CN1074125C - 车辆振动检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能经受住所需最大加速度并只靠自身便能检测范围很宽的振动的振动检测装置10，包括装在车辆上的加速度检测器1、用来对加速度检测器1的输出进行倒相和放大的倒相放大器2和对倒相放大器2的输出进行积分的积分器3，将积分器输出变换成振动检测输出。

Description

车辆振动检测装置

本发明涉及用来检测车辆所受振动的振动检测装置，该振动检测装置可使用于车辆载荷模拟器。

已知有一种车辆载荷模拟器，不须实际开动车辆就能进行车辆振动测试，其步骤如下：实际开动摩托车、四轮汽车这类车辆；收集该车辆所受振动波作为实际振动波形数据；根据收集到的实际振动波形数据用振动器把与车辆实际开动所受振动相同的振动加到装在测试底座上的车辆上。

车辆振动测试如下进行：首先，用加速度检测器检测在路面上开动的车辆所受的振动并把检测到的加速度记录在数据记录器中。在用车辆模拟器进行的载荷模拟中，根据如此收集到的振动数据，用振动器通过车辆或车轮把振动加到装在测试底座上的车辆上。至于在此车辆振动测试中用振动器获得的振动，通过重复测试振动获得包括振动器、车辆和加速度检测装置在内的一系统的传动功能，根据该传动功能和收集到的实际振动波形获得振动控制信号；并在根据振动控制信号控制振动的同时把与实际开动车辆相同的振动用振动器加到车辆上。而且，在实际开动和测试振动时使用同一个加速度检测器。

在上述使用车辆载荷模拟器进行的载荷模拟中，实际开动车辆所受的垂直振动的再现如下进行：用装在车辆旁边的加速度检测器记录实际开动车辆的加速度，然后把与记录相同的振动加到装在测试度座上的车辆上。

另一方面，可考虑使用差动变压器或速度计来检测车辆的振动。但是它是两部件结构，即电线圈部分和铁芯部分构成，因而不易装在车辆上，因此不使用它来检测车辆的振动。光学式位移计倒是单部件结构，但对高频振动的灵敏底低，因此不被使用来检测车辆的振动。相反，由于加速度检测器体积小、重量轻、并且是整体式结构，容易安装在车辆上，因此适用于检测车辆的振动。

鉴于上述原因，加速度检测器在车辆载荷模拟器中被用来检测车辆的振动，用加速度检测器检测并收集车辆的加速度。但是，在检测车辆加速度时，加速度检测器须经得住100Hz以上的上限频率以及50(G)以上的加速水平的加速度。

但是，经得住100Hz以上的上限频率以及50(G)以上的加速水平的加速度的加速度检测器的一个缺点是对低频振动的灵敏度低，在车辆载荷模拟器进行振动测试时难于再现2到3赫兹以下的频率分量。特别对摩托车来说，它的悬架比四轮汽车长，振动频率低，因此需要检测振动中的低频分量。即便是四轮汽车，车身的颠簸或纵向角振动的主频率也在1至2赫兹范围内，因此也需要检测低频振动分量。

在检测车辆振动中，一个不方便之处是用来检测最大加速度的加速度检测器无法检测振动的低频分量。为消除这一不便之处，举例来说，特开平3-295437在适合用来检测最大加速度的加速度检测器之外加上一个对振动低频分量有良好灵敏度的加速度检测器。此时，比方说，适合检测振动低频分量的加速度检测器装在通常的加速度检测器旁边，或装在产生振动低频分量的车身的测量部分。因此，缺点是得配备两种加速度检测器。

而且，对振动低频分量具有良好的灵敏度的加速度检测器价格昂贵，并且，由于防震性差、容易撞坏而须十分小心。若车辆在凹凸不平路面上开动时用车辆载荷模拟器进行载荷模拟或测试振动，用来检测振动低频分量的加速度检测器经受不住超过允许值的加速度并常常撞坏。因此，对振动低频分量具有良好灵敏性的加速度检测器在车辆载荷模拟中难于实际使用。

而且，若使用两种装在车辆载荷模拟器上的加速度检测器检测加速度，一个缺点是两加速度检测器的结构增加了用来放大加速度检测器输出的放大器数目和用来收集加速度数据的收集装置的信道数。

此外，两加速度检测器的结构存在下述缺点：在转换成数字数据时，增加了模拟/数字转换器、用来驱动振动器的数字/模拟转换器、用来根据传动功能校正数字/模拟转换输出的校正电路等等的数目。而且，当需要使用计算机根据传动功能进行校正时，计算量和数据区随着信道数呈线性增加，从而使计算机控制系统的响应性能下降，程序就会变得复杂。

