車(chē)輛傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量與數(shù)據(jù)預(yù)處理研究

徐 宜， 張國(guó)偉， 張洪彥， 徐 宏， 喬 麗， 張喜明

( 1. 中國(guó)北方車(chē)輛研究所 車(chē)輛傳動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100072；2. 中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 太原 030051)

載荷譜是車(chē)輛設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一，而隨著大型工程車(chē)輛對(duì)高功率密度以及高可靠性方面要求的提高，獲取車(chē)輛關(guān)鍵部件的載荷譜、提高車(chē)輛設(shè)計(jì)使用壽命顯得愈加重要[1,2].車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)載荷譜包括軸、齒輪和軸承三類(lèi)構(gòu)件載荷譜.其中，后兩者構(gòu)件的載荷譜可通過(guò)軸類(lèi)構(gòu)件推導(dǎo)出.因此，傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷譜的獲取需要通過(guò)測(cè)試傳動(dòng)軸的實(shí)際扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn).

傳動(dòng)軸被安裝于空間狹小的變速箱中，且在車(chē)輛行駛狀態(tài)下，其往往處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，這造成傳統(tǒng)的滑環(huán)式測(cè)試信號(hào)傳輸電路成本昂貴、可靠性底、維護(hù)不方便.因此，所測(cè)試的傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)的傳輸需要通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn).無(wú)線通信技術(shù)因其在傳輸信號(hào)的過(guò)程中無(wú)物理元件接觸而具有測(cè)試便捷和維護(hù)方便的優(yōu)勢(shì)特別適合在對(duì)線路有破壞作用的化學(xué)、振動(dòng)、活動(dòng)部件等環(huán)境中使用[3].常用的無(wú)線通信技術(shù)包括Zig Bee、藍(lán)牙和WLAN，等等[4].其中，藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)，是一種適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?

1 系統(tǒng)組成及原理

1.1 系統(tǒng)總體組成

車(chē)輛載荷譜測(cè)試用傳動(dòng)軸無(wú)線動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)量系統(tǒng)主要是由信號(hào)采集和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸兩部分組成.其中，數(shù)據(jù)傳輸部分包括無(wú)線發(fā)射和無(wú)線接收兩個(gè)模塊.無(wú)線發(fā)射模塊的功能是將采集的傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)進(jìn)行調(diào)理并輸出至A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào).這樣可通過(guò)無(wú)線發(fā)射電路傳輸至無(wú)線接收模塊.無(wú)線接收模塊的功能是接收上傳的傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)，并被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，進(jìn)而上傳給計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)車(chē)傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩載荷的實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示和分析.

車(chē)輛行駛過(guò)程中，受傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、溫度變化等因素影響，要求數(shù)據(jù)傳輸部分電路具有功耗低、數(shù)據(jù)發(fā)送準(zhǔn)確的特點(diǎn).而藍(lán)牙4.0具有高傳輸速度和低功耗的特點(diǎn)，尤其是在1 Mbps傳輸速率下的超短數(shù)據(jù)包特點(diǎn)可滿足傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試系統(tǒng)低功耗條件下無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸要求[5].

1.2 傳動(dòng)軸扭矩測(cè)量原理

傳動(dòng)軸在實(shí)際工作條件下受載模式并非是單一的，而是受彎矩、扭矩、拉力等載荷共同作用.本項(xiàng)目采用應(yīng)變法測(cè)試傳動(dòng)軸工作過(guò)程的實(shí)時(shí)扭矩.為了準(zhǔn)確地測(cè)量傳動(dòng)軸的扭矩，選擇在傳動(dòng)軸的合適位置按圖1所示的全橋法連接應(yīng)變片(R1，R2，R3，R4).這樣可以消除彎矩和拉力的影響，只測(cè)量其所受到的扭矩.同時(shí)，采用全橋法組成的應(yīng)變電路還可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?，提高了電路輸出的?zhǔn)確度[6].

圖1 應(yīng)變片的粘貼方法及橋式測(cè)試電路圖

應(yīng)變法測(cè)軸類(lèi)零件扭矩原理為：設(shè)圖1中電橋的輸入端電壓為U，輸出端的電壓為U0，根據(jù)惠斯通電橋特點(diǎn)，利用電橋輸出端電壓、橋臂應(yīng)變片電阻和輸入端電壓可建立如式(1)所示關(guān)系式.

