文摘
本文调查汽车传动系统的扭转振动通过一个实验测试台用于验证提出的集中参数模型。钻井平台由一个双离合器变速器(DCT)和手动变速箱(MT)通过各自的输出轴连接,而激励是由两个电动机,控制的速度或转矩。实验分析包括外部扭矩的测量,应用机械系统由两个电动机,和系统响应的测量角的速度沿着输电线路在不同的位置。系统的频率响应估计从实验数据和比较的结果5-degree-of-freedom集中参数模型,这被证明是足够的描述系统的动态行为的频率200赫兹。仿真结果和实验数据之间的比较显示了良好的协议,因此,模型可以用来预测传动系统的扭转振动的线性。此外,非线性的影响与励磁的平均值。最后选定齿轮传动比的影响在实验讨论了频率响应。
1。介绍
汽车变速器是常用的机械功率转移车辆的原动力,最多一个内燃机(ICE),车轮。今天的研究是面向更高效和更少的污染,然而冰仍然是最广泛使用的机载电源由于其相关优势,特别是在特定的权力,自治,易于加油。
从动态的角度来看,缺点是不规则的力矩,主要是由于燃烧过程本身的惯性载荷和往复和旋转质量。这些违规行为显示频谱相当丰富的谐波含量,明显与转速的命令。因此,违规行为代表的激励源影响整个汽车动力传动系统的扭转振动;这些振荡可能导致减少舒适或不受欢迎的噪音(叮当声,摇铃等。1])。
通常制造商面临着这一问题通过昂贵的车载实验测试旨在找出如何减少不受欢迎的现象,往往需要大量的运行。仿真提供的另一种方法是:显然整个传输必须准确地模仿和合成扭转模型需要实验验证。在这些假设下,汽车传动系统的扭转模型可能是必要的工具来设计和验证动力总成的振动行为。事实上,传播知识的传递函数矩阵允许预测的扭转振动水平传输组件对于一个给定的发动机类型,在整个工作速度和扭矩范围(2]。
减少噪音和振动被广泛研究的问题在所有工程领域:[3)总结了关于隔离的一个大型研究许多隔振设备的改进,使用不同的结构配置,基于压缩和扭转橡胶元素。
在汽车领域,双质量飞轮(时间)代表设备用来减少振动的例子:他们通过复杂的不断改进创新(例如,内部阻尼器、滑鞋或摆式阻尼器(4])。DMF的扭转动态行为进行数值和实验(5),扭转试验台的集总参数模型考虑两种不同的模型提出了DMF阻尼(粘性和滞后)。
非线性扭转模型用于分析汽车变速器喋喋不休的问题并找到解决方案来减少噪音,振动和动态负载。在[6),作者表明,这种系统的扭转刚度和惯性分布代表数值的问题。此外,在齿轮啮合间隙非线性导致不连续函数:这两个因素影响时域的功效集成和抚平功能是广泛用于克服计算困难,提高仿真。在[7),一个数学模型的非线性扭转振动研究单程传动装置系统的反弹。基于离散化的四个不同的技术方法,微扰法,里兹方法,逐步时集成方法建模与仿真软件进行比较的时间和频率响应。已经证明,尽管所有的调查方法是准确和计算有效寻找主要光谱贡献,只有离散化和步进式时集成方法能够识别其他频率成分。
混合建模仿真技术的汽车动力传动系统的扭转振动系统提出了(8]。更具体地说,动力传动系统建模部分作为集总系统和部分分布参数系统:作者表明,混合模型允许识别高频组件相关的叮当声,当一个简单的集总模型不能。
在[9),一个实验性的活动显示了叮当声现象的分析:扭转冲动是通过动力传动系统扭矩预加载系统应用平台为了激发高频叮当声模式。校准加速度计位于不同位置沿切向加速度动力传动系统来记录。典型的光谱成分传动轴的报道,表明高频内容1.5 - 5 kHz范围。
在[10]的实验和分析方法描述的扭转动态行为自动手动变速器(AMT)和DMF进行了讨论。改变AMT的齿轮传动比的影响而言,频率响应函数(降维)合规所示从措施和该模型的仿真结果。
其他作者(11)提出一个方法来计算各种时变参数:传输错误,接触线的长度,啮合刚度、啮合阻尼系数、输入和输出转矩,动态啮合力和动态摩擦力。
