改進(jìn)OPAX方法在某電動(dòng)汽車車內(nèi)振動(dòng)源識(shí)別中的應(yīng)用

陳 克，姜東浩

改進(jìn)OPAX方法在某電動(dòng)汽車車內(nèi)振動(dòng)源識(shí)別中的應(yīng)用

陳 克，姜東浩

（沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

擴(kuò)展傳遞路徑分析（OPAX）方法所需的振動(dòng)信號(hào)為汽車的工況數(shù)據(jù)，但實(shí)驗(yàn)時(shí)摻雜有噪聲信號(hào)，對(duì)其分析識(shí)別精度有一定的影響。針對(duì)該問題，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解閾值降噪對(duì)OPAX方法進(jìn)行改進(jìn)。以某電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，利用頻響函數(shù)和工況數(shù)據(jù)進(jìn)行載荷參數(shù)化識(shí)別，進(jìn)而識(shí)別電動(dòng)汽車車內(nèi)振動(dòng)源。結(jié)果表明，在勻加速工況下，后懸置方向?qū)﹄姍C(jī)、減速器等激勵(lì)源振動(dòng)的吸能效果較差，并對(duì)比改進(jìn)OPAX方法的擬合響應(yīng)與OPAX方法的擬合響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)OPAX方法的擬合響應(yīng)與實(shí)測響應(yīng)更加吻合，表明改進(jìn)OPAX方法能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別出影響車內(nèi)振動(dòng)的振源。

OPAX方法；經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解；閾值降噪；振動(dòng)源識(shí)別；改進(jìn)OPAX方法；電動(dòng)汽車

本文以某電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，進(jìn)行系統(tǒng)頻響函數(shù)的獲取和加速工況的數(shù)據(jù)采集，將經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition, EMD）閾值降噪與OPAX方法相結(jié)合，對(duì)OPAX方法進(jìn)行改進(jìn)以識(shí)別車內(nèi)振動(dòng)源，并利用改進(jìn)OPAX方法和OPAX方法對(duì)車內(nèi)振動(dòng)噪聲進(jìn)行貢獻(xiàn)量分析以及擬合值對(duì)比分析，找出振動(dòng)源以及主要傳遞路徑，并證明改進(jìn)OPAX方法的準(zhǔn)確性。

1 基本原理

1.1 OPAX方法基本原理

OPAX方法在傳遞路徑分析的基礎(chǔ)上建立“源-路徑-響應(yīng)”模型以及參數(shù)化載荷識(shí)別模型，并采集工況數(shù)據(jù)以及獲取系統(tǒng)頻響函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出各條路徑對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的貢獻(xiàn)量。即

式中，y()為目標(biāo)點(diǎn)的總響應(yīng)；為路徑的條數(shù)；H()為第條路徑被動(dòng)端上的系統(tǒng)頻響函數(shù)；F()為第條路徑上的振動(dòng)載荷。

1.2 改進(jìn)OPAX方法基本原理

EMD方法是將非平穩(wěn)的信號(hào)分解成個(gè)特征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function, IMF），分解過程中必須滿足兩個(gè)條件：（1）在整個(gè)時(shí)間過程中，穿過零點(diǎn)的次數(shù)與極值點(diǎn)個(gè)數(shù)相等或者最多相差1；（2）信號(hào)上任意一點(diǎn)，由局部極大值的上包絡(luò)線和由局部極小值定義的下包絡(luò)線的均值為零。分解后的IMF都是原信號(hào)的單分量信號(hào)，并且由高頻到低頻排列，即

由于EMD都是根據(jù)信號(hào)進(jìn)行分解的，因此，它既克服了選取小波基的困難，又具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性，充分保留了信號(hào)原有的特征。其基本流程就是將給定的()經(jīng)過EMD分解得到個(gè)IMF分量，選取合適的閾值對(duì)IMF進(jìn)行截?cái)?，然后將其重?gòu)起來，在EMD閾值降噪中，閾值為

式中，為噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差，估計(jì)方差時(shí)使用EMD得到的IMF1，即

本文閾值函數(shù)選擇軟閾值函數(shù)：

將EMD閾值降噪后的振動(dòng)信號(hào)代入?yún)?shù)化模型中，識(shí)別工作載荷從而計(jì)算貢獻(xiàn)量，對(duì)OPAX方法進(jìn)行改進(jìn)。

1)影響駕駛員交通特性。駕駛員交通特性主要包括感覺、知覺、視覺、反應(yīng)、注意、疲勞等內(nèi)容。惡劣天氣事件通過能見度的變化，造成視力水平和視力適應(yīng)能力的下降，進(jìn)而增加駕駛員反應(yīng)時(shí)間，損傷人的判斷與知覺能力，同時(shí)，也會(huì)增加駕駛員的生理和心理負(fù)擔(dān)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

