技术领域
[0001] 本方面涉及动
力机械和
信号处理领域，特别是涉及应用四点能量重心校正法的
发动机转速的振动测量方法，是一种在未知发动机
气缸数目的情况下，测试出发动机转速的方法。
背景技术
[0002] 由于目前绝大多数的在用车均为
四冲程发动机，对于四冲程发动机，四冲程发动机指
曲轴旋转720°期间内，发动机完成进气、点火、做功、排气四个冲程；1/2谐次为最基本的简谐次；同时通过对发动机的力矩分析可知，对于缸数为i的发动机，其主谐次为(i×m)/2(同上，m为任意正整数)。由于各谐次的振幅随谐次的增大迅速减小，在理想情况下，对于缸数为i的发动机，其i/2谐次的振幅最大(以下称之为第一主谐次)。当发动机转速为n(r/min)时，对应的转频为n/60Hz，设第一主谐次对应的
频率f0，则有如下关系：
[0003]
[0004] 目前国内有关基于振动的转速测量系统和方法均是基于式(2-1)进行转速测量的。采用式(2-1)在理论上可以通过分析发动机振动的
频谱十分方便地求得发动机的转速，但在实际发动机的转速识别时存在如下问题：(1)需已知发动机的缸数i，通用性差；(2)当频率
分辨率较低时，会出现找错第一主谐次f0的现象；(3)该法的抗噪性能较差，在噪声干扰下常会出现找错第一主谐次f0的现象；(4)转速测量
精度较低，受
傅立叶变换频率分辨率的影响，存在30倍的频率分辨率转速测量误差。
发明内容
[0005] 本发明的目的是针对现有发动机转速测量方法的
缺陷，提出一种应用四点能量重心校正法的发动机转速测量方法，以解决当无法预知发动机缸数而不能测出发动机转速的问题，而且测试转速通用性更好、抗噪性能高、结果精确可靠。
[0006] 对于四冲程发动机，1/2谐次为最基本的简谐次，若能识别出发动机的1/2谐次，在未知发动机缸数的前提下也能迅速得到发动机的转速。在实际发动机轴系扭转振动中，除承受以上分析的气体作用力和运动部件的惯性
载荷所产生的激振力矩外，还承受着其他一些干扰力矩，故在实际发动机轴系扭转振动信号中，1/2谐次并不一定均清晰可见，但是频率间隔一定为1/2谐次。所以当对发动机轴系扭转振动信号的幅值谱进行自相关分析时，频率间隔为1/2谐次的相关性质决定了1/2基谐次的幅值大大提高，同理间隔为1、1.5、2等谐次的幅值也会变得明显突出，即各谐次成分按1/2基谐次的间隔在振动信号幅值谱的自相关函数中排列出来。对此信号再进行傅立叶变换时，1/2基谐次的幅值就会成为仅次于零频的最大幅值谐次。另外自相关分析对测量中混入的随机噪声有明显的降噪作用，这也有助于提取发动机振动信号中的1/2基谐次。因为装在缸体上方的
加速度
传感器测得的发动机振动信号的变化规律与作用在发动机轴系上的激振力矩的变化规律是一致的，故可以通过分析缸体上测得的振动信号提取1/2基谐次的频率。
[0007] 由于时域截断和频域离散化，只要不是对信号进行整周期时域截断，谐波信号进行
离散傅立叶变换所得到的频率、幅值和
相位都存在有误差，因此，转速测试中受傅立叶变换频率分辨率的影响，存在30倍的频率分辨率转速测量误差。为提高发动机转速测量的精度，采用抗噪性能高的四点能量重心校正法对所求得的发动机转频进行校正，经过计算得到精度较高的发动机转速。
[0008] 本发明目的通过如下技术方案实现：
[0009] 应用四点能量重心校正法的发动机转速的振动测量方法，其特征在于包括如下步骤：
[0010] (1)
坐标系建立：建立坐标系O-XYZ，以发动机和
变速器连接点为原点O，Y轴正向指向曲轴前端，Z轴正向竖直向上，按右手定则确定X轴正向；
[0011] (2)安装传感器：在发动机缸体表面较平坦和传感器容易布置点处，安装1个单向加速度传感器，测试方向为Z向；传感器连接
数据采集器，数据采集器连接便携式计算机；
[0012] (3)在
发动机试验台架上或者实车上，令发动机以正常工作转速w运行，设置数据采集器采集时间为10s～20s内，
采样频率为fs，采样点数N表示离散序列包含的数据点个p数，要求fs＝N＝2，P＝9、10或11，频率分辨率Δf＝fs/N＝1，采样时间间隔Δt＝1/fs；通过数据采集器采集和同步记录测试点的振动加速度信号，以及自动平均处理后得到时间信号Zn(t)，Zn(t)表Z方向测试点采集的n个点的振动加速度信号序列；其中n＝0、
1、Λ、N-1；t＝n*Δt；
[0013] (4)对信号序列Zn(t)，按照公式(1-1)进行加汉宁窗 的N点快速傅里叶变换，得到幅值谱X1(f)，