本发明的目的是提供一种光靠自身就能经受所需最大加速度并检测很宽范围振动频率分量的振动检测装置以及使用该振动检测装置的车辆载荷模拟器。

按照本发明，提供了一种振动检测装置，用于检测车辆所受振动，其特征在于：包括装在车辆上的加速度检测器和用来对所述加速度检测器的输出进行积分的积分器，把积分器的输出变换成振动检测输出。

振动检测装置可以包括倒相放大器，对加速度检测器的输出倒相后送至所述积分器的倒相放大器。

而且，按照本发明，提供了一种车辆载荷模拟器，其特征在于，装有本发明的振动检测装置的加速度检测器的车辆参照来自积分器的输出再现所受到的振动。

本发明振动检测装置中，车辆的加速度用加速度检测器检测。加速度检测器的输出经积分器积分而变换成速度信号输出。由于检测到的加速度输出被转换成速度输出，与使用检测到的加速度信号的情况相比较，就容易检测低振动频率。这就可能仅用一个加速度检测器检测范围很宽的振动频率。

当加速度检测器的输出经倒相放大器倒相送至积分器时，即使该积分器由一倒相运算放大器构成，也能使积分器输出的极性与检测到的加速度输出一致。

在使用本发明的振动检测装置的车辆载荷模拟器中，速度检测器和速度检测的信道的数目都减小，当转换成数字数据时，模拟/数字转换器、用来驱动振动器的数字/模拟转换器和根据传动功能校正数字/模拟转换输出的校正电路等等的数目都不增加，而且，当用计算机根据传动功能进行校正时，计算量和数据区不随信道数呈线性增加，从而防止计算机控制系统响应性能的下降，用此程序也不用很复杂。

下面参照附图通过实施例说明本发明。

图1为本发明振动检测装置一个实施例的结构方框图；

图2为本发明实施例的积分器的频率-增益特性曲线图；

图3为本发明实施例的频率-速度、加速度特性曲线图；

图4为展示本发明的车辆载荷模拟器的结构的方框图；

图5为用本发明车辆载荷模拟器对摩托车进行载荷模拟的示意图；

图6表示用本发明车辆载荷模拟器进行载荷模拟的摩托车的各振动器之间的关系。

图1中，标记10表示本发明振动检测装置的一个实施例。振动检测装置10包括加速度检测器1、对加速度检测器1的输出进行倒相和放大且增益为“1”的倒相放大器2以及对倒相放大器2的放大输出进行积分的积分器3。积分器3的输出用作振动检测输出。标记31表示构成积分器3一部分的运算放大器、倒相放大器2之所以放在积分器3的输入端，是因为运算放大器31进行倒相放大，从而使加速度检测器1的输出的极性与积分器3的输出的极性一致。

图2示出一本实施例的积分器的频率-增益特性曲线。上述特性的测量使用了在加速度水平为50(G)时产生10V输出的加速度检测器1、约为10.4KΩ的输入端电阻Rs、270KΩ的反馈电阻Rf、47μF的输入电容Cs和1μF的反馈电容。

在图2中，当频率从频率fp(此图中为0.7Hz)处增加时，增益在6dB/oct(20dB/dec)处下降。从值〔1/(2π×cf×Rs)〕、可确定与增益“1”对应的频率fa。此时，通过计算和实际测量，在约15.6Hz频率处可得增益“1”，在约156Hz频率处可得增益“0.1”。该直线部分所示频率范围足以覆盖车辆载荷模拟器所使用的振动频率范围。

设a为振幅，位移x为正弦波(aSin wt)，速度表示为(a wCos wt)，加速度表示为(-aw² Sin wt)；速度的最大值表示为〔a w(m/sec)=2πfa)，加速度的最大值表示为〔α w²(m/sec²)=4π²f²a/9.8(G)。在粗糙路面上行驶的车辆所受到振动已知其加速度为50(G)，频率范围为15到40Hz。对于摩托车，由于悬架比四轮汽车长，因此在相同加速度下的频率比四轮汽车低。

当加速度为50(G)、频率范围为14-40Hz时，振幅a的范围为18mm≤a≤50mm。在这里，当频率为40Hz、振幅a为18mm时，速度约为4.5(m/sec)。因此50(G)的加速度与5(m/sec)的速度对应。因此，最大加速度若取50(G)，就可转换成最大速度5(m/sec)。

