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機(jī)電工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)外文資料翻譯
設(shè)計(jì)題目: GD1091型商用車驅(qū)動(dòng)橋、后懸架設(shè)計(jì)
譯文題目: 基于小波變換和支持向量機(jī)的
發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷點(diǎn)火波形分析
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正文：外文資料譯文
文獻(xiàn)出處：中國機(jī)械工程雜志，2011（5）
基于小波變換和支持向量機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷點(diǎn)火波形分析
VONG Chi-man1，WONG Pak-kin2，TAM Lap-mou2，張?jiān)谟?
1.中國澳門大學(xué) 科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系
2.中國澳門大學(xué) 科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系
摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的火花是發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷的一個(gè)重要依據(jù)?；邳c(diǎn)火模式的波形，機(jī)器能夠根據(jù)自己的準(zhǔn)則猜出猜出是那個(gè)部件存在潛在的故障。但是，由于很多點(diǎn)火模式是十分相似的，所以這個(gè)準(zhǔn)則的診斷方法是不夠準(zhǔn)確的。因此，故障的診斷要求大量的試驗(yàn)才能夠確定故障的零部件。此外，機(jī)械師們還需要拆卸和組裝發(fā)動(dòng)機(jī)的相應(yīng)部件進(jìn)行驗(yàn)證。為解決這樣的問題，點(diǎn)火模式就成為一個(gè)智能診斷系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)。首先，拍攝模式是以歸一化和壓縮為目的的。其次，小波包變換（WPT）是來提取點(diǎn)火當(dāng)中的典型特征模式。最后，利用多類支持向量機(jī)建一個(gè)分類系統(tǒng)（SVM）來提取相應(yīng)的特征。分類系統(tǒng)會(huì)智能地把最有可能發(fā)生的發(fā)動(dòng)機(jī)故障檢測出來從而減少診斷試驗(yàn)的次數(shù)。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，SVM的診斷結(jié)果比傳統(tǒng)多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精度要高很多。這是第一次實(shí)驗(yàn)將WPT和SVM相結(jié)合去分析、診斷汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火模式。
關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；點(diǎn)火模式診斷；模式分類；小波變換；支持向量機(jī)
1引言
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)不同，但基本操作是相似的。所有點(diǎn)火系統(tǒng)的次級電路中的火花都是由初級電路引起的，而且火花必須在正確的時(shí)間點(diǎn)上交付給火花塞。示波器和范圍表是用來對點(diǎn)火系統(tǒng)進(jìn)行分析的。范圍模式顯示點(diǎn)火系統(tǒng)故障并且?guī)椭业较鄳?yīng)的原因。范圍表可以測出或?qū)捇蛘幕鸹ㄩg隙，并且打開火花塞的電纜從而短路點(diǎn)火線圈，范圍表還能夠檢測到發(fā)動(dòng)機(jī)射擊電壓。而就是需要的火花塞電壓。這些情況都可以改變火花線持續(xù)的時(shí)間或火花線的斜率。范圍表通過幾種模式通常可以顯示點(diǎn)火系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)問題的原因?；军c(diǎn)火模式和每個(gè)模式表示的意義對于檢測發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火問題是十分重要的。圖1展示了電子點(diǎn)火系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)和其相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障的一下例子。
當(dāng)使用范圍表對發(fā)動(dòng)機(jī)故障進(jìn)行診斷時(shí)，捕獲的點(diǎn)火信號需要技師指示起點(diǎn)和終點(diǎn)的信號。然后，技師們把這些信號與信號手冊中的進(jìn)行對比分析。根據(jù)分析診斷，將發(fā)動(dòng)機(jī)的相應(yīng)部位進(jìn)行拆開。然而，這種人工診斷可能是不準(zhǔn)確的，因?yàn)樵S多信號模式是十分相似的。除此之外，不同（甚至是相同的）發(fā)動(dòng)機(jī)的故障同樣產(chǎn)生很多不同形狀的點(diǎn)火模式。因此，點(diǎn)火模式是沒有標(biāo)準(zhǔn)的幅度以及持續(xù)時(shí)間。很明顯，比較信號的相同或是不同僅僅是靠技師們的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，這是一個(gè)相當(dāng)困難的任務(wù)。為了基于點(diǎn)火模式找出故障，幾個(gè)試驗(yàn)（拆卸和組裝發(fā)動(dòng)機(jī)零部件）是必要的，但這需要投入大量的時(shí)間和精力。為了解決這個(gè)問題，機(jī)械師必須掌握一種以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的模式分類系統(tǒng)。
火花塞積碳
時(shí)間/毫秒
失火由于極其稀薄的混合物文本框
時(shí)間/毫秒
狹窄的火花塞間隙文本框
時(shí)間/毫秒
發(fā)動(dòng)機(jī)異響
時(shí)間/毫秒
時(shí)間/毫秒
濃混合氣
圖 1 電子點(diǎn)火的點(diǎn)火模式示例和相應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障
當(dāng)前， 幾乎沒有基于計(jì)算機(jī)點(diǎn)火方式來分析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障與診斷的文獻(xiàn)。其主要原因由一下幾點(diǎn)：
（1）點(diǎn)火模式是時(shí)刻變化和非固定的。不同發(fā)動(dòng)機(jī)模型產(chǎn)生的點(diǎn)火模式的振幅和持續(xù)時(shí)間是不同的。即便是相同的發(fā)動(dòng)機(jī)，在不同的運(yùn)行狀況下也就產(chǎn)生不同的模式。這進(jìn)一步增加人為診斷的困難程度。
