車輛機(jī)械式離合器SVM故障檢測方法仿真

李海兵，蔣月靜

(大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300)

1 引言

汽車電子技術(shù)中的自動變速技術(shù)是汽車制造的關(guān)鍵[1]，自動變速技術(shù)不僅能夠有效地增加駕駛員的駕駛安全，提高汽車動力和經(jīng)濟(jì)性，還能夠有效防止汽車對環(huán)境的排放污染。自動變速技術(shù)的核心就是汽車的自動離合器，若離合器出現(xiàn)故障，會直接影響汽車的使用壽命[2]，因此提出高效的車輛機(jī)械離合器的故障檢測方法是車輛安全行駛的關(guān)鍵。

武立平等人[3]提出了一種基于振動信號指標(biāo)能量的變壓器機(jī)械故障檢測方法。該方法依據(jù)IMF能量特征，獲取機(jī)器的二元特征向量，建立機(jī)器的正常狀態(tài)值，與故障數(shù)據(jù)實施對比處理；結(jié)合獲取的二元特征向量實現(xiàn)機(jī)器的故障檢測。彭聰?shù)热薣4]提出了一種基于機(jī)器視覺和盲源分離的機(jī)械故障檢測方法。該方法首先介紹了機(jī)器視覺與信號盲源分離原理，依據(jù)二者的合作獲取高速視頻，對機(jī)器故障實施信號的多源分離、定位；最后通過故障的定位結(jié)果，實現(xiàn)故障的有效檢測。林琳等人[5]提出基于粗糙集神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和振動信號的高壓斷路器機(jī)械故障診斷方法。該方法首先對機(jī)器的振動信號實施經(jīng)驗的模態(tài)分解，獲取建立機(jī)器的信號本征模態(tài)函數(shù)；通過對IMF分量的變換，獲取機(jī)器振動信號的特征向量；最后通過特征的分類結(jié)果實現(xiàn)機(jī)器的故障檢測。但是由于上述方法在故障檢測時忽略了對離合器膜片彈簧負(fù)荷的詳細(xì)分析和計算，因此故障檢測結(jié)果存在較為明顯的偏差，無法廣泛應(yīng)用。

車輛的機(jī)械式離合器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，出現(xiàn)故障時難以快速識別出具體類型，且當(dāng)離合器已經(jīng)出現(xiàn)一些微小故障后，車輛也能夠正常行駛，因此離合器的故障檢測的難度較大。為此，提出基于SVM的車輛機(jī)械式離合器故障檢測方法。

2 汽車離合器動力學(xué)模型

汽車離合器[6]的狀態(tài)空間模型以及傳動模型是控制汽車起步的基礎(chǔ)，同樣也是是離合器故障診斷的關(guān)鍵，汽車機(jī)械式離合器傳動系統(tǒng)的故障、非線性以及相關(guān)擾動因素都會在狀態(tài)方程中體現(xiàn)，以此在離合器故障檢測前建立的合理的系統(tǒng)模型是離合器故障檢測的基礎(chǔ)。

2.1 構(gòu)建離合器狀態(tài)空間模型

基于汽車的離合器組成結(jié)構(gòu)，分析汽車離合器的操作流程，建立測量離合器的狀態(tài)空間模型。離合器中包含了直流電機(jī)、渦輪蝸桿組合以及杠桿操作三部分。離合器膜片彈簧會受到飛輪的裝配壓力作用，從而操作主從動盤的結(jié)合，因此離合器的正常工作位置通常為常閉式。駕駛員在操作離合器時，膜片彈簧[7]的端點(diǎn)會受到來自分離軸承的擠壓作用，這時總成中軸成為膜片彈簧支撐點(diǎn)，帶動離合器一端的分離鉤上下分離。

基于上述離合器結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，設(shè)定離合器的控制矢量為I，外部擾動為E，以此建立汽車離合器系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，過程如下式所示

(1)

2.2 離合器膜片彈簧負(fù)荷計算

離合器的膜片彈簧主要是離合器兩端變形向量與離合器荷載之間的函數(shù)關(guān)系。汽車離合器分離時，需要承受膜片彈簧的變形作用力，接合時壓力同樣需要膜片彈簧得到彈性，所以在離合器故障檢測前，需要對膜片彈簧的負(fù)荷特性展開具體分析，為離合器故障檢測提供依據(jù)。

依據(jù)Timoshenko理論設(shè)定離合器大端載荷為D1，離合器大端K的載荷值計算結(jié)果如下式所示

(2)

式中，離合器泊松比標(biāo)記ε，彈性模量用Wt描述，離合器力臂比標(biāo)記為l1，位移系數(shù)標(biāo)記η1，對數(shù)函數(shù)用In(E/e)表述，彈性因子描述成e，離合器狀態(tài)標(biāo)記為t，變形估計值標(biāo)記s形式，離合器端口半徑標(biāo)記為j。

