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开题报告

湖北汽车工业学院科技学院

HUBEIUNIVERSITYOFAUTOMOTIVETECHNOLOGY

毕业设计开题报告

题目

基于BBM的4H发动机扭振测量

班号

专业

学号

学生姓名

指导教师

1、课题来源

课题《基于BBM测试系统的4H发动机扭振测量》来源于东风商用车公司发动机厂生产的一类轴系扭转振动情况所产生的问题，EQ4H发动机是东风汽车有限公司开发的新一代发动机产品，该发动机采用目前国际最新的电控高压共轨燃油喷射系统、每缸四气门布置、增压空对空中冷等技术排放达欧Ⅲ并具备达欧Ⅳ潜力。

应实际生产目的要求，以湖北汽车工业学院学生实践的锻炼为目的，通过以老师为主，学生为辅的方式，利用学校的相关硬件及软件设施，运用BBM振动测试系统检测发动机的瞬时转速，了解瞬时转速的测量方法及数据处理方法，包括BBM自带的处理系统及用MATLAB处理采集数据。

光电编码器为1024线。

通过对4H发动机的瞬时转速的测量，来分析发动机的扭振情况。

2、国内外现状

众所周知，在动力装置飞速发展的现今时代，发动机己成为人类生活中不可缺少的一部分，随着人们生活水平的提高，人们对轿车的舒适性要求也越来越高，而发动机曲轴的扭振则是影响轿车乘坐舒适性的一个重要方面，振动一般都会通过发动机轴系传来。

所以研究发动机的扭振对于提高人们的交通及生活质量具有深刻的意义。

而且也由于曲轴的扭振所带来的某一些较大的生产、生活事故，其产生的危害不容忽视，所以人们更是在不断研究和探讨中。

国外从十九世纪末开始，就不断出现各种断轴事故的有关文章和分析报告，人们对轴系扭转振动的研究也逐渐深入。

发动机是一种应用非常广泛的热能动力机械，在很多领域都是作为主要的动力源。

随着技术的发展，对发动机的性能要求、使用寿命和安全性要求也越来越高。

其中曲轴是发动机最主要的运动部件之一，近年来人们对发动机可靠性及动力性的要求不断提高，曲轴的工作条件也越来越苛刻，曲轴的强度、扭振等问题也愈加变得重要，特别是其扭振问题，它极大地影响着发动机的工作可靠性和使用寿命，是发动机性能测试和研究的重难点。

轴系的扭转振动不仅与轴系本身的惯性和弹性特征有关，还与作用在轴系上的激振力矩息息相关。

外界激振力矩包括燃气爆发力、质量块惯性力引起的力矩，以及接收功率部件所吸收的变值扭矩。

这种弹性变形的绝对值在一般情况下是不大的，但是当外界激振力矩的频率与刚性轴的共振频率相同时，刚性轴的扭转变形幅度将远远超过正常值，即产生刚性轴共振，此时将严重影响机械设备的使用寿命和安全性，如果继续在这一情况下工作，则可能发生断轴、主轴瓦损坏等一系列恶性事故，造成人员伤亡和巨大经济损失。

许多研究都表明扭转振动是船舶、汽车和机车发动机系统轴系损坏的主要原因，因此检测、分析发动机轴系的扭振显得尤为重要。

对于曲轴扭振信号的分析处理，首先最重要的一点就是要将扭振信号提取出来。

人们已研究出很多种扭振信号的测量方法，扭振测量是曲轴扭振研究的一项重要内容。

随着传感器技术、电子技术的发展，扭振测量技术已从机械式测量、模拟式测量发展到数字化测量，测量的精度也不断提高。

目前扭振的测量采用得比较广泛的是测齿法。

从信号的角度分析，可将曲轴扭振看成是扭振信号对均匀脉冲载波产生调制的现象。

因采用的传感器不同，测得的脉冲序列相位和幅值都可能携带扭振信息，将此相位调制或者幅值调制信号解调即可获得扭振信号。

扭振的测量大致可以分为两类:

扭应力的测量和扭角的测量。

轴系扭角的测量则是人们常说的扭振测量。

扭应力的测点一般选在轴上的节点处，扭角的测点则在轴系的自由端。

对于内燃机的扭振研究和测试早在19世纪就己开始，直至现今，随着技术的发展进步，扭振的测试则逐步简单智能化。

从最初的盖格尔机械式测量开始，扭振的测试经历了模拟式阶段、数字式阶段，以及之后采用的激光多普勒测量，测试精度在不断提高，方法也越来越先进。

在其分类上，依传感器的类型可分为光电式、磁电式、霍尔式、电涡流式等;按信号拾取装置与轴系是否接触可分为接触式和非接触式。

以下就从信号提取方式上讨论扭振测试技术的发展过程。

2.1机械式测量

扭振测量最早使用的仪器是1916年德国人发明的机械式盖格尔扭振仪，这种仪器结构简单，从信号获取到波形记录均由机械装置实现，可直接安装在曲轴的自由端或者中间轴位置，用麻布带传动，使用方便。

