汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率測(cè)量系統(tǒng)。其中，系統(tǒng)主要由激勵(lì)系統(tǒng)、測(cè)量傳感器和測(cè)量分析系統(tǒng)組成；該系統(tǒng)測(cè)量加速度傳感器的加速度信號(hào)和電磁振蕩器產(chǎn)生激振力信號(hào)，判斷是否發(fā)生共振，在共振時(shí)，激振力信號(hào)的頻率則就是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有頻率。本實(shí)用新型的系統(tǒng)對(duì)于測(cè)量人員來(lái)說(shuō)容易掌握并測(cè)量準(zhǔn)確。
【專利說(shuō)明】汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率測(cè)量系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及檢測(cè)測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率測(cè)量系統(tǒng)?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)是駕駛員可以直接感知到的敏感振動(dòng)，它直接影響整車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)主要是由于汽車在高速行駛的過(guò)程中路面的的不平和發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速激勵(lì)造成的，并且在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速下轉(zhuǎn)向盤的抖振最為敏感，發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速的情況下汽車產(chǎn)生的振動(dòng)是由于活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力造成的，它的振動(dòng)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)的缸數(shù)和轉(zhuǎn)速有關(guān)，乘用車發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速一般為700-1000rPm，對(duì)于4氣缸的乘用車其激振頻率約為20-35HZ，對(duì)于6氣缸的乘用車激振頻率約為35-50HZ。當(dāng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有頻率和振動(dòng)激勵(lì)頻率接近時(shí)，將會(huì)引起轉(zhuǎn)向盤的過(guò)大振動(dòng)。由于汽車轉(zhuǎn)向盤和駕駛員的手直接接觸，因此轉(zhuǎn)向盤 的振動(dòng)大小必須控制在可以接受的范圍內(nèi)，否則會(huì)引發(fā)駕駛員的疲勞，并使汽車舒適性受到影響。所以在設(shè)計(jì)汽車時(shí)，為了避免共振，四缸的乘用車其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有頻率需大于35Hz ;六缸的乘用車其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有頻率需大于50Hz。
[0003]現(xiàn)有汽車轉(zhuǎn)向測(cè)試系統(tǒng)一般都采用力錘激勵(lì)法，由于在進(jìn)行測(cè)試和使用力錘時(shí)，要進(jìn)行測(cè)試觸發(fā)設(shè)置，觸發(fā)設(shè)置的信號(hào)源是力錘的力信號(hào)，每次的力錘激勵(lì)只有達(dá)到設(shè)定的觸發(fā)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)采集并處理數(shù)據(jù)。另外，由于需要進(jìn)行多次平均，每次力錘激勵(lì)時(shí)，需要測(cè)試人員保持平穩(wěn)的力度，每次的激勵(lì)不應(yīng)差別太大，同時(shí)還要注意，錘擊時(shí)應(yīng)避免因構(gòu)件反彈而引起的兩次錘擊。脈沖錘激振雖然簡(jiǎn)便有效，但在著力點(diǎn)位置、力的大小、方向的控制方面要有熟練的操作技巧，否則會(huì)產(chǎn)生很大的隨機(jī)誤差，這對(duì)于一般測(cè)量人員不容易掌握，而且測(cè)試效果也較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決測(cè)試過(guò)程中出現(xiàn)的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種具有固有頻率的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)方案，該技術(shù)方案通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的固有頻率，判斷其是否在激勵(lì)頻率范圍內(nèi)，以優(yōu)化轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動(dòng)特性、抑制共振。
