基于MATLAB的某DCT車型一擋抖動(dòng)分析及濾波優(yōu)化

嚴(yán)家 張飛兵 朱麗丹

摘? 要：整車駕駛性開發(fā)中，整車抖動(dòng)是個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題，其嚴(yán)重影響駕乘人員的舒適性。本文針對(duì)某DCT車型抱怨的M1擋抖動(dòng)問(wèn)題，首先通過(guò)整車測(cè)試采集相關(guān)數(shù)據(jù)，其次借助MATLAB軟件，應(yīng)用時(shí)頻分析的階次跟蹤技術(shù)進(jìn)行問(wèn)題分析，并通過(guò)MATLAB濾波設(shè)計(jì)工具進(jìn)行優(yōu)化，最后抖動(dòng)問(wèn)題顯著改善。

關(guān)鍵詞：DCT抖動(dòng);MATLAB時(shí)頻分析;階次跟蹤;濾波

中圖分類號(hào)：U467? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2021）01-0036-05

Abstract： Vibration is a important issue in the drivability performance development of vehicle， which seriously affected driver and passenger s comfort. In this paper， vehicle test was used to collect vibration related data， MATLAB software， time-frequency analysis and order tracking are applied for M1 vibration issue analysis. And based on MATLAB FilterDesigner tool， vibration issue was improved a lot with filter processing.

Key Words： Dct? Vibration; Matlab Time-frequency Analysis; Order Tracking; Filter

前? ?言

隨著人們的生活水平的不斷提高，人們對(duì)汽車的要求已經(jīng)不單單停留在代步工具這個(gè)層面，對(duì)整車的駕駛性和舒適性品質(zhì)也提出了更高的要求。整車的駕駛性表征主要反映了車輛縱向動(dòng)力學(xué)的瞬態(tài)品質(zhì)，駕駛性主觀感受是車輛行駛過(guò)程中舒適性與易操控性的綜合感覺(jué)[1]。而在駕駛性評(píng)價(jià)體系里，常見的沖擊、抖動(dòng)類問(wèn)題也是最容易被消費(fèi)者感知的，嚴(yán)重影響駕乘人員的舒適性。如果整車出現(xiàn)明顯的抖動(dòng)，會(huì)嚴(yán)重影響消費(fèi)者的對(duì)車輛的滿意度和汽車品牌效應(yīng)。本文基于大量的駕駛性客觀測(cè)試數(shù)據(jù)和駕駛性工程師的主觀評(píng)價(jià)，借助MATLAB對(duì)某DCT車型抖動(dòng)問(wèn)題測(cè)試數(shù)據(jù)分析，找到了抖動(dòng)問(wèn)題的原因，并通過(guò)標(biāo)定控制量的濾波處理解決了該問(wèn)題。

1? ? 問(wèn)題描述

根據(jù)某DCT變速箱開發(fā)公司的駕駛性測(cè)試規(guī)范，某開發(fā)車型在M模式一擋小油門起步中出現(xiàn)了抖動(dòng)抱怨。具體測(cè)試工況：變速箱油溫80℃以上，M模式下，5-13%定油門起步，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1300-2300rpm時(shí)，車輛出現(xiàn)明顯抖動(dòng)。具體實(shí)測(cè)抖動(dòng)工況數(shù)據(jù)如圖1所示，可以看到加速度、輸入軸轉(zhuǎn)速、離合器壓力信號(hào)波動(dòng)明顯。

2? ? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

測(cè)試采用INCA軟件采集相關(guān)數(shù)據(jù)，其中TCU和CAN信號(hào)通過(guò)ET581采集，而整車縱向加速度信號(hào)通過(guò)ES415外接三軸加速度傳感器采集，該套簡(jiǎn)易駕駛性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)。本文研究的抖動(dòng)問(wèn)題的分析是基于該系統(tǒng)采集分析的數(shù)據(jù)，抖動(dòng)問(wèn)題在客觀數(shù)據(jù)上的直接表現(xiàn)是縱向加速度信號(hào)的高頻波動(dòng)，縱向加速度高頻波動(dòng)的幅值反應(yīng)抖動(dòng)的劇烈程度。ETAS簡(jiǎn)易駕駛性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件如圖2所示，其中三軸加速度傳感器安裝在主駕導(dǎo)軌上。

3? ? 原因分析

時(shí)頻分析是非平穩(wěn)信號(hào)分析的重要工具之一，它可以幫助人們理解信號(hào)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，揭示其內(nèi)在規(guī)律[2]。而駕駛性測(cè)試中的信號(hào)大都屬于非平穩(wěn)信號(hào)，需要借助時(shí)頻分析技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

