CN112213105B - 一种发动机转速波动模拟装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机模拟测试技术，具体涉及一种发动机转速波动模拟装置及测试方法，旨在解决发动机转速波动带来的敲击异响测试中，整车测试由于车型协调、试验空间限制和拆装原因导致测试和验证进度较慢，且流程麻烦的技术问题。该装置包括底板、驱动电机、电机轴承座、偏移传动轴、中间轴承座、码盘、水平传动轴、变速器、固定平板、移动平板、驱动单元、传感器组件以及信息采集处理系统，通过偏移传动轴偏移一定角度转动时模拟出转速波动。本发明还提出了该模拟装置的测试方法，转速传感器信号和振动传感器信号经采集处理后，获得时域转速波动信号、波动有效值及波动频率，与实车测试数据的符合性较好。

Description

一种发动机转速波动模拟装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种发动机模拟测试技术，具体涉及一种发动机转速波动模拟装置及测试方法。

背景技术

变速器敲击噪声是汽车传动系统常见的故障现象，特别是四冲程发动机的结构特性会使发动机运转时产生转速变化，表现为发动机转速波动，进而导致变速器内部部件产生不规则的来回敲打现象，称为变速器敲击异响。目前，对于发动机转速波动带来的敲击异响研究，行业内大都只是在整车上进行测试和验证，几乎没有很好的台架模拟装置和测试方法，一旦发生由于转速波动导致的敲击异响几乎都只能从整车上进行测试和验证，而解决敲击异响问题需要结合发动机、离合器和变速器的工作状态，从分析匹配的扭振问题和改进产品设计上进行解决。这样就需要在整车上测试发动机输出与变速器输入的转速波动，及变速器壳体振动，最后进行数据分析，寻找敲击异响发生的位置和验证改善敲击异响的措施等，而整车测试由于车型协调、试验空间限制和拆装原因，测试和验证进度较慢且流程麻烦。

发明内容

本发明的目的是解决发动机转速波动带来的敲击异响测试中，整车测试由于车型协调、试验空间限制和拆装原因导致测试和验证进度较慢，且流程麻烦的技术问题。提出一种发动机转速波动模拟装置及测试方法，进行转速波动敲击异响的研究和解决措施验证。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种发动机转速波动模拟装置，其特殊之处在于：包括底座、模拟单元以及信息采集处理单元；

所述底座包括底板、设置在底板上的轴承座3和固定平板11、设置在固定平板11上的移动平板12、设置在移动平板12上的中间轴承座6和变速器支架9，以及驱动机构；

所述模拟单元包括依次连接的驱动电机1、弹性联轴器2、转速输入轴、偏移传动组件、中间轴、水平传动轴8以及变速器10；

所述驱动电机1设置在底板上；所述转速输入轴设置在轴承座3上；所述中间轴设置在中间轴承座6上；所述变速器10设置在变速器支架9上；

所述电机的输出轴与转速输入轴同轴设置；所述中间轴、水平传动轴8与变速器10同轴设置；

所述偏移传动组件包括偏移传动轴5以及设置在偏移传动轴5两端的第一万向节51和第二万向节52；所述第一万向节51与转速输入轴连接；所述第二万向节52与中间轴连接；

所述驱动机构设置在固定平板11上，并与移动平板12连接，用于驱动移动平板12相对于固定平板11移动；

所述信息采集处理单元包括传感器组件与信息处理电路；

所述传感器组件包括：设置在驱动电机1上的电机编码器，用于测量输入转速信号；设置在中间轴上的码盘7及相应的第一转速传感器，用于测量波动转速信号；设置在变速器10上的至少一个第二转速传感器，用于测量变速器齿轮转速信号；以及设置在变速器10壳体上的至少一个振动传感器，用于测量转速波动对变速器的敲击信号；

所述信息处理电路分别与电机编码器、第一转速传感器、第二转速传感器以及振动传感器电连接，用于将采集的转速信号及振动信号经处理后获得时域转速波动信号、波动有效值及波动频率。

进一步地，该模拟装置还包括电机支架4；所述驱动电机1与电机轴承座3设置在电机支架4上，所述电机支架4设置在底板上。

进一步地，所述驱动机构包括丝杆组件13、开设在固定平板11上表面的多个T型槽、开设在移动平板12上的多个腰形孔，以及设置在T型槽内的滑块和用于连接滑块和腰形孔的螺栓；

