基于階次跟蹤的汽車變速器嘯叫聲源識(shí)別

張 強(qiáng)，陳孝玉，何 鳴，閻昌國(guó)

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563002）

基于階次跟蹤的汽車變速器嘯叫聲源識(shí)別

張 強(qiáng)，陳孝玉，何 鳴，閻昌國(guó)

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563002）

變速器噪聲作為影響汽車整體性能的一個(gè)重要因素，一直以來(lái)倍受汽車廠商關(guān)注。作者以某型國(guó)產(chǎn)變速器為研究對(duì)象，在半消聲室內(nèi)對(duì)其進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，并利用階次跟蹤原理識(shí)別出齒輪副為嘯叫噪音的聲源；同時(shí)通過(guò)對(duì)比路試前后主動(dòng)齒輪的磨損量，分析出了聲源齒輪副的主要激勵(lì)源。

變速器；嘯叫；階次跟蹤；齒輪；嚙合沖擊

變速器作為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中一個(gè)重要的組成部分，其噪聲水平直接關(guān)系到整車的聲學(xué)品質(zhì)。尤其是變速器在運(yùn)行過(guò)程中存在嘯叫噪音時(shí)，會(huì)大大降低乘坐的舒適性，從而降低整車的綜合性能。因此，對(duì)變速器的噪聲源進(jìn)行識(shí)別并加以控制，就顯得十分重要。

但是，變速器作為一個(gè)復(fù)雜部件，其運(yùn)行過(guò)程十分復(fù)雜，且在其運(yùn)行過(guò)程中，許多零件，如齒輪、軸、軸承等都會(huì)產(chǎn)生噪音，采用傳統(tǒng)的方法很難進(jìn)行聲源識(shí)別。因此，本文采用階次跟蹤的方法對(duì)變速器產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行測(cè)試和分析，識(shí)別出齒輪副為嘯叫噪聲的聲源。同時(shí)，對(duì)該齒輪嚙合過(guò)程中的動(dòng)態(tài)激勵(lì)進(jìn)行分析，最終確定了產(chǎn)生嘯叫的主要原因。

1 階次跟蹤的基本原理

階次跟蹤技術(shù)被廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷[1],它與傳統(tǒng)頻譜分析的主要區(qū)別在于信號(hào)采集方式的不同。頻譜分析主要采用等時(shí)間采樣，即每隔一個(gè)相等的時(shí)間對(duì)信號(hào)進(jìn)行一次采樣，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，這種方法對(duì)于平穩(wěn)的周期信號(hào)十分有效。但是，由于變速器在轉(zhuǎn)速變化過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)或噪音信號(hào)為非平穩(wěn)信號(hào)，因此采用等時(shí)間采樣的方法會(huì)使信號(hào)失真，此時(shí)需采用等角度采樣[2]。等角度采樣又稱階次采樣，它是在機(jī)器旋轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)的過(guò)程中，每隔等角度進(jìn)行一次采樣。這樣在每一回轉(zhuǎn)周期內(nèi)，都能獲得固定的采樣點(diǎn)數(shù)，

然后再對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，即可獲得相應(yīng)的頻率、幅值和相位信息。

在階次跟蹤的過(guò)程中，通常以某旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)頻為參考對(duì)象[3]，定義其轉(zhuǎn)頻為1階，則其它頻率可按相應(yīng)的傳動(dòng)比關(guān)系計(jì)算得到所對(duì)應(yīng)的階次，關(guān)系如下：

其中Order為階次，?為所關(guān)注的頻率，?0為參考軸的轉(zhuǎn)頻。

根據(jù)該定義可知，階次與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，只與一個(gè)零部件的特征頻率有關(guān)。對(duì)旋轉(zhuǎn)軸上的齒輪而言，其嚙合頻率為：

其中，z為齒輪的齒數(shù)，?為齒輪的旋轉(zhuǎn)頻率，同時(shí)也等于軸的旋轉(zhuǎn)頻率。

由（1）式和（2）式可得，

式中，i為齒輪軸與參考軸之間的傳動(dòng)比。由式（3）可知，齒輪嚙合頻率所對(duì)應(yīng)的階次只與齒數(shù)和兩軸之間的傳動(dòng)比有關(guān)，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。在實(shí)際的階次跟蹤過(guò)程中，對(duì)于幅值較為明顯的齒輪嚙合頻率，往往還需要跟蹤其二階和三階分量。

2 臺(tái)架試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)環(huán)境

本試驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)行，其試驗(yàn)臺(tái)的布局如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)的布局圖

變速器的動(dòng)力由動(dòng)力設(shè)備提供，加載量由負(fù)載設(shè)備決定。通常選用直流電機(jī)作為動(dòng)力源，測(cè)功機(jī)作為加載設(shè)備。通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加載量的大小可以達(dá)到變速器臺(tái)架試驗(yàn)所需的工況條件；同時(shí)，半消聲室也可較好地排除外界環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾。

