CN103837223A - 汽车转向系统固有频率测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车转向系统固有频率测量系统及在该系统中实现固有频率测量的方法。其中，系统主要由激励系统、测量传感器和测量分析系统组成；该方法测量加速度传感器的加速度信号和电磁振荡器产生激振力信号，判断是否发生共振，在共振时，激振力信号的频率则就是转向系统的固有频率。本发明的系统和方法，对于测量人员来说容易掌握并测量准确。

Description

汽车转向系统固有频率测量系统及方法

技术领域

本发明涉及检测测量技术领域，尤其涉及一种汽车转向系统固有频率测量系统及方法。

背景技术

汽车转向系统的振动是驾驶员可以直接感知到的敏感振动，它直接影响整车的操纵稳定性和行驶平顺性。研究发现，转向系统的振动主要是由于汽车在高速行驶的过程中路面的不平和发动机的怠速激励造成的，并且在发动机怠速下转向盘的抖振最为敏感，发动机在怠速的情况下汽车产生的振动是由于活塞往复运动的惯性力造成的，它的振动频率与发动机的缸数和转速有关，乘用车发动机怠速转速一般为700-1000rPm，对于4气缸的乘用车其激振频率约为20-35Hz，对于6气缸的乘用车激振频率约为35-50Hz。当转向系统的固有频率和振动激励频率接近时，将会引起转向盘的过大振动。由于汽车转向盘和驾驶员的手直接接触，因此转向盘的振动大小必须控制在可以接受的范围内，否则会引发驾驶员的疲劳,并使汽车舒适性受到影响。所以在设计汽车时，为了避免共振，四缸的乘用车其转向系统的固有频率需大于35Hz；六缸的乘用车其转向系统的固有频率需大于50Hz。

现有汽车转向测试系统一般都采用力锤激励法，由于在进行测试和使用力锤时，要进行测试触发设置，触发设置的信号源是力锤的力信号，每次的力锤激励只有达到设定的触发区域时，系统才会采集并处理数据。另外，由于需要进行多次平均，每次力锤激励时，需要测试人员保持平稳的力度，每次的激励不应差别太大，同时还要注意，锤击时应避免因构件反弹而引起的两次锤击。脉冲锤激振虽然简便有效，但在着力点位置、力的大小、方向的控制方面要有熟练的操作技巧，否则会产生很大的随机误差，这对于一般测量人员不容易掌握，而且测试效果也较差。

发明内容

为了解决测试过程中出现的上述技术问题，本发明提出了一种具有固有频率的汽车转向系统测量技术方案，该技术方案通过测量转向系统的固有频率，判断其是否在激励频率范围内，以优化转向系统的振动特性、抑制共振。

本发明提供了一种汽车转向系统固有频率测量系统，该系统主要由激励系统、测量传感器和测量分析系统组成：

其中，

激励系统由电磁激振器、电磁振荡器驱动系统组成；

测量传感器采用三向加速度传感器；

测量分析系统包括信号调理放大电路、数据采集卡和工控机。

电磁振荡器驱动系统主要由PIC单片机、PWM信号发生电路、逆变电路、调幅直流电源和滤波电路组成。该电磁振荡器驱动系统以PIC单片机为主控单元，结合PWM信号发生电路，采用全桥逆变式功率输出方式，输出大电流振荡方波，经过滤波电路转变成正弦波，来驱动电磁激振器进行简谐振动，从而对转向系统进行振动激励，使转向盘获得一定幅度、频率的正弦波形式的激振力。

电磁激振器固定在转向盘的激励位置，也就是12点钟位置。

七个三向加速度传感器布置在转向盘上，其中六个三向加速度传感器均匀布置在转向盘的支点上、一个三向加速度传感器布置在转向盘中心，分别用于测量每个测点径向、切向和垂向方向的加速度信号；

每个三向加速度传感器的三个输出管脚Xout、Yout、Zout分别为切向X、径向Y、垂向Z三个方向上的加速度信号；

为了提高测量的精度在每个输出管脚上设置了前置RC滤波器。

测试分析系统包括信号调理放大电路、数据采集卡和工控机；

调理放大电路将三向加速度传感器测量的转向盘的振动信号进行放大、滤波；

数据采集卡可以同时采集多个通道的信号，第一通道接收电磁振荡器产生激振力信号，其他通道分别接收七个测点加速度传感器三个方向上产生的加速度信号；

数据采集卡最终将接收的信号传输至工控机。

一种在汽车转向系统固有频率测试系统中测量固有频率的方法，该方法包括，

电磁振荡器产生激振力信号输入至数据采集卡的第一通道，一个测点加速度传感器产生的加速度信号输入第二通道，设置第一通道为x方向，设置第二通道为y方向，x与y垂直。激振力驱动转向盘做简谐振动，x方向的激振力信号与y方向的加速度信号分别为：