(1)

如果圖1中的電橋是由粘貼在傳動(dòng)軸上的4個(gè)應(yīng)變片組成，且各應(yīng)變片的起始電阻值都相等，那么此時(shí)電橋的輸出電壓U0=0，電橋處于平衡狀態(tài).當(dāng)傳動(dòng)軸承受扭矩時(shí)，軸的表面會(huì)出現(xiàn)微小應(yīng)變導(dǎo)致應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化.此時(shí)，電橋的輸出電壓變?yōu)?/p>

(2)

設(shè)4個(gè)應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)為Ks，此時(shí)若應(yīng)變片阻值變化ΔR僅由機(jī)械變形導(dǎo)致并與其他因素?zé)o關(guān).那么在扭矩作用下，電橋的輸出電壓變?yōu)?/p>

(3)

1.3 扭矩測(cè)量和無(wú)線傳輸電路組成

利用傳動(dòng)軸上部的應(yīng)變電路將傳動(dòng)軸扭矩轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)后需要進(jìn)一步處理并傳輸.本項(xiàng)目扭矩測(cè)量和數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸電路系統(tǒng)主要包括電源、扭矩測(cè)量和信號(hào)調(diào)理電路、藍(lán)牙4.0以及天線模塊，如圖2所示.為了保證系統(tǒng)整體的低功耗、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，采用了集RF收發(fā)器和增強(qiáng)型8051CPU于一體的射頻收發(fā)芯片CC2540.

Current–voltage characteristics were described by the thermionic emission theory[20]

圖2 扭矩測(cè)量和無(wú)線傳輸電路組成圖

CC2540芯片具有超低功耗功率2.4 GHz系統(tǒng)單晶片的特點(diǎn)，其內(nèi)的ΔΣ型ADC，具有7～12位的分辨率，最短數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間為20 μs，可以滿足對(duì)高速旋轉(zhuǎn)條件下傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)的采集要求：利用放大器將傳動(dòng)軸應(yīng)變片全橋電路輸出電壓信號(hào)調(diào)整到CC2540芯片可接受范圍，然后再用片上ADC進(jìn)行采集.設(shè)置ADC的參考電壓為外部基準(zhǔn)模型，可提高采樣分辨率最高達(dá)0.5 mV.本研究選用外部基準(zhǔn)源芯片為T(mén)I公司的REF5020芯片，基準(zhǔn)電壓為2.048 V.

2 傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試

以車(chē)輛勻速行駛為例說(shuō)明傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)測(cè)量過(guò)程.表1為車(chē)輛勻速行駛工況下的相關(guān)參數(shù).

表1 車(chē)輛勻速行駛狀態(tài)相關(guān)測(cè)試參數(shù)

圖3為車(chē)輛勻速行駛工況下傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試信號(hào).可以看出，扭矩信號(hào)存在明顯波動(dòng).這是因?yàn)檐?chē)輛行駛路況復(fù)雜，其傳動(dòng)系統(tǒng)承受的載荷多屬于附加載荷[7].

圖3 實(shí)測(cè)傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)

從圖3可以看出，車(chē)輛行駛過(guò)程中的傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)包含大量噪聲.這是因?yàn)檐?chē)輛在行駛過(guò)程中，變速箱存在的振動(dòng)、溫度升高等變化因素導(dǎo)致傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)在采集過(guò)程中會(huì)存在一些干擾.這些系統(tǒng)誤差、奇異值和雜波等組成的信號(hào)干擾往往造成測(cè)試的扭矩信號(hào)幅值很難直接讀取.因此，建立既能夠保留有效載荷信號(hào)又能去除干擾的扭矩信號(hào)預(yù)處理方法非常重要.