[0005]本發(fā)明提供了一種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由激勵(lì)系統(tǒng)、測(cè)量傳感器和測(cè)量分析系統(tǒng)組成:
[0006]其中，
[0007]激勵(lì)系統(tǒng)由電磁激振器、電磁振蕩器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成；
[0008]測(cè)量傳感器采用三向加速度傳感器；
[0009]測(cè)量分析系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理放大電路、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)。
[0010]電磁振蕩器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由PIC單片機(jī)、PWM信號(hào)發(fā)生電路、逆變電路、調(diào)幅直流電源和濾波電路組成。該電磁振蕩器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以Pic單片機(jī)為主控單元，結(jié)合PWM信號(hào)發(fā)生電路，采用全橋逆變式功率輸出方式，輸出大電流振蕩方波，經(jīng)過(guò)濾波電路轉(zhuǎn)變成正弦波，來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁激振器進(jìn)行簡(jiǎn)諧振動(dòng)，從而對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)，使轉(zhuǎn)向盤獲得一定幅度、頻率的正弦波形式的激振力。
[0011]電磁激振器固定在轉(zhuǎn)向盤的激勵(lì)位置，也就是12點(diǎn)鐘位置。
[0012]七個(gè)三向加速度傳感器布置在轉(zhuǎn)向盤上，其中六個(gè)三向加速度傳感器均勻布置在轉(zhuǎn)向盤的支點(diǎn)上、一個(gè)三向加速度傳感器布置在轉(zhuǎn)向盤中心，分別用于測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)徑向、切向和垂向方向的加速度信號(hào)；
[0013]每個(gè)三向加速度傳感器的三個(gè)輸出管腳Xout、Yout、Zout分別為切向X、徑向Y、垂向Z三個(gè)方向上的加速度信號(hào)；
[0014]為了提高測(cè)量的精度在每個(gè)輸出管腳上設(shè)置了前置RC濾波器。
[0015]測(cè)試分析系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理放大電路、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)；
[0016]調(diào)理放大電路將三向加速度傳感器測(cè)量的轉(zhuǎn)向盤的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波；
[0017]數(shù)據(jù)采集卡可以同時(shí)采集多個(gè)通道的信號(hào)，第一通道接收電磁振蕩器產(chǎn)生激振力信號(hào)，其他通道分別接收七個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度傳感器三個(gè)方向上產(chǎn)生的加速度信號(hào)；
[0018]數(shù)據(jù)采集卡最終將接收的信號(hào)傳輸至工控機(jī)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明，下面將通過(guò)實(shí)施例或者現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作介紹，顯而易見(jiàn)地，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得的其他附圖。
[0020]圖1為系統(tǒng)組成框圖；
[0021]圖2為激勵(lì)系統(tǒng)組成框圖；
[0022]圖3為轉(zhuǎn)向盤坐標(biāo)定義圖；
[0023]圖4為轉(zhuǎn)向盤測(cè)點(diǎn)及激勵(lì)點(diǎn)的布置；
[0024]圖5為用加速度判別法判斷共振的李薩如圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本測(cè)試系統(tǒng)的基本測(cè)試原理是通過(guò)共振進(jìn)行測(cè)量判斷:當(dāng)激振力的頻率和系統(tǒng)固有頻率相等時(shí)，引起系統(tǒng)共振，共振時(shí)振幅和相位都有明顯變化，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，可以判別系統(tǒng)是否發(fā)生共振，從而確定出系統(tǒng)的固有頻率。