激振力信号为：                                                

其中：t—时间，A—激振力信号的振幅；

—激振力信号的频率。

加速度信号为：

—转向盘#1测点X方向加速度，

—加速度信号频率，B—加速度信号幅值，

—x轴信号和y轴信号的相位差。

设转向盘的固有频率为

，当

时，转向盘发生共振，即

，频率

即为转向盘的固有频率 。

附图说明

为了更清楚地说明本发明，下面将通过实施例或者现有技术描述中所需要使用的附图作介绍，显而易见地，对于本领域技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得的其他附图。

图1为系统组成框图；

图2为激励系统组成框图；

图3为转向盘坐标定义图；

图4为转向盘测点及激励点的布置；

图5 为用加速度判别法判断共振的李萨如图。

具体实施方式

本测试系统的基本测试原理是通过共振进行测量判断：当激振力的频率和系统固有频率相等时，引起系统共振，共振时振幅和相位都有明显变化，通过对这两个参数进行测量，可以判别系统是否发生共振，从而确定出系统的固有频率。

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细阐述。

本发明的汽车转向系统固有频率测试系统主要由激励系统、测量传感器和测量分析系统三部分组成。如图1所示，激励系统由电磁激振器、电磁振荡器驱动系统组成；测量传感器采用三向加速度传感器；测量分析系统包括信号调理放大电路、数据采集卡和工控机。

如图2所示，电磁振荡器驱动系统主要由PIC单片机、PWM信号发生电路、逆变电路、调幅直流电源和滤波电路组成。该电磁振荡器驱动系统以PIC单片机为主控单元，结合PWM信号发生电路，采用全桥逆变式功率输出方式，输出大电流振荡方波，经过滤波电路转变成正弦波，来驱动电磁激振器进行简谐振动，从而对转向系统进行振动激励，使转向盘获得一定幅度、频率的正弦波形式的激振力。

电磁振荡器驱动系统输出电压与频率连续可调，其中PIC单片机控制激振力信号的频率，调幅直流电源控制激振力信号的幅值。驱动系统频率和幅值稳定可靠，调节灵活，分别在20Hz-1000Hz和2V-5V范围内连续可调，调节精度分别可达1Hz和0.1V。该系统输出的激振力信号通过数据采集卡传输至工控机。

使用电磁激振器作为转向系统振动试验激励方式，输出频带宽，可以产生20-1000Hz频率范围的激励力信号，克服了普通采用力锤激励的方式导致的测量频率范围较窄以及对测试人员要求较高的缺陷。

三向加速度传感器作为测量传感器，分别测量每个测点径向、切向和垂向方向的加速度信号。图3是转向盘坐标定义图，其中X对应转向盘的切向（驾驶员的敏感方向）、Y对应转向盘的径向和Z对应转向盘的垂向（转向盘进出方向）。

测试时，首先需要布置测点和激励点，本发明的汽车转向系统固有频率测试系统，确定测点的位置对于测量的精确地起到非常重要的作用，位置的选择能够直接影响测试结果的准确性。三向加速度传感器的数量和位置应该根据转向盘的轮辐结构确定。因为转向盘的连接点和刚度变化明显，三向加速度传感器应均匀布置在转向盘的支点上，并保证采集的信号均匀分布于转向盘的典型位置。因此，三向加速度传感器应该均匀分布在转向盘上。本设计以四轮幅转向盘为例说明三向加速度传感器位置的选取。如图4所示，从转向盘3点钟位置开始均匀布置6个测点，每个测点间隔60度，图中分别标记为#1—#6测点，第7个测点#7布置在转向盘中心。试验时，电磁激振器固定在转向盘12点钟位置。

具体测试过程中，将电磁激振器固定于转向盘的激励位置，如图4所示，由低到高调节电磁激振器的激振力频率，采集激励力信号以及七个三向加速度传感器的三个方向的振动信号。每个加速度传感器的三个输出管脚Xout、Yout、Zout分别为X、Y、Z三个方向上的加速度信号，为了提高测量的精度在每个输出管脚上设置了前置RC滤波器。以#1测点X方向的加速度信号为例说明信号分析原理。

数据采集卡同时采集多个通道的信号，第一通道接收电磁振荡器产生激振力信号，第二至第二十二通道分别接收七个测点加速度传感器三个方向上产生的共二十一路加速度信号。电磁振荡器产生激振力信号输入至数据采集卡的第一通道，＃1测点加速度传感器产生的X方向加速度信号输入第二通道，在LabVIEW软件中设置第一通道为x方向，设置第二通道为y方向，x与y垂直。激振力驱动转向盘做简谐振动，x方向的激振力信号与y方向的加速度信号分别为：