所述丝杆组件13包括丝杆、固定端、移动端；所述固定端设置在固定平板11上；所述移动端设置在移动平板12上；所述丝杆穿过固定端与移动端螺纹连接。

进一步地，所述固定平板11上设置有放置移动平板12的凹槽；所述丝杆组件13驱动移动平板12在所述凹槽内移动；所述固定平板11在沿移动平板12移动方向的一侧设置有钢尺14，用于测量所述移动平板12在固定平板11的凹槽内移动的距离。

进一步地，所述变速器10上设置至少一个测量孔，第二转速传感器正对所述测量孔中需测量的齿轮。

进一步地，所述弹性联轴器2与电机轴承座3采用定位销同轴安装；所述偏移传动轴5中设有滑动花键，可使偏移传动轴5在一定范围内伸缩，以便与水平传动轴8形成偏移角度α；所述第一万向节和第二万向节互为90°安装，可以放大2阶激励。

进一步地，所述水平传动轴8包括水平轴和设置在水平轴两端的第三万向节和第四万向节，这种结构可增加偏移传动轴5与变速器之间的距离，可以有效降低由于偏移传动轴5的不平衡传递到变速器壳体上的振动。

同时，本发明还提出了一种发动机转速波动模拟测试方法，基于权利要求1至7任一所述发动机转速波动模拟装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、安装偏移传动轴5，使偏移传动轴5与驱动电机1和水平传动轴8共轴，并记录移动平板12的初始位置L₀；

步骤2、依据偏移角度α，驱动移动平板12移动到偏移位置L₁，移动距离L为

L＝L₁-L₀＝tanα×D

其中，α为偏移传动轴5与水平传动轴8轴线的夹角；

D为偏移传动轴5与驱动电机1和水平传动轴8共轴时的两个万向节轴心之间的距离；

步骤3、开启驱动电机1，根据采集的电机编码器信号，调节驱动电机1输出至所需的输入转速后，采集第一转速传感器、第二转速传感器以及振动传感器信号，数据采集完成后，停止驱动电机1；

步骤4、调整输入转速，返回步骤3)，直至所有输入转速所对应的数据采集完成；

步骤5、调整α值，返回步骤2)，直至所有α值所对应的数据采集完成；

步骤6、将采集到的转速信号和振动信号进行处理，获得时域转速波动信号、波动有效值及波动频率，完成发动机转速波动模拟测试。

进一步地，步骤3还包括：调整第二转速传感器或振动传感器的安装位置后采集相应的第二转速传感器及振动传感器信号。

进一步地，步骤1中，将偏移传动轴5两端的第一万向节和第二万向节互为90°安装，2阶激励会被放大一倍。

本发明的有益效果是：

1)本发明提出一种发动机转速波动模拟装置及测试方法，特别适用于四缸发动机转速波动敲击异响的研究和解决措施验证，该装置原理简单、测试系统集成、转速波动大小和激励频率调节快速方便，而且具有结构简单、成本较低和易于实现等特点。

2)本发明的发动机转速波动模拟装置特别适用于四缸发动机转速波动敲击异响问题的解决和验证，对发动机怠速转速波动的台架模拟以及2阶波动频率的台架模拟结果与实车采集的数据符合性较好。

3)本发明发动机转速波动模拟装置的变速器支架接口亦可安装离合器，可以从传动系统匹配角度考虑转速波动敲击异响问题的解决。

附图说明

图1为本发明发动机转速波动模拟装置总成图；

图2为本发明发动机转速波动模拟装置中传感器位置布置示意图；图中，a为电机编码器信号线；b为码盘转速传感器信号线；c为变速器内部齿轮转速传感器信号线；d为变速器壳体振动传感器信号线；