[0026]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)闡述。
[0027]本發(fā)明的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率測(cè)試系統(tǒng)主要由激勵(lì)系統(tǒng)、測(cè)量傳感器和測(cè)量分析系統(tǒng)三部分組成。如圖1所示，激勵(lì)系統(tǒng)由電磁激振器、電磁振蕩器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成；測(cè)量傳感器采用三向加速度傳感器；測(cè)量分析系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理放大電路、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)。
[0028]如圖2所示，電磁振蕩器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由PIC單片機(jī)、PWM信號(hào)發(fā)生電路、逆變電路、調(diào)幅直流電源和濾波電路組成。該電磁振蕩器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以PIC單片機(jī)為主控單元，結(jié)合PWM信號(hào)發(fā)生電路，采用全橋逆變式功率輸出方式，輸出大電流振蕩方波，經(jīng)過(guò)濾波電路轉(zhuǎn)變成正弦波，來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁激振器進(jìn)行簡(jiǎn)諧振動(dòng)，從而對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)，使轉(zhuǎn)向盤獲得一定幅度、頻率的正弦波形式的激振力。
[0029]電磁振蕩器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出電壓與頻率連續(xù)可調(diào)，其中PIC單片機(jī)控制激振力信號(hào)的頻率，調(diào)幅直流電源控制激振力信號(hào)的幅值。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)頻率和幅值穩(wěn)定可靠，調(diào)節(jié)靈活，分別在20Hz-1000Hz和2V-5V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，調(diào)節(jié)精度分別可達(dá)IHz和0.1V。該系統(tǒng)輸出的激振力信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳輸至工控機(jī)。
[0030]使用電磁激振器作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)激勵(lì)方式，輸出頻帶寬，可以產(chǎn)生20-1000HZ頻率范圍的激勵(lì)力信號(hào)，克服了普通采用力錘激勵(lì)的方式導(dǎo)致的測(cè)量頻率范圍較窄以及對(duì)測(cè)試人員要求較高的缺陷。
[0031]三向加速度傳感器作為測(cè)量傳感器，分別測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)徑向、切向和垂向方向的加速度信號(hào)。圖3是轉(zhuǎn)向盤坐標(biāo)定義圖，其中X對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向盤的切向(駕駛員的敏感方向)、Y對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向盤的徑向和Z對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)向盤的垂向(轉(zhuǎn)向盤進(jìn)出方向)。
[0032]測(cè)試時(shí)，首先需要布置測(cè)點(diǎn)和激勵(lì)點(diǎn)，本發(fā)明的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率測(cè)試系統(tǒng)，確定測(cè)點(diǎn)的位置對(duì)于測(cè)量的精確地起到非常重要的作用，位置的選擇能夠直接影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。三向加速度傳感器的數(shù)量和位置應(yīng)該根據(jù)轉(zhuǎn)向盤的輪輻結(jié)構(gòu)確定。因?yàn)檗D(zhuǎn)向盤的連接點(diǎn)和剛度變化明顯，三向加速度傳感器應(yīng)均勻布置在轉(zhuǎn)向盤的支點(diǎn)上，并保證采集的信號(hào)均勻分布于轉(zhuǎn)向盤的典型位置。因此，三向加速度傳感器應(yīng)該均勻分布在轉(zhuǎn)向盤上。本設(shè)計(jì)以四輪幅轉(zhuǎn)向盤為例說(shuō)明三向加速度傳感器位置的選取。如圖4所示，從轉(zhuǎn)向盤3點(diǎn)鐘位置開(kāi)始均勻布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔60度，圖中分別標(biāo)記為#1—#6測(cè)點(diǎn)，第7個(gè)測(cè)點(diǎn)#7布置在轉(zhuǎn)向盤中心。試驗(yàn)時(shí)，電磁激振器固定在轉(zhuǎn)向盤12點(diǎn)鐘位置。