激振力信号为：

其中：t—时间，A—激振力信号的振幅；

—激振力信号的频率。

加速度信号为：

—转向盘#1测点X方向加速度，

—加速度信号频率，B—加速度信号幅值，

—x轴信号和y轴信号的相位差。

相互垂直、不同频率的振动合成，在示波器上会显示出复杂的图形，叫李萨如图。图形的形状和两个振动的频率比以及初相位有关。

本设计通过判断李萨如图形状的变化得到共振频率，即系统的固有频率。

设转向盘的固有频率为

，当转向盘发生共振时，

，

，即x轴信号和y轴信号的相位差为

。根据李萨如图原理可知，两个相互垂直的频率相同的正弦振动的合成是椭圆，当等于时，，通过LabVIEW实现的显示界面中的图象将是一个正椭圆，当略小于或略大于

时，即

或

时，图象为斜椭圆，其变化过程如图5所示。因此图象由斜椭圆变为正椭圆的频率

就是转向盘的固有频率

。

不同测点不同方向测得的固有频率可能不一致，要获知转向盘的固有频率需要在不同的方向做振动测试，同时测量转向盘多个测点不同方向的振动频率与振动幅值，最后在某一个方向上振幅最大的测点的频率为转向盘在该方向上的固有频率。上述得到的固有频率仅为＃1测点X方向的固有频率，其他测点三个方向采集的加速度信号分别输入采集卡的其他通道，每个通道与x通道设为互相垂直，根据每个通道的信号与x通道输入信号形成的李萨如图形的变化情况（如＃1测点X方向信号的分析方式）判断得到不同测点不同方向上的固有频率。本测量装置采用七个三向加速度传感器进行转向盘固有频率的测试，根据各个加速度传感器X、Y、Z三个方向测得的不同的共振频率及共振时加速度值，每个方向上加速度值最大的测点的共振频率即为该方向上的固有频率。通过测试可以推断对于特定频率范围的激励哪个方向振动最强，该结论对于转向系统振动特性的优化改进提供了可靠的理论依据。

测试分析系统包括信号调理放大电路、数据采集卡和工控机。调理放大电路将三向加速度传感器测量的转向盘的振动信号进行放大、滤波，然后通过数据采集卡传输至工控机，数据采集卡采用NI公司的多通道数据采集卡，如PCI-6224M，可以采集32路信号，软件由LabVIEW编写实现采集信号的再现与实时分析。

本设计采用相位判别法，根据共振时特殊的相位值以及共振前后相位变化规律判断是否发生共振。在简谐力激振的情况下，相比幅值判别法，用相位法来判定共振是一种较为敏感的方法，而且共振时的频率就是系统的无阻尼固有频率，可以排除阻尼因素的影响。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可以轻而易举地想到、变形或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种汽车转向系统固有频率测量系统，其特征在于，该系统主要由激励系统、测量传感器和测量分析系统组成：

其中，

激励系统由电磁激振器、电磁振荡器驱动系统组成；

测量传感器采用三向加速度传感器；

测量分析系统包括信号调理放大电路、数据采集卡和工控机。

2.根据权利要求1所述的固有频率测量系统，其中，

电磁振荡器驱动系统主要由PIC单片机、PWM信号发生电路、逆变电路、调幅直流电源和滤波电路组成；该电磁振荡器驱动系统以PIC单片机为主控单元，结合PWM信号发生电路，采用全桥逆变式功率输出方式，输出大电流振荡方波，经过滤波电路转变成正弦波，来驱动电磁激振器进行简谐振动，从而对转向系统进行振动激励，使转向盘获得一定幅度、频率的正弦波形式的激振力；

电磁激振器固定在转向盘的激励位置，也就是12点钟位置；

七个三向加速度传感器布置在转向盘上，其中六个三向加速度传感器均匀布置在转向盘的支点上、一个三向加速度传感器布置在转向盘中心，分别用于测量每个测点径向、切向和垂向方向的加速度信号；

每个三向加速度传感器的三个输出管脚Xout、Yout、Zout分别为切向X、径向Y、垂向Z三个方向上的加速度信号；

为了提高测量的精度在每个输出管脚上设置了前置RC滤波器；

调理放大电路将三向加速度传感器测量的转向盘的振动信号进行放大、滤波；

数据采集卡可以同时采集多个通道的信号，第一通道接收电磁振荡器产生激振力信号，其他通道分别接收七个测点加速度传感器三个方向上产生的加速度信号；

数据采集卡最终将接收的信号传输至工控机。

3.一种在权利要求1、2任意之一的系统中测量固有频率的方法，其特征在于，该方法包括，

电磁振荡器产生激振力信号输入至数据采集卡的第一通道，一个测点加速度传感器产生的X方向加速度信号输入第二通道，设置第一通道为x方向，设置第二通道为y方向，x与y垂直；激振力驱动转向盘做简谐振动，x方向的激振力信号与y方向的加速度信号分别为：

x方向的激振力信号为：                                                

其中：t为时间，A为激振力信号的振幅；

为激振力信号的频率；

y方向的加速度信号为：

 为转向盘测点X方向加速度， 

为加速度信号频率，B为加速度信号幅值，为x轴信号和y轴信号的相位差；

设转向盘的固有频率为

，当

时，转向盘发生共振，即

，频率

即为转向盘的固有频率 。

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