徐 宜， 張國偉， 張洪彥， 徐 宏， 喬 麗， 張喜明

( 1. 中國北方車輛研究所 車輛傳動重點實驗室 北京 100072；2. 中北大學 材料科學與工程學院 太原 030051)

載荷譜是車輛設(shè)計的重要依據(jù)之一，而隨著大型工程車輛對高功率密度以及高可靠性方面要求的提高，獲取車輛關(guān)鍵部件的載荷譜、提高車輛設(shè)計使用壽命顯得愈加重要[1,2].車輛傳動系統(tǒng)載荷譜包括軸、齒輪和軸承三類構(gòu)件載荷譜.其中，后兩者構(gòu)件的載荷譜可通過軸類構(gòu)件推導出.因此，傳動系統(tǒng)的載荷譜的獲取需要通過測試傳動軸的實際扭矩來實現(xiàn).

傳動軸被安裝于空間狹小的變速箱中，且在車輛行駛狀態(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)式測試信號傳輸電路成本昂貴、可靠性底、維護不方便.因此，所測試的傳動軸動態(tài)扭矩信號的傳輸需要通過無線通信技術(shù)來實現(xiàn).無線通信技術(shù)因其在傳輸信號的過程中無物理元件接觸而具有測試便捷和維護方便的優(yōu)勢特別適合在對線路有破壞作用的化學、振動、活動部件等環(huán)境中使用[3].常用的無線通信技術(shù)包括Zig Bee、藍牙和WLAN，等等[4].其中，藍牙無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有低功耗、低成本的優(yōu)點，是一種適應(yīng)長時間測量和數(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

車輛載荷譜測試用傳動軸無線動態(tài)扭矩測量系統(tǒng)主要是由信號采集和數(shù)據(jù)無線傳輸兩部分組成.其中，數(shù)據(jù)傳輸部分包括無線發(fā)射和無線接收兩個模塊.無線發(fā)射模塊的功能是將采集的傳動軸扭矩信號進行調(diào)理并輸出至A/D轉(zhuǎn)換器，進而轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號.這樣可通過無線發(fā)射電路傳輸至無線接收模塊.無線接收模塊的功能是接收上傳的傳動軸扭矩信號，并被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，進而上傳給計算機，實現(xiàn)實車傳動軸動態(tài)扭矩載荷的實時測量、顯示和分析.

車輛行駛過程中，受傳動軸轉(zhuǎn)速、振動、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)送準確的特點.而藍牙4.0具有高傳輸速度和低功耗的特點，尤其是在1 Mbps傳輸速率下的超短數(shù)據(jù)包特點可滿足傳動軸動態(tài)扭矩測試系統(tǒng)低功耗條件下無線數(shù)據(jù)傳輸要求[5].

1.2 傳動軸扭矩測量原理

傳動軸在實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.本項目采用應(yīng)變法測試傳動軸工作過程的實時扭矩.為了準確地測量傳動軸的扭矩，選擇在傳動軸的合適位置按圖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，只測量其所受到的扭矩.同時，采用全橋法組成的應(yīng)變電路還可以實現(xiàn)溫度補償?shù)墓δ?，提高了電路輸出的準確度[6].

圖1 應(yīng)變片的粘貼方法及橋式測試電路圖

應(yīng)變法測軸類零件扭矩原理為：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，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軸上的4個應(yīng)變片組成，且各應(yīng)變片的起始電阻值都相等，那么此時電橋的輸出電壓U0=0，電橋處于平衡狀態(tài).當傳動軸承受扭矩時，軸的表面會出現(xiàn)微小應(yīng)變導致應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化.此時，電橋的輸出電壓變?yōu)?/p>

(2)

設(shè)4個應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)為Ks，此時若應(yīng)變片阻值變化ΔR僅由機械變形導致并與其他因素無關(guān).那么在扭矩作用下，電橋的輸出電壓變?yōu)?/p>

(3)

1.3 扭矩測量和無線傳輸電路組成

利用傳動軸上部的應(yīng)變電路將傳動軸扭矩轉(zhuǎn)化為電壓信號后需要進一步處理并傳輸.本項目扭矩測量和數(shù)據(jù)無線傳輸電路系統(tǒng)主要包括電源、扭矩測量和信號調(diào)理電路、藍牙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，采用了集RF收發(fā)器和增強型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 扭矩測量和無線傳輸電路組成圖

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

2 傳動軸動態(tài)扭矩測試

以車輛勻速行駛為例說明傳動軸動態(tài)扭矩信號測量過程.表1為車輛勻速行駛工況下的相關(guān)參數(shù).

表1 車輛勻速行駛狀態(tài)相關(guān)測試參數(shù)

圖3為車輛勻速行駛工況下傳動軸動態(tài)扭矩測試信號.可以看出，扭矩信號存在明顯波動.這是因為車輛行駛路況復(fù)雜，其傳動系統(tǒng)承受的載荷多屬于附加載荷[7].

圖3 實測傳動軸動態(tài)扭矩信號

從圖3可以看出，車輛行駛過程中的傳動軸動態(tài)扭矩信號包含大量噪聲.這是因為車輛在行駛過程中，變速箱存在的振動、溫度升高等變化因素導致傳動軸動態(tài)扭矩信號在采集過程中會存在一些干擾.這些系統(tǒng)誤差、奇異值和雜波等組成的信號干擾往往造成測試的扭矩信號幅值很難直接讀取.因此，建立既能夠保留有效載荷信號又能去除干擾的扭矩信號預(yù)處理方法非常重要.