（2）不同發(fā)動(dòng)機(jī)故障的點(diǎn)火模式十分相似。從人為的角度來看是很難正確區(qū)別各種模式，尤其是當(dāng)捕獲的范圍表是根據(jù)失真的噪聲的時(shí)候。為了解決這些問題，小波包變換（WPT）作為一種特征提取方法被提出來，用來檢索點(diǎn)火頻率的顯著特征模式。以這些提取的特征為基礎(chǔ)，建模點(diǎn)火模式分類便成為一種可能。一個(gè)大約120毫秒的周期對發(fā)動(dòng)機(jī)來講是很典型的。因此，汽車儀表通常會(huì)設(shè)置頻率為100千赫的采樣率用來捕捉發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)循環(huán)點(diǎn)火方式和怠速試驗(yàn)條件下的頻率采樣率，這是一種很常見的情況，但是數(shù)量的采集量是巨大的。例如：800轉(zhuǎn)/分鐘怠速，100 kHz的采樣率和四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)，每個(gè)樣本模式會(huì)產(chǎn)生15000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。對所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行特征提取和分類是不明智的，但是其中最重要的數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)被選中。因此，其中的功能程序的提取和壓縮就是必須要做的，它可以利用小波包進(jìn)行壓縮。
在分類和建模的技術(shù)上，多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MFN）和高斯過程分類通常使用處理信號模式來識(shí)別。然而，這些兩種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)。對于MFN來講，首先其結(jié)果不一定是我們所期待的最好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其次，培訓(xùn)過程（即，殘差的平方誤差成本最小化函數(shù)）通道很容易地被卡住，并且局部極小，重量衰減。但是這些方法很大程度上影響了估計(jì)函數(shù)。
高斯過程分類過程中，數(shù)據(jù)會(huì)被假定是正態(tài)分布的。雖然分布信號可以被轉(zhuǎn)化近似值，但這種轉(zhuǎn)化常常是不精確的。除此之外，高斯過程需要很長的訓(xùn)練時(shí)間。最新的研究結(jié)果表明支持向量機(jī)（SVM）比MFN更具有準(zhǔn)確性。與高斯過程分類相比較，SVM更適合于高維數(shù)據(jù)集。因此在這項(xiàng)研究中支持向量機(jī)是用來構(gòu)建一種基于計(jì)算機(jī)的模式分類。在以上提到的應(yīng)用技術(shù)當(dāng)中，利用點(diǎn)火方式來分析汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障是一種全新的實(shí)驗(yàn)。
本文的結(jié)構(gòu)如下：第2和第3部分講解以上不同的技術(shù)。第4部分展示基于計(jì)算機(jī)的結(jié)果分類點(diǎn)火模式。第5和第6部分列舉分析實(shí)驗(yàn)裝置和結(jié)果。第7部分是對以上做的總結(jié)。
2小波包變換
2.1 離散小波變換(DWT)
在許多工程信號分析當(dāng)中已經(jīng)證實(shí)離散小波變換有非常有效的應(yīng)用。DWT的主要 優(yōu)點(diǎn)是它構(gòu)建了一個(gè)不同的支持（窗口大?。?，即擴(kuò)張（寬）的低頻和夏普（窄）高頻。這樣以來，高頻率的信號便需要更詳細(xì)的頻域分析。在另一方面，該信號的低頻還要進(jìn)行時(shí)域分析。這樣以來就建立了最優(yōu)時(shí)頻分辨率的范圍。
一般地，在小波變換中，信號x?[N]由兩個(gè)數(shù)字濾波器進(jìn)行分解和迭代。然后通過過濾器2向下采樣。第一過濾器G?[?]是由一個(gè)高通濾波器和離散小波母函數(shù)組成，用來提取高頻率信號。第二個(gè)過濾器H?[?]是一個(gè)低通濾波器，主要對低頻率進(jìn)行提取。利用同樣的過濾過程進(jìn)行持續(xù)逼近Aj產(chǎn)生Dj+1和Aj+1直到終止條件。
所有的載重可以由一個(gè)低通濾波器H指定，符合標(biāo)準(zhǔn)的正交鏡像濾波器的條件是：
上式中H（z）是指Z變換中的H過濾器，然而互補(bǔ)的高通濾波器被定義為：
隨著長度的增加過濾器（按J）可以得出，J?=?0到n–1：
與初始狀態(tài)H 0（Z）=1。濾波器被作為時(shí)域上的雙尺度時(shí)間關(guān)系而表達(dá)出來。
上式中 [?]↑m表示m和k具有同樣采樣的離散時(shí)間。該歸一化的小波和尺度基函數(shù)φI，L（K），ψI，L（K） 可以被定義如下：
上式中2I/ 2的因子?是內(nèi)積正常化、i為尺度參數(shù)、l為平移參數(shù)、DWT的分解可以根據(jù)信號x（k）描述如下：
上式中，A（i）(l)（升）和D（i）(l)是近的系數(shù)，在i的分辨率分別為細(xì)節(jié)系數(shù).
2.2小波包變換（WPT）
小波包變換（WPT）概括了小波分解，并且提供了更豐富的信號分析。濾波器中的信號的由DWT分解，但只分解低 頻帶，其右葉代表 較低頻帶，其左葉代表了較高的頻帶。再由對應(yīng)的WPT進(jìn)行分解 ，這種分解形成一種平衡二叉樹結(jié)構(gòu)。 圖3正是這種結(jié)果的表示。
因此，WPT是DWT 的延伸， WPT的優(yōu)點(diǎn)是信號可以分解為組頻率子帶，并且其上熵也可以測量。熵是描述給定的信息的相關(guān)屬性 ，是描述非平穩(wěn)信號最理想的工具。根據(jù)測得的熵的每個(gè)子帶和一個(gè)給定的最適合的分解，信號可以便可以被選擇了。
圖2 WPT的三個(gè)層次分解
WPT中使用的熵類型通常是以下中的一個(gè)：
基準(zhǔn)：E(S) = Σ |Si|p, p≥1;
登入能源：E(S) =Σ log (Si2);
E(S) = n – #{ i such that | Si |δε} + Σ min(Si2, ε 2).
上式中：S是測量到的信號、Si 是信號的第i個(gè)小波系數(shù)，n為信號的長度，ε是由公式計(jì)算的臨界值：[2ln(n log2(n))]1/2。有了基于熵的標(biāo)準(zhǔn)之后，小波分解就可以自動(dòng)計(jì)算了。
2.3壓縮
正如上文所提到的，一個(gè)采樣點(diǎn)所捕獲的圖案數(shù)量是十分巨大的，因此它需要很長的時(shí)間來訓(xùn)練，測試此種點(diǎn)火模式。點(diǎn)火模式會(huì)在特種提取前被壓縮為預(yù)處理步驟。
考慮信號S= F（X）， 它可以再次被分解：
由于給定的信號的頻率分布不一定總是偶數(shù)，這些個(gè)小波包基的重量會(huì)有明顯的改變。因此，有可能放棄低重量的包基，并選擇高重量的人，用來分解給定的信號。這一過程就是所謂的最優(yōu)小波包基的選擇。從信息處理角度來說，這一選擇便是實(shí)際數(shù)據(jù)壓縮的過程。
2.4特征提取
經(jīng)過小波包壓縮、變換，便可以進(jìn)行特征提取了。特征提取是目的。通常的特征矢量是 該模式減少之后的表示，從而降低建模的復(fù)雜性和計(jì)算量。 通過WPT一組2L的 的信號子帶可以得到的，L是WPT分解的水平。
3多類支持向量機(jī)
3.1支持向量機(jī)的兩類問題
當(dāng)前支持向量機(jī)是一個(gè)眾所周知的計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)工具。它被廣泛應(yīng)用到處理范圍廣泛的工程問題當(dāng)中。SVM的主要思想是通過技巧映射，使非線性的例子能更精確地分類。給定一組訓(xùn)練 模式{xi，yi}，其中i = 1，2，“l(fā).yi∈{+1，-1}、 xi∈ Rd。在此應(yīng)用中，xi為捕獲的點(diǎn)火模式示波表，而yi是與標(biāo)簽相關(guān)聯(lián)的每個(gè)圖案表示的類中的一個(gè)。從超平面可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)利潤率是最大時(shí)候而不是解決這問題，其對偶問題可以更容易解決。
,
在方程（12），α我和αj是的拉格朗日乘數(shù)，獲得最高利潤率的原始優(yōu)化， C則是一個(gè)正則化的參數(shù)，K是一個(gè)計(jì)算在更高維的內(nèi)積 空間的內(nèi)核函數(shù) 。這個(gè)內(nèi)核函數(shù)應(yīng)該滿足Mercer的 定理。在此應(yīng)用中，在徑向函數(shù)的基礎(chǔ)上（RBF） 內(nèi)核被使用：
