1.1.2 时不变信号——发动机振动加速度信号在线视频

上一节我们介绍了

时不变信号当中的一个最常见

也是最有规律的信号

就是余弦信号的情况

那么这一节我们要给大家介绍

就是一个最特殊的信号

我们工程上遇到的信号

就是发动机缸体的振动加速度信号

它也是一个时不变信号

时不变信号里边我们再介绍一下

发动机缸体振动加速度信号

我们介绍一个四冲程的四缸发动机

它工作在每分钟3000转的状态

那么由于它的工作速度是稳定的

所以它发出的缸体的振动加速度信号

也是一个时不变信号

我们来看一下这个发动机的振动信号

现在展示的是一个发动机的振动信号

它的上面这个图是它整个一个

我们采集到的一个

它的加速度的信号的情况

把中间在0.1秒的信号给它放大了看

它就是这样

现在一个信号它看起来是没有规律的

是比较有随机性的

从时域上我们很难看到

它的信号的一些最基本的特征

也很难知道这个信号

它带着一些什么样的

发动机内部的一些信息

如果我们把这个信号再变到频域里去

就像上一节

我们把余弦信号从时域变到频域以后

它的各项特征都非常清楚了

那么这样我们把这个信号

再把它变到时域里边去

我们可以看到它是这么一个状态

它的时域状态也是一样 是有模

上图是它的模 下图是它的相位

从它的模的这个图上

我们可以看到

比较明显的三个峰值 山峰状的

从它的相位图上

我们也可以看到很短的一点水平的线段

那么我们把其中

每一个峰我们给它放大了看一下

我们就可以看到

比如说我们先把这一号峰

就是一个频域比较低的峰值放大以后

它是这么一个状态

它的模也是一个山峰状的一个模

它的相位是一段水平的相位

那么我们从这个山峰的极值点

我们可以得到它的频率 幅值

还有从它水平线上

可以得到它的相位

这是它的一号峰的情况

我们再看一下这个二号峰

二号峰是一个比较高的峰

那么它的展开图以后

可以看到它也是一个山峰状的

相位上也对应一条水平线

那么我们可以从模的山峰的顶点

就是它的极值点上

可以得到频域和幅值

那么从对应的模上水平线段上

可以得到相位

再看三号峰 三号峰也是这样

它也是一个山峰状的峰

还有一条接近水平线

这个水平线比前面的稍微有那么一点误差

那么这个时候不管怎样

我们还是可以

从这个峰的顶点和相位的水平线上

得到它的频域 幅值和相位

这样我们就把这个

它的频域信号最突出的三个峰

得到了它的幅值 频域 相位的识别

实际上我们就可以说它这个三个峰值

都是从缸体上产生的一种余弦信号

这是三个比较大的信号

它都是从缸体的振动就是一种余弦信号

那么这里边把它这个余弦信号都

它的幅值 频域和相位都放在这张图上

可以很清楚的看到

那么我们可以从这些图和参数里边

可以看到什么样的情况呢

这个时候要想知道它们的情况

机器内部的情况

我们首先要熟悉一下

或者说我们复习一下

四冲程发动机它的工作情况

这是气缸的工作情况

它吸气 然后是压缩 爆发 再排气

这样是四个冲程

那么我们可能从另一张图上

可以看见它的冲程是更清楚一些

我们把发动机的四个冲程的转换

把它画成一个固定的图

我们就可以看到气缸的一些工作状态

那么首先是看到它的排气结束以后

要开始一个吸气

排气结束的时候

这个进气门是关闭的

排气门是打开的

但是它要开始吸气

那么这个时候

进气们要打开

排气门要关闭

在排气门关闭的瞬间

排气门会对气缸产生一个撞击

转到下一个180度相位的话

那么就是从吸气结束到压缩开始

吸气结束的时候

进气门是打开的

排气门是关闭的

那么要开始压缩冲程

这个进气门也必须关上

在关上的一瞬间

也会产生一个气门与气缸的一个冲击

再转到下一个180度相位

那么压缩结束到爆发开始

压缩结束的时候

由于连杆和活塞的联合作用

这个活塞是贴到右缸壁的

那么当爆发开始产生的爆发的压力

这个爆发压力与连杆的共同作用

会把活塞从右缸壁顶向左缸壁

那么这个时候

活塞跟缸壁也会产生一个撞击

再转到下一个180度相位

那么当爆发结束的时候需要进行排气

那么在爆发结束的时候

这个活塞是贴着左缸壁的

当它需要往外排气的时候

由于连杆的推动作用

它活塞就会从左缸壁转向贴近右缸壁

那么在它从左向右的转换过程当中

活塞和气缸也会产生一个撞击