3 傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)預(yù)處理

3.1 扭矩信號(hào)奇異值檢測(cè)及去除

扭矩測(cè)試信號(hào)中的異常值，主要來(lái)源是測(cè)量?jī)x器的非正常工作、數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤.本研究采用箱線圖法來(lái)去除測(cè)試過(guò)程中的異常值，利用扭矩信號(hào)的幅值最大值、上四分位數(shù)(Fu)、中位數(shù)(XM)、下四分位數(shù)(FL)和最小值對(duì)扭矩信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，去除幅值異常值.該方法作為描述統(tǒng)計(jì)特征的工具有以下優(yōu)點(diǎn)：利用實(shí)測(cè)扭矩?cái)?shù)據(jù)制作箱線圖，無(wú)數(shù)據(jù)限制性要求，可以真實(shí)地表現(xiàn)出數(shù)據(jù)自身的性質(zhì)；另一方面，箱線圖法以上下四分?jǐn)?shù)位置作為基礎(chǔ)來(lái)標(biāo)定異常值的標(biāo)準(zhǔn)，由于四分位數(shù)具有一定的耐抗性，因而異常值對(duì)其無(wú)法產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，因此箱線圖在識(shí)別異常值方面具有優(yōu)越性[8].

運(yùn)用箱線圖法對(duì)圖3中測(cè)試的傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)進(jìn)行異常值的檢驗(yàn).首先，對(duì)實(shí)測(cè)矩陣信號(hào)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，做出正態(tài)擬合檢驗(yàn)直方圖，如圖4所示.再做出箱線圖，如圖5所示.最后，將超出外限值的極端異常數(shù)據(jù)去除，如圖6所示.

圖4 正態(tài)擬合直方圖

圖5 實(shí)測(cè)扭矩?cái)?shù)據(jù)箱線圖

圖6 去除極端奇異值

3.2 扭矩信號(hào)小波降噪

3.2.1 小波降噪方法

與傳統(tǒng)傅里葉變換相比，小波變換具有可同時(shí)在時(shí)頻閾對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理的優(yōu)點(diǎn).其通過(guò)伸縮平移運(yùn)算特點(diǎn)可逐步對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度的細(xì)節(jié)處理，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)在高頻處對(duì)時(shí)間細(xì)分、在低頻處對(duì)頻率細(xì)分，從而針對(duì)所采集載荷譜信號(hào)中的任意細(xì)節(jié)，有效地區(qū)分有用部分和噪聲部分，并將噪聲部分去除[9].根據(jù)測(cè)試的傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)特點(diǎn)，可采用二進(jìn)離散小波序列對(duì)扭矩信號(hào)進(jìn)行處理，如式(4)所示.

(4)

式中：t為采樣時(shí)間；Ψ(t)為基小波；j為分解層數(shù)；k為平移參數(shù)；j,k∈Z.

采用小波分析法對(duì)傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)進(jìn)行降噪的難點(diǎn)是如何選用最優(yōu)的小波基函數(shù).目前，處理人員往往根據(jù)以往的人工經(jīng)驗(yàn)或者不斷重復(fù)試驗(yàn)對(duì)比來(lái)確定合適的小波基函數(shù).該過(guò)程操作繁瑣，尤其是在面對(duì)特征不詳細(xì)了解的信號(hào)時(shí)，最優(yōu)小波基的選擇更為復(fù)雜.針對(duì)此問(wèn)題，可采用小波閾值去噪方法來(lái)確定去噪閾值.目前，常用的閾值去噪方法有：Donoho提出的小波分析通用閾值去噪法和Kathrin Berkner提出分層閾值去噪方法[10].采集的傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)降噪閾值的計(jì)算方法如下：

(5)

(6)

式中：σ為噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差；ωj,k為測(cè)試信號(hào)最細(xì)層小波系數(shù)；λ為去噪閾值；N為測(cè)試信號(hào)長(zhǎng)度；j為測(cè)試信號(hào)分解層數(shù)；median為取中值函數(shù).

通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)所得的動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)試信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理發(fā)現(xiàn)，采用以上兩種方法計(jì)算的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差往往偏大，這樣利用式(6)計(jì)算的各分解層降噪閾值隨之偏大，造成去噪過(guò)程損失過(guò)多高頻部分的扭矩信號(hào).針對(duì)這種問(wèn)題，本研究提出在噪聲分析的基礎(chǔ)之上，對(duì)測(cè)試的扭矩信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)閾值降噪的方法，提高了傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)處理效率和準(zhǔn)確性.該方法計(jì)算過(guò)程為：首先，估計(jì)測(cè)試的扭矩信號(hào)中的噪聲方差；其次，確定小波分析的各分解層的自適應(yīng)閾值；最后，對(duì)傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)進(jìn)行去噪.