其中γ∈R是一個(gè)超參數(shù)。 根據(jù)二元分類器的輸出，然后計(jì)算：
其中Ns是發(fā)現(xiàn)結(jié)果支持向量的數(shù)量優(yōu)化問題，xi支持向量和b在訓(xùn)練階段的臨界參數(shù)進(jìn)行更新?；?SGN函數(shù)，已知 z后便可以直接計(jì)算 F（Z）。
3.2 SVM多類策略
多類SVM考慮的是多類問題的二元分類收集。有兩種主流方法，k個(gè)不同的分類器可以構(gòu)建對于k類。第k個(gè)分類器構(gòu)造一個(gè)該類之間的超平面。其中每個(gè)超平面把它本身從其他類中分離出來。應(yīng)當(dāng)指出的是，即使在數(shù)目很小??的情況下支持向量機(jī)也成倍增加。然而，在目前的研究中采用一對一的策略是因?yàn)樗臏?zhǔn)確性可以得到保證。
?4 項(xiàng)目建設(shè)的點(diǎn)火模式分類
?本部分介紹總體建設(shè)思路與智能點(diǎn)火方式的分類。圖3所表示的是四個(gè)分類系統(tǒng)的階段。第一階段是訓(xùn)練數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)點(diǎn)以及它們對應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)故障。在每個(gè)階段的具體操作下提出的以下階段，訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集的案例研究在第5部分中再進(jìn)行描述。
SVM MFN
萃取
壓縮
正常
提取
分類
壓縮信號
火花點(diǎn)火
圖3 智能點(diǎn)火的四個(gè)階段智能點(diǎn)火
4.1標(biāo)準(zhǔn)化
點(diǎn)火模式能夠在汽車儀表范圍即高采樣頻率（100千赫）內(nèi)被捕獲。 然而，由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 、波動(dòng)、各種測試條件的不同，所以每個(gè)采樣點(diǎn)捕獲的數(shù)目、圖案是不完全相同的。在目前的研究中，所有模式設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)長度為18000，然而為了節(jié)約，實(shí)際采樣點(diǎn)信號小于17000。因此超過18 000附加了一系列的穩(wěn)態(tài)值 直至達(dá)到最大數(shù)量（圖4）。因?yàn)樽畲笥|發(fā)電壓通常不超過15 kV因此所有圖案的幅度也歸在[0， 15]。
正?；?
數(shù)據(jù)點(diǎn)度N
數(shù)據(jù)點(diǎn)度N
圖4 采樣的規(guī)范化
4.2壓縮
信號的采樣點(diǎn)的數(shù)量等于輸入的支持向量機(jī)號碼。目前用于個(gè)人電腦（如MATLAB），SVM的訓(xùn)練，甚至運(yùn)行，18 000數(shù)量 是太大了。通常情況下可以操縱的矩陣的最大尺寸 為3000X3000。因此，18000的輸入量 必須降低到小于3000。因此壓縮率便成為一個(gè)關(guān)鍵因素。高的壓縮 率會(huì)導(dǎo)致信息丟失，而低壓縮 幅度不能滿足要求。方程小波能量比例如下所示：
上式中,i是在第j級子帶的第i個(gè)點(diǎn)的值，N表示原始信號。pj是第j子帶的小波能量比例。3級壓縮信號被壓縮成18 000 / 23= 2 250 ，它可由共同執(zhí)行的工具電腦處理。通常情況下，需要執(zhí)行以下步驟：
（ 1 ）獲取信號的小波包變換分解。水平小波的選擇是留給用戶自行調(diào)整的。一般地，一個(gè)更深層次的分解電平可以被選擇，以產(chǎn)生完備的小波樹。
（ 2 ）使用上面提到的bestlevt功能將最優(yōu)小波包分解。
（ 3 ）臨界值被施加到每個(gè)細(xì)節(jié)的系數(shù)D（i）逼近系數(shù)A（ i）。
（ 4 ）重構(gòu)的基礎(chǔ)上，近似的信號系數(shù)A （ i）和臨界值處理細(xì)節(jié)系數(shù)D（ i）來自步驟（3） 。
4.3特征提取
正如前面提到的第1 ，點(diǎn)火模式是隨時(shí)間變化的和非固定的，也就是說，每一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)（在相同或不同的型號）可產(chǎn)生的點(diǎn)火模式不同的長度和幅度。要構(gòu)建分類系統(tǒng)與這些隨時(shí)間變化的模式，也可能是不適宜直接比較的點(diǎn)火模式。代替的點(diǎn)火模式的重要特征可以是考慮用于比較。 WPT提供了一個(gè)工具來分解和提取的高頻和低頻點(diǎn)火模式子帶。這些提取的頻率子帶（功能）被認(rèn)為是作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)。
4.4建模
最后，建模技術(shù)是用來構(gòu)建分類歸化和預(yù)處理的訓(xùn)練數(shù)據(jù)的。在未來，當(dāng)一個(gè)新的數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，它需要經(jīng)歷前面的步驟：歸化、壓縮、并在提取前分類。?
5實(shí)驗(yàn)裝置?
5.1數(shù)據(jù)收集
為了檢驗(yàn)所提出方法的有效性，實(shí)驗(yàn)成立了樣本數(shù)據(jù)采集和評估測試等步驟。不同型號的發(fā)動(dòng)機(jī)被用來模仿反射眾所周知故障癥狀點(diǎn)火模式如表1所示。
表1 由點(diǎn)火模式反映發(fā)動(dòng)機(jī)故障樣本可能原因
序號
癥狀或可能的原因
1
2
3
4
5
6
7
8
正常
火花塞電纜高阻
火花塞電纜壞掉
火花塞有缺陷
狹窄的火花塞間隙
失火由于極其稀薄的混合物而失火
火花塞由積碳
發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，由于積碳燃燒室
這九個(gè)故障被選定為示范實(shí)例。在這個(gè)案例中，使用三個(gè)著名的直列4缸4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，即本田B18C、本田B16A和三菱4G15 ，用來模仿九種不同的故障現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)裝置怎樣捕獲點(diǎn)火如圖5所示。
圖5 使用計(jì)算機(jī)相連的汽車范圍計(jì)從發(fā)動(dòng)機(jī)收集的點(diǎn)火模式
要想捕獲點(diǎn)火模式，必須把采樣范圍頻率設(shè)定更高的速度，例如100千赫，即每秒可得到100 000個(gè)采樣點(diǎn)。對于每個(gè)測試引擎的癥狀，根據(jù)三種不同發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)條件可以捕獲的點(diǎn)火模式與標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)象對比。選擇兩個(gè)每缸的模式是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為在測試過程中難以保持恒定，并且每個(gè)氣缸都有其不同的制造誤差。因此，點(diǎn)火方式捕獲的可能對于相同的測試條件下是可重復(fù)。所以，整個(gè)數(shù)據(jù)集部門分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集（3/ 4 DS ）和測試數(shù)據(jù)集（DS的1/4 ）培訓(xùn)和驗(yàn)證的SVM分類器。在這種研究中，點(diǎn)火模式的總數(shù)為等于9個(gè)癥狀× （2型態(tài)×4缸× 3/4） ×3條件× 3引擎= 486 ，而測試包含162patterns （即9癥狀× （ 2 ×模式4缸× 1/4 ） ×條件3 × 3的引擎） 。?
