1.1.3 时变信号——曲轴加速扭振信号在线视频

前面我们已经给出了两个时变信号的例子

一个是线性扫频的的余弦信号

另外一个是带有多普勒效应的余弦信号

但是这两个信号呢实际上它都来源于理论

从理论公式得到的一个信号

它具有时变的特性

那么下面我们再看一个

来自于实际的时变信号

这个来自于实际的信号

我们取一个汽车在急加速的过程当中

这个在曲轴的扭矩的变动情况下

它的转速的变化情况

因为当我们在汽车在匀速行驶的时候

曲轴它的速度它的转速是稳定的

但是我们在加速行驶的时候

特别是在急加速行驶的时候

这个转速是会急剧的上升

汽车的曲轴的转速会直接上升

那么我们就来看一下

这个急剧上升的信号

它带来的时变信号参数时变的情况

汽车急加速时的转速变动信号

实际上它来自于发动机曲轴的扭振

是一个发动机曲轴的扭振信号

我们首先介绍一个这个信号是怎么得来的

我们来看这个示意图

这边是发动机的飞轮 飞轮上有很多齿

然后在旁边给它加装了一个磁电传感器

从磁电传感器上当这个飞轮转动的时候

它这个每个齿

都会通过这个磁电传感器的前端

这个前端和齿的齿面就形成了这个磁吸

磁吸它会产生磁吸的变化

就会产生磁通的变化

磁通的变化就会反映到它的输出信号上面

这是它的输出信号

这个输出信号它的周期和幅值

都会随着转速的变化而变化

转速越高周期会变得越短

它的幅值会变得越高就是这样的

所以我们是通过来这些信号里边

我们可以通过取得它的周期

每一个周期跟它取出来

其实它是每过一个齿儿

它这个周期就相当于

信号就会出现一个周期

再过一个齿儿再出现一个周期

我们把这些周期给它

随着时间的变化检测出来

我们就可以通过它的这个信号的周期

来分析这个飞轮的转速它是随时间变化的

实际我们得到的就是它的瞬时转速

从刚才那张图上像刚才介绍一下

我们就可以得到

这个飞轮在整个的旋转过程当中

它的这个周期随时间的变化

假设我们叫大T小t

这是周期随时间的变化这是周期

我们称之它为瞬时周期

刚才介绍过一个周期就是一个齿

过去一个齿儿就会产生一个周期

那么这个飞轮上一共有多少个齿

大概有z个齿

那么这就是飞轮转过一圈所经过的时间

一个齿一个周期

这是它的一周的时间

那么转过一周的时间

那么每周多少时间

其实我们看到倒数就是每周多少时间

每转过一周这样的单位呢

它就会是秒分之一

实际上就是我们刚才说的

这是它的圆周频率

转速的圆周频率这是这样的

圆周频率

那么我们如果圆周频率

如果我们要把它变成每分钟多少转

就是每分钟多少转

这是一分钟的转速那么每分钟多少转

我们就给它乘60就行了

所以我们得到这个转速

nc它就应该等于是60Fn

那么写下来是60除以ZTt是这样

这样我们就可以得到转速

这个的单位是每分钟多少转

那么这个就是得到了飞轮转速

这是飞轮的转频是这个意思

它们是60倍的关系是这样

飞轮的转速如果我们已经知道了

我们通过周期的检测就可以把转速检出来

如果周期随着时间变化

转速也会随时间的变化

所以这个转速

我们会给它加上一个时间变化的量

是nct是这个意思

那么现在我们有了这套装置有了这个分析

我们就可以来做实验

做实验的时候比如这个汽车挂到某一档

现在汽车挂三档

在一个稳定车速下面然后急加速

所谓的急加速就是把油门一脚踩到底

那么这个时候我们就可以发现

这个发动机的转速就会急剧的上升

它的上升情况是这个样子的

因为发动机在加速的时候

它并不是匀速的往上加

因为有在上一节我们提到了

发动机气缸的工作原理它总是间歇性的

所以它的这个加速的扭矩

总是一会儿大一点一会儿小一点

大一点小一点

它是这么振动着往上加速的

那么我们就可以看到

它开始在一个稳定的转速下面