但轴的扭振是通过皮带传递到测量头架的，皮带的弹性振动会引起信号的失真。

机械式扭振仪测量范围、精度有限，主要适用于中、低速柴油机的扭振测试，记录的结果最后还需要人工进行分析，故该种扭振测量方法现在已基本上没有使用。

2.2模拟式测量

模拟电路式的扭振测量可分为接触式测量和非接触式测量，测量仪器都属于电子式的扭振仪。

由于是模拟电路式，抗干扰能力差，对于低频、低扭角的扭振信号测试困难，误差较大。

2.2.1接触式电子扭振仪测量原理

接触式的电子扭振仪，测量原理是在轴上贴应变片或者压电加速度计等敏感元件，利用这些感器直接感知轴的扭振，并将信号经过集流环或遥测方式输出到仪器，再经仪器分析和处理获得被测轴系的扭振特性，属于该类型测量方法的扭振仪有应变片式扭振仪、压电式扭振仪及电感式扭振仪。

这类扭振仪可远距离操作，便于分析记录。

但该方法对元件的安装要求很高，信号传输困难，且因必须在轴上安装传感器，所以很多情况不得不破坏轴的结构，局限性大。

2.2.2非接触式智能扭振仪测量原理

非接触式扭振仪是现今轴系扭振监测方面的一大发展趋势，这也是目前应用最广泛的扭振测量仪器。

与以往的扭振仪相比，非接触式扭振仪有诸多进步的地方，扭振测试更简单，且精度也提高了很多，但测试过程一般要受软硬件条件的局限，分析功能有限，且价格昂贵。

类仪器一般都配备磁电式（或光电式、电涡流式）传感器和测量齿盘，传感器都基于“测齿”的原理，利用轴上的齿轮、码盘或其它等分结构，通过测量齿间角速度的不均匀性来感知轴系的扭振（如图2.1所示）。

具体方法一般是将扭振信息通过传感器的输出脉冲反应出来，即将等分机构装在轴上的测点处，使传感器与齿部对齐并保持适当间隙，利用传感器感应出轴发生扭振时与扭振角速度变化相对应的脉冲，从而获得扭振信号。

这种方法对轴系上齿轮机构的等分精度要求很高，这也是测量信号误差的来源之一。

根据使用的传感器的类型，扭振信息存在于脉冲的相位或幅值中，并采用相应的解调电路将信号解调出来，如典型的锁相环解调电路、调频解调电路等。

由于扭振幅度相对于齿间距很小且扭振引起的轴的角速度波动也很小，因此扭振信号的相位调制度和幅值调制度都很小，采用电路解调时电路的精度则成为关键的部分，该方法解调误差较大。

如图2.1

图2.1非接触法“测齿”原理图

此外，一般大多数扭振仪都是将传感器得到的信号进行放大、隔离、整形、单稳后得到定幅定宽的脉冲位置调制信号（即M），利用低通滤波器和积分器来解调即M信号，从而获得原始的扭振角位移信号。

例如，基于磁电式脉冲原理的扭振仪，测量时当轴发生扭振，则产生重复频率发生改变的脉冲信号，经低通滤波后转化成相应的电压变化波形，再通过电容隔去直流成分，积分后就可获得相应于扭振角位移的变化波形。

国内外不少仪器采用的是这一原理，如国内东南大学ANZT型扭振仪的模拟部分、上海内燃机研究所的FN一1扭振仪们等;国外有美国的Atlanta2524、2538、2521型扭振仪、英国的AETV一4型扭振仪日本的小野PD一860扭振仪等，此类仪器的测量原理如下图1一2所示。

其测量工作过程由磁电式传感器、前置放大、单稳电路、低通滤波、隔直电容及积分放大等电路组成。

2.3数字式测量

20世纪90年代的数字式扭振测量仪，如比利时LMS公司的QTV扭振测量模块，充分利用计算机的软硬件资源，测量分析工作可由计算机自动完成，代替了人工操作，更方便简单。

但此类仪器采用的硬件较多，对采集卡的要求较高，价格昂贵。

数字式扭振测量方法主要有:

A/D高频计数法、信号调理法和A/D采样拟合法。

1.A/D高频计数法，采用高频A/D采集卡采样，计算转过每齿的时间，从而得到扭振信号。

该方法硬件通用性还可以，但仍然受硬件设备的限制，实际应用较少。

2.信号调理法，是将信号调理模块或仪器卡插在PC机系统总线插槽上，或安装在计算机外部专用扩展箱内，通过专用软件实现扭振的自动化测量。

基于信号调理法的扭振虚拟仪器已有一定的应用，如西南交通大学热能与动力工程系开发的TVM系统就是目前有代表性的振动测量分析虚拟仪器。

此方法测量精度高，但因需专用计算机插卡，成本高，维修也不方便。

3.A/D采样拟合法，建立在A/D采样技术和最小二乘拟合法的基础上，可准确求出轴系转过两相邻齿的时间间隔△t，，基于该方法开发的扭振测量虚拟仪器，可实现高精度测量，成本较低，通用性强。

2.4软件式测量

如扭转振动数字信号分析系统TVDSPS，就是一个纯软件的扭振测量系统，采用微机和A/D板构成的主从并行系统控制，数据处理快速、灵活、精度高。

文献介绍了一种利用希尔伯特变换而得到扭振信号的方法，认为扭转振动武汉理工大学硕士学位论文现象可看成轴匀速回转运动的相位调制，将传感器检测出的信号进行相位解调即可得到扭振信号，文献通过傅里叶变换和希尔伯特变换实现了解调，得到了扭振角位移一时间规律。

TVDSPS亦是基于这一思路，利用希尔伯特变换，在数学与信号处理的领域中，一个实值函数的希尔伯特变换（Hilberttransform）——在此标示为H——是将信号s（t）与1/（πt）做卷积，以得到s'（t）。

因此，希尔伯特变换结果s'（t）可以被解读为输入是s（t）的线性非时变系统（lineartimeinvariantsystem）的输出，而此系统的脉冲响应为1/（πt）。

这是一项有用的数学，用在描述一个以实数值载波做调制的信号之复数包络（complexenvelope），出现在通讯理论将解调工作通过编制软件程序来完成，节省了硬件成本，处理效率高、灵活性好。

2.5基于LabVIEW的扭振测量

文献介绍了利用LabVIEW平台开发的扭振测试系统，该扭振仪由数据采集硬件和LabVIEW编程测试软件组成，能够实现数据采集，信号分析和波形显示，数据的保存回放等功能。

而利用LabVIEW平台开发的扭振测量虚拟仪器，主要包含信号采集模块和数据后处理模块，与以往仪器相比，减少了测试工作所需要的硬件设备，使测量成本降低，且数据传输简单、调试方便。

全数字的软件控制系统及基于LabVIEW的测量系统，由于可极大节省硬件投资和调试，这类基于虚拟仪器的测量思路将是未来扭振测试分析技术的一大发展趋势。

2.6多普勒效应的扭振测量

随着扭振研究的深入，激光技术在扭振测量中也得到了一定的应用，这方面国外己研制出相关仪器，如丹麦B&K公司推出的2523型激光扭振仪。

激光多普勒效应是指，当激光照射到运动物体表面时，光线被物体散射（或反射），光的频率发生改变的现象，散射（或反射）光的频率与光源原频率的差值即为多普勒频移。

基于多普勒效应的扭振测量法，即采用光的“频移”效应，当激光束照射到旋转轴的表面，轴表面上的线速度使散射光产生多普勒平移，频移量的瞬间值代表轴的瞬态角速度，除去直流分量，即可得到轴的扭振信息。

激光扭振仪一般由激光器、带光电信号倍增器的传感器探头和跟踪处理仪组成。

其特点是用光电探测器和激光反射镜代替传感器和测量齿盘，如图所示该方法安装方便，能实现绝对测量，但装置昂贵且对环境要求苛刻，调试困难不便商业化，目前应用较少。

3、综合分析

轴系扭振研究从最初的针对船舶发动机轴系，现在已经发展到其它发动机轴系，范围从大型汽轮发电机轴系到几乎所有的内燃机轴系。

早期，在中、低速柴油机装置上使用接触式的扭振测量仪（如盖格尔扭振仪），但是它们已完全不能满足现在高转速、高频率扭振信号测试的要求，目前最常用的扭振测量仪器是电子扭振仪，近几年又出现了激光扭振仪。

电子式扭振仪是一种非接触式的扭振测量仪器。

传感器部分为一个电子传感器和一个安装在轴系上的齿盘，一般都是安装在曲轴自由端。

其他任意一种对间隙深度敏感的传感器，比如涡流传感器都可以使用，也可以不用齿盘，而在轴上粘贴精密等分的反光带，并使用光电传感器，或者在轴上粘贴几个小磁钢，并使用霍尔传感器。