图3表示频率-速度与加速度之间的关系，其中，50(G)的加速度与5(m/sec)的速度对应，振幅为常量。从该图显然可见，速度与加速度对应处的振动频率约为15.6Hz。

因此，频率为15.6Hz、加速度为50(G)时，加速度检测器给出100％的输出，积分器3也给出100％的输出，也就是说，积分器3的增益在15.6Hz频率处可设为“1”。即，对于频率为15.6Hz的振动，当加速度检测器1检测到50(G)的加速度时，它给出100％的输出。积分器3收到加速度检测器1的100％输出并给出100％的输出。这是通过下述方法实现的，其中输入电阻Rs和反馈电容Cf分别设定为10.4KΩ和1μF，从而得到图2所示的积分器3的频率-增益特性曲线。

与频率为1Hz、振幅为10mm的振动相对应的加速度和速度分别约为0.04(G)〔=(4π²×12×10/(1000×9.8)〕和0.063(m/sec)〔2π×1×10/1000〕。在输入/输出特性为线性并且相应50(G)的加速度产生100％输出的加速度检测器中，相应于频率为1Hz、振幅为10mm的振动、也即相应于约0.04(G)的加速度的输出变为满标的0.08％，这是一个非常小的值。

但是，积分器3接到加速度检测器1的对应于50(G)加速度的(100％)输出后输出(100％)满标值，即5m/sec的速度。这里，频率为1Hz、振幅为10mm的振动，也即0.04(G)的加速度，与0.063m/sec的速度对应。积分器对应于0.063m/sec速度的输出成为满标的1.26％。因此，与加速度检测器1中该输出与满标的比例为0.08％相比较，在积分器3中该输出与满标的比例为1.26％，提高近16倍。

如图3所示，由于加速度检测器1的输出由积分器3积分后输出，积分器的输出电平相对于单位频率的变动在振动的低频率一边增大，而在振动的高频率一边变小。

例如，在接近100Hz频率处，积分器3的输出变为约0.16m/sec；积分器3的输出与满标的比例相对于加速度检测器1的该比例成为1/6.4，这不会降低车辆载荷模拟器的再现性，因为高频率区的加速度信号大。

其原因如下：从路面测量的许多结果中可知，在空间频率高即一个周期的间隔时间短的不规则分量中，振幅变小；例如，在空间频率增大约100倍的不规则分量中，振幅变为1/100倍。表1示出加速度输出与满标的比例与速度输出与满标的比例之比较，其中50(G)加速度为100％，5m/sec，路面不规则分量造成的振动的频率和振幅为1Hz和±10mm或者100Hz和±0.1mm。

表1

从表1显然可知，加速度分量与满标之比在振动分量(1Hz,±10mm)和(100Hz,±0.1mm)处分别为0.04％和8％，对于后一振动分量，输出与满标的比例大，足可测量。相反，对于前一振动分量，输出与满标的比例小，难以测量。

另一方面，速度输出与满标之比在振动分量(1Hz,±10mm)和(100Hz,±0.1mm)处分别为1.26％和1.4％。对于后一振动分量，速度输出与满标之比比加速度输出与满标之比要小，但该输出足可测量。相反，对于前一振动分量，速度输出与满标之比比加速度输出与满标之比大。因此，不管对于何种振动分量，都希望把加速度输出转换成速度输出。

下面说明使用本发明振动检测装置的车辆载荷模拟器的一实施例。

图4是本发明的车辆载荷模拟器一实施例的方框图。

如图4所示，加速度检测器1的输出经倒相放大器2送至积分器3。积分器3的输出经由一具有打开位置的开关S1的触头S1a和开关S2送至由磁记录再现装置构成的数据记录器12。这样，积分器3的输出也即转换成速度数据的加速度数据就记录在数据记录器12中。

积分器3的输出经由开关S1的触头S1b送至频带限制滤波器13以便限制频带，防止返回噪声。频带限制滤波器13的输出输入到模拟/数字转换器14转换成数字数据。同样，从数据记录器12读取的积分器3的输出经过开关S2和频带限制滤波器13送至模拟/数字转换器14，以便限制频带并转换成数字数据。

被模拟/数字转换器14转换的数字数据送至计算机15并存入存储器16，同时由计算机15根据键盘20上的指示键的指令进行控制。从存储器16读取的数字数据(振动控制数据等等)送至数字/模拟转换器17转换成模拟信号。该模拟信号经由平滑滤波器18送至振动器19，由振动器19控制振动。

