振動測試在汽車零部件檢測中的應用研究

何毅波　湯華飛　蔡仁寧　高光雷　羅堃

【摘 要】隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，汽車零部件的質量越來越受到人們的關注。振動測試技術通過將理論分析與實際測試相互結合用以考察汽車零部件的質量，并為零部件的設計優(yōu)化提供依據(jù)。文章簡要地介紹了振動理論，建立了一個簡化的振動試驗系統(tǒng)模型說明振動測試原理，并依據(jù)長期試驗經(jīng)驗對振動測試技術的實際應用進行解析，為相關從業(yè)者提供汽車零部件振動測試的試驗方法。

【關鍵詞】汽車零部件；振動測試；正弦掃頻；正弦定頻

【中圖分類號】U463 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）03-0083-04

0 引言

自卡爾·奔馳制造出汽車至今，已有130多年，汽車已經(jīng)不單單是一種交通工具，還是集多種高新技術于一身的藝術品。為了保證汽車兼具藝術性與實用性，對汽車零部件質量的檢驗越來越受到人們的關注。汽車零部件在運行中由于受發(fā)動機輸出正弦動力的影響，必然產(chǎn)生振動，這些振動大多具有消極的作用，影響零部件的使用壽命。于是，振動測試技術孕育而生。它通過將理論分析與實際測試相互結合考察汽車零部件質量，并為設計優(yōu)化提供依據(jù)。振動測試技術包含振動理論分析、動態(tài)測試技術、信號采集與獲取、信號分析處理等科學技術。

振動測試技術是一項用理論指導實際測試，用實際測試檢驗驗證理論的技術。這便要求技術人員擁有振動理論分析能力，通過建立微分方程、矩陣理論計算零部件的危險頻率（即固有頻率）、主振型等參數(shù)，再通過振動理論逆向分析，利用實際測試中所得到的信號求出危險頻率、主振型等參數(shù)，兩相驗證（如圖1所示）。同時，通過長時間的振動耐久測試，可以檢驗零部件產(chǎn)品質量。

本文簡要地介紹了振動理論，建立了一個簡化的振動試驗系統(tǒng)模型說明振動測試原理，并依據(jù)長期試驗經(jīng)驗對振動測試技術的實際應用進行解析，為相關從業(yè)者提供汽車零部件振動測試的試驗方法。

1 振動的基本理論

1.1 振動的基本概念

從側面撞擊桌子，桌子會左右擺動，這種物體狀態(tài)改變的過程叫做振動。在振動的過程中，物體的位移、速度、加速度3個物理量會發(fā)生往復變化，它們被稱作振動量[1]。生產(chǎn)出的產(chǎn)品在運輸或使用時，會受到外力作用，產(chǎn)生振動，這些振動大多對產(chǎn)品有害。振動測試的目的是通過外力施加振動，測試產(chǎn)品在壽命周期中，是否能承受運輸或使用過程的振動環(huán)境，確定產(chǎn)品的結構和功能是否符合相關標準，并通過對不合格產(chǎn)品的失效分析提高產(chǎn)品的可靠性。

在實際生活中，振動是復雜多變的，很難利用函數(shù)描述其運動過程。通過簡化，我們一般將振動系統(tǒng)分為線性系統(tǒng)及非線性系統(tǒng)。線性系統(tǒng)是指物體的運動微分方程中，只包含位移、速度的一次方項。反之，不符合上述條件的為非線性振動系統(tǒng)。為了使試驗接近真實環(huán)境，在船舶、飛機、車輛、空間飛行器上所出現(xiàn)的旋轉、脈動、振蕩形式的振動均為正弦振動；在一般運輸環(huán)境中，交通工具產(chǎn)生的振動為隨機振動。這2種振動形式均為非線性振動。振動通常是由動力傳遞激發(fā)物體產(chǎn)生，稱作激勵。系統(tǒng)受到激勵產(chǎn)生振動，激勵消失后的振動稱為自由振動。如果系統(tǒng)受到持續(xù)的激勵，產(chǎn)生的振動稱作受迫振動。動態(tài)測試技術應用的就是受迫振動。