那么我们就可以看到

气缸的四冲程过程当中有一个爆发冲程

就是说一个爆发那么它就会有四个冲击

第一个冲击是排气门关闭的冲击

第二个冲击是进气门关闭的冲击

第三个冲击是

活塞从右缸壁转向左缸壁的冲击

第四个冲击是

活塞从左缸壁再转向右缸壁的冲击

从刚才的图像我们可以总结一下

四冲程发动机它的气缸的工作状态

它就是说一个爆发会有四个冲击

我们把这个冲击称之为拍缸

那么实际上就是说

进气门或者排气门或者活塞对缸壁的冲击

那么除了气缸里边的爆发

和拍缸会产生冲击以外

这个气缸内部的压力变化

也会产生气缸里边的阻力的变化

最后导致发动机扭矩的变化

我们来看一下

这个图上还是刚才这一个四冲程的气缸图

那么我们可以看到它的

第一个比较大的压缩空气所产生的损失

就是它的压缩冲程

因为压缩冲程要把气缸里边的一个空气

从一个比较大的体积

压缩到一个很小的体积

那么这个时候它会产生一个比较大的阻力

这个阻力会通过连杆曲柄传向曲轴

最后使得曲轴上的扭矩发生变化

第二个比较大的压气损失

可能在于排气过程

因为在爆发结束以后

气缸内的气体是高温高压

所以这个时候它排出去通过排气门排出去

它需要一定的时间

那么这个时候活塞在上行的过程当中

就会受到这些

还未排出去的高温高压气体的影响

所以也会产生一个压气的阻力

所以在一个爆发里边它有两个压气阻力

根据刚才的分析我们就可以知道

在一个爆发里边

它除了有四个拍缸冲击以外

它还有两个压气损失

这是四冲程发动机

它气缸的最基本的工作原理

那么我们来看一下在发动机的基本频率

首先发动机这个曲轴的转动

它有一个旋转的转速

那么这个转速它的单位是每分钟多少转

我们把它换成频率就应该按秒来计

所以首先我们遇到的是把转速转成频率

那我们就称之为转速频率

转速频率就是

把发动机曲轴的转速换成频率的单位

它的换法是如果这个是转速频率

它应该是转速除以60

因为转速的单位

这个转速的单位是每分钟多少转

而我们得到的频率的单位是赫兹

赫兹的单位实际上它是秒分之一

这样它是一分钟除了60以后就变成了秒

有了转速频率我们可以讨论

一个四缸机的爆发频率

因为四冲程它每一个冲程占180度

四个冲程要占720度

所以它要占两转的时间

对一个气缸来说是两转一个爆发

那么我们可以得到爆发频率

如果是F1的话

对一个缸它应该是二分之一的Fn

因为它两转一个爆发

所以这里要除个2

但是一共有四个缸

四个缸连续的爆发的话

所以它每两转会有四次爆发

那么这个时候有四个缸我们需要乘个4

所以我们就知道了

爆发频率这个实际上是转速频率的两倍

对于四缸机来讲是这样子的

我们可以看到了爆发的频率

我们可以分析到的这个有几件事情

一个是拍缸冲击

拍缸冲击我们也可以得到拍缸频率

拍缸频率是Fr

因为每一个爆发有四个拍缸冲击

所以它一定是4倍的爆发频率

所以它等于4倍的F1HZ

那么这里还有一个变化压气损失

一个爆发会产生两个压气损失

那么所以这个时候

我们看到压气损失的频率

比如说我们它取个名字叫做Fp

它应该等于是两倍的F1

这个也是以赫兹为单位的

这样我们就可以看到它的这些基本的频率

那么这个时候我们再得到这个信号的

我们就可以频率上判断

这个余弦信号你得到这个信号

它是属于哪一个工作过程

我们再回到刚才这个图上

从这个发动机的信号上面

一共识别出三个峰比较大的三个峰

我们把它标记了是一号峰 二号峰 三号峰

刚才我们都看过了

这三个峰值实际上是三个余弦信号

那么这时候我们可以看到

这时候一号峰它的频率是100HZ

那么我们来看一下这个发动机

它的爆发频率是两倍的转速频率

那么目前它的转速频率是多少呢

现在它的转速是3000转

那么就应该是3000除以60

它应该等于是50HZ

那么它的爆发频率是它的两倍

正好是100HZ

它的拍缸频率是四倍的Fe

那应该等于400HZ

它的压气频率应该是两倍的F1

应该是200HZ

那么我们再看这个图

这个一号峰正好是100HZ

所以我们从刚才的频率分析里边

可以看到它正好是爆发频率

就是说这个发动机它的爆发

就是它每一次燃烧爆发的频率是100HZ

就是每秒钟会爆发100次 是这个

那么这个二号峰比一号峰要高很多

那么这个时候

这个峰它是400HZ左右