另一方面，存储器16包括存储车辆行驶时的积分器数据的行驶数据存储区161、目标数据存储区162、测定传动功能用振动信号数据存储区163、被测传动功能的数据存储区164、响应数据存储区165和振动控制信号数据存储区166。

行驶在路面上的车辆的加速度输出由加速度检测器1检测。加速度检测器1的输出经由倒相放大器2输入到积分器3。在此状态下，开关1转到触头S1a一边，开关S2关上，因此，积分器3的输出被记录在数据记录器12的磁带上。

接着，打开开关S1，开关S2仍关着。此时，记录在数据记录器12磁带上的数据被读出并作为模拟信号输出。该模拟信号由频带限制滤波器13限制在频带中并被模拟/数字转换器转换成数字数据。此时由于信号被限制在频带中，因此不产生任何噪声。模拟/数字转换器转换成数字数据由计算机15存入行驶数据存储区161。

存储在行驶数据存储区中的数据经预处理擦去不必要的数据部分和不必要的频率分量部分后传送并存入目标数据存储区162而作为目标数据。存储在行驶数据存储区161的数据可传送进存储器16的运算区进行处理，然后重新存入行驶数据存储区161。这样就可把行驶数据存储区161用作目标数据存储区。

完成上述处理后，开始车辆载荷模拟。

这里，标记11表示要振动的四轮汽车。

在此状态下，要作载荷模拟的车辆装在后测试底座上，开关S1转到触头S1b一边，开关S2打开。

接下来，从测定传动功能用振动信号数据存储区读取用来测定传动功能的振动信号数据，比方说，白噪声之类的短促脉冲串信号数据，并用数字/模拟转换器17转换成模拟信号。该模拟信号由平滑滤波器18平滑后送至振动器19。这样，车辆根据测定传动功能用振动信号数据振动。由上述振动造成的车辆振动由加速度检测器检测，由倒相放大器2倒相并由积分器3积分。计算机15读取经过频带限制滤波器13和模拟/数字转换器14的积分器3的输出，根据如此读得的信号数据和测定传动功能用振动信号数据，进行传动功能的计算。计算所得传动功能数据存入被测传动功能数据存储区164。

然后，读取存储在被测传动功能数据存储区164的被测传动功能数据和存储在目标数据存储区162的目标数据，从这两个数据产生振动控制数据并把该数据存入振动控制数据存储区166。然后读取如此存储的振动控制数据并用数字/模拟转换器17转换成模拟信号。该模拟信号用平滑滤波器18平滑后送至振动器19。振动器19使用从该振动控制数据所得振动信号振动四轮汽车11。由于这一振动造成的加速度检测器1的输出由积分器3积分。积分器3的输出由计算机15读取后存入响应数据存储区165。

把响应数据与目标数据作比较并根据响应数据与目标数据之差和传动功能校正振动控制数据，把经校正的振动控制数据存入振动控制数据存储区166。然后根据经校正的振动控制数据进行振动。反复进行该校正过程直到响应数据与目标数据一致。把响应数据与目标数据一致时的振动控制数据作为最终振动控制数据存入振动控制数据存储区166。

然后，按照存储在振动控制数据存储区166的振动控制数据进行振动，从而实现车辆的载荷模拟。

虽然上面以四轮汽车为例对具有一个加速度检测器1的情况作了说明，但该加速度检测器1设在各车辆旁边。因此，除了计算机15，存储器16和键盘20，还需数目比加速度检测器要多的相应部件。不过，只用一种加速度检测器即能检测低振动频率和高振动频率。

上述结构大致上也可应用于二轮摩托车。

图5为对二轮摩托车进行载荷模拟示意图。

标记21表示待进行载荷模拟的摩托车，其中，车轮已卸去。标记22表示可转动地支撑在车架上的前轮轴，它由套筒式悬架23支撑。标记24表示装在后叉25上的后轮轴，后叉25可摆动地支撑在与传动装置装在一起的后缓冲垫(未画出)上。

标记27表示直接振动摩托车21的轴22和24的振动装置，它包括实示上振动轴22和24的振动驱动件28和控制振动驱动件28的控制件29。控制件29是计算机15(见图4)中的一个功能装置。

振动驱动件28包括垂直振动轴22的振动器30、垂直振动轴24的振动器31和在纵向上振动轴22的振动器32。振动器30、31和32可由比方说能施加拉伸力压缩力的双作用液压缸构成。