5.2 數(shù)據(jù)歸一化和預(yù)處理
首先，標(biāo)準(zhǔn)號為18 000的設(shè)置能覆蓋所有的模式。此外，一些穩(wěn)態(tài)值也被附加到圖案的一部分。通常情況下，穩(wěn)態(tài)值的點(diǎn)火模式等于零（0 V） 。因此，這個(gè)過程相當(dāng)于零附加，直到達(dá)到了18 000個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)量。為了減少訓(xùn)練和測試的時(shí)間，訓(xùn)練和測試?yán)肳PT被壓縮成1/8倍（ 2 250分）。通常情況下，母小波選擇基于試驗(yàn)和錯(cuò)誤之上。在目前的研究中，母小波選定為哈爾
WPT再次被用來對壓縮模式進(jìn)行特征提取。在小波變換中， DBN，（其中N =1?10）使用最廣泛。我們嘗試了電平L= 2，3，和4是最好的。根據(jù)本試驗(yàn)結(jié)果顯示，最佳組合為DB6和3級。所有的模式仍然是相同的，即2250，不同之處在于壓縮模式可以被轉(zhuǎn)換成特征矢量。最后，將處理后的數(shù)據(jù)集和測試傳遞到支持向量機(jī)進(jìn)行測試。?
5.3 SVM訓(xùn)練
使用 MATLAB工具箱中的LIBSVM構(gòu)造SVM分類器。所用到的內(nèi)核函數(shù)KSVM為RBF核。此外，由方程（12）和（ 14 ）可知，用戶必須調(diào)整參數(shù)（ γ ， C） ，以確保更好的執(zhí)行。在這種情況下， 10 倍交叉驗(yàn)證往往適用于選擇超參數(shù)的最佳值。在我們所列舉的例子中，我們假設(shè)γ的值取自-10? 10 （除0之外 ），假設(shè)C的值是從??1到10 000內(nèi)的10 的10倍數(shù)（即， 1 ， 10 ， 100 ， 1 ??000，10 000 ） 。通過測試所有組合中的（ （ γ ，C ） ） 可以得到結(jié)論：最佳組合精度為（1 ，100）。???
5.4 MFN培訓(xùn)
MFN分類器在MATALB神經(jīng)實(shí)施網(wǎng)絡(luò)工具箱中在這個(gè)案例中，MFN有2 250個(gè)輸入神經(jīng)元和 4個(gè)輸出神經(jīng)元（即4位九類） 以及25個(gè)隱藏的神經(jīng)元。一般情況下，將學(xué)習(xí)率為設(shè)定為0.1時(shí)，25個(gè)隱藏的神經(jīng)元就能夠提供充足能力接近一個(gè)高度非線性的函數(shù)。隱藏使用的激活函數(shù)的神經(jīng)元一部分是傳遞函數(shù)，另一部分是濾波器的輸出神經(jīng)元。
6 結(jié)果
分類器支持向量機(jī)和MFN這兩中方法分別為在酷睿2雙核E6700的處理器和2 GB RAM的PC機(jī)下運(yùn)行。用于精度的測量便于評價(jià)分類器。?
6.1評價(jià)
支持向量機(jī)分類器的性能能夠通過分類精度來體現(xiàn)。評價(jià)分類精度十分簡單，因?yàn)樵u估只是計(jì)算出輸入矢量x和比較其定目標(biāo)類。但由于N個(gè)案例測試組同時(shí)測試，每個(gè)測試?yán)覶I ∈測試， i = 1到N，傳遞到支持向量機(jī)的分類器。如果計(jì)算出的類Ti不等于其給定的目標(biāo)類，將相應(yīng)的誤差Ei的設(shè)置為1，泛指EI為0 。最后，錯(cuò)誤Ei的總和就是通過測試用例的總數(shù)N，它的補(bǔ)分給出了準(zhǔn)確的計(jì)算公式，如下：
6.2 SVM的結(jié)果
以上實(shí)驗(yàn)中，（ γ ，C）的最佳組合是結(jié)果為（1 ，100）。訓(xùn)練SVM需要的時(shí)間0.064 8秒。其精度比測試結(jié)果是95.68 ％ ?；煜仃嚨拿總€(gè)類別??在表2中顯示，其中只有7 162信號分為錯(cuò)誤類和無用的標(biāo)識(shí)。該結(jié)果顯示了從WPT方法點(diǎn)火模式中提取重要特征的有效性和可靠性。此外，支持向量機(jī)也能具有了良好的分類準(zhǔn)確度。?