图3为本发明发动机转速波动模拟装置中丝杠组件连接图；

图4为传动轴单万向节传动原理示意图；

图5为图4中被动叉轴转速波动变化曲线；

图6为本发明中偏移传动轴的两个万向节安装示意图；图中，(a)为两个万向节正常安装位置；(b)为传动轴两个万向节90°旋转状态示意图；

图7为本发明发动机转速波动模拟装置对发动机怠速转速波动的台架模拟与实车采集时域转速信号对比曲线；

图8为本发明发动机转速波动模拟装置在波动频率25Hz的台架模拟与实车采集波动频率对比曲线。

附图标记说明：

1-驱动电机，2-联轴器，3-轴承座，4-电机支架，5-偏移传动轴，51-第一万向节，52-第二万向节，6-中间轴承座，7-码盘，8-水平传动轴，9-变速器支架，10-变速器，11-固定平板，12-移动平板，13-丝杠组件，14-钢尺。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

在发动机转速波动带来的敲击异响研究时，可以利用一定装置时域波动及波动频率的模拟，代替在整车上进行测试和验证。本发明提出的一种模拟发动机转速波动的装置，由于四冲程四缸发动机的结构特征，特别适用于四缸发动机转速波动敲击异响问题的解决和验证。图1为发动机转速波动模拟装置的总成安装示意图，该装置主要包括包括驱动电机1、联轴器2、轴承座3、转速输入轴、电机支架4、偏移传动组件、中间轴承座6、中间轴、水平传动轴8、变速器支架9、变速器10、固定平板11、移动平板12及驱动机构，整体固定布置在底板1的铁平板上。

驱动电机1与电机轴承座3上的转速输入轴通过弹性联轴器2(外围是防护罩)连接，并一同固定在电机支架4上，两者的同轴靠定位销实现。偏移传动组件包括偏移传动轴5以及设置在偏移传动轴5两端的第一万向节51和第二万向节52，偏移传动轴5中设有滑动花键。偏移传动组件连接电机轴承座3上的转速输入轴和中间轴承座6上的中间轴，中间轴的轴法兰面连接有码盘7，水平传动轴8连接中间轴和变速器10，变速器支架9上连接变速器10。中间轴承座6和变速器支架9依靠螺栓固连在移动平板12上，而移动平板12放置在固定平板11的凹槽内，移动平板12靠丝杠组件13在固定平板11的凹槽内移动。移动距离可以用钢尺14进行测量。

水平传动轴8也可以采用水平轴和设置在水平轴两端的两个万向节(第三万向节和第四万向节)组成，可增加偏移传动轴5与变速器之间的距离，进而降低由于偏移传动轴5的不平衡传递到变速器壳体上的振动。

本发明发动机转速波动模拟装置还包括信息采集处理系统。图2为模拟装置总成的俯视图及转速传感器布置位置，一方面主要体现移动平板12在固定平板11上移动时，带动偏移传动轴5一端进行偏移，从而在电机轴承座3轴线与偏移传动轴5轴线上形成偏移角度α，进而在偏移传动轴5转动时模拟出转速波动。另一方面体现装置的转速测量来源及传感器布置位置，其中输入转速来自驱动电机1的编码器，并采集测量，对应电机编码器信号线a；形成转速波动后的波动转速来自码盘7，并采用高精度第一转速传感器进行测量，对应码盘转速传感器信号线b；变速器10内部转速波动测试时，需在变速器壳体上开孔，并对正中间轴某一齿轮，利用高精度第二转速传感器进行测试，对应变速器内某齿轮转速传感器信号线c；同时为分析转速波动对变速器的敲击，在变速器壳体上布置振动传感器，对应变速器壳体振动传感器信号线d。各传感器输出信号连接模拟装置的信息采集处理系统，经处理后获得时域转速波动信号、波动有效值及波动频率。

图3为模拟装置中丝杠组件13连接部分的放大图，主要体现丝杠组件13的连接，丝杠组件移动端固定在移动平板12上，固定端固连在固定平板11上。固定平板11上开有T型槽，移动平板12上开有孔，并用螺栓穿过孔与T型槽内的滑块相连，移动平板12移动时松动螺栓，旋动丝杠组件进行移动，移动到位置后再用螺栓固定。