的传输与万向关节,在许多汽车系统,12)提出了一个传动轴的扭转振动数学模型,基于集总质量的主动齿轮、从动齿轮和主减速器系统组装。夹角的影响传动轴中间支承刚度和主减速器的振动和噪声是获取和验证实验。
关于实验方法,提出的新方法在13)来模拟实际工况测试动态刚度时值得引用。动力系统安装的试验模态分析系统,传统的冲击锤测试的方法可能会产生大的误差和模态参数的识别结果不可靠,而识别使用运行模态分析的方法可以获得更准确和可靠的结果,这是符合实际的工作状态。
在本文的第一部分中,作者描述了传动试验装置扭转振动分析可用Politecnico di都灵,讨论它的潜力。特别是,他们处理的某些方面之间的交互电动马达控制,试验台的机械零件。
的四自由度集中参数模型测试传输提出了(14)已经进行了改进:在这里提出一个自由度的模型,旨在分析扭转行为更高频率。模态形状,讨论了模拟系统的固有频率和频响矩阵。
仿真结果的分析强调了影响电动马达控制系统上的一些物理参数的调优和扭转行为。
论文的最后一部分吸引了一些注意事项后加工方法来估计频率响应函数的实验数据,模拟和实验结果之间的比较。此外,一些影响的非线性励磁的显示的平均值和讨论。最后选定齿轮传动比的影响在实验频率响应。
2。传动试验台
图1显示了传动试验台位于力学实验室Politecnico di都灵。它的主要组件是两个电动马达(M1和M2)和两个乘用车传动系统锁定的差异,也就是说,双离合器变速器(DCT)和手动变速箱(MT)。
可见,如图2,DCT和MT变速箱用于放大扭矩由电动马达连接到各自的输入轴。两个输出轴SA1和SA2通过闸盘连接D。
试验台配备了许多传感器(编码器和归纳皮卡来测量速度、扭矩和温度传感器)针对监控的实际动态传输系统。对于扭转振动分析,最相关的传感器(我)两个torque-meters (和在图2),提供的扭矩测量两个电动马达;(2)三个增量编码器(见表1决议):EM1, EM2反应堆测量角速度的两个电机同时ED措施DCT的速度差。试验台是构想作为半实物(边境)系统针对典型的繁殖演习代表真正的使用轿车的变速箱。这一目标是通过运行仿真模型的实现和实时交换信息的物理传感器和致动器试验台。一些例子测试长椅分享类似的边境技术报告(15- - - - - -17]。
在图1从左到右,可见以下组件:(我)M1:三相感应电动机用于模拟原动机的车辆,例如,内燃机。(2)DCT: 6速干式双离合器变速器(见,例如,18]这个传播的运动学和动力学行为)。(3)MT: 6速手动变速器。(iv)M2:第二个三相感应电动机模拟车辆的负载,也就是说,空气动力学和滚动阻力,道路坡度,车辆惯性的影响。值得注意的是,良好的可控性两电机的转矩和速度允许生成标准(例如,一步,正弦波,或啁啾)和自定义荷载。此外,沿着传输速度传感器允许监测动力系统响应。
因此,传动系统的扭转振动可以调查:其余的论文集中在这方面。
3所示。系统模型
线性化集中参数模型用于研究扭转动态系统的行为是描绘在图3。用于模拟参数的数值如表所示2。
模型考虑了机械部件之间的交互和转矩/速度控制器实现了电机驱动器。
3.1。电动马达控制
调速电机M1,而电动机torque-controlled M2。恒速是M1控制器的设定值,而电动机M2几乎提供了一个谐波转矩励磁,所需的频率随时间变化的频率范围。
电动机的速度控制M1实现通过一个比例积分(PI)算法: 在哪里和分别是比例和积分收益。
假设速度设定值是常数(),前者可以书面形式的方程 方程(2)表明,积分增益作为扭转刚度,即弹性术语,而比例增益作为粘滞阻尼,粘滞项。
电动机的转矩应用M2就是另一回事了。事实上,考虑到小振荡在一个平衡点和忽视的恒转矩马达必须提供保证稳态条件,没有必要显示明确电动马达的转矩应用平方米。一个谐波激励应用到系统的惯量之一,有惯性矩在这种情况下,隐含在敏感性的方法(19]。