具體計(jì)算方法如下

(7)

(8)

(9)

為了評(píng)價(jià)自適應(yīng)閾值去噪方法對(duì)樣車(chē)測(cè)試的傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)處理效果，本研究選擇扭矩信號(hào)的信噪比和均方誤差作為指標(biāo).評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算過(guò)程如下：

(10)

(11)

式中：T為采樣總點(diǎn)數(shù).

通過(guò)計(jì)算扭矩信號(hào)的信噪比和均方差值判斷扭矩信號(hào)去噪是否達(dá)到合理水平.處理后的信號(hào)信噪比越大、均方差越小則處理方法越好.若去噪效果未達(dá)要求，則重新進(jìn)行噪聲方差估計(jì)，再判斷所計(jì)算的結(jié)果是否達(dá)到要求.以此循環(huán)，直至去噪結(jié)果達(dá)到理想水平.通過(guò)以上分析可建立車(chē)輛傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)小波自適應(yīng)閾值去噪方法的操作流程如圖7所示.

圖7 傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)自適應(yīng)閾值去噪流程

3.2.2 降噪結(jié)果分析

為了對(duì)比小波通用閾值去噪方法和小波自適應(yīng)閾值去噪方法對(duì)傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)的去噪效果，采用兩種方法分別對(duì)第2章中測(cè)試的傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)進(jìn)行去噪，并對(duì)比各自的信噪比和均方差值.采用小波通用閾值去噪方法，其計(jì)算步驟是首先利用式(5)估計(jì)出扭矩信號(hào)各分解層次噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差σj，再利用式(6)計(jì)算各分解層次對(duì)應(yīng)的通用閾值λ，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 小波通用閾值去噪方法閾值計(jì)算結(jié)果

采用小波自適應(yīng)閾值去噪方法，其計(jì)算步驟是首先利用式(7)估計(jì)扭矩信號(hào)各分解層噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差σj，再利用式(8)和式(9)計(jì)算各分解層次對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)降噪閾值λj，結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 小波自適應(yīng)閾值去噪閾值計(jì)算結(jié)果

采用以上兩種方法處理的傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)的信噪比(SNR)和均方差(MSE)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 兩種方法信噪比(SNR)和均方差(MSE)

由表4可以看出，采用兩種方法去噪后的傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)的信噪比都有所提高.其中，采用自適應(yīng)閾值去噪法處理后的扭矩信號(hào)的信噪比更大，均方差更小.這說(shuō)明自適應(yīng)閾值去噪方法相比較通用閾值去噪方法在車(chē)輛傳動(dòng)軸扭矩信號(hào)處理方面更具有優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)V除扭矩信號(hào)中的更多噪聲.同時(shí)，由于其在扭矩信號(hào)的低頻層次去噪閾值相對(duì)較小，所以能保留更多的低頻有用成分.因此，使用自適應(yīng)閾值法可以更好地對(duì)車(chē)輛的動(dòng)態(tài)扭矩進(jìn)行降噪處理.

4 結(jié) 論

自主開(kāi)發(fā)了車(chē)輛載荷譜測(cè)試用傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩?zé)o線測(cè)試平臺(tái)，提出了基于小波分析的自適應(yīng)閾值傳動(dòng)軸實(shí)測(cè)扭矩信號(hào)降噪方法.試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)基于藍(lán)牙4.0的低功耗、高傳輸速率的扭矩信號(hào)測(cè)量傳輸系統(tǒng)滿足履帶車(chē)輛傳動(dòng)軸的密閉、高溫、油污、振動(dòng)的惡劣條件限制和扭矩?cái)?shù)據(jù)傳輸速度要求.

2)相對(duì)于小波分析通用閾值去噪方法，小波分析自適應(yīng)閾值去噪法對(duì)傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)扭矩信號(hào)的去噪法更具有針對(duì)性和準(zhǔn)確性.