階次跟蹤技術(shù)被廣泛用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷，階次跟蹤是從受周期載荷作用的機(jī)械系統(tǒng)中分離正弦成分的一種信號(hào)處理方法。其恒角度增量采樣能夠得到穩(wěn)定的信號(hào)[3]。階次的循環(huán)定義為參考軸每轉(zhuǎn)內(nèi)發(fā)生的次數(shù)，它與振動(dòng)頻率的關(guān)系為：

式中，o為階次;n為參考軸轉(zhuǎn)速。

本文借助簡(jiǎn)易駕駛性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集M1擋小油門起步抖動(dòng)工況數(shù)據(jù)。通過(guò)MATLAB分別完成對(duì)問(wèn)題車輛縱向加速度信號(hào)、輸入軸轉(zhuǎn)速信號(hào)、離合器壓力和離合器請(qǐng)求壓力信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，并結(jié)合相關(guān)轉(zhuǎn)速信號(hào)的階次跟蹤進(jìn)行分析。

對(duì)縱向加速度進(jìn)行時(shí)頻分析和階次跟蹤，結(jié)果如圖3所示。其中，x軸為采樣時(shí)間，y軸為頻率，色譜的顏色深淺代表了加速度信號(hào)波動(dòng)的幅度大小（即振動(dòng)），Eng_Ord0.5為發(fā)動(dòng)機(jī)0.5階的頻率，Eng_Ord1為發(fā)動(dòng)機(jī)1階的頻率，Eng_Ord1.5 為發(fā)動(dòng)機(jī)1.5階的頻率，Eng_Ord2為發(fā)動(dòng)機(jī)2階的頻率，Slip O Ord1為離合器滑摩轉(zhuǎn)速的1階頻率，Slip O Ord2為離合器滑摩轉(zhuǎn)速的2階頻率。

由分析結(jié)果可知：縱向加速度信號(hào)在10Hz波動(dòng)明顯，最大波動(dòng)的幅值為0.13m/s2，和發(fā)動(dòng)機(jī)及離合器的旋轉(zhuǎn)階次無(wú)相關(guān)性，抖動(dòng)為10Hz的定頻抖動(dòng)。

同理對(duì)輸入軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行時(shí)頻分析和階次跟蹤，結(jié)果如圖4所示，色譜的顏色深淺代表了輸入軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)的幅度大小。

由分析結(jié)果可知：輸入軸轉(zhuǎn)速信號(hào)在10Hz波動(dòng)明顯，最大波動(dòng)的幅值為32rpm，和發(fā)動(dòng)機(jī)及離合器的旋轉(zhuǎn)階次無(wú)相關(guān)性。

同理對(duì)離合器壓力進(jìn)行時(shí)頻分析和階次跟蹤，結(jié)果如圖5所示，色譜的顏色深淺代表了離合器壓力信號(hào)波動(dòng)的幅度大小。

由分析結(jié)果可知：離合器壓力信號(hào)在10Hz波動(dòng)明顯，最大波動(dòng)的幅值為70mbar，和發(fā)動(dòng)機(jī)及離合器的旋轉(zhuǎn)階次無(wú)相關(guān)性。

同理對(duì)離合器請(qǐng)求壓力進(jìn)行時(shí)頻分析和階次跟蹤，結(jié)果如圖6所示，色譜的顏色深淺代表了離合器請(qǐng)求壓力信號(hào)波動(dòng)的幅度大小。

由分析結(jié)果可知：離合器壓力請(qǐng)求信號(hào)在10Hz波動(dòng)明顯，最大波動(dòng)的幅值為20mbar，和發(fā)動(dòng)機(jī)及離合器的旋轉(zhuǎn)階次無(wú)相關(guān)性。

綜上分析，該抖動(dòng)問(wèn)題為10Hz的定頻抖動(dòng)，和發(fā)動(dòng)機(jī)及離合器的旋轉(zhuǎn)階次無(wú)相關(guān)性，同時(shí)輸入軸轉(zhuǎn)速，離合器壓力和離合器請(qǐng)求壓力在該頻率下也有明顯波動(dòng)。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)以及離合器控制邏輯，波動(dòng)的傳遞路線：離合器請(qǐng)求壓力波動(dòng)→離合器壓力波動(dòng)→輸入軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)→抖動(dòng)。

4 濾波設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

該抖動(dòng)問(wèn)題為10Hz的定頻抖動(dòng)，對(duì)離合器請(qǐng)求壓力進(jìn)行10Hz帶阻濾波，從而衰減10Hz的壓力波動(dòng)，繼而減弱10Hz壓力波動(dòng)引起的的抖動(dòng)問(wèn)題。