6.3 MFN結(jié)果
MFN模型中使用了相同的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。表2顯示MFN模型中的混淆矩陣。表3顯示了SVM和MFN的比較。在MFN模型中， MFN模型的精度是89.51 ％，SVM模型的精度低于95.68 ％。此外，在超參數(shù)和訓(xùn)練時(shí)間方面也進(jìn)行了比較。在MFN中，學(xué)習(xí)率并須隱含神經(jīng)元的數(shù)目才能被提供于用戶。它們都能夠使用10倍進(jìn)行選擇交叉驗(yàn)證，表3還表明，支持向量機(jī)的運(yùn)行比MFN由更快的速。
表2 混淆矩陣的SVM分類表
9X18
實(shí)際結(jié)果
預(yù)測結(jié)果
9X18
實(shí)際結(jié)果
預(yù)測結(jié)果
表3 混淆矩陣的MFN分類
7結(jié)論
?在智能點(diǎn)火識(shí)別模式的基礎(chǔ)上，小波包變換和支持向量機(jī)已成功應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷。這是第一次試圖在汽車應(yīng)用此種方法。
（1）經(jīng)過上文的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明 WPT是一種有效的用于數(shù)據(jù)壓縮和從發(fā)動(dòng)機(jī)的特征提取點(diǎn)火模式的工具。在自動(dòng)確定最佳的效用的小波系數(shù)樹中也體現(xiàn)出了WPT的作用。
（2）支持向量機(jī)在產(chǎn)生一個(gè)可靠分類系統(tǒng)中已被應(yīng)用，這種方式可節(jié)省大量的時(shí)間、精力，用于讀取點(diǎn)火圖案以及故障的診斷。
（3）在本研究中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明支持向量機(jī)生產(chǎn)的95.68 ％的分類精度。并且支持向量機(jī)的訓(xùn)練時(shí)間也只需要0.064 8秒。即支持向量機(jī)的精度、時(shí)間均優(yōu)秀于MFN。
（4）如需進(jìn)一步的發(fā)展，應(yīng)該從不同型號的發(fā)動(dòng)機(jī)的不同故障中被捕獲，以提供一個(gè)更廣泛的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以使分類器可以是比較一般化。
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附 件：外文資料原文
28
機(jī)電工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)方案
論證報(bào)告
設(shè)計(jì)題目: GD1091型商用車驅(qū)動(dòng)橋、后懸架設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：
學(xué) 號：
專業(yè)班級：
指導(dǎo)教師：
20xx 年 3 月 15 日
目次
1 驅(qū)動(dòng)橋與后懸架設(shè)計(jì)總述 1
1.1 載貨汽車驅(qū)動(dòng)橋的現(xiàn)狀及發(fā)展前景 1
1.2 載貨汽車后懸架的現(xiàn)狀及發(fā)展前景 1
2 驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)方案與主要參數(shù)擬定 2
2.1驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)形式分析 2
2.2 主減速器設(shè)計(jì) 3
2.2.1主減速器的減速形式的選擇 3
2.2.2 主減速器的齒輪類型選擇 3
2.2.3 主減速器主、從動(dòng)錐齒輪的支撐方案。 4
2.3 差速器設(shè)計(jì) 4
2.3.1 差速器結(jié)構(gòu)形式的選擇 4
2.3.2差速器的主要參數(shù)的選擇 5
2.4 半軸結(jié)構(gòu)形式確定 5
2.5 驅(qū)動(dòng)橋殼的選擇 6
3.后懸架的設(shè)計(jì) 6
3.1非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架的選擇 6
3.2懸架主要參數(shù)的確定 7
3.2.1懸架靜撓度fc 7
3.2.2 懸架的動(dòng)撓度汽車的動(dòng)撓度 7
3.2.3 懸架彈性特性 7
3.2.4 后懸架主、副簧剛度的分配 7
3.3 鋼板彈簧的設(shè)計(jì) 7
3.3.1鋼板彈簧的布置方案 7
3.4 減震器結(jié)構(gòu)方案分析 8
論證結(jié)果 9
參考文獻(xiàn) 9
1 驅(qū)動(dòng)橋與后懸架設(shè)計(jì)總述
1.1 載貨汽車驅(qū)動(dòng)橋的現(xiàn)狀及發(fā)展前景
隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)、制造工藝均在日益完備。驅(qū)動(dòng)橋也不例外，除了采用更多的新技術(shù)之外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中日益朝著“零件標(biāo)準(zhǔn)化、部件通用化、產(chǎn)品系列化”的方向發(fā)展。為了防止產(chǎn)生功率循環(huán)現(xiàn)象，現(xiàn)代型的多橋驅(qū)動(dòng)的汽車上往往裝有軸間差速器。從而顯著地減少了多橋驅(qū)動(dòng)汽車的主減速器出現(xiàn)過載的情況。但在安裝軸間差速器的汽車上，必須考慮到能充分利用各驅(qū)動(dòng)橋牽引力的要求。
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及行駛速度的提高，降低汽車的噪聲已成為汽車設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要課題。驅(qū)動(dòng)橋的噪聲主要來自齒輪及其他傳動(dòng)件。提高齒輪及其他傳動(dòng)件的加工精度，裝配精度，增強(qiáng)齒輪的支撐剛度，采用運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無噪聲的雙曲面齒輪做主減速器齒輪等等。汽車驅(qū)動(dòng)橋是汽車的重要總成，驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)是汽車設(shè)計(jì)的重要組成部分之一。目前國內(nèi)外驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)出現(xiàn)了一些變化：（1）主要部件和功能向驅(qū)動(dòng)橋的中部集中。（2）橋殼采用球墨鑄鐵，以提高整橋外觀質(zhì)量（3）適應(yīng)特種要求的多功能驅(qū)動(dòng)橋。
1.2 載貨汽車后懸架的現(xiàn)狀及發(fā)展前景
