CN112710473B - 一种模拟发动机激励的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟发动机激励的系统和方法，通过总控计算机控制信号发生器输出真实发动机运行时的缸压信号，经由功率放大器驱动发动机激励源发生装置模拟真实发动机的激励。发动机激励源发生装置接收缸压信号并产生激振力，模拟发动机激励的振动与声音。建立“源‑路径‑响应”模型，获取结构对应的力振传递函数及力声传递函数，进行发动机传递路径分析试验。在保证稳定输出试验所需的激励源信号前提下大大简化结构，满足激励源方便拆卸与安装的要求，不仅可实现发动机不同工况的激励模拟，还可实现其他多缸发动机或单缸发动机的激励模拟，有利于在实验室范围内进行部分发动机相关NVH试验。

Description

一种模拟发动机激励的系统和方法
技术领域
本发明涉及发动机NVH试验技术领域，更具体地，涉及一种模拟发动机激励的系统和方法。
背景技术
车辆的NVH问题主要来源于整车各结构部件的振动，这些振动噪声主要有两个来源，即整车激励源(发动机或电机)和系统路径特性。在汽车产品开发设计过程中，为了优化整车的NVH性能，工程师常常会从整体出发，联系激励源对各路径特性进行合理地优化。
以发动机传递路径分析试验为例，最重要的步骤在于建立“源-路径-响应”模型，获取对应的力振传递函数或力声传递函数，即在试验过程中需要获得结构的振动信号与声音信号。并且，为了识别系统的路径特性以预测目标点处的振动响应，通常需要获取结构上界面连接点到目标点的传递函数，为了防止在锤击试验中能量反向通过激励源结构后再经由减震器传回目标点，最理想的状态应当将激励源即发动机拆除。对于实验室研究阶段，若是一开始便以真实的发动机为研究对象，试验成本较高，对试验场地有着一定的要求，操作过程也极为繁琐。若是需要对激励源进行拆卸，不仅耗费时间与精力，还容易对发动机部件造成损坏。
发明内容
本发明要解决的问题在于提供一种模拟发动机激励的系统，准确模拟真实发动机运行工况下的振动与噪声，并能实现不同运行工况的控制，以较低成本完成发动机相关NVH试验。
进一步的，要解决的技术问题是在实现试验所需的发动机振动与声音信号的前提下简化发动机结构，去除试验所不需的复杂零部件，在满足激励源方便拆卸与安装的前提下达到发动机激励模拟的目的。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种模拟发动机激励的系统，其特征在于包括：
总控计算机(1)，根据真实发动机试验时采集的单缸缸压信号控制信号发生器(2)输出缸压信号；
信号发生器(2)，接受总控计算机(1)的指令并输出所述缸压信号；
功率放大器(3)，用于放大缸压信号并驱动发动机激励源发生装置(4)；
发动机激励源发生装置(4)，接受经功率放大器(3)放大的缸压信号并产生模拟真实发动机的激励源；
数据采集装置(9)，采集发动机激励源发生装置(4)产生的所述激励源。
进一步的，所述发动机激励源发生装置(4)包括：
至少一个激振器(5)，接收经由功率放大器(3)放大后的缸压信号并产生和传递激振力；激振器(5)的数量等于待模拟发动机的气缸数量；
机体(7)，接受激振器(5)传递的激振力而产生振动并发出模拟真实发动机运行时的声音；
力传感器(6)，用于测量发动机激励源发生装置(4)工作时激振器(5)对机体(7)施加的激振力大小，并输出激振力信号到数据采集装置(9)；
悬置件(8)，用于激励力的振动传递，同时在待测位置支承整个发动机激励源发生装置(4)。
进一步地，力传感器(6)位于激振器(5)与机体(7)之间，悬置件(8)支撑在机体(7)底部。
进一步地，信号发生器(2)设置多个输出通道，每个输出通道均对应设置一个单独的激振器(5)。