[0033]具體測(cè)試過(guò)程中，將電磁激振器固定于轉(zhuǎn)向盤的激勵(lì)位置，如圖4所示，由低到高調(diào)節(jié)電磁激振器的激振力頻率，采集激勵(lì)力信號(hào)以及七個(gè)三向加速度傳感器的三個(gè)方向的振動(dòng)信號(hào)。每個(gè) 加速度傳感器的三個(gè)輸出管腳Xout、Yout、Zout分別為X、Y、Z三個(gè)方向上的加速度信號(hào)，為了提高測(cè)量的精度在每個(gè)輸出管腳上設(shè)置了前置RC濾波器。以#1測(cè)點(diǎn)X方向的加速度信號(hào)為例說(shuō)明信號(hào)分析原理。
[0034]數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)采集多個(gè)通道的信號(hào)，第一通道接收電磁振蕩器產(chǎn)生激振力信號(hào)，第二至第二十二通道分別接收七個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度傳感器三個(gè)方向上產(chǎn)生的共二十一路加速度信號(hào)。電磁振蕩器產(chǎn)生激振力信號(hào)輸入至數(shù)據(jù)采集卡的第一通道，# I測(cè)點(diǎn)加速度傳感器產(chǎn)生的X方向加速度信號(hào)輸入第二通道，在LabVIEW軟件中設(shè)置第一通道為X方向，設(shè)置第二通道為y方向，X與y垂直。激振力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，X方向的激振力信號(hào)與y方向的加速度信號(hào)分別為:
[0035]激振力信號(hào)為:1p = Ash ?Χ
[0036]其中:?一時(shí)間，J一激振力信號(hào)的振幅；O —激振力信號(hào)的頻率。
[0037]加速度信號(hào)為:=sin( GJt-ψ)
[0038]V一轉(zhuǎn)向盤#1測(cè)點(diǎn)X方向加速度，6) 一加速度/[目號(hào)頻率，B一加速度/[目號(hào)幅值，-X軸信號(hào)和I軸信號(hào)的相位差。
[0039]相互垂直、不同頻率的振動(dòng)合成，在示波器上會(huì)顯示出復(fù)雜的圖形，叫李薩如圖。圖形的形狀和兩個(gè)振動(dòng)的頻率比以及初相位有關(guān)。
[0040]本設(shè)計(jì)通過(guò)判斷李薩如圖形狀的變化得到共振頻率，即系統(tǒng)的固有頻率。
[0041]設(shè)轉(zhuǎn)向盤的固有頻率為,當(dāng)轉(zhuǎn)向盤發(fā)生共振時(shí)，ω = φ= π；2 ,即χ軸信號(hào)
和y軸信號(hào)的相位差為1/2。根據(jù)李薩如圖原理可知，兩個(gè)相互垂直的頻率相同的正弦振動(dòng)的合成是橢圓，當(dāng)?>等于％時(shí)，,通過(guò)LabVIEW實(shí)現(xiàn)的顯示界面中的圖象將是一個(gè)正橢圓，當(dāng)ω'略小于％或略大于％時(shí)，即@<#2或@>#2時(shí)，圖象為斜橢圓，其變化過(guò)
程如圖5所示。因此圖象由斜橢圓變?yōu)檎龣E圓的頻率?)就是轉(zhuǎn)向盤的固有頻率％。
[0042]不同測(cè)點(diǎn)不同方向測(cè)得的固有頻率可能不一致，要獲知轉(zhuǎn)向盤的固有頻率需要在不同的方向做振動(dòng)測(cè)試，同時(shí)測(cè)量轉(zhuǎn)向盤多個(gè)測(cè)點(diǎn)不同方向的振動(dòng)頻率與振動(dòng)幅值，最后在某一個(gè)方向上振幅最大的測(cè)點(diǎn)的頻率為轉(zhuǎn)向盤在該方向上的固有頻率。上述得到的固有頻率僅為# I測(cè)點(diǎn)X方向的固有頻率，其他測(cè)點(diǎn)三個(gè)方向采集的加速度信號(hào)分別輸入采集卡的其他通道，每個(gè)通道與X通道設(shè)為互相垂直，根據(jù)每個(gè)通道的信號(hào)與X通道輸入信號(hào)形成的李薩如圖形的變化情況(如# I測(cè)點(diǎn)X方向信號(hào)的分析方式)判斷得到不同測(cè)點(diǎn)不同方向上的固有頻率。本測(cè)量裝置采用七個(gè)三向加速度傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)向盤固有頻率的測(cè)試，根據(jù)各個(gè)加速度傳感器X、Y、Z三個(gè)方向測(cè)得的不同的共振頻率及共振時(shí)加速度值，每個(gè)方向上加速度值最大的測(cè)點(diǎn)的共振頻率即為該方向上的固有頻率。通過(guò)測(cè)試可以推斷對(duì)于特定頻率范圍的激勵(lì)哪個(gè)方向振動(dòng)最強(qiáng)，該結(jié)論對(duì)于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)振動(dòng)特性的優(yōu)化改進(jìn)提供了可靠的理論依據(jù)。