由于电子传感器价格便宜、稳定性好、安装使用方便，对测试环境要求低，又能适合于高速、频率成分复杂的扭振轴系的测量，是目前工程实际中应用最为广泛的扭振测量仪器。

近年来发展起来的激光扭振测试技术，用光学探头（利用光学多普勒频移与轴系转动角速度之间的一一对应关系，由光学多普勒频移值来反映轴系的转动角速度）代替了电子传感器及安装在轴系上的齿盘，具有不需要安装任何附加装置就可以进行扭振测量的优点。

但是该测量设备价格昂贵，对环境要求非常苛刻。

而机械设备，特别是内燃机的使用环境一般都较为恶劣，环境的振动对测试精度的影响较大，被测轴系的光学散射特性对光学探头输出信号的质量影响很大，进而对整个仪器的测试精度影响很大。

由于实际的发动机轴系是一个复杂的弹性系统，而且种类繁多。

当它们在周期性力矩的作用下产生扭转振动时，企图应用解析法如实来描述，过去是办不到的。

今天在计算机时代复杂的描绘和分析虽然可以详尽的多，但要完全如实的描述实际扭转振动的运动情况也是相当困难的。

所以在处理发动机轴系扭转振动问题时，要求与原发动机曲轴轴系动力学等效即固有振动过程中两系统的位能和动能对应相等，以保证两者自振频率和振型保持一致，然后通过对扭转振动实际测量，来把握实际系统的扭转振动特性。

当发动机启动时，曲轴（如图4.6）开始扭转振动，则轴的各瞬时速度都等于其平均速度，安装在曲轴自由端的光电编码器也随着曲速转动，因此光电编码器的脉冲信号的重复周期是相同的。

而当轴系发生扭振时，则相当于在其平均速度上基础上叠加了一个扭振的波动速度。

运用BBM振动测试系统检测发动机的瞬时转速，了解瞬时转速。

本实验采用1024线光电编码器从0秒开始采样，我们选取的数据21秒开始，22秒结束。

在这一秒内的各个瞬时转速，通过对该一秒内瞬时转速的分析与这一秒的转速对比，从振幅的变化情况来分析在该工况下发动机扭振的安全范围。

图4.6EQ4H发动机三维造型图

要实现本文提出的扭振信号的脉冲位置调制算法，必须以实际信号作为理支撑。

所以最初的任务就是扭振信号的提取。

本文以课题组“发动机扭振测试性能试验台”进行实验，以采集的数据作为分析的出发点，用MATLAB作为辅助工具，对数据进行处理，逐步推导扭振信号的数字式算法。

扭振信号的提取，决定了后续信号分析的真实性，首先则是实验数据的采集。

实验基于发动机实测，通过BBM测试系统，用，感知轴的运转情况。

由此得到的信号是一种脉冲相位调制信号，扭振信息则存在于脉冲的相位变化中。

通过对已调制信号进行解调，即可得轴系的扭振信号，第1列数据表示从21秒开始采样，22秒结束，表示1024线光电编码器，每个脉冲出现的时刻。

首先，考虑最简单的一种情况。

自然界中简谐振动是大家都非常熟悉的现象，简谐振动是振动中最基本的形式，是最简单的周期振动即周期性的往复运动。

设想:

将一个重块放在一只弹簧上，构成一个单自由度质量弹簧系统，弹簧会被重块压缩，这时弹簧承受的重荷与弹簧自身的恢复弹力相等，即系统呈现平衡状态，重块静止。

若给重块外加一个向下的初始位移一x。

，然后迅速放开，则重块会由一x。

处向平衡位置运动，然后因惯性而越过平衡位置向+x方向运;到最大位移+x处时又因弹簧产生最大的负恢复力，拉着重块向下运动。

当重块第二次到达平衡位置时，依然由于惯性，会越过平衡位置向一x的方向继续运动。

此后运动的情况则完全重复以上现象，这就是振动产生2.1.2内燃机轴系激振的来源及其分析产生激振力矩的因素川主要有:

（1）内燃机气缸内气体压力变化形成的扭矩的周期性波动。

（2）内燃机运动部件的重力和惯性力引起的作用扭矩的周期性波动。

（3）接受功率部件吸收扭矩不均匀而形成的周期性反扭矩的波动。

其中，气缸内气体压力的变化是扭振激振力矩的主要因素;而运动部往复惯性力在曲轴上产生周期变化的作用力，也是扭振产生的一个重要的激因素。

对于以上所产生的激振力矩，大多为一种复杂的周期性函数，由数学知，任何一种周期函数，都可以分解成一系列简谐性的正弦函数所组成的傅叶三角函数形式，这样即可分别考虑各次简谐激振力矩对系统所产生的激振即进行所谓的简谐分析。