基于上述計算的離合器[8，9]大端載荷，對離合器小端eD位置的載荷實施計算處理，結(jié)果如下式所示

(3)

式中，離合器小端載荷標(biāo)記為D2。最后對上述獲取的離合器載荷計算結(jié)果，提取離合器的負(fù)荷特性，過程如下式所示

λ=D1+D2

(4)

式中，獲取的離合器負(fù)荷特性標(biāo)記為λ。

2.3 動力學(xué)模型的構(gòu)建

車輛機(jī)械式離合器在操作過程中，起步是離合器的重要操作環(huán)節(jié)。汽車發(fā)動機(jī)動力輸送至離合器主動部分時，設(shè)定汽車發(fā)動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為Ze，離合器傳遞轉(zhuǎn)矩標(biāo)記Zc，通過自由體運(yùn)動方程，獲取汽車傳動系統(tǒng)[10]的動力方程，過程如下式所示

(5)

依據(jù)上述獲取的汽車傳動系統(tǒng)動力方程，獲取汽車驅(qū)動輪的地面阻力矩，結(jié)果如下式所示

(6)

依據(jù)上述計算結(jié)果可知，離合器傳遞轉(zhuǎn)矩不同，離合器的接合過程分成無轉(zhuǎn)矩傳遞、滑摩以及同步三個階段，在離合器接合[11]時，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及分離軸承都會隨著時間而發(fā)生變化。其中，離合器轉(zhuǎn)矩與摩擦面之間的壓力隨地面摩擦半徑影響，離合器摩擦片工作數(shù)成正態(tài)分布。

3 機(jī)械式離合器故障檢測

3.1 故障特征提取

依據(jù)上述的離合器動力學(xué)分析結(jié)果，獲取離合器系統(tǒng)的運(yùn)動方程為

(7)

基于此，根據(jù)離合器系統(tǒng)的微分方程，獲取離合器不同狀態(tài)的信息空間的變換傳遞過程，結(jié)果如下式所示

(8)

依據(jù)上述離合器[12]不同狀態(tài)的信息空間的變換傳遞結(jié)果，獲取離合器拓?fù)鋭恿Ψ匠蹋^程如下式所示

Ω=(i0X+U+V)-1+i0X+U+Vφx+1

(9)

式中，Ω為建立的離合器拓?fù)鋭恿Ψ匠?，常?shù)記為i0。

基于上述建立的拓?fù)鋭恿Ψ匠?，設(shè)定離合器?時刻狀態(tài)空間為φ?，ω時刻信息狀態(tài)空間為φω，A為非空的開集，以此建立離合器的狀態(tài)子空間映射集合B=Ωn(φi)，以此實現(xiàn)離合器特征信息空間的n次映射，通過映射結(jié)果辨識該空間是否與φω、φ?產(chǎn)生交集，確定離合器拓?fù)鋫鬟f值，完成離合器故障特征的提取。

3.2 基于SVM的離合器故障檢測模型

支持向量機(jī)[13]是通過不同的離合器數(shù)據(jù)輸入樣本檢測離合器故障嚴(yán)重程度。設(shè)定離合器故障特征為支持向量機(jī)輸入向量ιi，且ιi={(x1，y1，ρ1)，…，(xn，yn，ρn)}，其中x和y為輸入的特征向量，ρ為數(shù)據(jù)得到隸屬度值，輸入的樣本數(shù)據(jù)數(shù)量記為n，以此建立離合器的故障診斷模型的目標(biāo)函數(shù)，制定相關(guān)約束條件，過程如下式所示

(10)

(11)

式中，ψ為拉格朗日乘子。

最后基于目標(biāo)函數(shù)以及約束條件的優(yōu)化結(jié)果，構(gòu)建機(jī)械式離合器的故障檢測模型g(x)[14]為

(12)

由于構(gòu)建的模型在離合器故障檢測時會受到噪聲的影響，增大拉格朗日乘子，出現(xiàn)故障的錯誤檢測，因此需要使用鄰近增量方法提升模型抗干擾能力，提升模型的故障檢測精度。

3.3 模型優(yōu)化

支持向量機(jī)[15]在建立模型時，一般是基于離合器故障特征選取合適的樣本數(shù)據(jù)，且模型建立時輸入、輸出向量之間互為映射關(guān)系，因此當(dāng)故障檢測模型在構(gòu)建完成后，模型結(jié)構(gòu)不會發(fā)生改變。但是，由于模型輸出向量的不斷更新，會降低支持向量機(jī)的增量式學(xué)習(xí)效果，從而影響故障檢測精度，因此需要依據(jù)鄰近增量算法提升支持向量機(jī)增量學(xué)習(xí)能力，提升模型的故障檢測效果，具體流程如下：