然后到了一定的时候它会急加速

但是急加速的过程当中它会变动

是这种情况

它随着时间的变化是这样的情况

我们通过刚才说的这个转速和周期的关系

可以得到目前这样的图

然后我们把这个图上的趋势

我们可以给它计算出来

这个趋势项我们把它叫做N1杠t

这是它的趋势

我们可以通过曲线离合的方法

得到这个趋势项

然后我们把原来的这个变动的

这个不断上升的转速减去这个趋势项

我们就可以得到它的纯的振动项

如果我们写的

Δnt等于是nct减去n一杠t的话

它的情况就是这样的情况

就是随着时间的变化

这样我们就把这个

在汽车在急加速的过程当中

这个曲轴的扭振信号给提出来了

所以这个信号应该就可以看成是

曲轴在急加速过程当中曲轴的扭振信号

利用这个信号我们来进行分析

看看我们从中可以看出些什么来

现在图上看的

就是我们通过刚才黑板上介绍的方法

得到的在急加速过程中曲轴的扭振信号

它的单位实际上它是转速的变化情况

转速的变化情况

那么我们把它展开

它在刚开始我们看见它有比较大的振动

然后又有振动又回归

中间又变大了又变小了

但是从时域上还是很难看出来

它的有什么样的规律

这个时候我们通过相关幅值谱

还把它变到频域那边去

那么这幅图就是刚才我们介绍的

从曲轴上收集到的

这个曲轴的转速变动信号

所做出来的相关幅值谱函数它的三维图

从这个三维图上我们可以看见

隐隐约约可以看见一共有四条线

我们看甚至一号线 二号线 三号线和四号线

那么一号线我们看见它是一条水平的线

就是说它这个频率并没有随着时间的变化

它是比较稳定的

而且它在刚开始的地方

应该说它的振动幅值是比较高的

我们从这个色谱图式标上可以看的出来

刚开始它有比较大的振动

然后这个振动逐渐的就慢慢的就平稳下来

而且降的比较低了

我们大家看一下

在发动机曲轴相连的这些环节里边

是有哪一个是它频率比较低的一个零件

这个时候我们可以发现实际上是离合器

因为在离合器的这个盘上它有一圈弹簧

当这个发动机在急加速的时候

这个弹簧会被压缩

它是在扭转方向的压缩

因为发动机急加速相当是一个阶跃冲击

这个阶跃冲击会急加速的压缩这个弹簧

然后弹簧又会反弹回去

那么它在这儿在刚开始的时候

它会来回的振动

但是随着这个阶跃冲击的变向平稳

发动机开始比较平稳往前加速的时候

那么它的这个振动慢慢就消失掉了

而且是它的一个固有振动

它还维持在一个比较小的振幅的振动

所以它是一个频率不变的信号

那么意思就是说我们在这个时变信号里边

存在着一个时不变信号

所以这个信号它是时变信号

和时不变信号的一个叠加的综合性的结果

那么下面我们再来看

这个比较明显的三号线

这个三号线我们看它是比较明显

那么可以看出来

它是这个扭振比较重的一条线

那么在发动机里边

引起扭振较重的一条线是什么

它就是发动机的燃烧的爆发引起的

因为在发动机的所有的

对扭转产生作用比较大的

就是这个爆发作用 这个爆发频率

那么可以看见

这个爆发频率随着时间是在直线的上升

就是随着这个发动机在加速

但是在这个加速过程当中

当它到达不同频率的时候

它会有比较重比较大

这个时候它这个时候

是相当于汲取了在整个这个扭转发动机

这个传动系统的扭转振动

它的固有频率正好接上了

我们也可以看到在12秒的地方

会有一个固有频率的体现

它那个频率大概在50多赫兹接近60赫兹的地方

另外一个在比较低频的地方

在第五秒的时候

在第二秒到第五秒这个阶段

也会有一个频率

这个频率大概是在30赫兹左右

那么意思就是说

在这个发动机的传动系统里边

它有两个固有频率是很容易被发动机

在急加速过程中爆发频率所扫过的

那么这个频率就是

30赫兹或50多赫兹的时候

那么这个时候就指引我们要注意