发动机曲轴的扭振，是在轴的旋转过程中同时发生的运动现象。

发动机正常运转时，曲轴按照某一平稳角速度回转，轴系在发生扭振时，其回转角速度会因扭转振动引起的交变角速度的变化，而不断发生变化，即产生的是变值角速度，从而使轴截面上产生一个相应的往复变形量一一即弧长A’A’’，或者对应的轴心角200。

如图5.2所示

图5.2轴系扭振引起的扭转变形量

轴系扭振问题的分析，亦即对调相信号进行解调的问题，即把机械系统运动不平稳量通过数字化解调，转化成相位随时间变化的信号。

本文考虑了两种解调方案，一是利用希尔伯特变换构造解析信号提取出相位信息，二是通过分析实验数据直接求取轴系的扭振角位移，并将这两种方法都在MATLAB中来实现。

实验中传感器输出的每转N个脉冲，其间隔是疏密不均的，轴系的扭振信息则包含在了这种疏密程度中，这之中也代表了轴的瞬时转速，而瞬时转速的变化规律则决定着扭振的频率和幅值。

即M按照信号电平来改变脉冲的相位，如MATLAB扭振信号解调处理。

由以上分析可知，为获得发动机曲轴输出端的测试数据，可在轴端安装等度采样，以获得该测点处的扭振信号。

传感器输出的每个脉冲对应齿圈上的一个齿，脉冲位置的变化则表示曲轴转过相邻轮齿（相同转角）的时间（即测试所得）

最后做出图形，并分析！

4、参考文献

[1]徐敏，骆振黄，严济宽等．船舶动力机械的振动、冲击与测量[M].北京国防工业出版社，1981．

[2]苏仕清，陈叶文，强建刚等．内燃机曲轴轴系扭振控制及利用[J]．中国农机化，2005年第2期，P50．

[3]徐新天．扭转振动的减振及预防措施[J]．武汉造船，1999，

（1）：

17-18．

[4]李渤仲，陈之炎，应启光．内燃机轴系扭转振动[M].国防工业出版社，1984．

[5]李善祯、程鹏、辛德杰等．利用AVL657数据分析系统测量内燃机曲轴的扭转振动[D]．内燃机工程，1994（4）．

[6]高孔正．柴油机轴系扭转振动的计算—霍尔茨计算法软件简介[J]．云南交通科技，1994

（2）．

[7]李柯迈．车用内燃机轴系扭转振动[M].上海交通大学出版社，1998．

[8]朱孟华，邬静川，郁其祥．柴油机轴系扭转振动

（二）[M]．上海交通大学出版社，1982.P15-40．

[9]张威．MATLAB基础与编程入门[M]．西安电子科技大学出版社．

[10]胡旭刚．柴油机扭振监测方法研究[D]．武汉理工大学，2008．

[11]李洁．利用瞬时转速和扭振信号诊断柴油机故障的应用研究[D]．武汉理工大学，2005:

17—22．

[11]李震，桂长林，孙军．内燃机曲轴轴系振动分析研究的现状、讨论与展望[J〕．内燃机学报，2002，20（5）:

469一474．

[12]庚应文，袁清坷．轴系扭转振动计算方法的研究与分析软件的开发[J]．机电工程技术，2005，34（8）:

31一34．

[13]王棋．内燃机轴系扭转振动[M]．北京国防工业出版社，1985:

131一138．

[14]杨擂．汽车发动机曲轴扭转振动分析及控制[D]．重庆大学机械工程学院,2005:

1一75．

[15]于学华．发动机曲轴系统扭转振动分析[J]．设计计算研究，2008，（3）:

15一18．

[16]S.Doughty．Steady-StateTorsionalResponseWithViscousDamping,ASMEJournalofVibration．Acoustics,Stress,andReliabilityinDesign,1985,Vo1.107,p123—p127．

[17]SimpsonDG．LambDQALaserDopplerSystemfortheMeasurementofTorsionalVibration．ReportNEL-639,NatEngLab,Scotland19770．

[18]WilsonWK．PracticalSolutionofTorsionalVibrationProblem[M]．LondonCampmanandHall,1963．

[19]衣波龙，佟德辉，朱晓杰．曲轴扭振的测量与分析[J]．山东内燃机，2003年第3期，P33．

[20]李松和．内燃机曲轴轴系扭振数字化测试系统[D]．浙江大学机械与能源工程学院．