进一步地，每一缸的缸压信号均与信号发生器(2)的一个单独的输出通道相对应。
一种发动机激励模拟方法，其特征在于采用上述模拟发动机激励的系统，通过悬置件(8)将发动机激励源发生装置(4)固定安装于实验车架(10)的发动机舱中，在实验车架(10)驾驶舱内的座椅(11)上布置加速度传感器(12)，在驾驶员耳旁处布置麦克风(13)；
总控计算机(1)控制信号发生器(2)输出缸压信号，缸压信号经放大后驱动发动机激励源发生装置(4)产生模拟真实发动机的激励力和机体振动声音；麦克风(13)采集声音信号，加速度传感器(12)采集加速度信号；
结合所述加速度信号、声音信号、以及力传感器(6)采集的激振力信号，建立“源-路径-响应”模型，获取对应的力振传递函数及力声传递函数，进行发动机相关的传递路径分析试验。
进一步地，通过总控计算机(1)调整修改信号发生器(2)输出的缸压信号类型，实时调节功率放大器(3)档位以实现不同运行工况的发动机激励模拟。
进一步地，各缸压信号同时到达所对应的激振器(5)并同时产生激振力。
进一步的，需要进行锤击试验获取传递函数时，将悬置件(8)上方的机体(7)、激振器(5)及力传感器(6)快速拆除以将激励源拆除。
进一步地，根据试验需要调整发动机激励源发生装置(4)中的激振器数量。
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：
本发明实现模拟发动机激励的方式相比传统方法更为简便，有效利用了激振器振动发声的特点，去除了试验不必要的复杂结构，保留了试验所需的激励源信号，对整个发动机结构进行大大地简化，在满足激励源方便拆卸与安装的前提下达到发动机激励模拟的目的，有利于在实验室范围内进行部分发动机相关NVH试验。
缸压信号来源于真实发动机试验时采集的单缸缸压信号；通过修改系统中的信号发生器输出的缸压信号类型，实时调节功率放大器档位，还可实现不同运行工况的发动机激励模拟。
此外，发动机激励源发生装置中的激振器数量代表发动机的气缸数量，可根据试验需要进行灵活调整，实现其他多缸发动机(或单缸发动机)的激励模拟。
最后，信号发生器的各输出通道与所用激振器一一对应，可实现各单缸缸压信号的同步输出，保证了模拟发动机激励时振动与声音信号的稳定性，对于系统故障时的故障点排查也有着有益作用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种模拟发动机激励的系统结构示意图。
图2为本发明实施例提供的发动机激励源发生装置的立体结构示意图。
图3为本发明实施例提供的将发动机激励源发生装置安装于实验车架上进行发动机传递路径分析试验的结构原理图。
图4为本发明实施例提供的信号发生器输出的四缸发动机各缸缸压信号曲线图。
图1-4中各附图标记对应如下：1、总控计算机；2、信号发生器；3、功率放大器；4、发动机激励源发生装置；5、激振器；6、力传感器；7、机体；8、悬置件；9、数据采集装置；10、实验车架；11、座椅；12、加速度传感器；13、麦克风。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的其他所有实施例，都属于本发明保护的范围。
接下来结合附图1-4对本发明实施例的发动机运行模拟系统进行具体的描述。
如图1所示的模拟发动机激励的系统结构示意图，本发明实施例的模拟发动机激励的系统，包括总控计算机1、信号发生器2、功率放大器3、发动机激励源发生装置4及数据采集装置9。
通过总控计算机1控制信号发生器2输出缸压信号，经由功率放大器3驱动发动机激励源发生装置4产生激励，用以模拟真实发动机的激励。所述总控计算机1控制信号发生器2输出的信号来源于真实发动机试验时采集的单缸缸压信号，每一缸的缸压信号对应信号发生器2的一个输出通道，本发明实施提供例提供的四缸发动机各缸缸压信号曲线如图4所示。