1)設(shè)定模型輸出為xi，模型目標(biāo)值描述yi形式，數(shù)據(jù)數(shù)量用n表述，離合器故障特征數(shù)據(jù)樣本標(biāo)記P形式，以此計算模型的隸屬度以及數(shù)據(jù)樣本之間的歐氏距離，過程如下式所示

(13)

式中，模型隸屬度函數(shù)為ε(xi)，隸屬度系數(shù)為ξ，增量系數(shù)為Φ，數(shù)據(jù)中心用Pe表述，數(shù)據(jù)最大邊緣距離用Pmax表述。

2)基于上述參數(shù)計算結(jié)果，對離合器數(shù)據(jù)樣本實施篩選，制定相關(guān)閾值，優(yōu)化離合器故障診斷模型。

最后通過模型的輸出向量，確定離合器故障類型，完成車輛機(jī)械式離合器的故障檢測。

4 實驗設(shè)計與結(jié)果分析

為了驗證上述離合器故障檢測方法的整體有效性，需要對此方法測試。分別采用研究提出的基于SVM的車輛機(jī)械式離合器故障檢測方法、基于振動信號指標(biāo)能量的變壓器機(jī)械故障檢測方法、基于機(jī)器視覺和盲源分離的機(jī)械故障檢測方法完成測試；測試指標(biāo)分別為離合器的負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電角速度以及離合器故障檢測偏差。利用matlab 2020a軟件構(gòu)建車輛機(jī)械式離合器故障檢測仿真模型，利用該模型完成以下仿真測試。模型仿真界面示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械式離合器仿真模型界面

4.1 不同方法的負(fù)載轉(zhuǎn)矩檢測結(jié)果與實際結(jié)果偏差測試

測試離合器負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同方法的離合器電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線測試結(jié)果

分析圖2可知，所提方法檢測出的離合器電機(jī)轉(zhuǎn)矩值與離合器的實際電機(jī)轉(zhuǎn)矩相接近，而基于振動信號指標(biāo)能量的變壓器機(jī)械故障檢測方法與基于機(jī)器視覺和盲源分離的機(jī)械故障檢測方法測試出電機(jī)轉(zhuǎn)矩值與實際轉(zhuǎn)矩之間存在的差距較大。

4.2 不同方法應(yīng)用下離合器轉(zhuǎn)速測試

對故障檢測過程中的離合器轉(zhuǎn)速展開測試，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 離合器轉(zhuǎn)速測試結(jié)果

分析圖3實驗數(shù)據(jù)可知，所提方法在故障檢測時檢測出的電機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速相接近，而文獻(xiàn)方法測試出的電機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速之間存在較大差距，這主要是因為所提方法在故障檢測前，詳細(xì)分析了離合器膜片彈簧負(fù)荷，因此所提方法在故障檢測時，能夠有效檢測出離合器電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4.3 不同方法應(yīng)用下離合器電角速度測試

對故障檢測過程中的離合器電角速度進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法的離合器點(diǎn)角速度測試結(jié)果

依據(jù)圖4分析結(jié)果可知，所提方法在離合器故障檢測時測試出的電角速度與預(yù)估電角速度接近，其余兩種方法的測試結(jié)果均與預(yù)估結(jié)果相差較大。

電機(jī)電流值測試

4.4 不同方法的離合器異常顫動故障檢測測試

對離合器異常顫動故障檢測的測試通過對其離合器電機(jī)電流的異常輸出反映，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 研究方法下離合器故障發(fā)生后電機(jī)母線電流波動測試

依據(jù)圖5分析結(jié)果可知，研究方法應(yīng)用下輸出的電機(jī)目標(biāo)電流能夠明顯反應(yīng)出離合器已經(jīng)發(fā)生故障，其故障信號具有一定規(guī)律性，說明該方法的應(yīng)用性能具有可靠性。綜上所述，所提方法在離合器的負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電角速度以及故障檢測幾個方面均具有理想的應(yīng)用效果。

5 結(jié)束語

本文研究了一種基于SVM的車輛機(jī)械式離合器故障檢測方法。該方法通過離合器分析結(jié)果提取離合器故障特征，依據(jù)建立的故障檢測模型實現(xiàn)離合器的故障檢測。通過仿真的測試可知，該方法能夠準(zhǔn)備檢測出離合器的負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電角速度，通過電機(jī)母線電流的波動可以反應(yīng)出離合器是否存在故障，其應(yīng)用具有一定可靠性。