4.1? ?濾波設(shè)計(jì)

IIR數(shù)字濾波器是一種離散時(shí)間系統(tǒng)，其系統(tǒng)函數(shù)為[4]：

式中，ak和bk為濾波器的分母和分子系數(shù)，IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)實(shí)際上是求解濾波器的系數(shù)ak和bk。IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)是目前最通用的方法是借助于模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法。模擬濾波器設(shè)計(jì)已經(jīng)有了相當(dāng)成熟的方法，它不但有完整的設(shè)計(jì)公式，而且有較為完整的圖標(biāo)供查詢。

FilterDesigner[5]是MATLAB信號(hào)處理工具箱里的專用的濾波器設(shè)計(jì)分析工具，F(xiàn)ilterDesigner可以設(shè)計(jì)幾乎所有的常規(guī)濾波器，包括FIR和IIR的各種設(shè)計(jì)方法且操作簡(jiǎn)單方便。本文采用MATLAB FilterDesgin工具箱進(jìn)行10Hz的IIR濾波設(shè)計(jì)。

在responsetype中選擇帶阻濾波bandstop（帶阻濾波器），在design method選項(xiàng)中選擇IIR（butterworth），在filter order中的specify order設(shè)置為2，信號(hào)頻率Fs設(shè)置為400Hz，帶阻下限截止頻率Fc1設(shè)置為9Hz，帶阻下限截止頻率Fc2設(shè)置為11Hz。具體IIR的仿真和濾波系數(shù)如圖7和圖8所示。

將濾波分子系數(shù)，分母系數(shù)，gain值輸入到TCU標(biāo)定對(duì)應(yīng)的濾波模塊的參數(shù)中，就可以對(duì)離合器請(qǐng)求壓力進(jìn)行濾波優(yōu)化。

4.2 濾波驗(yàn)證

對(duì)整車M1擋小油起步抖動(dòng)問(wèn)題，進(jìn)行離合器請(qǐng)求壓力10Hz濾波前后對(duì)比，驗(yàn)證濾波手段的有效性以及抖動(dòng)原因的再次確認(rèn)。

對(duì)濾波前后對(duì)比數(shù)據(jù)的縱向加速度進(jìn)行進(jìn)行時(shí)頻分析和階次跟蹤，結(jié)果如圖9：

由分析結(jié)果可知：濾波前后縱向加速度信號(hào)在10Hz波動(dòng)幅值：0.13m/s2→0.02m/s2。

對(duì)濾波前后對(duì)比數(shù)據(jù)的輸入軸轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行進(jìn)行時(shí)頻分析和階次跟蹤，結(jié)果如圖10：

由分析結(jié)果可知：濾波前后輸入軸轉(zhuǎn)速信號(hào)在10Hz波動(dòng)幅值32rpm→6rpm。

對(duì)濾波前后對(duì)比數(shù)據(jù)的離合器壓力信號(hào)進(jìn)行進(jìn)行時(shí)頻分析和階次跟蹤，結(jié)果如圖11：

對(duì)濾波前后對(duì)比數(shù)據(jù)的離合器請(qǐng)求壓力信號(hào)進(jìn)行進(jìn)行時(shí)頻分析和階次跟蹤，結(jié)果如圖12：

由分析結(jié)果可知：濾波前后離合器請(qǐng)求壓力信號(hào)在10Hz波動(dòng)幅值20mbar→5mbar。

濾波前后對(duì)比匯總?cè)绫?：

綜上結(jié)果，該抖動(dòng)問(wèn)題根本原因鎖定為離合器壓力波動(dòng)，對(duì)離合器請(qǐng)求壓力進(jìn)行濾波的方法有效，且濾波后的主、客觀評(píng)價(jià)都達(dá)到整車要求。

5? ? ?總結(jié)

抖動(dòng)是整車駕駛性開發(fā)過(guò)程中的一種常見問(wèn)題。本文結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，借助MATLAB軟件，應(yīng)用基于時(shí)頻分析的階次跟蹤技術(shù)，完成了對(duì)M1擋小油門起步抖動(dòng)問(wèn)題的相關(guān)分析。借助MATLAB FilterDesigner工具箱進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)和對(duì)比驗(yàn)證，確認(rèn)了標(biāo)定相關(guān)控制量進(jìn)行濾波優(yōu)化的有效性，并最終集成到TCU軟件中。在幾乎不增加成本的情況下，解決了該抖動(dòng)問(wèn)題。該分析方法經(jīng)濟(jì)有效，為同類型抖動(dòng)問(wèn)題的分析和解決給出了參考。

參考文獻(xiàn)：

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