基准值；

（8）对装配动态故障待诊断的车辆产品，按照步骤（1）～（6）进行检测计算，得到各路径的SRSS，对某一特定装配耦合联结，根据相关的绝对差值|SRSS-SRSS₀|的大小综合分析它们的总体差别，判定其装配动态质量的优劣：总体差别较小处，可被诊断为装配动态质量优良，反之则为低劣，在判定所有装配耦合联结的装配动态质量之后，最终确定所关注“二级装配部件”机械装配的动态故障所在。

步骤（5）中，所述的路径贡献值PC_m-j-n，从B部件上N个动态力激励输入点经由J个装配耦合联结点到A部件上M个动态响应点，共计M×J×N个传递环节，对应的路径贡献值有M×J×N个。

步骤（7）中，所述的基准值SRSS₀用下式计算：

${\mathrm{SRSS}}_0=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PC}}_{m-j-n,0}^2\left(f_i\right)},$

其中f_i是第i个频谱频率(Hz),I是上限频率编号。

步骤（8）中，所述的绝对差值|SRSS-SRSS₀|用下式计算：

$\mathrm{\Δ}=|\mathrm{SRSS}-{\mathrm{SRSS}}_0|=|\sqrt{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PC}}_{m-j-n}^2\left(f_i\right)}-\sqrt{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PC}}_{m-j-n,0}^2\left(f_i\right)}|,$

其中f_i是第i个频谱频率(Hz),I是上限频率编号。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、直接针对特定车辆所关注的“二级装配部件”机械装配的动态故障进行检测、计算与诊断，进而判定所关注装配部件机械装配的动态故障所在。所获得的结果可直接用于度量所关注的车辆二级部件之间各装配耦合联结位置在传递外部动态力激励(如发动机与路面激励)到关键部件的动态(振动与或声)响应能力，从而为检测车辆产品的动态质量优劣提供更为直观的装配起因与位置判别、量化动态特性指标和相应的装配动态故障诊断方法。其应用将有助于更为全面地保证车辆产品的机械装配质量水平，可弥补现有的以静态方法为主的装配质量检测和整车动态质量检测的技术缺陷。

2、基于本发明的技术方法，可设计生产一套“车辆装配动态故障”的诊断技术产品系统，包括相关的分析与计算软件。该技术产品系统的设计、生产、制造与销售将独立于被诊断的车辆产品的机械装配生产，可广泛应用于各类机动车辆产品装配生产线或成品的动态质量检测与动态故障诊断中。本发明技术方案的有效实施将为车辆产品在机械装配工艺过程中进行质量控制和质量保证(QC/QA)开辟一条新的技术途径。

附图说明

图1为本发明一种车辆产品机械装配的动态故障诊断方法的流程图；

图2为图1所述方法的步骤（1）中车辆产品A部件的动态响应点、B部件的动态力激励点及A部件、B部件之间的装配耦合联结点的设置示意图；

图3为图1所述方法的步骤（2）、（3）中动态“激励-响应”激振测试，得到频率响应函数(FRF)示意图。

具体实施方式

如图1、2、3，一种车辆产品机械装配的动态故障诊断方法，包含以下顺序的步骤：

（1）界定车辆产品的待装配A部件上的M个动态响应点oa_m(m=1,2,3,…,M)、待装配B部件上的N个外部动态力激励点ib_n(n=1,2,3,…,N)以及A部件、B部件之间的J个机械装配耦合联结点ca_j、cb_j(j=1,2,3,…,J)；

根据该型号车辆产品的结构设计，假定所关注的“二级装配部件”为车身(A部件)与底盘(B部件)，其总装中采用一系列机械装配(焊接、螺栓联结、铆接或粘结)，其中关键装配耦合联结点数为J=8个(左、右侧各4个)；在每个关键装配点附近区域选定和标注“动态力激励”和“振动响应”的测试位置及其编号(j=1,2,…,8)，它们应尽量靠近底盘与车身结合处的联接点区，且便于进行力锤激励操作或安装测振传感器(如加速度计)；另外，在车内驾驶员座椅固定点和乘员室中心空间点分别安装测振传感器和传声器作为A部件响应输出点，标注其编号(m=1,2),在底盘上的4个轮辐中心和发动机3个底座作为B部件外部动态力激励输入点，标注其编号(n=1,2,…,7)；

（2）A部件、B部件装配前，分别在A、B部件上的动态响应点、装配耦合联结点和动态力激励点进行动态“激励-响应”激振测试，得到频率响应函数(FRF)谱Hoa_mca_j（2×8=16个）、Hcb_jib_n（8×8=64个）、Hca_jca_j（8×7=56个）和Hcb_jcb_j（8×8=64个），它们分别表示“在A部件上第j个装配耦合点激励输入-第m个点响应输出”、“在B部件上第n个点激励输入输入-第j个装配耦合点响应输出”、“在A部件上第j个装配耦合点激励输入-第j个装配耦合点响应输出”和“在B部件上第j个装配耦合点激励输入-第j个装配耦合点响应输出”所形成的传递函数(FRF)；