那么可能看到上面的

刚才分析400HZ正好是拍缸的频率

就是说这个发动机它的活塞和气门

对缸壁的冲击是400HZ

就每秒钟要冲击400次

但是这个冲击产生的振动是很高的

它甚至比爆发产生的振动还要高

是这种情况

那么另外一个

第三号峰从我们识别的峰值频率

我们也可以看到它是950HZ左右

那么这是一个什么样的峰呢

这个发动机是一个比较老式的发动机

它的凸轮轴就是

驱动进气门和排气门的凸轮轴

是靠此轮来驱动的

我们称之为正时齿轮

正时齿轮它的齿数z是19

就这个发动机它在曲轴上

连接的这个正时齿轮一共有19个齿

所以它的正时齿轮在旋转的过程当中

齿轮有啮合的冲击

这个冲击的频率就应该是

转速频率乘以这个齿数

所以我们把它的这个啮合频率

F7应该等于是转速频率乘以指数

刚才我们已经算出来

这个转速频率是50HZ

那么所以现在是Fg等于是50乘以是19

那么它这个乘出来应该是950HZ

我们看这个图上

这个图的三号峰是951.4HZ

那么可以看见

它非常接近于正时齿轮的啮合频率

那么我们就可以判定

它这是正时齿轮的啮合冲击

在缸壁上产生的这个振动的信号

它是一个余弦信号

从这里我们就可以看到了

这些所有的这三个比较高的峰它的来源

我们通过对发动机缸体振动的

加速度信号的频率分析

我们就可以发现这一台发动机

它的拍缸冲击

和它的正时齿轮啮合冲击都比较大

而且拍缸冲击为最大

那么这个时候我们是不是就可以知道了

这台发动机需要改进的地方

发动机的拍缸它的大小

主要是由活塞的对缸壁的撞击

我们看一下这个图

我们通过这个图先看气缸的活塞

对缸壁的撞击

因为活塞它需要在气缸里边高速的移动

所以它必须留有足够的间隙

但是这个间隙的大小

实际上跟气缸的加工精度都有关系

因为加工精度越高这个间隙可以留的越小

而加工精度越差它的间隙就会留的大一些

那么比较大的间隙会使冲击更大

小的间隙会使冲击变小

是这个意思

另外一个进气门和排气门的关闭

它应该是在关闭之前的一段速度

可以高一些

或者接近关闭的那一瞬间

应该以比较低的速度来把气门孔给关闭掉

那么这个时候就要对控制气门形成的凸轮

它的曲线进行比较精细的设计

才能够减少气门关闭时候的冲击

所以通过这个图上的分析

我们发现拍缸产生的冲击比较大

还有正时齿轮产生的冲击也比较大

那么我们就知道

我们应该去改进气缸的加工精度

改进凸轮的设计曲线

使得它减少这样的拍缸冲击

另外要改进正时齿轮的啮合

使得它的啮合冲击减小

那么才可以改善发动机的振动情况

通过这个分析我们就可以了解到

这台发动机到底它的问题在哪里

我们如何进行改进

现在的发动机出现了

正时皮带和气门的电子控制

正时皮带取消了正时齿轮

而电子控制取消了凸轮轴

它可以通过电子控制

来控制节气门的运行的速度

所以更加精确的控制发动机

另外再把发动机的气缸加工精度提高

可以以现在的发动机比过去的发动机

它的振动情况会好很多

就是通过这样的分析逐渐的找到问题

加以改进的

这是发动机它的通过频率分析

我们所能发现的问题

和找到我们所能改进的方向

那么刚才我们所

从信号分析除了能知道频率和幅值以外

我们还可以知道相位

那么这个相位信息

给我们带来什么样的信息

我们也可以看看这台发动机它的相位信息

我们怎么能够

通过它去了解到发动机内部的工作状态

先看这个图

目前这个有上下两个余弦信号的图

实际上它是刚才我们识别出来的

一号峰和二号峰这两个余弦信号

那么上面这个频率比较低的

就是周期比较长的余弦信号是一号峰

因为它是低频的

然后下面这个它是频率比较高的是二号峰

我们都知道它们两个频率是差四倍

那么我们现在要知道

这个频率一号是爆发

一号峰是爆发 二号峰是撞击

那我们再调出一个图来

我们就看看这两个情况

我们把这个冲程图再调出来看一下

爆发冲程刚开始的时候

这个高压的可燃气体被火花点着了以后

它会产生极具的膨胀

这个时候

活塞会快速的从右缸壁撞向左缸壁

那么产生一个撞击

那么从爆发到撞击发生

到底是多少的时差我们很难观测到

因为这都是在气缸内部发生的事情

那么我们可以从这个图上可以看到

爆发的余弦信号

它的延迟时间是ΔT1

而这个撞击的延迟时间是ΔT2