在振動的過程當中，必然會存在眾多的阻尼力，統(tǒng)稱阻尼。阻尼會消耗能量，并且也存在線性、非線性之分。阻尼會使自由振動的物體最終處于平衡狀態(tài)。

1.2 振動測試原理

為了方便研究，我們將動態(tài)測試技術中應用的振動臺架試驗近似地簡化為一個受簡諧激勵作用下的受迫振動（如圖2所示）。

不妨設存在一簡諧激勵Fs作用于圖2中的振動系統(tǒng)，該振動系統(tǒng)存在阻尼。

Fs=Hsinωt

上式中：H為激振力的幅值；ω為激振力的頻率。

以輕質彈簧的平衡位置O為原點坐標，豎直向下方向為x軸正方向，建立運動微分方程：

m■=-■x-kx+Hsinωt

令

p■■=■， 2n=■，h■

式中：h為單位質量受到激振力的幅值。

得到

■+2n■+p■■x=hsinωt

該式的解可以表示如下：

x（t）=x1（t）+x2（t）

=Ae-ntsin（pd t+α）+Bsin（ωt-φ）

由上式可知，該受迫振動是由頻率為pd的衰減振動和頻率為ω的受迫振動組成。在一定時間以后，衰減振動部分會因阻尼消失，最終系統(tǒng)將衍變?yōu)榉€(wěn)定的受迫振動。這也解釋了在振動臺架實驗中為何前期出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。此時

x=Bsin（ωt-φ）

這是一個簡諧運動，振幅為B，受迫振動與激振力的相位差為φ，并且

B=■

tanφ=■

通過對上式的分析不難發(fā)現(xiàn)，振幅B與相位差φ取決于系統(tǒng)的固有頻率、阻尼、激振力頻率及幅值[2]。

2 振動測試方法

在振動測試中，有多種測試方法，如果按照測試過程中涉及的物理性質來劃分，大致可以分成3類：機械式測量法、光學式測量法、電測法。

2.1 機械測量法

機械測量法是通過機械結構將需檢測的物理量轉變?yōu)闄C械信號，然后對機械信號進行測量。由于機械結構的能量損失相對較大，所以這種方法測試的結果的精度不高，并且能夠測量的頻率范圍較小。

2.2 光學測量法

光學測量法是通過光學傳感器將需檢測的物理量轉變?yōu)楣鈱W信號，經(jīng)過放大后再利用光檢測器轉變?yōu)殡娦盘枺詈笸ㄟ^對電信號的測量與轉換得到所需物理量值[1]。

2.3 電測法

電測法是目前應用最廣泛的測量方法。電測法是將需檢測的物理量轉變?yōu)殡娦盘枺ɡ珉娏?、電壓等），再對電信號進行測量，利用需檢測物理量值與電信號值的函數(shù)進行數(shù)值轉換，從而得到物理量的值。一般情況下，利用此方法的得到的電信號值十分微小，需要經(jīng)過放大器放大后才能被測量。

電測法具有精度高、靈敏度高、響應速度快等優(yōu)點。電測法直接得到電信號，便于采集、處理、分析，簡單處理便可在顯示屏上顯示。利用一條電線便可將電信號傳送至遠方，實現(xiàn)遠距離控制，結合編程知識便可實現(xiàn)自動控制。電測法得到的電信號是動態(tài)值，既可以測量瞬時值又可以測量變化過程。并且，電測法便于與計算機通信。在計算機為科研事業(yè)做出卓越貢獻的今天，電測法憑借這一優(yōu)勢成為應用最廣泛的測量方法。

3 振動測試系統(tǒng)的組成

振動測試系統(tǒng)是由軟件及硬件組成的，一般包括激振器、傳感器、放大器、信號采集器、信號處理軟件。振動測試系統(tǒng)的結構示意圖如圖3所示。

3.1 激振器

激振器是產(chǎn)生激勵的設備，它將按照人為設定的條件，持續(xù)而穩(wěn)定地向其連接的樣件產(chǎn)生激勵。樣件發(fā)生振動，產(chǎn)生振動頻率、振動加速度、振動位移等物理量。激振器與樣件連接的緊固程度直接影響激勵傳送過程中的損失程度。

