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扭振测试 

一、扭振定义
        对于单自由度系统中的线振动，其振动方程可以表示为：

三、扭振的测试

       扭振描述的是一个旋转机械因扭矩波动引起的旋转方向的振动大小，直接测量轴系的扭矩幅值波动情况可以获取旋转方向载荷的交变特征，依据不同类型扭矩仪的测试原理，有的也能够反映轴系的扭转弹性变形。然而扭矩测试仪不仅成本高，安装复杂，而且每次测试还需要进行标定才能保证结果的精度，因此工程上并没有将扭矩仪广泛应用于扭振的测试分析。目前，行业中的通常扭振测试方法为：通过转速传感器获取轴系的转速信息，进而通过转速的波动情况来了解轴系的扭振大小。这种方法的运用已经十分成熟，尤其是在汽车内燃机及传动系等领域。

        测量扭振需要测量轴的转速，每旋转（PPR）的脉冲数很高（即轴在旋转时每次旋转取许多样本）。为了捕捉扭转振动，必须使用高PPR，因为在轴的每一次旋转中速度都在变化。

        下面是用两种不同的PPR速率测量相同的RPM上升（如图3所示）的示例。红色曲线为120 PPR，黑色曲线为1 PPR。较低的PPR率（黑色）没有捕捉到扭转振动。高PPR（红色）捕获了旋转周期内转速的波动。

图2 转速曲线及波动

        有许多传感器选项来测量扭转振动（加速度计，应变计，光学传感器，磁拾取器，增量编码器等）。 用于测量扭转振动的两种常见传感器是磁电式转速传感器或光电式转速传感器 （与斑马磁带/斑马磁盘一起使用）。

图4 汽车转速表盘

图5 磁电式转速传感器测试转速

（1）磁电式转速传感器

       磁电式转速传感器是一种流行的工具，因为它们坚固耐用，相对便宜，对周围灰尘的敏感度低。然而，磁电式转速传感器的每一圈脉冲被限制在被测量的齿轮上的齿数。每当牙齿通过时，传感器计数一个脉冲（图4），有时一个齿轮有缺失的牙齿，这导致在rpm人为波动。这是可以纠正的。

图6 斑马带测试

        扭振分析是机械传动系统的重要分析内容之一。各种机械设备的传动轴系，当其动力或负荷等方面的原因发生短暂或持续的扭矩波动或振荡时，会使旋转轴系产生扭转振动，扭振的产生轻则引起较大的振动噪声并加速零件的磨损，重则导致轴系的疲劳破坏，引起事故，造成严重的后果。

        其固有频率为                       ，

        对于扭转振动，其基本方程为：

        其固有频率为                       ，因此，不同于线振动，扭转振动的主要表现是旋转部件收到交变的扭矩作用，而导致出现的转速（角速度）波动。

图1 线振动和扭转振动模型

        观察下图升速过程中，转速随时间变化的曲线，虽然转速从1000 rpm最终增加到3500 rpm，但它并没有稳定地增加。在每个旋转周期内，转速都有变化（即波动）（见下图放大）：

        扭转振动是旋转部件的转速波动，这些波动叠加在稳定的运行速度上。几乎每一个旋转机械系统都有转速波动（发动机、电动机、液压泵等）。一些例子包括：电动机有不同的磁极，导致速度的微小变化；发动机有燃烧事件，导致曲轴轻微加速上下；液压泵有不同的腔室供液体进出；由于液体在旋转周期中以不同的速率被迫进出出料口，因此在速度上有轻微的变化，这种不稳定的波动速度变化称为扭转振动。

        扭转振动会引起各种问题：

（1）耐久性问题：挠性联轴器磨损、齿轮磨损等。

（2）振动舒适性：振动传递到方向盘、座椅、踏板等。

（3）噪音问题：齿轮呜呜声，离合器颤振

（4）同步问题：降低性能，降低燃油经济性

        现实生活中的测量示例：当你的车加速时，速度计显示指针平稳地向上移动。实际上，随着转速的增加，会有轻微的波动。请看下面的动画。转速似乎增加平稳，因为仪表只采样约一次曲轴的每一圈。如果测量仪的采样速度越快，速度的波动（扭转振动）就会越明显。汽车甚至可能被退回经销商，因为用户会认为发动机运行不稳定！

图3 不同PPR采集到的转速波形

（1）光电式转速传感器

       另一种类型的传感器是与斑马带（图6）或斑马盘（图7）结合使用的光电式转速传感器。这允许用户获得非常高的每转数脉冲。斑马磁带/磁盘上的每条白线被检测为一个脉冲：因此可以根据磁带/磁盘的条纹密度设置不同的PPR速率。一个磁盘40个分区，一个磁盘100个分区，如果难以用斑马带包裹，磁盘将放在轴的对接端。

图7 斑马盘测试

        当对扭转阶进行采样时，PPR速率必须至少为目标阶的两倍。因此，要测量第60个扭转阶，应至少使用120 PPR（通常使用10的安全系数，因为PPR没有混叠保护）。深蓝色区域没有显示订单信息，因为PPR率不够高。在这里，采样率为120 PPR，超过60个订单就没有更多的订单显示了。

        Simcenter SCADAS前端具有两个高性能速输入，包括用于输入传感器的直流或ICP电源。Simcenter SCADAS RV4输入模块允许在离线或实时的高脉冲速率下多达四个速脉冲流。

四、扭振的应用     

        扭转阶次有助于诊断哪个部件引起扭转振动，根据4缸发动机的RPM与时间数据生成颜色图（见图9左）后，很明显二阶（及其谐波）是主导阶（见图8右）。除曲轴共振（约2600转/分）外，扭振随转速增加而减小。第二阶是这个4缸发动机的点火顺序。燃烧顺序通常是发动机扭转振动的主导顺序。

图8 转速阶次图

图9 转速colormap图及阶次图

        曲轴由气缸驱动，气缸在曲轴的每次旋转中燃烧。每次汽缸着火，曲轴就会加速一点。然而，由于曲轴的惯性特性，它在每次燃烧事件之间减慢。这种非恒定的转速就是扭转振动。发动机点火越慢，燃烧事件之间的时间越长，曲轴在燃烧事件之间的速度越慢。因此，转速越低，扭转振动越大（图9右侧：扭转振动随着转速的减小而增大）。此外，发动机的气缸越少，曲轴每转一次的燃烧事件就越少，燃烧事件之间的时间就越长。因此，更少的气缸可以导致更大的扭转振动。

        在上面的图8中，订单切割清楚地显示了2600 RPM左右的曲轴共振（扭转振动的峰值）下面的图10是曲轴如何在共振时扭曲的例子：动画显示了曲轴如何在共振时运动。曲轴的这种扭转运动放大了系统中看到的扭转振动的量。

图10 扭转模态放大转速波动