为了进一步理解模拟装置的工作过程及测试方法，本发明对偏移传动轴5产生转速波动的原理进行说明。

如图4所示，对于单万向节传动，主动叉轴的转速、转角分别为ω₁、

表示，被动叉轴的转速、转角分别用ω₂、

表示，则存在如下关系：

若夹角α不变，将上式两边对时间求导数，整理后可得：

即

以输入转速ω₁＝750r/min、α＝6°为例，用曲线表示ω₂的转速波动变化，图5为被动叉轴转速波动变化曲线。

从上面公式可以看出，万向轴(偏移传动轴5)以夹角α旋转时，万向节就引入了一个2阶的扭振激励(四缸发动机以2阶激励为主)，通过改变α值可以改变转速波动大小，改变输入转速可改变激励频率。另外，如果两个万向节互为90°安装，则2阶激励会被放大一倍。图6为偏移传动轴5的两个万向节的安装方式示意图，其中(a)为偏移传动轴5的两个万向节正常安装，其标记的箭头与箭头水平对应；(b)为传动轴两个万向节90°安装过程，将第二万向节52拔出，旋转90°后再安装，此时，其标记的两箭头相差90°。

基于以上原理，本发明模拟装置的工作过程和模拟测试方法为：

1)首先安装偏移传动轴5时使传动轴两个万向节互为90°，然后确保偏移传动轴5与驱动电机1和水平传动轴8的轴线共线，并记录钢尺14的零点位置；

2)然后计算下一步想达到的偏移传动轴5的偏角对应的移动平板12的移动距离L，例如偏角为6°，则移动距离

L＝tan6°×D，

其中D，为偏移传动轴初始无偏角时的万向节轴心之间的距离。

松开移动平板12与固定平板11之间的连接螺栓，逆时针旋转丝杠组件13，使移动平板12移动到L距离后，固定螺栓。

3)接着在码盘7安装高精度转速传感器，在变速器10测试位置处安装高精度转速传感器和振动传感器，其中，可根据转速波动对变速器的敲击关注点不同，安装多个振动传感器，并连接至信息采集处理系统，做好转速与对应码盘及齿轮的齿数设置。

4)开启驱动电机1，调节至需要的转速后，采集转速信号和振动信号。待一个偏移角度所有数据采集完成后，停止驱动电机1。

重复以上做法，调节另外一个偏移角度继续进行测试。将测试完成后的数据利用信息采集处理系统分析软件进行后处理，得出时域转速波动信号、波动有效值及波动频率。

本发明可以选用不同长度的偏移传动轴5进行更换测试，以适应较小偏移角时移动距离的测量精度。变速器支架9内接口适配离合器飞轮，可以安装离合器，进行转速波动敲击异响的传动系统匹配研究。

为检验本模拟装置的功能，选择某款型号相同变速器分别在模拟装置和实车上进行发动机怠速转速波动测试(α＝6°，转速测点在变速器一轴齿轮副处，采用相同的数据采集仪及转速传感器)，本发明模拟装置台架模拟与实车测试数据进行时域和频域数据对比，对比结果曲线及模拟的2阶波动频率对比曲线如图7、图8所示。

图7为输入转速750rpm，偏移6°条件下，模拟装置台架模拟与实车采集时域转速信号对比曲线；图8为输入转速750rpm、波动频率25Hz条件下模拟装置台架模拟与实车采集2阶波动频率对比曲线。从图7和图8可以看出，在输入转速750r/min时，本模拟装置准确模拟了实车四缸发动机怠速时的转速波动大小，且激励频率相同，模拟功能较好。

上述发动机转速波动模拟装置及测试方法，具有结构原理简单、测试系统集成、转速波动调节快速方便且易于实现等特点，特别适用于四缸发动机转速波动敲击异响问题的解决和验证。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并非对本发明技术方案的限制，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (8)

1.一种发动机转速波动模拟装置，其特征在于：包括底座、模拟单元以及信息采集处理单元；

所述底座包括底板、设置在底板上的轴承座(3)和固定平板(11)、设置在固定平板(11)上的移动平板(12)、设置在移动平板(12)上的中间轴承座(6)和变速器支架(9)，以及驱动机构；

所述模拟单元包括依次连接的驱动电机(1)、弹性联轴器(2)、转速输入轴、偏移传动组件、中间轴、水平传动轴(8)以及变速器(10)；

所述驱动电机(1)设置在底板上；所述转速输入轴设置在轴承座(3)上；所述中间轴设置在中间轴承座(6)上；所述变速器(10)设置在变速器支架(9)上；

所述电机的输出轴与转速输入轴同轴设置；所述中间轴、水平传动轴(8)与变速器(10)同轴设置；

所述偏移传动组件包括偏移传动轴(5)以及设置在偏移传动轴(5)两端的第一万向节(51)和第二万向节(52)；所述第一万向节(51)与转速输入轴连接；所述第二万向节(52)与中间轴连接；所述水平传动轴(8)包括水平轴和设置在水平轴两端的第三万向节和第四万向节；