那么这个撞击到底滞后于爆发多长时间

我们不能简单的从这两个延迟时间里边看到

我们应该看到就是说

爆发产生的余弦信号的顶部

和离它最近的拍缸余弦信号顶部的距离

这个距离的算法是需要有一个公式的

这是我们通过我们识别到的信号

通过信号的参数来看爆发与拍缸的时延

就是看它们二者之间到底差了多少时间

如果我们把这个时延定义为d12

它的公式应该是这样的

应该是一个取整函数

那么取整是对爆发的时延乘以撞击的频率

然后再加上一个信号函数

爆发时延的信号函数

然后被拍缸频率所除

最后得加上拍缸的时延

因为拍缸也是一个余弦信号它也时迟

然后再减去这个爆发余弦信号的时延

首先看这个取整函数

就是不管你内部是正是负

都取它的带符号的整数部分

直接去掉小数部分

这个信号函数

它如果是正的就取一

负的取负一

零就取零

所以这是符号函数是这样的

那么我们写这个符号函数

它会正一 负 负一 零 零 是这样的取值

这个式子我们怎么来看怎么来计算

我们先看一下这个图

这个图上ΔT1就是爆发余弦信号的延迟

那么这一拍缸余弦信号它也有一个延迟

那么我们在分析这个公式的时候

我们先假设让这个ΔT2等于零

就是让它的这个余弦信号的峰值

直接跟零线对齐

我们就可以很清楚的看到

这个公式的作用原理

那么对这部分实际上我们看出来

它是在ΔT2等于零的情况下面

这个在ΔT1就是爆发时延ΔT1范围内

这个拍缸这是一个拍缸频率

实际上就是说拍缸余弦的整周期数

而这第二项实际上

它要么是加一要么是减一

实际上它这是相当于这个整周期数加一

这个是在它ΔT范围内的

实际上加一减一就是离它的最近的一个

一个在它外边的

所以刚好超过范围的最近的

那个它所包含的整周期数

刚好超过ΔT1的拍缸余弦的整周期数

这里说的它的目的是

它加上了以后的所能达到的效果

因为这里都是

以拍缸余弦的整周期数来进行计数的分子

所以当它分母除了一个

拍缸余弦的频率以后整个这一项

就是这个它的

刚超过余弦整周期数的一个时间宽度

整个的就是它的时间宽度

刚超过这里的前提都是ΔT2先看成零

这是也是刚超过ΔT1范围的

这个拍缸余弦整周期时宽

如果这个得到这个整个时宽以后

那么我们再扣去ΔT2和ΔT1

那么这个时候我们就余下的就是

这两个余弦信号的真正的滞后情况

我们来看这个图象

所以从图上可以看的出来

刚超过Δ1的范围一共有两个周期

两个整周期

那么如果在考虑ΔT2它的实际的数值

那么它会向左边移动一个ΔTv

那么就得扣去它

因为这个时候ΔT1和ΔTv是反向的

我们可以看到ΔT1是负的

而ΔT2是正的

那么扣去以后剩下的d12

就是真正的两个余弦信号的相对延迟

所以我们得到的

这个最后得到的这个d12是这两个信号

就爆发余弦信号

和拍缸余弦信号的相对时延

所以它这个是一个相对时延

这个数计算下来以后

它是d12最后算下来是负的0.5毫秒

就是说在这个气缸内部

当爆发开始到活塞撞向左缸壁

它经历了0.5毫秒的时间

它负的表示

它在后面是爆发在前撞击在后是这个意思

那么这个时候

曲轴或者说曲柄转过了多少角度呢

我们可以看一下

这个是转过的角度

曲轴每分钟是转NC转

它每秒钟会转过NC除60的转速

这是每秒钟转过的转速

那么每秒钟能转过多少度呢

那么就要乘上360 因为一转是360度

这是每一秒钟转过的度数

那么再乘上这个时间

d2就是在d2时间内转过的度数

所以它的单位为度

这么写下来是6Ncd12这么个度

这个数算下来

按照刚才的数据算下来

这个数应该是负9度

就是说当爆发形成到活塞撞向左缸壁

这个曲轴转过了9度

通过刚才我们的分析

就可以利用这个信号的分析得到的参数

可以清楚的了解到

这个发动机气缸内部的一些工作状态

这是我们平时用眼睛很难观察

用仪器也很难观察到的东西

所以信号分析它在这些地方

可以发挥它的非常重要的作用

但是信号分析需要有一定正确的方法

如果方法你欠妥

那么我们分析得到的参数

就可能给我们造成一些误解

而不能得到真正的它的内部的状态

所以我们这门课

就是让大家非常清楚这些分析原理

而且自己能够学会去正确的分析这些信号

从而了解这些机械内部的工作状态

和发现它的一些问题去改进这些机件

让它工作的更好

好了 这一节的内容就到此