3.2 傳感器

傳感器是檢測工件振動量的儀器，它可以把振動量轉變?yōu)殡娦盘枺偻ㄟ^檢測與轉換得到振動的頻率、加速度、位移等物理量。記錄這些參數(shù)以便后期分析，進一步優(yōu)化產(chǎn)品。同時，通過監(jiān)視這些參數(shù)是否出現(xiàn)急劇變化，可以用來判斷樣件是否損壞；設定合適的中斷限值可以保護儀器設備及樣件。除此之外，有些參數(shù)還會反過來控制激振器。如圖3所示，振動測試系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。激振器得到開始命令后產(chǎn)生激勵，傳感器便可以檢測到振動量并轉變?yōu)橄鄳獏?shù)。通過傳感器得到的參數(shù)判斷整個振動系統(tǒng)是否達到設定值。如果傳感器回饋的參數(shù)低于設定值，激振器便會增加激勵的輸出。反之，如果傳感器回饋的參數(shù)高于設定值，激振器便會減小激勵的輸出。如此反復，直至得到所需要的參數(shù)并保持穩(wěn)定。

3.3 放大器

一般情況下，利用電測傳感器得到的電信號值十分微小，很難被測量。即使可以被測量，不同信號間的區(qū)分度也不大。因此，采用放大器將電信號放大一定的倍數(shù)，使電信號容易被信號采集器捕獲。值得注意的是，傳感器的類型不同，得到的電信號也不同，有些傳感器將振動量轉變?yōu)殡妷盒盘枺行┺D變?yōu)殡娏餍盘?。因此，放大器要根?jù)傳感器的類型，選擇電壓放大器、電流放大器等。如果選擇了不適宜的放大器，不僅會導致試驗失敗，還有可能導致一些不良的后果。

3.4 信號采集器

信號采集器的作用是捕獲信號，并將它們進行轉變得到所需參數(shù)。如果利用壓電式傳感器，信號采集器捕獲的信號為模擬信號，而計算機采用數(shù)字信號進行運算。為了方便與計算機通信，信號采集器還需要將模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號。

3.5 信號處理軟件

信號處理軟件承擔著人機交互的主要責任，設置試驗條件、監(jiān)視試驗參數(shù)、控制試驗進程、記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)都是通過信號處理軟件完成[3]。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，正是信號處理軟件將傳感器得到的參數(shù)與設定值進行對比，然后指示激振器進行下一步操作。

4 振動測試流程

對于汽車零部件，應用最多的是正弦定頻振動測試試驗。通過激振器發(fā)出頻率恒定的正弦激勵引起樣件振動，模擬樣件在實際使用過程中受迫振動。正弦定頻振動測試的試驗參數(shù)有振動加速度、振動頻率、振動位移、試驗時間，其參數(shù)值的選擇有一定要求。以四缸四沖程柴油機為例，假設正常使用時其轉速控制在2 000 r/min，則每秒鐘曲軸轉動33.33圈。四沖程柴油機曲軸每轉動一圈便有2個做功沖程，產(chǎn)生振動。因此，該柴油機產(chǎn)生的振動激勵為66.67 Hz。行業(yè)上通常選用33 Hz或67 Hz作為控制參數(shù)進行定頻測試。其余控制參數(shù)可參考GB/T 2324.10選取。一般情況下，在定頻測試前會進行掃頻測試。通過上面的分析，我們得到的頻率實際上是33.33 Hz，其一次倍頻程應為66.66 Hz，行業(yè)上通常選用 67 Hz。因此，掃頻測試應包含33 Hz及67 Hz。有時，為了模擬交通工具產(chǎn)生的振動，會進行隨機測試，可參考GB/T 4857.23，本文不做探討。應當指出，本文所述的振動測試試驗屬臺架試驗，其嚴苛程度高于路面振動測試。通過調研，臺架振動測試試驗合格的樣件少有路面振動測試不合格的情況。