所述驱动机构设置在固定平板(11)上，并与移动平板(12)连接，用于驱动移动平板(12)相对于固定平板(11)移动；所述固定平板(11)在沿移动平板(12)移动方向的一侧设置有钢尺(14)，用于测量所述移动平板(12)在固定平板(11)上的移动距离；

所述信息采集处理单元包括传感器组件与信息处理电路；

所述传感器组件包括：设置在驱动电机(1)上的电机编码器，用于测量输入转速信号；设置在中间轴上的码盘(7)及相应的第一转速传感器，用于测量波动转速信号；设置在变速器(10)上的至少一个第二转速传感器，用于测量变速器齿轮转速信号；以及设置在变速器(10)壳体上的至少一个振动传感器，用于测量转速波动对变速器的敲击信号；

所述信息处理电路分别与电机编码器、第一转速传感器、第二转速传感器以及振动传感器电连接，用于将采集的转速信号及振动信号经处理后获得时域转速波动信号、波动有效值及波动频率。

2.根据权利要求1所述一种发动机转速波动模拟装置，其特征在于：还包括电机支架(4)；所述驱动电机(1)与轴承座(3)设置在电机支架(4)上，所述电机支架(4)设置在底板上。

3.根据权利要求2所述一种发动机转速波动模拟装置，其特征在于：

所述驱动机构包括丝杆组件(13)、开设在固定平板(11)上表面的多个T型槽、开设在移动平板(12)上的多个腰形孔，以及设置在T型槽内的滑块和用于连接滑块和腰形孔的螺栓；

所述丝杆组件(13)包括丝杆、固定端、移动端；所述固定端设置在固定平板(11)上；所述移动端设置在移动平板(12)上；所述丝杆穿过固定端与移动端螺纹连接。

4.根据权利要求3所述一种发动机转速波动模拟装置，其特征在于：其特征在于：所述固定平板(11)上设置有放置移动平板(12)的凹槽；所述丝杆组件(13)驱动移动平板(12)在所述凹槽内移动。

5.根据权利要求1至4任一所述一种发动机转速波动模拟装置，其特征在于：所述变速器(10)上设置至少一个测量孔，第二转速传感器正对所述测量孔中需测量的齿轮。

6.根据权利要求5所述一种发动机转速波动模拟装置，其特征在于：所述弹性联轴器(2)与轴承座(3)采用定位销同轴安装；所述偏移传动轴(5)中设有滑动花键；所述第一万向节和第二万向节互为90°安装。

7.一种发动机转速波动模拟测试方法，基于权利要求1至6任一所述发动机转速波动模拟装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将偏移传动轴(5)两端的第一万向节和第二万向节互为90°安装；安装偏移传动轴(5)，使偏移传动轴(5)与驱动电机(1)和水平传动轴(8)共轴，并记录移动平板(12)的初始位置L₀；

步骤2、依据偏移角度α，驱动移动平板(12)移动到偏移位置L₁，移动距离L为

L＝L₁-L₀＝tanα×D

其中，α为偏移传动轴(5)与水平传动轴(8)轴线的夹角；

D为偏移传动轴(5)与驱动电机(1)和水平传动轴(8)共轴时的第一万向节和第二万向节轴心之间的距离；

步骤3、开启驱动电机(1)，根据采集的电机编码器信号，调节驱动电机(1)输出至所需的输入转速后，采集第一转速传感器、第二转速传感器以及振动传感器信号，数据采集完成后，停止驱动电机(1)；

步骤4、调整输入转速，返回步骤3，直至所有输入转速所对应的数据采集完成；

步骤5、调整α值，返回步骤2，直至所有α值所对应的数据采集完成；

步骤6、将采集到的转速信号和振动信号进行处理，获得时域转速波动信号、波动有效值及波动频率，完成发动机转速波动模拟测试。

8.根据权利要求7所述一种发动机转速波动模拟测试方法，其特征在于，步骤3还包括：调整第二转速传感器或振动传感器的安装位置后采集相应的第二转速传感器及振动传感器信号。

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