（3）A部件、B部件装配后，在A、B部件的机械装配耦合联结点进行动态“激励-响应”激振测试，得到的FRF谱Hsca_jca_j（8×8=64个）、Hsca_jcb_j（8×8=64个）和Hscb_jcb_j（8×8=64个）,它们分别表示“在A部件上第j个装配耦合点激励输入-第j个点响应输出”、“在B部件上第j个装配耦合点激励输入-A部件上第j个装配耦合点响应输出”和“在B部件上第j个装配耦合点激励输入-第j个装配耦合点响应输出”所形成的FRF，其中‘s’代表装配耦合联结状态；

（4）由直接逆子结构动态分析方法，分析计算A部件、B部件之间的装配耦合动刚度为K_d，J个装配耦合联结点处的耦合联结动刚度K_dj构成一个J×J的复数矩阵[K_d]由下式计算：

[K_d]=([Hsca_jca_j][Hsca_jcb_j]^-T[Hscb_jcb_j]-[Hsca_jcb_j])^-1，

第j个装配耦合联结点的刚度系数C_jj由下式计算：

C_jj=(Hca_jca_j+Hcb_jcb_j+K_djj ^-1)^-1，

其中，K_djj是[K_d]的第j个对角元素，上述二式中，“-1”表示矩阵求逆或求倒数运算，“-T”表示矩阵求逆再转置运算；

（5）从“B部件上的第n个动态力激励输入ib_n”经由“第j个装配耦合联结点cb_j与ca_j”到“A部件上的第m个动态响应输出点oa_m”这个路径的动态“激励-响应”的路径贡献值可由下式计算得到：

PC_m-j-n=Hoa_mca_j×C_jj×Hcb_jib_n，

其中所述的路径贡献值PC_m-j-n，从B部件上N个动态力激励输入点经由J个装配耦合联结点到A部件上M个动态响应点，共计M×J×N个传递环节，对应的路径贡献值有M×J×N个；

（6）对各路径所求的PC值先求它们的平方和，再进行开平方根，得到它们的SRSS值；

（7）以国家有关标准甄选的振动、噪声及操控稳定性均优良的的优等动态质量的同型号车辆产品作为检测对象，按照步骤（1）～（6）进行检测计算，得到各路径的SRSS₀作为基准值，基准值SRSS₀用下式计算：

${\mathrm{SRSS}}_0=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PC}}_{m-j-n,0}^2\left(f_i\right)},$

其中f_i是第i个频谱频率(Hz),I是上限频率编号；

（8）对装配动态故障待检测诊断的车辆产品，按照步骤（1）～（6）进行检测计算，得到各路径的SRSS，对某一特定装配耦合联结，根据相关的绝对差值|SRSS-SRSS₀|的大小综合分析它们的总体差别，判定其装配动态质量的优劣：总体差别较小处，可被诊断为装配动态质量优良，反之则为低劣，在判定所有装配耦合联结的装配动态质量之后，最终确定所关注二级部件机械装配的动态故障所在；其中所述的绝对差值|SRSS-SRSS₀|用下式计算：

$\mathrm{\Δ}=|\mathrm{SRSS}-{\mathrm{SRSS}}_0|=|\sqrt{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PC}}_{m-j-n}^2\left(f_i\right)}-\sqrt{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PC}}_{m-j-n,0}^2\left(f_i\right)}|,$

其中f_i是第i个频谱频率(Hz),I是上限频率编号；

将其与相应的SRSS₀比较，综合分析从N=7个外部动态力激励点经由第j个装配耦合联结到M=2个动态响应点的全部(M×N=)2×7=14个绝对差值Δ的总体大小，对该装配耦合联结予以动态质量评判，总体较小则判定为优良，反之为低劣。在对全部J=8个装配耦合联结评判后，最终诊断出所关注“二级装配部件”机械装配的动态故障所在之处。

本实施例中实施的动态“激励-响应”激振测试可由“力锤—加速度计—多通道信号采集与分析”硬件测试系统来完成，装配动态故障诊断判别指标的计算可由配套编制的专用软件(重复调用同一公式子程序)处理完成。其中，“硬件测试系统”是公知公用的机械结构动力学测试分析系统，主要包括激振用的力锤、振动响应测试用的一组加速度传感器与或声响应测试用的传声器(声级计)、多通道信号采集分析仪(现有国产的有DASP智能信号采集处理系统,16或32通道,国外有LMS、IDEAS等系统)，多通道信号采集分析仪主要由前置信号调节器(如电荷放大器)组、模-数(AD)转换器和配置时频域动态信号读取、分析、显示、输出、打印等功能的配套软件的计算机构成。另外，“专用软件”是按上述公式计算路径贡献值、动刚度及其判别指标的程序模块，可加载或配置到硬件测试分析系统的配套软件中，实现在线或离线完成装配动态故障诊断的计算与分析。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种车辆产品机械装配的动态故障诊断方法，包含以下顺序的步骤：