3.2。扭转系统动力学
5自由度扭转系统是用于描述被测机械系统的动态行为。DCT变速箱是模仿考虑齿轮传动比实际的齿轮(定义为输入和输出速度之间的比率),整体抗扭刚度活动传播路径的两个转动惯量,即惯性的一部分和惯性主要是有关微分。
双质量飞轮的DCT安装在测试床,低刚度弹簧和粘滞阻尼器阻尼系数介绍了模型。转动惯量的DMF质量是添加到M1转子惯性前弹簧和阻尼器元素,而第二个的等效惯性质量是添加到DCT(除了它的微分)评估的输入轴。
第二变速箱名叫太是模仿简单实际传动比齿轮对的特征用统一的效率。太总惯性矩反映输入轴和构成惯性的一部分。
两个半轴SA1和SA2建模元素拥有扭转弹性和阻尼特性。
广义坐标的角位置每个飞轮系统组成:。
扭转系统的运动方程描绘在图3是 可以在矩阵形式 的质量、阻尼和刚度矩阵在附录中。
3.3。自然的固有频率和振型
通过求解特征值问题与无阻尼系统相关,也就是说, 可以计算出固有频率和相关的模态形状,所描述的自然模式或模态向量。
形状是规范化模式的模量的最大元素每个特征向量都是统一的。
此外,由于两个齿轮比率的存在,也就是说,两个变速箱的传动比,方便显示特征向量称为轴相同,例如,轴的电机M1。作为一个例子,th特征向量比例如下: 图4显示了固有频率和模式的形状称为M1为每个五轴振动模式。
第一个低频模式(≈1 Hz)几乎是一个刚体模式,主要是与电机速度控制器。增加积分获得比例积分控制器确定增加的第一个系统的共振频率,同时增加成比例增加提出了阻尼因子相对于第一个模式(数据5和6)。
第二个模式是第一个真正扭转系统的模式。第二和第三固有频率非常接近彼此(大约10 Hz第二和第三)15赫兹;因此个人的影响结合起来产生一个峰值在两者之间的中频频率响应,即12.5赫兹。一个更大的惯性电机M1 ()降低频率,而更大的第二飞轮的质量()增强峰值振幅。增加半轴刚度变化更高频率的峰值。如果DMF阻尼足够小,有两个独立的山峰;增加阻尼最初趋于平缓的两座山峰,然后产生增加单峰值振幅(图7)。
最后两个高频模式显示出非常相似的特点:在这两种情况下一个惯性振动对剩下的动力传动系统的一部分,它几乎保持静止。第四模式大约在62赫兹,主要包括制动盘惯性,而第五模式(152赫兹)是由于DCT的振动微分。因此,系统的动态行为及其灵敏度的参数附近的记者固有频率类似于1-dof系统。作为一个例子,相当于1-dof系统第四模式是由惯性、刚度和阻尼。
3.4。频率响应函数
粘性阻尼的响应自由度系统谐波激励可以通过响应矩阵计算相关的,每个自由度的位移的激励作为频率的函数: 在哪里是一个真正的恒定振幅矢量是一个复杂的向量。矩阵可以计算的逆动态刚度矩阵;也就是说, 试验台的措施角度速度和扭矩;因此降维的计算模型这两个量之间的比率,称为流动函数(19]。
如果谐波运动,速度和角位置振幅之间的关系 这 更具体地说,谐波转矩应用于电动马达M2的第五惯性系统;因此唯一的元素不同于零是第五这组方程表示的频率响应每个自由度的第五纵队只包含响应矩阵: 在[解释10),扭矩测量在板凳上不是直接激发自传感器安装在输出轴上,下游轴承的电动机惯性和阻尼。因此必须考虑以下方程: 或者,测点的机械系统上游必须在模型中被忽视;也就是说,系统的模型不能考虑到电动马达,激发系统的力学模型。
4所示。实验测试
在扭转振动测试,一个电动马达(例如,M2)产生一个正弦转矩有几乎恒定的振幅和连续变频(这个电机转矩控制启用),而第二个马达(M1)试图保持其轴的速度常数(闭环速度控制模式启用)。
应该注意的是,在扭转激励开始之前,系统必须带一个稳态条件,也就是说,恒定的速度和扭矩,可以线性化系统的行为。一个力矩补偿必须因此不断应用和添加到谐波趋势在测试期间,为了有大约持续的系统参数,例如,没有明显的刚度变化,没有交叉线的零转矩,以避免与负载相关的非线性现象逆转(旋转组件之间的影响由于反弹)。