4.1 掃頻測試

掃頻是通過激振器向樣件輸出連續(xù)的、頻率隨時間以指數(shù)形式變化的激勵，同時檢測樣件的振動量，以反映樣件在該環(huán)境下受迫振動的情況。掃頻測試應當注意傳感器的安裝位置及試驗條件的選擇[4]。

4.1.1 傳感器的安裝位置

傳感器的安裝位置對于試驗是否成功、是否能夠更好地模擬樣件真實環(huán)境都起到了決定性的作用。如果傳感器的安裝位置選擇得不合理，還有可能出現(xiàn)臺架振動測試嚴苛程度不及路面振動測試的情況。更有甚者，會直接造成試驗儀器的損壞。在我國現(xiàn)行的國家標準中，要求傳感器盡量接近于一個固定點。所謂的固定點是指在實際使用環(huán)境下用于固定樣件的地方，一般是樣件與夾具固定的地方[5]。由于實際試驗中樣件安裝形式的多樣性，試驗人員需根據(jù)這一指導方針，綜合現(xiàn)場情形，靈活地選取傳感器的安裝位置。這就要求試驗人員具有一定的振動測試經(jīng)驗，才能快速、準確地安裝傳感器。

傳感器的安裝位置一般分為檢驗點和參考點。檢驗點是用于采集信號進行處理，反映樣件受迫振動的情況；參考點是用于控制試驗，將信號傳回閉環(huán)控制回路，判斷激勵器的下一步操作。建議將參考點設置在振動臺臺面或與振動臺相連的水平滑臺上，比較接近振動源，可以更好地起參考作用。

4.1.2 試驗條件的選擇

試驗條件的選擇直接關系到試驗的嚴苛程度。通常，應根據(jù)樣件的實際安裝環(huán)境，經(jīng)分析計算選擇掃頻測試的頻率范圍、振動幅值、持續(xù)時間。通過調研，目前部分企業(yè)已有自己的企業(yè)標準，對試驗條件的選擇已做出明確要求。國家標準給出了頻率范圍的推薦值，見表1[5]。為包含33 Hz及67 Hz，建議選取下限頻率1 Hz、上限頻率100 Hz作為頻率范圍。

4.2 定頻測試

定頻測試是通過激振器向樣件輸出持續(xù)、穩(wěn)定的激勵，同時檢測樣件的振動量，以反映樣件在該環(huán)境下受迫振動的情況。在定頻測試中，建議汽車行業(yè)以33 Hz或67 Hz作為試驗條件。

傳感器的安裝位置分為單點控制和多點控制。單點控制即使用一個傳感器的信號作為控制試驗的依據(jù)；多點控制即使用多個傳感器的信號通過連續(xù)平均計算或比較技術，得到一個信號作為控制試驗的依據(jù)。采用連續(xù)平均計算的多點控制是將多個傳感器得到的信號進行連續(xù)平均計算，得到的信號能夠較好地反映樣件整體水平；采用比較技術是對比多個傳感器信號，選出極大值或極小值，能夠較好地反映樣件不同位置的振動差異。

5 小結

振動測試是一門理論與實踐相互結合的科學技術，需要試驗人員具有一定的實際經(jīng)驗才能保證試驗的科學性、準確性。本文簡要概述了振動理論，通過建立簡易的臺架振動試驗系統(tǒng)模型探討其原理，并簡要地總結了試驗經(jīng)驗。然而，本文尚屬振動測試的基礎知識，難免膚淺。欲得振動測試的精髓要義，還請各位讀者繼續(xù)深入研究。

參 考 文 獻

[1]李方澤.工程振動測試與分析[M].北京：高等教育出版社，1992.

[2]袁宏杰，李傳日，殷雪巖，等.正弦振動控制技術的研究[J].電氣自動化，2001，23（2）.

[3]周浩敏，王睿.測試信號處理技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[4]沈鳳霞.正弦振動試驗及結構響應數(shù)據(jù)處理方法[J].航天器環(huán)境工程，2004，21（4）.

[5]GB/T 2423.10—2008，電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗Fc：振動（正弦）[S].

[責任編輯：陳澤琦]