載貨汽車的后懸架一般均采用鋼板彈簧懸架。鋼板彈簧懸架分為少片變截面鋼板彈簧懸架與等截面多片鋼板彈簧懸架。少片變截面鋼板彈簧懸架多用于輕型載貨汽車上，具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是也有生產(chǎn)工藝復(fù)雜、制造困難、材料較貴等缺點(diǎn)。等截面多片鋼板彈簧懸架則運(yùn)用廣泛，其制造簡單、工藝性好、靈活多變的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其用于各種載貨汽車的后懸架上。缺點(diǎn)是汽車平順性、舒適性較差；簧下質(zhì)量大，無法適應(yīng)重卡輕量化的發(fā)展，并且不能同時(shí)兼顧載貨汽車的舒適性與操縱穩(wěn)定性。
近些年來，載貨汽車后懸架出現(xiàn)了運(yùn)用空氣懸架或者橡膠懸架?？諝鈶壹芎拖鹉z懸架是以空氣或者橡膠彈簧為彈性元件，它們具有變剛度的特點(diǎn)，因此，整個(gè)懸架有較強(qiáng)的承載能力。在承載性、可靠性等方面都比傳統(tǒng)使用的鋼板懸架更具優(yōu)勢，而且能夠適應(yīng)礦山作業(yè)等惡劣工況。
空氣懸架彈簧是一種運(yùn)用在高檔客車和重型載貨車上的懸架系統(tǒng)，是世界鋼板彈簧發(fā)展趨勢?？諝鈶壹芑傻淖罱K發(fā)展趨勢是不再需要或使用很少的彈簧扁鋼?？諝鈶壹茉跉W美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有70多年的發(fā)展歷史，二十世紀(jì)五十年代，空氣懸架彈簧開始應(yīng)用在載重車、小轎車、大客車及鐵道車輛上。到六十年代，德國、美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的大部分公共汽車中裝有了空氣彈簧懸架。
電子控制空氣懸架和橡膠懸架代表了目前汽車懸架系統(tǒng)的發(fā)展方向。在歐美汽車懸架的發(fā)展經(jīng)歷了“鋼板彈簧→氣囊復(fù)合式懸架→被動(dòng)全空氣懸架→主動(dòng)全空氣懸架(即ECAS系統(tǒng))或橡膠懸架”過程。在歐美，橡膠懸架和空氣懸架的價(jià)格相差不大，但是使用環(huán)境不同，空氣懸架不能超載，因此在牽引車上應(yīng)用廣泛。橡膠懸架的適應(yīng)能力強(qiáng)，因此多用于超載環(huán)境中，主要應(yīng)用與使用工況惡劣、對車輛載荷要求大的非公路汽車上。
2 驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)方案與主要參數(shù)擬定
驅(qū)動(dòng)橋在傳動(dòng)系的最末尾，其功用是降速、增扭，以及改變從變速器傳遞來的動(dòng)力的傳遞方向。同時(shí)將轉(zhuǎn)矩分配給左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪；驅(qū)動(dòng)橋的另外一個(gè)功能是承受作用在路面和車身或者車架之間的縱向力、垂直力、縱向力。以及制動(dòng)力矩、反作用力矩等等。
一般的，驅(qū)動(dòng)橋由主減速器、差速器、車輪和其傳動(dòng)裝置，橋殼等構(gòu)成。
2.1驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)形式分析
斷開式、非斷開式是驅(qū)動(dòng)橋的兩種結(jié)構(gòu)形式。
斷開式驅(qū)動(dòng)橋是指沒有剛性的整體外殼或者是梁來連接左、右的驅(qū)動(dòng)車輪，主減速器、差速器以及它們的殼體均安裝在車架或者車身上，通過萬向傳動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)車輪的結(jié)構(gòu)形式。主減速器、差速器、部分車輪傳動(dòng)裝置的質(zhì)量都屬于簧上質(zhì)量。位于兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪經(jīng)過獨(dú)立懸架與車身或者車架連接在一起，因此，兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪對于車身可以相對獨(dú)立的上下擺動(dòng)。
非斷開式驅(qū)動(dòng)橋（如圖1所示）是指支撐左右驅(qū)動(dòng)輪的是一根剛性的空心梁式的橋殼，主減速器和差速器、半軸以及所有的傳動(dòng)件都裝在橋殼里，此時(shí)驅(qū)動(dòng)橋以及驅(qū)動(dòng)輪都是簧下質(zhì)量。
圖1 非斷開式驅(qū)動(dòng)橋示意圖
斷開式與非斷開式相比較，有以下優(yōu)點(diǎn)：一，可以提高汽車的平順性；二，可以提高汽車的平均行駛速度；三，有利于提高汽車零部件的使用壽命；四，增強(qiáng)了汽車的康側(cè)滑能力；五，提高了汽車的操作穩(wěn)定性。但斷開、式的驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，成本高。因此廣泛應(yīng)用于乘用車和越野車上。而非斷開式的驅(qū)動(dòng)橋因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單、成本低、維修方便等優(yōu)點(diǎn)在商用車以及部分乘用車得到了廣泛的應(yīng)用。
綜上所述，GD1091型商用車應(yīng)該選用非斷開式的驅(qū)動(dòng)橋。
2.2 主減速器設(shè)計(jì)方案
2.2.1主減速器的減速形式的選擇
按照減速形式的不同，主減速器可以分為：單級、雙級、雙速、貫通式、單雙級減速配輪邊減速等。以下主要對比介紹單級主減速器和雙級主減速器。
單級主減速器擁有結(jié)果簡單、尺寸緊湊、質(zhì)量小、生產(chǎn)成本低等一系類優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于主傳動(dòng)比小于7的汽車上。
雙級主減速器是指由兩級齒輪減速所組成的主減速器。與單級主減速器相比較，在保證同樣的離地間隙的情況下，雙級主減速器可以得到更大的主動(dòng)傳動(dòng)比（一般為7-12），但其結(jié)果較為復(fù)雜，生產(chǎn)制造的成本較高。因此，它主要應(yīng)用于總質(zhì)量較大的商用車上面。
綜上可知，GD1091商用車應(yīng)該選擇雙級主減速器。
2.2.2 主減速器的齒輪類型選擇
主減速其的齒輪類型有弧齒錐齒輪、雙曲面齒輪、圓柱齒輪、蝸輪蝸桿等形式。
弧齒錐齒輪傳動(dòng)過程中，主、從動(dòng)齒輪的軸線，垂直相交于一個(gè)點(diǎn)上。傳動(dòng)過程中，輪齒端面重疊，因此無論那一刻，總會(huì)有兩對以上的齒輪相互嚙合，這樣以來就提高了齒輪所能承受的滿負(fù)荷。另一方面，弧齒錐齒輪工作平順，噪聲小，振動(dòng)小。但是其對內(nèi)核的精度要求很高，稍不吻合，就會(huì)令工作條件幾句惡化，加劇磨損，增大噪聲。
雙曲面齒輪傳動(dòng)過程中，主、從動(dòng)齒輪的軸線，互相垂直但卻不相交，并且主、從動(dòng)齒輪的軸線會(huì)有一定的偏移量這個(gè)偏移量稱為偏移距E。這個(gè)偏移距使得主動(dòng)齒輪的螺旋角β1比從動(dòng)齒輪的螺旋角β2大，我們規(guī)定β1與β2的差值稱為偏移角ε。