时间两个电动马达的扭矩应用的历史与角速率测量和收集在一起传输线(图的三分8)。
(一)
(b)
正弦扭矩设定值 在恒定的振幅和频率不同时间的幂函数(对数线性调频);也就是说, 清晰可见的对数趋势图9,显示的扭矩测量传感器的光谱图。12阶相关的振动,可能由于电机的转矩生成系统,同样也是可见的阴谋。
基于一个后处理工具估计量(见,例如,10,20.])应用于获得数据允许获取输入转矩之间的传递函数,采用电动机M2,旋转速度。
即使外部负载应用的两个电动马达,一个单输入多输出(极点)方法可以用来分析系统的动态行为。电动机的闭环速度控制器必须成为被测系统的一部分,所以它的数学描述是包括在模型中。
数据10- - - - - -12显示误差估计的措施与相干函数。自励磁的动态系统是由电动机平方米,响应的振幅足够高的准确测量编码器超过150赫兹。相反,其他的低振幅的振荡电机M1也由于较低的传感器分辨率限制的范围的可靠性20 Hz。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
传感器用来测量三个检测轴的角速度增量编码器有不同的决议,如表所示1。高分辨率编码器对更高频率允许扩展频率分析。作为一个例子,即使在微分输出振荡的振幅低(见图12润扬悬索桥),显示了一个明确的趋势超过150赫兹。
假设被测系统是线性的(至少在社区周围的平衡点的系统振动)和定常,从实验数据估算的误差也可以由计算功率谱密度(PSD)和互功率谱密度(CSD)。
该方法通常用于计算这两个量是韦尔奇的方法(21]:它允许更好的降噪与标准相比周期图频谱估计方法或Bartlett的方法平均估计来自原始信号的连续的不重叠的部分。
韦尔奇的方法而不是基于时间平均短,窗口的周期图,应用于重叠的部分。
韦尔奇PSD估计使用的方法 在帽子的象征表示估计函数,段的数量有长度吗,是一个比例因子,离散傅里叶变换(DFT)的吗th窗口的部分;也就是说, 在哪里是数据段,是窗口应用于每一段,每个样品的标识符的数据段。的时间块的总时间历史的两个措施细分是重叠的,从而减少随机误差的估计。
所(21),当计算PSD和CSD随机误差是影响窗口和重叠加工;更具体地说随着重叠比例起初我们得到大量减少方差增加重叠,同时,比例高于某一特定重叠,额外获得非常小。因为实验评估误差也使用估计量之间的比率是CSD和PSD,相同的概念也适用于误差方差,如图13,重叠的百分比的影响在平均过程中使用的质量估计误差。
系统的某些非线性的影响如图14润扬悬索桥,策划的模量之间所需的扭矩和实际价值通过转矩测量仪三种不同值的平均值的M2扭矩:平均值的增加导致更大的振幅的误差。
最后,图15显示了润扬悬索桥不同的齿轮比率的影响。最相关的后果是第一的频移频峰值和峰值振幅的增加。
4.1。模型顺序选择
模型发展驱动,简化问题,将使用必要的最小数量的景深来描述系统动力学在感兴趣的频率范围。
必须注意到,由于每一个机械系统具有分布式特性(惯性、弹性和耗散),位置的选择应该集中并不总是显而易见的惯量,尤其是在感兴趣的频率范围增加。作为一个例子,第一个造型尝试是只使用4自由度:DCT只是模仿了MT。对比实验和模拟的误差,显著差异在高峰阶段,缺乏大小约为150 Hz观察,报道在图16:额外的自由度对应的微分DCT允许增加预测的准确性。
5。模型验证
报告的情节人物17- - - - - -19显示,模拟误差之间的比较,计算数值评估(11),实验结果的误差估计,也就是说,使用试验装置上的转矩和速度的措施。
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