实部谱R1(f)，
虚部谱I1(f)，相位谱Φ1(f)；
[0014]
[0015] 其中 j表示虚部。
[0016] (5)幅值谱X1(f)内最高谱线峰值X1(fi)，对应的频率为fi，代入公式(1-2)，求出
功率谱值G(fi)；同理得到频率fi-1和对应的功率谱值G(fi-1)，频率fi+1和对应的功率谱值G(fi+1)；然后比较fi±2这两条谱线的对应的幅值X1(fi+2)和X1(fi-2)，取两者幅值较大者对应的频率值定义为fmax，对应功率谱值G(fmax)；
[0017]
[0018] (6)四点能量重心法是指对于待校正的频率fi，利用频率fi和对应的功率谱值G(fi)，fi相邻的频率fi-1和功率谱值G(fi-1)、fi+1和对应的功率谱值G(fi+1)、fmax和对应功率谱值G(fmax)，共四个的频率和对应的功率谱值，来校正频率fi的计算方法。对频率fi采用四点能量重心校正法(k＝-1、0、1以及fmax)，代入公式(1-3)得到fi校正后的频率值；
[0019] k取整数 (1-3)
[0020] (7)对幅值谱X1(f)按照公式(1-4)进行自相关计算，得到新频率变量f′的自相关函数Rxx(f′)；
[0021]
[0022] (8)对自相关函数Rxx(f′)，按照公式(1-5)进行 点的快速傅里叶变换，得到时间序列ZZn(t)；
[0023]
[0024] (9)对获得的时间谱信号ZZn(t)，ZZn(t)内最高谱线峰值ZZn(ti)，对应的时间为ti，代入公式(1-2)，求出功率谱值G(ti)；同理得到时间ti-Δt和对应的功率谱值G(ti-Δt)，时间ti+Δt和对应的功率谱值G(ti+Δt)；然后比较ti±2*Δt这两条谱线的对应的幅值ZZn(ti-2*Δt)和ZZn(ti+2*Δt)，取两者幅值较大者对应的频率值定义为tmax，对应功率谱值G(tmax)；对时间ti再次采用四点能量重心校正法，代入公式(1-6)得到ti校正后的值 ；
[0025] k取整数 (1-6)
[0026] (10)对于四冲程发动机，1/2谐次为最基本的简谐次，若能识别出发动机的转速w的1/2谐次振动频率 则在未知发动机缸数的前提下也能迅速得到发动机的转速。但是实际发动机振动，除承受气体作用力和运动部件的惯性激振力矩外，还承受着其他干扰力矩，故在实际振动信号中，1/2谐次振动频率 很难确定具体值，但是频率间隔一定为1/2谐次。因此通过对振动信号的幅值谱X1(f)进行自相关分析得到自相关函数Rxx(f′)，频率间隔为1/2谐次的相关性质决定了1/2基谐次的幅值大大提高，同理间隔为1、1.5、2等谐次的幅值也会变得明显突出，即各谐次成分按1/2基谐次的间隔在振动信号幅值谱的自相关函数中Rxx(f′)排列出来。对此信号Rxx(f′)再进行傅立叶变换时，信号从频域到时域，得到时间序列ZZn(t)中，此时1/2基谐次 傅里叶变换后的对应的时间ti(傅里叶变换中，对应的频率与时间存在倒数关系)的幅值就会成为最大值ZZn(ti)。通过寻找最大值ZZn(ti)可以找出时间ti。因为经过自相关运算后，时间ti的数值存在微小误差，因此时间对 四舍五入取整数得到频率整谐次L，获得 转速w的1/2谐次对应的频率值 求出发动机转速
[0027] 为进一步实现本发明目的，所述的曲轴前端为曲轴连接皮带轮的一端。
[0028] 所述的正常工作转速w优选为750r/min至8000r/min。
[0030] 本发明的目的是针对现有发动机转速测量方法的缺陷，提出一种应用四点能量重心校正法的发动机转速测量方法，具有如下优点：
[0031] (1)可以解决当无法预知发动机缸数而不能测出发动机转速的问题，因此通用性更好；
[0032] (2)通过对信号的自相关性分析和四点能量重心校正法，信号的抗噪性能提高，大大降低了频率识别误差造成的转速计算错误；
[0033] (3)通过四点能量重心校正法，提高了转速测量精度，减少频率分辨率低造成的转速测量误差。
附图说明
[0034] 图1为幅值谱X1(f)随校正后的频率 变化曲线；
[0035] 图2为自相关函数Rxx(f′)曲线；
[0036] 图3为时间序列ZZn(t)随校正后的 变化曲线。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图和
实施例对本发明作进一步的说明，但是本发明的实施方式并不局限如此。
[0038] 应用四点能量重心校正法的发动机转速的振动测量方法，包括如下步骤：