3 傳動軸動態(tài)扭矩信號預(yù)處理

3.1 扭矩信號奇異值檢測及去除

扭矩測試信號中的異常值，主要來源是測量儀器的非正常工作、數(shù)據(jù)傳輸錯誤.本研究采用箱線圖法來去除測試過程中的異常值，利用扭矩信號的幅值最大值、上四分位數(shù)(Fu)、中位數(shù)(XM)、下四分位數(shù)(FL)和最小值對扭矩信號進行統(tǒng)計處理，去除幅值異常值.該方法作為描述統(tǒng)計特征的工具有以下優(yōu)點：利用實測扭矩數(shù)據(jù)制作箱線圖，無數(shù)據(jù)限制性要求，可以真實地表現(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數(shù)位置作為基礎(chǔ)來標定異常值的標準，由于四分位數(shù)具有一定的耐抗性，因而異常值對其無法產(chǎn)生實質(zhì)性的影響，因此箱線圖在識別異常值方面具有優(yōu)越性[8].

運用箱線圖法對圖3中測試的傳動軸動態(tài)扭矩信號進行異常值的檢驗.首先，對實測矩陣信號進行正態(tài)檢驗，做出正態(tài)擬合檢驗直方圖，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 實測扭矩數(shù)據(jù)箱線圖

圖6 去除極端奇異值

3.2 扭矩信號小波降噪

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在時頻閾對信號進行處理的優(yōu)點.其通過伸縮平移運算特點可逐步對信號進行多尺度的細節(jié)處理，最終實現(xiàn)信號在高頻處對時間細分、在低頻處對頻率細分，從而針對所采集載荷譜信號中的任意細節(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)測試的傳動軸扭矩信號特點，可采用二進離散小波序列對扭矩信號進行處理，如式(4)所示.

(4)

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

采用小波分析法對傳動軸動態(tài)扭矩信號進行降噪的難點是如何選用最優(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)驗或者不斷重復(fù)試驗對比來確定合適的小波基函數(shù).該過程操作繁瑣，尤其是在面對特征不詳細了解的信號時，最優(yōu)小波基的選擇更為復(fù)雜.針對此問題，可采用小波閾值去噪方法來確定去噪閾值.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].采集的傳動軸扭矩信號降噪閾值的計算方法如下：

(5)

(6)

式中：σ為噪聲的標準差；ωj,k為測試信號最細層小波系數(shù)；λ為去噪閾值；N為測試信號長度；j為測試信號分解層數(shù)；median為取中值函數(shù).

通過對大量試驗所得的動態(tài)扭矩測試信號進行預(yù)處理發(fā)現(xiàn)，采用以上兩種方法計算的噪聲標準差往往偏大，這樣利用式(6)計算的各分解層降噪閾值隨之偏大，造成去噪過程損失過多高頻部分的扭矩信號.針對這種問題，本研究提出在噪聲分析的基礎(chǔ)之上，對測試的扭矩信號進行自適應(yīng)閾值降噪的方法，提高了傳動軸動態(tài)扭矩信號處理效率和準確性.該方法計算過程為：首先，估計測試的扭矩信號中的噪聲方差；其次，確定小波分析的各分解層的自適應(yīng)閾值；最后，對傳動軸動態(tài)扭矩信號進行去噪.

具體計算方法如下

(7)

(8)

(9)

為了評價自適應(yīng)閾值去噪方法對樣車測試的傳動軸動態(tài)扭矩信號處理效果，本研究選擇扭矩信號的信噪比和均方誤差作為指標.評價指標計算過程如下：

(10)

(11)

式中：T為采樣總點數(shù).

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

圖7 傳動軸動態(tài)扭矩信號自適應(yīng)閾值去噪流程

3.2.2 降噪結(jié)果分析

為了對比小波通用閾值去噪方法和小波自適應(yīng)閾值去噪方法對傳動軸動態(tài)扭矩信號的去噪效果，采用兩種方法分別對第2章中測試的傳動軸扭矩信號進行去噪，并對比各自的信噪比和均方差值.采用小波通用閾值去噪方法，其計算步驟是首先利用式(5)估計出扭矩信號各分解層次噪聲的標準差σj，再利用式(6)計算各分解層次對應(yīng)的通用閾值λ，結(jié)果見表2.

表2 小波通用閾值去噪方法閾值計算結(jié)果

采用小波自適應(yīng)閾值去噪方法，其計算步驟是首先利用式(7)估計扭矩信號各分解層噪聲的標準差σj，再利用式(8)和式(9)計算各分解層次對應(yīng)的自適應(yīng)降噪閾值λj，結(jié)果見表3.

表3 小波自適應(yīng)閾值去噪閾值計算結(jié)果

采用以上兩種方法處理的傳動軸扭矩信號的信噪比(SNR)和均方差(MSE)指標統(tǒng)計結(jié)果見表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軸扭矩信號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的信噪比更大，均方差更小.這說明自適應(yīng)閾值去噪方法相比較通用閾值去噪方法在車輛傳動軸扭矩信號處理方面更具有優(yōu)勢，能夠濾除扭矩信號中的更多噪聲.同時，由于其在扭矩信號的低頻層次去噪閾值相對較小，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車輛的動態(tài)扭矩進行降噪處理.

4 結(jié) 論

自主開發(fā)了車輛載荷譜測試用傳動軸動態(tài)扭矩無線測試平臺，提出了基于小波分析的自適應(yīng)閾值傳動軸實測扭矩信號降噪方法.試驗結(jié)果表明：

1)基于藍牙4.0的低功耗、高傳輸速率的扭矩信號測量傳輸系統(tǒng)滿足履帶車輛傳動軸的密閉、高溫、油污、振動的惡劣條件限制和扭矩數(shù)據(jù)傳輸速度要求.

2)相對于小波分析通用閾值去噪方法，小波分析自適應(yīng)閾值去噪法對傳動軸動態(tài)扭矩信號的去噪法更具有針對性和準確性.