與弧面錐齒輪比較，雙曲面齒輪有許多的尤優(yōu)點(diǎn)：（1）同樣的尺寸下，雙曲面齒輪的傳動(dòng)比更大。（2）當(dāng)傳動(dòng)比一定、從動(dòng)齒輪尺寸也相同的情況下，與相應(yīng)的弧面錐齒輪比較，雙曲面齒輪擁有，較高的齒輪強(qiáng)度，更大的直徑，較大的主動(dòng)齒輪軸以及軸承剛度。（3）當(dāng)傳動(dòng)比一定、主動(dòng)齒輪尺寸相同的情況下，雙曲面齒輪的從動(dòng)齒輪齒輪的尺寸更小，從而可以提高離地的間隙。（4）由于雙曲面齒輪存在偏移距，在傳動(dòng)過程中既存在沿齒高方向的側(cè)向滑動(dòng)，又有沿著齒長方向的縱向滑動(dòng)，這樣不僅提高了齒輪磨合的過程，同時(shí)也使得齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)的更加平順穩(wěn)定。（5）屬哪個(gè)曲面齒輪傳動(dòng)過程中同時(shí)嚙合的齒輪數(shù)較多，重合度大，平穩(wěn)性高，彎曲強(qiáng)度也高。（6）雙曲面齒輪的偏移距也有利于汽車的總體布置。
同時(shí)雙曲面齒輪也存在著缺點(diǎn)：（1）沿著齒長的方向的縱向滑動(dòng)會(huì)增加摩擦損失從而降低了齒輪的傳動(dòng)效率 。（2）由于摩擦力較大，導(dǎo)致齒輪面燒結(jié)、咬死，油膜破壞，抗膠合的能力較低。因此要選用有防刮傷添加劑和改善油膜強(qiáng)度的潤滑油。
綜上所述，雙曲面齒輪性能更好更穩(wěn)定。因此GD1091型商用車選擇雙曲面齒輪。
2.2.3 主減速器主、從動(dòng)錐齒輪的支撐方案。
主動(dòng)錐齒輪的支承形式可以分為跨置式和懸臂梁式。
跨置式支承是指錐齒輪兩端的軸上面都有軸承支承的形式，這種支承形式可以大大提高支承的剛度，同時(shí)又可以減小負(fù)荷，改善嚙合條件，因此此種方式多應(yīng)用于承載能力較大的車型上。
懸臂梁式支撐形式是指在錐齒輪大端的一側(cè)有長軸，在這根軸上安裝上圓錐滾子軸承。通常情況下為提高支承的剛度，應(yīng)使這丟圓錐滾子的大端朝外。懸臂梁式的支承形式引起結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低，便于維修等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用較為廣泛。
綜上所述，GD1091型商用車的主減速器應(yīng)用懸臂梁式的支承形式。
從動(dòng)錐齒輪的支承剛度與支承的距離、載荷的分布、軸承的支承形式都有關(guān)系。一般地，從動(dòng)齒輪多用圓錐滾子軸承來支承，大端向內(nèi)提高了支承的剛度以及支承的穩(wěn)定性。
2.3 差速器設(shè)計(jì)方案
2.3.1 差速器結(jié)構(gòu)形式的選擇 。
差速器，放置在兩輸出軸之間，分配轉(zhuǎn)矩并保證兩輸出軸能夠以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。按照結(jié)構(gòu)的不同，差速器可以分為凸輪式、齒輪式、蝸輪式、牙嵌自由式等多種形式。以下主要介紹對稱式錐齒輪差速器。
對稱式錐齒輪式差速器包括摩擦片式、普通錐齒輪式、強(qiáng)制鎖止式差速器等。
摩擦片式差速器由差速器殼體、摩擦片、壓盤、V形面、行星齒輪軸、行星齒輪、半軸齒輪構(gòu)成。當(dāng)傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)差速器可以通過自身的斜面對行星齒輪軸產(chǎn)生沿著行星齒輪軸線方向的軸向力，該軸向力使壓盤把摩擦片壓緊。工作當(dāng)中，當(dāng)左右的半軸的轉(zhuǎn)速不一致時(shí)主、從動(dòng)摩擦片產(chǎn)生摩擦力矩。摩擦片式差速器工作平順，可以顯著提高汽車的通過性。
普通錐齒輪式差速器由差速器殼體、行星齒輪、半軸齒輪等組成。這種差速器結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低廉、工作可靠性強(qiáng)、工作平穩(wěn)。兩半軸的轉(zhuǎn)矩比為1.11-1.35之間，也就是說兩半軸轉(zhuǎn)矩的差異不大，大致可以認(rèn)為左、右兩半軸的轉(zhuǎn)矩大致相等。因?yàn)槠溆兄T多的優(yōu)點(diǎn)，普通錐齒輪式差速器廣泛應(yīng)用與一般條件下使用的各類汽車當(dāng)中。
綜上考慮，GD1091型商用車的差速器應(yīng)該使用普通錐齒輪式差速器。
2.3.2差速器的主要參數(shù)的選擇
行星齒輪數(shù)n的選擇。行星齒輪數(shù)應(yīng)與所承受的轉(zhuǎn)矩成正比，一般情況下n=4.
行星齒輪球面半徑Rb的選擇。球面半徑Rb表示差速器齒輪節(jié)錐距的承載能力、大小?？梢愿鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)公式
Rb=Kb
確定。Kb一般取2.5-3.0，Td=min〔Tce,Tcs〕, 行星齒輪節(jié)錐距
A0=（0.98-0.99）Rb..
行星齒輪和半軸齒輪數(shù)z1,z2.齒輪的模數(shù)越大，強(qiáng)度越高，但是尺寸就越大。因此z1,z2相互合適。Z1/Z2應(yīng)該在1.5-2.0之間。
行星齒輪和半軸齒輪節(jié)錐角γ1，γ2以及模數(shù)m.
γ1=actan(Z1/Z2)
γ2=actan(Z2/ Z1)
錐齒輪大端的端面模數(shù)m
m=2A0 sinγ1/ Z1
2.4 半軸結(jié)構(gòu)形式的確定
根據(jù)車輪的支承形式的不同，半軸可以分為全浮式、3/4浮式、半浮式。
全浮式是指半軸外端的凸緣直接和輪轂用螺釘相連接，輪轂有支撐在驅(qū)動(dòng)橋殼的半軸套上。理論分析來講半軸只能承受轉(zhuǎn)矩作用于驅(qū)動(dòng)輪上的玩具、反力均有橋殼承擔(dān)。橋殼的變形、半軸齒輪不同心、半軸法蘭平面相對其他軸線的不垂直等因素會(huì)使半軸彎曲，由此產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力在5-7MPa.全浮式半軸 要應(yīng)用于總質(zhì)量較大的 商用車之上。
3/4浮式半軸是指半軸的外端僅僅有一個(gè)軸承，并且這個(gè)軸承裝在驅(qū)動(dòng)橋殼半軸套管的端部。直接用于支承車輪轂。半軸外部的凸緣則用螺釘與輪轂連接。該種方式印版應(yīng)用于總質(zhì)量角小的商用車和乘用車上。
半浮式半軸是指，半軸外端在半軸套管外端孔內(nèi)支承，車輪裝在半軸上面。半浮式所受載荷大，結(jié)構(gòu)簡單，只限用在乘用車和總質(zhì)量較小的商用車上。
綜上考慮，GD1091型商用車的半軸形式用全浮式。
2.5 驅(qū)動(dòng)橋殼的選擇
驅(qū)動(dòng)橋殼可以分為整體式、可分式、組合式。
整體式橋殼是指整個(gè)的橋殼式一個(gè)空心梁。主減速器殼、橋殼分為兩體。整體式驅(qū)動(dòng)橋殼中，主減速器調(diào)整、拆裝十分的方便；剛度、強(qiáng)度較大；結(jié)構(gòu)較為簡單，生產(chǎn)制造的成本低，適用于大量生產(chǎn)，故應(yīng)用廣泛。
組合式橋殼試將部分的橋殼和主減速器殼鑄造在一起，用無縫鋼管分別壓入殼體兩端加以固定。這種形式優(yōu)點(diǎn)是支承剛度好，但是要求的加工精度較高，成本高。
可分式橋殼由于拆裝、維修 等比較麻煩，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。
綜上考慮，GD1091型商用車選用整體式的橋殼。
3.后懸架的設(shè)計(jì)方案
3.1非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架的選擇