模拟和实验曲线之间的通信是优秀的降维和模量和阶段。同样,图18有效降)显示了一个相当不错的通信模量和阶段的极限实验数据的可靠性(20 Hz)。共振峰的频率和振幅都被模型。
5.1。结果分析
定量比较模拟结果与测量值之间误差也在桌子上3(它必须强调结果误差和由于缺乏实验措施没有显示)。均方根(RMS)的实验和模拟之间的差异大小和相位的误差是指数选择评估模型的准确性。
结果关于第一个误差(RMS)是影响相关阶段差异如果整个频率范围内,也就是说,最大频率赫兹,被认为是。这是由于低分辨率的编码器M1对角位移测量;因此高频率的误差主要是由于错误的实验措施而不是模型,也证实了后迅速下降到零的相干函数21赫兹(见图11)。21赫兹限制最大频率,也就是说,到实验数据的值是可靠的,相位误差变得小得多。
降维很好估计在整个频率范围内,实验的形状大小和阶段趋势模型,捕捉到,可见图吗19,测量的准确性也足够高达200赫兹由于编码器分辨率,从而导致小均方根误差的大小和相位。
两个均方根值计算误差:第一个是在整个频率范围内,而第二个只限于70 Hz。从图可见也定性17后立即,估计的准确性大大减少第三级最高。可能需要额外的自由度来扩展模型的有效性也高达200赫兹频响:需要进一步调查来解决这个问题。
6。结论
传动系统的扭转振动安装在试验装置上进行了调查和一个可靠的集中参数模型。敏感性分析突出的影响电动机控制调优和其他模型参数对全球扭转行为。
第一高度阻尼传动系统的扭转模式(≈1 Hz)几乎是一个刚体模态,它主要是与电机速度控制器。
第二个模式是第一个真正扭转系统的模式。第二和第三自然频率非常接近对方;因此个人的影响结合起来产生一个峰值误差约为12.5赫兹。
第四和第五模式代表了刹车盘的振动(惯性)和DCT的微分(惯性),对动力传动系统的其余部分仍几乎静止的。
实验和模拟结果比较,显示了在哪里集中传输系统的模型参数,以获得准确的估计实验频率响应。添加一个景深代表DCT微分惯性导致额外的峰值频率响应和变化在高频阶段根据实验结果。
比较结果获得使用较少的自由度与模型表明,五自由度是一个适当的选择来描述线性扭转系统行为的频率200赫兹。
被测系统的非线性行为是通过具体的测量:强调增加平均转矩值应用在测试期间造成更大的降维的大小。的实际齿轮的影响也太实验调查:最相关的结果是一个频峰的频移。
附录
系统矩阵
质量、刚度和阻尼矩阵如下: 如上所述节3.1关于电机控制,值得观察的是,比例增益出现在阻尼矩阵,获得积分出现在刚度矩阵。
符号和缩写
| B: | 刹车 |
| CSD: | 互功率谱密度 |
| D: | 制动盘 |
| DCT: | 双离合器变速箱 |
| DFT: | 离散傅里叶变换 |
| 景深: | 自由度 |
| 差异: | DCT微分 |
| DMF: | 双质量飞轮 |
| : | 编码器 |
| 频: | 频率响应函数 |
| 边境: | 半 |
| : | 质量惯性矩 |
| 冰: | 内燃机 |
| M1 / M2: | 电动马达 |
| MT: | 手动变速箱 |
| PSD: | 功率谱密度 |
| SA1 / SA2: | 半轴 |
| : | 抗扭刚度 |
| : | 虚数单位 |
| : | 粘性阻尼系数 |
| : | 角位置、速度和加速度 |
| : | 齿轮比(DCT的) |
| : | 齿轮传动比的太 |
| : | 角频率 |
| : | 转矩 |
| : | 转矩传感器 |
| : | 响应矩阵 |
| : | 阻尼矩阵 |
| : | 刚度矩阵 |
| : | 质量矩阵 |
| : | th自然模式 |
| : | 固有频率的th模式。 |
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。