本文以某電動(dòng)汽車為例，其動(dòng)力總成與車架之間是由懸置連接，動(dòng)力總成是電機(jī)、減速器和控制器三合一的，懸置為三點(diǎn)懸置布置方式。

2.1 系統(tǒng)頻響函數(shù)獲取

試驗(yàn)設(shè)備包括LMS數(shù)據(jù)采集儀（32通道）、一臺(tái)筆記本電腦、9個(gè)PCB三向加速度傳感器、2個(gè)丹麥進(jìn)口聲壓傳感器。其測點(diǎn)布置為三個(gè)懸置的主被動(dòng)側(cè)、方向盤、座椅滑軌和地板各安裝一個(gè)加速度傳感器，駕駛員右耳側(cè)和后排座椅中央處各安裝一個(gè)聲壓傳感器，且方向盤方向?yàn)槟繕?biāo)點(diǎn)，其余為參考點(diǎn)，以提高OPAX方法的精度，應(yīng)用LMS設(shè)備以及錘擊法測量系統(tǒng)頻響函數(shù)。

2.2 工況數(shù)據(jù)采集

保持所有的傳感器位置不變，試驗(yàn)設(shè)置為勻加速工況（0 km/h～80 km/h），首先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，帶寬為6 400 Hz，分辨率為6.25 Hz，譜線數(shù)為 1 024。采集數(shù)據(jù)前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行量程設(shè)置，以確保采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 改進(jìn)OPAX方法基本流程

3.1 OPAX模型建立

該電動(dòng)汽車有三個(gè)懸置，共有3×3（、、）9條結(jié)構(gòu)路徑，其傳遞路徑模型如圖1所示。

圖1 傳遞路徑模型

3.2 改進(jìn)OPAX方法基本步驟

步驟1，振動(dòng)信號(hào)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，選擇合適的最多IMF分解個(gè)數(shù)，本文選擇13個(gè)。如圖2所示為左懸置方向振動(dòng)信號(hào)分解后的分量和余項(xiàng)。

步驟2，對(duì)分解得到的IMF分量進(jìn)行希爾伯特黃變換（HHT），并對(duì)含噪聲多的分量進(jìn)行閾值降噪，本文只對(duì)IMF1進(jìn)行降噪，因?yàn)镮MF1分量含噪聲多于其他分量，閾值選擇固定閾值，閾值函數(shù)選擇軟閾值函數(shù)。

步驟3，對(duì)降噪后的IMF分量、其他分量和余項(xiàng)進(jìn)行重構(gòu)，得到降噪后的振動(dòng)信號(hào)。如圖3所示為左懸置方向降噪前后振動(dòng)信號(hào)。

步驟4，將降噪后的振動(dòng)信號(hào)代入?yún)?shù)化模型中，識(shí)別載荷，并計(jì)算貢獻(xiàn)量。

4 貢獻(xiàn)量分析

將識(shí)別出的工作載荷其與測得的系統(tǒng)頻響函數(shù)代入式（1）中，即得到目標(biāo)點(diǎn)的貢獻(xiàn)量。圖4表示以電動(dòng)汽車方向盤方向?yàn)槟繕?biāo)點(diǎn)，在勻加速工況下（0 km/h～80 km/h），電機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min～6 000 r/min區(qū)間內(nèi)各個(gè)路徑對(duì)方向盤方向的貢獻(xiàn)量。

圖4 各路徑對(duì)目標(biāo)點(diǎn)的貢獻(xiàn)量

由圖4可以看出，后懸置方向?qū)δ繕?biāo)點(diǎn)貢獻(xiàn)量最大，第二為左懸置方向，第三為左懸置方向。由此可以得出，最主要傳遞路徑是后懸置和左懸置，右懸置貢獻(xiàn)量最小。另外，在1 050 r/min時(shí)，方向盤方向振動(dòng)的實(shí)測值、擬合值和后懸置方向振動(dòng)一致，也說明了后懸置對(duì)激勵(lì)源振動(dòng)的吸能效果較差。

如圖5、圖6所示，對(duì)比后懸置方向和后懸置方向主動(dòng)端的激勵(lì)力和各自的傳遞率發(fā)現(xiàn)，計(jì)算后懸置方向的激勵(lì)力均方根值（Root Mean Square, RMS）為0.12 N，后懸置方向?yàn)?.08 N，后懸置方向激勵(lì)力略大于后懸置方向激勵(lì)力，而后懸置方向的傳遞率明顯小于后懸置方向的傳遞率，說明后懸置方向?qū)δ繕?biāo)點(diǎn)貢獻(xiàn)量是由路徑引起的。