在这台汽车的传动系统里边

存在着这样两个固有频率

而且比较明显比较大的

应该是在12秒遇到的这个

50多赫兹的接近60赫兹的

这个频率是需要注意的

将来可能就是需要改进的方向

那么从看完三号线我们再来看二号线

这个二号线也是一条斜线

但是可以看得出来

它正好是三号线的一半

三号线的爆发频率

爆发频率的一半那么它正好就是转频

就是曲轴的转速频率

我们刚才在上面几节里边

我们介绍的很多了

它的转速频率它正好是爆发频率的一半

这个时候它是隐隐约约看见的

实际上在这个扭转里边

和转速相同的这个扭转的因素

实际上是很难体现出来的

这里为什么能看见这条隐隐约约的斜线呢

实际上在这个发动机的飞轮上

一般的有120个齿

但是其中有一个齿是被锯掉的

那么实际它只有119个齿

那么其中那个地方有一个缺口

这个缺口是用来在发动机装配的时候

为了装配活塞的位置所对应的

在装配活塞连杆这套系统的时候

需要把这个缺齿的地方

和发动机上钢体上的一个记号对中

它是为了留的一个工艺上的一个缺口

那么这个缺口我们安装的是磁电传感器

那么这个缺口也会影响磁电传感器

所以在磁电传感器收集到的信号里边

一定存在着它的影响

那么这个影响正好是每转一次

所以它把转速这个频率

就带进到我们的这个

扭转振动信号里来了

并不是说我们在这个传动器里边

存在着与转速频率相同的扭转振动

而是由这个发动机飞轮上的这个缺口所带来的

所以这一点我们就可以知道它

有存在这么一个情况就行了

那么另外再看一看四号线

四号线是除了二号线以外

也是稍微比较明显的一条线

但是它也不是特别的很明显

那么四号线它要出来的时候

我们可以看见它的频率正好是

刚才我们说的三号线频率的一倍

三号线频率三号线是爆发频率

和爆发频率的一倍

刚才前面几节我们都介绍到了

它爆发频率的一倍正好就是压气损失频率

压气损失频率它正好

在这个时候就是每一次爆发

一共有两次压气损失

一次是压缩冲程

另外一次是排气冲程

所以这两次的压气都会带来这个

飞轮上能量的损耗

所以它的扭矩是会发生相应的变动的

那么所以在这里我们可以看见

这是压气损失这条线

压气损失这条线可以看见

它低频是比较重 高频比较浅

那是什么意思呢

就是在低频的时候就是转速

因为它是在一个加速的过程

频率低它的时间靠前

说明它的转速比较低

转速比较低

飞轮上面存储的惯性能就比较小

到了高速的时候

飞轮上存储的惯性能就比较大

而压气损失它是相对比较稳定的

那么所以在低频的时候

压气损失和飞轮惯性能的比值

是相对比较大的

而到了高速的时候 高频的时候

压气损失相对飞轮的惯性能量的比值是比较小

所以它就比较浅是这样的

好 这个我们就可以从这里

可以从一个飞轮的这个变动的转速

我们可以分析到

整个这个传动器里边扭矩的变化

从传动器扭矩的变化它的振动情况

又可以找到它的一些固有频率

然后我们是可以通过这个来进行分析

可以为这台车提供一些改进上的措施

和提供一些改进方向的确定

到此为止

我们一共给出了三个时变信号的例子

前面两个是理论上我们做的理论公式

就是线性扫频余弦信号

还有一个就是带有多普勒效应的这个余弦信号

它是模拟仿真的结果

第三个是一个实际检测到的信号

从这里边我们都可以看到

它们的参数都在随时间的变化

同时我们可以看到

通过这个相关幅值谱的分析

我们可以把这些信号

从比较紊乱的时域变到了

比较有规律的频域去进行分析

从这些分析里边我们就可以看到

这些时变信号它的发生体就是它这些对象

就是将来我们的研究对象

它内部的一些工作状态

可以了解到它的工作的好坏

也可以找到它的一些工作的特性

这给我们将来对研究这个对象

提供很好的一些参考的数据

好 这一节就到此