（1）界定车辆产品的待装配A部件上的M个动态响应点oa_m(m=1,2,3,…,M)、待装配B部件上的N个外部动态力激励点ib_n(n=1,2,3,…,N)以及A部件、B部件之间的J个机械装配耦合联结点ca_j、cb_j(j=1,2,3,…,J)；

（2）A部件、B部件装配前，分别在A、B部件上的动态响应点、装配耦合联结点和动态力激励点进行动态“激励-响应”激振测试，得到频率响应函数(FRF)谱Hoa_mca_j、Hcb_jib_n、Hca_jca_j和Hcb_jcb_j，它们分别表示“在A部件上第j个装配耦合点激励输入-第m个点响应输出”、“在B部件上第n个点激励输入-第j个装配耦合点响应”、“在A部件上第j个装配耦合点激励输入-第j个装配耦合点响应输出”和“在B部件上第j个装配耦合点激励输入-第j个装配耦合点响应输出”所形成的传递函数(FRF)；

（3）A部件、B部件装配后，在A、B部件的机械装配耦合联结点进行动态“激励-响应”激振测试，得到的FRF谱Hsca_jca_j、Hsca_jcb_j和Hscb_jcb_j,它们分别表示“在A部件上第j个装配耦合点激励输入-第j个点响应输出”、“在B部件上第j个装配耦合点激励输入-A部件上第j个装配耦合点响应输出”和“在B部件上第j个装配耦合点激励输入-第j个装配耦合点响应输出”所形成的传递函数，其中‘s’代表装配耦合联结状态；

（4）由直接逆子结构动态分析方法，分析计算A部件、B部件之间的装配耦合动刚度为K_d，J个装配耦合联结点处的耦合联结动刚度K_dj构成一个J×J的复数矩阵[K_d]由下式计算：

[K_d]=([Hsca_jca_j][Hsca_jcb_j]^-T[Hscb_jcb_j]-[Hsca_jcb_j])^-1，

第j个装配耦合联结点的刚度系数C_jj由下式计算：

C_jj=(Hca_jca_j+Hcb_jcb_j+K_djj ^-1)^-1，

其中，K_djj是[K_d]的第j个对角元素，上述二式中，“-1”表示矩阵求逆或求倒数运算，“-T”表示矩阵求逆再转置运算；

（5）从“B部件上的第n个动态力激励输入ib_n”经由“第j个装配耦合联结点cb_j与ca_j”到“A部件上的第m个动态响应输出点oa_m”这个路径的动态“激励-响应”的路径贡献值可由下式计算得到：

PC_m-j-n=Hoa_mca_j×C_jj×Hcb_jib_n；

（6）对各路径所求的PC值先求它们的平方和，再进行开平方根，得到它们的SRSS值；

（7）以国家有关标准甄选的振动、噪声及操控稳定性均优良的优等动态质量的同型号车辆产品作为检测对象，按照步骤（1）～（6）进行检测计算，得到各路径的SRSS₀作为基准值；

（8）对装配动态故障待诊断的车辆产品，按照步骤（1）～（6）进行检测计算，得到各路径的SRSS，对某一特定装配耦合联结，根据相关的绝对差值|SRSS-SRSS₀|的大小综合分析它们的总体差别，判定其装配动态质量的优劣：总体差别较小处，可被诊断为装配动态质量优良，反之则为低劣，在判定所有装配耦合联结的装配动态质量之后，最终确定所关注“二级装配部件”机械装配的动态故障所在。

2.根据权利要求1所述的车辆产品机械装配的动态故障诊断方法，其特征在于，步骤（5）中，所述的路径贡献值PC_m-j-n，从B部件上N个动态力激励输入点经由J个装配耦合联结点到A部件上M个动态响应点，共计M×J×N个传递环节，对应的路径贡献值有M×J×N个。

3.根据权利要求1所述的车辆产品机械装配的动态故障诊断方法，其特征在于，步骤（7）中，所述的基准值SRSS₀用下式计算：

${\mathrm{SRSS}}_0=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PC}}_{m-j-n,0}^2\left(f_i\right)},$

其中f_i是第i个频谱频率(Hz),I是上限频率编号；

步骤（8）中，所述的绝对差值|SRSS-SRSS₀|用下式计算：

$\mathrm{\Δ}=|\mathrm{SRSS}-{\mathrm{SRSS}}_0|=|\sqrt{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PC}}_{m-j-n}^2\left(f_i\right)}-\sqrt{\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{PC}}_{m-j-n,0}^2\left(f_i\right)}|,$

其中f_i是第i个频谱频率(Hz),I是上限频率编号。

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