连杆30b和31b的一端用销钉分别与振动器30和31的活塞杆30a和31a的前端连接。连杆30b和31b的另一端分别用销钉与轴22和后叉25连接。

连杆32b用销钉与振动器32的活塞杆32a的前端连结。摆板34的一端34b用销钉与连杆32b的前端连接。摆板34从侧面看去为三角形，中央底座的端部34a可摆动地支撑在支架33的上部。摆板34的另一端34c用销钉与大体呈水平方向的振动杆35的一端连接，而振动杆35的另一端用销钉与轴22连接。即，垂直拉伸/压缩振动器32的活塞杆32a能通过摆板34和振动杆纵向振动轴22。

振动杆35上设有载荷检测装置36。此外，标记37表示用来限制摩托车21车身的纵向运动的刚性反作用托架。轴24由连杆38连接到反作用托架37上。

本发明振动检测装置10的加速度检测器(该图中用标记C1和C2表示)分别装在悬架23和后叉25上，应力检测装置C3粘在该悬架上。

加速度检测器C1和C2的输出通过倒相放大器送至积分器进行积分，然后由滤波器转换成数字数据送至控制件29。应力检测装置C3和载荷检测装置36的输出由滤波器转换成数字数据后送至控制件29。

在这里，振动器30、31和32接受位移控制。位移控制方法与载荷控制方法相比较容易对高速和高加速度进行控制，从而能提高实际在路面上行驶的车辆所受载荷的再现的精确度。

轴24的纵向运动受到与反作用托架37用销钉连接的连杆39的限制。当开动振动器30和31时，连杆38的左端部划出圆弧形轨迹，从而可能使本身受到不希望有的纵向压缩或拉伸载荷。为解决这一问题，进行下述随动控制。因此，振动器30、31和32在受简单结构的反作用托架37支撑的同时，能实现高速位移控制。

控制件29把指令送给振动器32以使发自载荷检测装置36的值变成0。接着，按照控制件29的指令开动振动器30和31，使得活塞杆30a和31a的下端从最下点向振动中间点以低速运动(以如下速度运动，通过使振动器32与振动器30和31随动，该速度使载荷检测装置36的值保持为0)。

把振动器3 2活塞杆32a的运动轨迹转换成数字数据后存入存储器16，图6示出了存储变换。这样就把与振动器30和31的位移相联的振动器32的位移存入存储器16。然后振动器32的控制方式沿着存储变换转为位移控制。开动振动器30和31，并按照活塞杆30a和31a的位移沿着存储变换开动振动器32直到活塞杆32a到达中间位置。然后，沿着存储变换控制振动器32使其停下后按照振动控制数据开动振动器30、31和32，从而把实际行驶载荷加到摩托车21上。

此外，即使在停下振动器30、31和32时，也是在沿着上述存储变换开动振动器32的过程中停下振动器32。

然后以与图4所示四轮车相同的方式振动摩托车21，该振动过程从略。

如上所述，本发明振动检测装置包括装在车辆上的加速度检测器和对该加速度检测器进行积分的积分器，其中，加速度检测器的输出由积分器转换成振动检测输出。这样，检测到的加速度输出就被转换成速度信号，从而与使用检测加速度信号相比可很容易地检测低振动频率，从而只用一种加速度检测器就能检测范围很宽的振动频率。

而且，通过倒相放大器把检测到的加速度输出送至积分器，就能使积分器输出的极性与加速度检测器一致。

在使用本发明振动检测装置的车辆载荷模拟器中，速度检测装置的数目得以减少，用于检测速度输出的信道数也得以减少。在转换成数字数据时，模拟/数字转换器、用来驱动振动器的数字/模拟转换器、按照传动功能校正数字/模拟转换输出的校正电路的数目也不会增加。此外，当用计算机进行按照传动功能的校正时，计算量和数据区不随信道数呈线性增长，从而避免了计算机控制系统响应性能的下降，而程序也不用很复杂。而且，因为有用来对加速度检测器的输出进行积分的积分器，因此可以使用现有的车辆载荷模拟器。

Claims (1)

1．一种振动检测装置，用于检测车辆所受振动，其特征在于：包括装在车辆上的加速度检测器，用来把所述加速度检测器的输出倒相后送至所述积分器的倒相放大器，用来对所述加速度检测器的输出进行积分的积分器，把积分器输出变换成振动检测输出，该积分器备有倒相放大器，它输出被倒相放大了的积分器输出；装有该振动检测装置的加速度检测器的车辆参照来自积分器的输出，再现所受到的振动。

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