[0043]測(cè)試分析系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理放大電路、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)。調(diào)理放大電路將三向加速度傳感器測(cè)量的轉(zhuǎn)向盤的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳輸至工控機(jī)，數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的多通道數(shù)據(jù)采集卡，如PC1-6224M，可以采集32路信號(hào)，軟件由LabVIEW編寫實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的再現(xiàn)與實(shí)時(shí)分析。
[0044]本設(shè)計(jì)采用相位判別法，根據(jù)共振時(shí)特殊的相位值以及共振前后相位變化規(guī)律判斷是否發(fā)生共振。在簡(jiǎn)諧力激振的情況下，相比幅值判別法，用相位法來(lái)判定共振是一種較為敏感的方法，而且共振時(shí)的頻率就是系統(tǒng)的無(wú)阻尼固有頻率，可以排除阻尼因素的影響。
[0045]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明保護(hù)的范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可以輕而易舉地想到、變形或者替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)固有頻率測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)主要由激勵(lì)系統(tǒng)、測(cè)量傳感器和測(cè)量分析系統(tǒng)組成: 其中， 激勵(lì)系統(tǒng)由電磁激振器、電磁振蕩器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成； 測(cè)量傳感器采用三向加速度傳感器； 測(cè)量分析系統(tǒng)包括信號(hào)調(diào)理放大電路、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固有頻率測(cè)量系統(tǒng)，其中， 電磁振蕩器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由PIC單片機(jī)、PWM信號(hào)發(fā)生電路、逆變電路、調(diào)幅直流電源和濾波電路組成；該電磁振蕩器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以PIC單片機(jī)為主控單元，結(jié)合PWM信號(hào)發(fā)生電路，采用全橋逆變式功率輸出方式，輸出大電流振蕩方波，經(jīng)過(guò)濾波電路轉(zhuǎn)變成正弦波，來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁激振器進(jìn)行簡(jiǎn)諧振動(dòng)，從而對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)激勵(lì)，使轉(zhuǎn)向盤獲得一定幅度、頻率的正弦波形式的激振力； 電磁激振器固定在轉(zhuǎn)向盤的激勵(lì)位置，也就是12點(diǎn)鐘位置； 七個(gè)三向加速度傳感器布置在轉(zhuǎn)向盤上，其中六個(gè)三向加速度傳感器均勻布置在轉(zhuǎn)向盤的支點(diǎn)上、一個(gè)三向加速度傳感器布置在轉(zhuǎn)向盤中心，分別用于測(cè)量每個(gè)測(cè)點(diǎn)徑向、切向和垂向方向的加速度信號(hào)； 每個(gè)三向加速度傳感器的三個(gè)輸出管腳Xout、Yout、Zout分別為切向X、徑向Y、垂向Z三個(gè)方向上的加速度信號(hào)； 為了提高測(cè)量的精度在每個(gè)輸出管腳上設(shè)置了前置RC濾波器； 調(diào)理放大電路將三向加速度傳感器測(cè)量的轉(zhuǎn)向盤的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波； 數(shù)據(jù)采集卡可以同時(shí)采集多個(gè)通道的信號(hào)，第一通道接收電磁振蕩器產(chǎn)生激振力信號(hào)，其他通道分別接收七個(gè)測(cè)點(diǎn)加速度傳感器三個(gè)方向上產(chǎn)生的加速度信號(hào)； 數(shù)據(jù)采集卡最終將接收的信號(hào)傳輸至工控機(jī)。
【文檔編號(hào)】G01H1/14GK203824640SQ201420105837
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】高潔, 王亮, 徐樂(lè)年, 任來(lái)紅, 蘇興明 申請(qǐng)人:山東科技大學(xué)