懸架可以分為獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架兩種類形（如圖2所示）。非獨(dú)立懸架是指用一根整體式的軸將左右車輪連接在一起，再有懸架與車架連接在一起。非獨(dú)立懸架則是指左右車輪分別通過各自獨(dú)立的懸架與車架相連接在一起。
圖2 獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架示意圖
非獨(dú)立懸架的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)十分簡單，便于制造，生產(chǎn)成本低，工作安全可靠，維修十分方便。缺點(diǎn)是由于干板彈簧的剛度較大，汽車的平順性相對較差，簧下質(zhì)量較大，在不好的路面上行駛時(shí)左右車輪互相影響較大，舒適差。因此這種懸架主要應(yīng)用于商用車的前后懸架上。
獨(dú)立懸架雖然平順性較好，但是其制造車本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不便于維修，故多用于乘用車上。
綜上考慮，GD1091型商用車的后懸架選用非獨(dú)立懸架。
3.2懸架主要參數(shù)的確定
3.2.1懸架靜撓度fc
懸架靜撓度是指汽車在靜止、滿載時(shí)候懸架上載荷與當(dāng)時(shí)的懸架剛度的比值。
汽車的前后懸架與其簧上的質(zhì)量組成的振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率，是影響汽車行駛的平順性的主要參數(shù)。汽車的后懸架的靜撓度的計(jì)算公式為：
fc=mg/c
在選取汽車的靜撓度時(shí)盡量使前、后懸架的值相接近，并且使得前懸架的靜撓度要略大于后懸架的。推薦fc2=(0.8-0.9)fc1,其中fc1為前懸架靜撓度值，fc2為后懸架靜撓度值。貨車在滿載的時(shí)候，后懸架的偏頻應(yīng)在1.70-2.17Hz。
3.2.2 懸架的動(dòng)撓度
汽車的動(dòng)撓度指的是滿載、靜平衡位置開始，懸架被壓縮到最大的形變的時(shí)候，車輪的中心相對于車身（或車架）的垂直位移。一般的，貨車的fd在6-9cm。
3.2.3 懸架彈性特性
在垂直外力的作用下，車輪中心相對于車身的位移的關(guān)系曲線，就是懸架的彈性特性。曲線的切線的斜率就是懸架的剛度。
3.2.4 后懸架主、副簧剛度的分配
貨車的后懸架，大多采用主副簧結(jié)構(gòu)的鋼板彈簧。當(dāng)載荷比較小的時(shí)候，副簧式不工作的，只有當(dāng)載荷達(dá)到了一定的設(shè)定值的時(shí)候，副簧才和主簧一起工作。
第一種確定方式：使汽車空載情況下的懸架撓度f0等于副簧開始工作時(shí)候的懸架撓度fa。第二種方式是使汽車懸架空載和滿載情況下的載荷的平均值等于副簧開始起作用識(shí)貨的載荷。前者方式確定的主、副簧剛度的比值死U然能夠確保在空載和滿載時(shí)懸架的振動(dòng)變化，但是簧接觸托架前和接觸后的振動(dòng)頻率變化比較的大；后者則剛好相反，故守則適用于經(jīng)常處于半載的貨車上。
3.3 鋼板彈簧的設(shè)計(jì)方案
3.3.1鋼板彈簧的布置方案
汽車上的鋼板彈簧有縱置、橫置兩種形式。縱置的鋼板彈簧形式可以傳遞各種力和力矩，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單，因此廣泛應(yīng)用于汽車上?？v置的鋼板彈簧形式又分為對稱式和不對稱式兩種形式，但大多汽車采用對稱式（如圖3所示）。根據(jù)本車的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用對稱式鋼板彈簧。
圖3 鋼板彈簧示意圖
3.3.2 鋼板彈簧主要參數(shù)的確定
（1）滿載弧高fa 滿載弧高fa指在汽車滿載的情況下，鋼板彈簧的主片上表面與兩端連線之間的最大的高度差值。通常情況下，fa取10-20mm。
（2）鋼板彈簧長度L鋼板彈簧長度L是指在彈簧伸直的情況下，兩卷耳中心點(diǎn)之間的距離。L能明顯降低彈簧應(yīng)力，從而提高彈簧的使用壽命；降低彈簧的剛度，提高汽車的 平順性。原則上來講，在不影響總體布局的情況下，應(yīng)當(dāng)使鋼板彈簧盡量長一些。一般地，貨車的后懸架L=（0.35-0.45）軸距。
（3）鋼板斷面形狀 鋼板的斷面形式有多種，其中矩形的斷面形式在工作時(shí)一面受壓應(yīng)力，另一面受拉應(yīng)力，且上下表面受到的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的絕對值大小相等。其中形式的抗拉性能低于抗壓性能。而T形斷面、單面有拋物線邊緣的斷面、單面有雙槽的斷面則拉應(yīng)力的絕對值減小，抗壓性能提高，同時(shí)還節(jié)約了大約10%的材料。
（4）鋼板彈簧的片數(shù) 片數(shù)少，有利于制造、裝配，降低彈簧片之間的干摩擦，從而改善汽車的平順性。同時(shí)，片數(shù)少將會(huì)造成材料利用率降低。一般的，多片彈簧一般在6-14片，總質(zhì)量超過14t的貨車可到20片；變截面哨片彈簧則在1-4片。
（5）鋼板彈簧各篇長度的確定 作圖法：現(xiàn)將各篇厚度hi的三次方hi3按照一定的比例繪制在圖紙上，沿著橫坐標(biāo)量出螺栓中心距的一半s/2和主片長度的一半L/2,得到A B兩點(diǎn)，連接A B兩點(diǎn)就可得到三角形的鋼板彈簧展開圖。
3.4 減震器結(jié)構(gòu)方案分析
目前汽車上使用最多的減震器是液力減振器，所謂的液力減振器就是內(nèi)部充有液體的液力減震器。當(dāng)汽車的車身，車輪振動(dòng)是時(shí)，減震器內(nèi)部的液體就會(huì)在流經(jīng)阻尼孔時(shí)候產(chǎn)生摩擦阻力，將振動(dòng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的熱能，傳遞到空氣當(dāng)中，從而達(dá)到迅速衰減振動(dòng)的目的。減震器分為單作用式和雙作用式兩種形式，僅僅在壓縮行程或者伸張行程中有能量的耗散，則這種減震器稱為單作用式減震器，反之則稱為雙作用式。雙作用式減震器因其減震作用更好，在汽車上得到了廣泛的應(yīng)用（如圖4所示 ）。
根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，減震器分為搖臂式、筒式兩種。搖臂式工作壓力比較大，但是其工作特性受溫度變化和活塞磨損的影響較大，故已經(jīng)被淘汰。筒式減震器工作壓力僅為2.5-5MP，但是其工作性能穩(wěn)定，從而在汽車上得到了廣泛應(yīng)用。筒式減震器分為沖氣式、單筒式、雙筒式。其中，雙筒式因?yàn)樵肼曅 ⒏赡Σ磷枇π?、總長度短、工作穩(wěn)定，從而在乘用車上得到了越來越多的應(yīng)用。
由于制造成本的限制，以及考慮到貨車后懸架不需要考慮乘坐舒適性的因素，故GD1091型商用車的前懸架選用雙向作用筒式減震器，后懸架只用鋼板彈簧，不在添加減震器。
圖4 雙向作用筒式減震器結(jié)構(gòu)示意圖
論證結(jié)果
通過以上的論證，GD1091型商用車采用非斷開式結(jié)構(gòu)，主減速器采用雙級雙曲面齒輪主減速器，采用懸臂梁式的支承形式，采用普通圓錐齒輪式差速器，車輪傳動(dòng)裝置采用全浮式結(jié)構(gòu)，整體式橋殼，非獨(dú)立后懸架、彈性元件采用對稱式鋼板彈簧。
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