[0039] (1)采用加速度传感器从发动机缸盖(或缸体)上获得振动加速度信号；
[0040] (2)进行
快速傅立叶变换，获得频谱；
[0041] (3)对频谱中的最大谱峰采用离散频谱四点能量重心法进行频率校正；
[0042] (4)对幅值谱进行自相关分析，使各谐次成分按1/2基谐次的间隔在振动信号幅值谱的自相关函数中排列出来，同时提高振动信号的
信噪比；
[0043] (5)对自相关谱再次进行快速傅立叶变换，进一步突出1/2基谐次的成分；采用离散频谱四点能量重心法对获得1/2基谐次的成分进行校正，得到1/2谐次频率的近似值；
[0044] (6)利用第5步获得的1/2谐次的频率信息判断
算法第3步校正得到的谱峰对应的发动机谐次；
[0045] (7)得到校正后的精确转速。
[0046] 下面结合实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是，实施例并不构成对本发明要求保护范围的限定。
[0047] 实施例1——发动机台架测试
[0048] 在发动机台架进行转速识别的验证实验，通过本测试方法测得的转速和德国AVL测控系统测得结果进行对比验证。
[0049] (1)坐标系建立：被测发动机为未知缸数的四冲程电喷发动机，建立坐标系O-XYZ，以发动机和变速器连接点为原点O，Y轴正向指向曲轴前端，Z轴正向竖直向上，按右手定则确定X轴正向；
[0050] (2)安装传感器：在发动机缸体表面平坦处安装PCB加速度传感器，测试方向为Z向；传感器连接米勒贝姆(BBM)MKII信号采集器，数据采集器连接便携式计算机；
[0051] (3)在发动机试验台架上，令发动机以正常工作转速w＝1500rpm运行，此转速德国AVL测控系统测得，对数据采集器设置采集时间为20s，
采样频率fs和采样点数N为fs11
＝N＝2 ＝2048，频率分辨率Δf＝fs/N＝1，采样时间间隔Δt＝1/fs＝1/2048；通过数据采集器采集和同步记录测试点的振动加速度信号，以及自动平均处理后得到时间信号Zn(t)，其中n＝0、1、Λ、2047；t＝n*Δt；
[0052] (4)对信号序列Zn(t)，按照公式(1-1)进行加汉宁窗的2048点快速傅里叶变换，得到幅值谱X1(f)如图1所示，该图1曲线表示在0-1400HZ频率内，幅值谱X1(f)随频率的变化；对幅值谱X1(f)内最高谱线峰值X1(fi)对应的频率为fi＝50HZ，fi-1＝49HZ，fi+1＝51HZ，fi±2中的较大幅值者fmax＝48HZ，代入公式(1-2)，分别求出功率谱G(50)、G(49)、G(51)和G(48)，代入公式(1-3)采用四点能量重心校正法，得到校正后的频率值；
[0053] (5)对幅值谱X1(f)按照公式(1-4)进行自相关计算，得到新频率变量f′的自相关函数Rxx(f′)如图2所示；该图表示自相关函数Rxx(f′)随新频率变量f′变化图。
[0054] (6)对自相关函数Rxx(f′)，按照公式(1-5)进行 点的快速傅里叶变换，得到时间序列ZZn(t)随时间t的变化曲线如图3所示；对ZZn(t)内最高谱线峰值对应的时间为ti＝0.07987s，t-Δt＝0.07938s，t+Δt＝0.08036s，t±2Δt对应的ZZn(t)幅值较大值tmax＝0.07889，代入公式(1-2)，分别求出功率谱G(0.07987)、G(0.07938)、G(0.08036)和G(0.07889)，代入公式(1-3)采用四点能量重心校正法，得到校正后的值如图3所示；
[0055] (7)根据傅里叶变换中，对应的频率与时间存在倒数关系，即 因此 四舍五入取整数得到L＝4，可获得
[0056] (8)得到发动机的转速 当发动机转速w与发动机谐次f存在60的倍数关系，即当转速为w(r/min)时，对应的发动机转频第一谐次f1＝w/60Hz，第二谐次f2＝w/30Hz，1/2谐次为第一谐次的1/2倍，因此是
[0057] 为验证该算法的有效性，在整个测试中同时用
汽车行业通用的转速测试设备——德国AVL测控系统，进行转速测量，表1中列出了德国AVL测控系统测得转速结果和本方法测试方法结果对比：
[0058] 表1发动机台架实验转速值对比(rpm)
[0059]
[0060] 实施例1通过本测试方法测得的转速和德国AVL测控系统测得结果对比验证，说明了本发明可以解决当无法预知发动机缸数，而不能测出发动机转速的问题，而且测试转速通用性更好、抗噪性能高、结果精确可靠。