发动机产生的振动与噪声响应信号同缸内压力信号之间存在很大的相关性，燃烧过程及活塞的往复运动造成了缸内压力的起伏变化，因此可将缸压信号作为模拟发动机的激励信号。为了使缸压曲线清晰可见，图4仅展示了约0.35s内某四缸发动机满负荷加速运行时的缸压曲线。其中每一种线型代表一个气缸，图4展示了各缸压力随时间变化的趋势，各曲线的波峰代表压缩上止点，相邻两个缸压曲线之间代表一个完整的发动机循环，即进气、压缩、做功及排气，通过图4可清晰看出该四缸机各缸做功顺序为1-3-4-2。
信号发生器2输出的缸压信号类型可通过总控计算机1进行调整，功率放大器3档位可实时调节，用以模拟不同运行工况的发动机激励。
如图2所示，发动机激励源发生装置4包括激振器5、力传感器6、机体7与悬置件8。激振器5接收经由功率放大器3放大后的缸压信号并产生激振力，信号发生器2的一个输出通道对应一个激振器5，各缸压信号同时到达所对应的激振器，同时产生激振力，激振力传递至机体7使机体7产生振动并发出声音，模拟真实发动机运行时的激励。力传感器6位于激振器5与机体7之间，测量发动机激励源发生装置4工作时各激振器5对机体7施加的激振力大小，激振力信号通过数据采集装置9进行收集。
激振器5的数量可根据需要进行调整，激振器5的数量可代表发动机的气缸数量，改变激振器5的数量，可实现其他多缸发动机(或单缸发动机)的激励模拟。
悬置件8用于激励源的振动传递，同时支承整个发动机激励源发生装置4，如图3所示，通过悬置件8可将发动机激励源发生装置4固定安装于实验车架10的发动机舱中。
如图3所示的结构示意图，将所述的发动机激励源发生装置4通过悬置件8安装于实验车架10上，在实验车架10驾驶舱内的座椅11上布置加速度传感器12，在驾驶员耳旁处布置麦克风13，结合发动机激励源发生装置4中的力传感器6采集的激振力信号，建立“源-路径-响应”模型，可获取对应的力振传递函数及力声传递函数，进行发动机相关的传递路径分析试验。
当整个系统开始工作时，通过力传感器6采集到的4个激振力信号为Fi(i＝1,2,3,4)，加速度传感器12采集到的振动加速度信号为a，麦克风13采集到的声音信号为S，则第i个激振器处的激振力到响应点加速度的传递函数(力振传递函数)为：
Figure BDA0002860155350000061
式中，RaF是a与F的互相关函数，RFF是Fi的自相关函数。
同理第i个激振器处的激振力到响应麦克风的传递函数(力声传递函数)为：
Figure BDA0002860155350000062
式中，RSF是S与F的互相关函数，RFF是Fi的自相关函数。
若要进行经典发动机传递路径分析试验，为了识别系统的路径特性以预测目标点处的振动响应，需要获取结构上界面连接点到目标点的传递函数，即悬置件8与机体7连接点到加速度传感器12处的传递函数，那么可在悬置件8与实验车架10附近布置参考点，同样设置加速度传感器采集振动加速度信号。由于该试验不是本发明实施例的重点，所以在本发明实施例的介绍中不作详细说明。为了防止在锤击试验获取传递函数时能量反向通过机体7后再经由悬置件8传回目标点(加速度传感器12处)，最理想的状态应当将激励源拆除，由于本发明实施例的发动机激励源发生装置4结构简单，可直接将悬置件8上方的机体7、激振器5及力传感器6拆除，在锤击试验中对悬置件8附近参考点进行敲击。以上步骤大大简化了拆除激励源的过程，对传递路径分析试验的进行发挥重要作用。