圖5 激勵(lì)力圖

圖6 傳遞率圖

比較實(shí)測響應(yīng)、原OPAX方法擬合響應(yīng)和改進(jìn)OPAX方法擬合響應(yīng)三者之間的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 實(shí)測響應(yīng)、原OPAX方法與改進(jìn)OPAX方法擬合響應(yīng)

根據(jù)圖7可以看出改進(jìn)OPAX方法擬合響應(yīng)與實(shí)測響應(yīng)更加吻合，說明改進(jìn)OPAX方法能夠更加準(zhǔn)確地識(shí)別出影響車內(nèi)振動(dòng)的振源為電機(jī)、減速器。

5 結(jié)論

本文提出了將EMD閾值降噪方法與OPAX方法相結(jié)合的改進(jìn)OPAX方法，得出以下結(jié)論：

（1）在采用EMD閾值降噪對(duì)振動(dòng)信號(hào)降噪后，重構(gòu)信號(hào)的趨勢與原信號(hào)幾乎一致，并幅值稍小，起到了明顯的降噪效果。

（2）改進(jìn)OPAX方法較原OPAX方法能更準(zhǔn)確地識(shí)別出影響車內(nèi)振動(dòng)的主要振源為電機(jī)和減速器；并且振源主要通過后懸置方向的減振吸能傳遞到車內(nèi)。而對(duì)比后懸置方向和方向的激勵(lì)力和傳遞率發(fā)現(xiàn)：電機(jī)、變速器等振源影響車內(nèi)振動(dòng)的原因是后懸置方向的傳遞率較小、對(duì)振源振動(dòng)的吸能效果較差。

（3）基于改進(jìn)OPAX方法的擬合響應(yīng)與實(shí)測響應(yīng)更加吻合。

[1] 邵王健,何志剛,盤朝奉,等.電動(dòng)汽車車內(nèi)噪聲統(tǒng)計(jì)能量分析預(yù)測與控制[J].車輛與動(dòng)力技術(shù),2013(2): 58-62.

[2] 車勇,劉浩,郭順生,等.基于SEA模型的純電動(dòng)汽車車內(nèi)噪聲預(yù)測[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版),2013,35(5):627-630,634.

[3] JANSSENS K,GAJDATSY P,GIELEN L,et al. OPAX: A New Transfer Path Analysis Method Based on Parametric Load Models[J]. Mechanical Systems & Signal Processing,2011,25(4):1321-1338.

[4] 方源,章桐,于蓬,等.電動(dòng)車動(dòng)力總成振動(dòng)噪聲的試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)、測試與診斷,2015,35(2):218-224, 394-395.

[5] 史文庫,劉國政,宋海生,等.純電動(dòng)客車振動(dòng)噪聲特性[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2018,48(2):373-379.

[6] WANG Z ,ZHU P,SHEN Y,et al. An Improved OPAX Method Based on Moving Multi-band Model[J]. Mechanical Systems and Signal Processing,2018,122 (1):321-341.

Application of Improved OPAX Method in Identification of Vibration Source in an Electric Vehicle

CHEN Ke, JIANG Donghao

( School of Automotive and Transportation, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China )

The vibration signal required by the extended transfer path analysis (OPAX) method is the working condition data of the vehicle, but the noise signal is mixed in the experiment, which has a certain impact on the analysis and identification accuracy. To solve this problem, the OPAX method is improved by using empirical mode decomposition threshold noise reduction. Taking an electric vehicle as the research object, the load parametric identification is carried out by using the frequency response function and working condition data, and then the vibration source in the electric vehicle is identified. The results show that under the uniform acceleration condition, the energy absorption effect of the rear mount z direction on the vibration of motor, reducer and other excitation sources is poor. The fitting response of the improved OPAX method is compared with that of the OPAX method, It is found that the fitting response of the improved OPAX method is more consistent with the measured response, which shows that the improved OPAX method can more accurately identify the vibration sources affecting the vibration in the vehicle.

OPAX method; Empirical mode decomposition; Threshold noise reduction; Identifica- tion of vibration source; Improved OPAX method; Electric vehicle

U461.99

A

1671-7988(2022)21-118-05

U461.4

A

1671-7988(2022)21-118-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.022

陳克（1965—），男，博士，教授，研究方向?yàn)檐囕v動(dòng)力學(xué)與控制，E-mail:chen_ke@163.com。