本发明有效利用了激振器振动发声的特点，实现模拟发动机激励的方式相比传统方法更为简便；去除了试验不必要的复杂结构，保留了试验所需的激励源信号，对整个发动机结构进行大大地简化，在满足激励源方便拆卸与安装的前提下达到发动机激励模拟的目的；通过修改系统中的信号发生器输出的缸压信号类型，实时调节功率放大器档位，还可实现不同运行工况的发动机激励模拟；发动机激励源发生装置中的激振器数量代表发动机的气缸数量，可根据试验需要进行灵活调整，实现其他多缸发动机(或单缸发动机)的激励模拟；信号发生器的各输出通道与所用激振器一一对应，可实现各单缸缸压信号的同步输出，保证了模拟发动机激励时振动与声音信号的稳定性，对于系统故障时的故障点排查也有着有益作用。
以上所述为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进以及修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种模拟发动机激励的系统，其特征在于包括：
总控计算机（1），用于控制信号发生器（2）输出真实发动机运行时的缸压信号；
信号发生器（2），接受总控计算机（1）的指令并输出所述缸压信号；
功率放大器（3），用于放大缸压信号并驱动发动机激励源发生装置（4）；
发动机激励源发生装置（4），接受经功率放大器（3）放大的缸压信号并产生模拟真实发动机的激励源；
数据采集装置（9），采集发动机激励源发生装置（4）产生的所述激励源；
所述发动机激励源发生装置（4）包括：
至少一个激振器（5），接收经由功率放大器（3）放大后的缸压信号并产生和传递激振力；激振器（5）的数量等于待模拟发动机的气缸数量；
机体（7），接受激振器（5）传递的激振力而产生振动并发出模拟真实发动机运行时的声音；
力传感器（6），用于测量发动机激励源发生装置（4）工作时激振器（5）对机体（7）施加的激振力大小，并输出激振力信号到数据采集装置（9）；
悬置件（8），用于激励力的振动传递，同时在待测位置支承整个发动机激励源发生装置（4）；
信号发生器（2）设置多个输出通道，每个输出通道均对应设置一个单独的激振器（5）；
发动机每一缸的缸压信号均与信号发生器（2）的一个单独的输出通道相对应。
2.根据权利要求1所述的模拟发动机激励的系统，其特征在于力传感器（6）位于激振器（5）与机体（7）之间，悬置件（8）支撑在机体（7）底部。
3.一种发动机激励模拟方法，其特征在于采用上述权利要求1-2任一项所述的模拟发动机激励的系统，通过悬置件（8）将发动机激励源发生装置（4）固定安装于实验车架（10）的发动机舱中，在实验车架（10）驾驶舱内的座椅（11）上布置加速度传感器（12），在驾驶员耳旁处布置麦克风（13）；
总控计算机（1）控制信号发生器（2）输出缸压信号，缸压信号经放大后驱动发动机激励源发生装置（4）产生模拟真实发动机的激励力和机体振动声音；麦克风（13）采集声音信号，加速度传感器（12）采集加速度信号；
结合所述加速度信号、声音信号、以及力传感器（6）采集的激振力信号，建立“源-路径-响应”模型，获取对应的力振传递函数及力声传递函数，进行发动机相关的传递路径分析试验。
4.根据权利要求3所述的发动机激励模拟方法，其特征在于通过总控计算机（1）调整修改信号发生器（2）输出的缸压信号类型，实时调节功率放大器（3）档位以实现不同运行工况的发动机激励模拟。
5.根据权利要求3所述的发动机激励模拟方法，其特征在于各缸压信号同时到达所对应的激振器（5）并同时产生激振力。
6.根据权利要求3所述的发动机激励模拟方法，其特征在于需要进行锤击试验获取传递函数时，将悬置件（8）上方的机体（7）、激振器（5）及力传感器（6）拆除以将激励源快速拆除。
7.根据权利要求3所述的发动机激励模拟方法，其特征在于根据试验需要调整发动机激励源发生装置（4）中的激振器数量。
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