2.2 試驗(yàn)對(duì)象介紹

本次試驗(yàn)的對(duì)象為某型國(guó)產(chǎn)五檔手動(dòng)變速箱，其傳動(dòng)系統(tǒng)的三維模型如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型

由圖2可知，該變速器的傳動(dòng)系統(tǒng)共包含四根軸：動(dòng)力輸入軸、中間軸、輸出軸以及倒檔軸，其中各軸上齒輪的齒數(shù)如表1所示。在階次分析時(shí)，以輸入軸的轉(zhuǎn)頻為一階，可求得各檔位齒輪嚙合頻率所對(duì)應(yīng)的階次，如表2所示。

表1 傳動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

表2 齒輪嚙合頻率階次表

2.3 測(cè)點(diǎn)選擇

在對(duì)變速器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試時(shí)，測(cè)點(diǎn)位置的選擇非常重要。一般而言，應(yīng)遵循以下幾條原則：

（1）測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量避開(kāi)殼體上的薄弱環(huán)節(jié)。

（2）測(cè)點(diǎn)最好位于軸承附近。

（3）所布傳感器應(yīng)兼顧變速器多方向上的振動(dòng)。

（4）測(cè)點(diǎn)應(yīng)選在殼體上便于放置傳感器之處。

本試驗(yàn)分別在變速器的三個(gè)方向上布置了三個(gè)加速度傳感器，其中兩個(gè)布置在后殼體的軸承孔附近，另一個(gè)布置在前殼體的軸承孔附近，如圖3所示。

圖3 振動(dòng)傳感器的布置位置

在進(jìn)行噪聲測(cè)試時(shí)，分別在距變速器中心0.5m的四個(gè)面內(nèi)布置四個(gè)麥克風(fēng)傳感器，以便測(cè)得變速器在不同方向上輻射的噪聲，如圖4所示。

圖4 麥克風(fēng)傳感器的布置位置

2.4 試驗(yàn)工況

為更加真實(shí)地模擬變速器在整車上的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，本次試驗(yàn)設(shè)定了輸入端空載和50Nm加載的兩種工況，其中轉(zhuǎn)速均在 30s內(nèi)從 400RPM升至4000RPM。工況條件如表3所示。

表3 試驗(yàn)工況列表

試驗(yàn)中嚴(yán)格控制油溫在70±10℃，以使變速器得到良好潤(rùn)滑。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

整理和分析所有檔位在兩種工況下的試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合測(cè)試時(shí)的主觀聽(tīng)覺(jué)感受可知，變速器的二檔在進(jìn)行負(fù)載升速試驗(yàn)時(shí)存在輕微的嘯叫。相應(yīng)的噪聲測(cè)試結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 二檔空載時(shí)的噪聲階次譜圖

圖6 二檔負(fù)載時(shí)的噪聲階次譜圖

從圖 6可知，二檔在負(fù)載條件下，轉(zhuǎn)速在1.6～3.2kRPM時(shí)，變速器會(huì)產(chǎn)生輕微的嘯叫噪音，其主要的聲源為21階，即檔位齒輪副的嚙合噪聲。從階次切片圖（見(jiàn)圖7）中可更加直觀地發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速在1.6～3.2kRPM時(shí)，21階為變速器的主要噪聲源，且在2kRPM附近，變速器存在輕微的嘯叫噪聲。

圖7 階次切片圖

振動(dòng)測(cè)試結(jié)果也同樣說(shuō)明了這一問(wèn)題。如圖8、9所示，在負(fù)載下，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1.6～3.2kRPM時(shí)，由21階引起的變速器振動(dòng)十分顯著。

圖8 二檔空載時(shí)振動(dòng)信號(hào)的連續(xù)頻譜圖

圖9 二檔負(fù)載時(shí)振動(dòng)信號(hào)的連續(xù)頻譜圖

綜上，二檔在1.6～3.2kRPM轉(zhuǎn)速下負(fù)載運(yùn)行時(shí)，變速器的振動(dòng)和噪聲明顯增大，其主要貢獻(xiàn)源為二檔的檔位齒輪副。

4 激勵(lì)源的確定

齒輪副在嚙合過(guò)程中，所受的動(dòng)態(tài)激勵(lì)包括內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)兩大類[4，5]。

所謂內(nèi)部激勵(lì)是指由齒輪副的嚙合過(guò)程所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)激勵(lì)，主要包括嚙合剛度激勵(lì)、傳遞誤差激勵(lì)和嚙合沖擊激勵(lì)。其中，嚙合剛度激勵(lì)主要是由于齒輪副在嚙合過(guò)程中其剛度的時(shí)變性而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)激勵(lì)[6]；傳遞誤差激勵(lì)主要是由于齒輪在加工和安裝的過(guò)程中存在誤差，導(dǎo)致嚙合齒廓偏離實(shí)際的安裝位置，進(jìn)而形成的一種位移激勵(lì)[7]；嚙合沖擊激勵(lì)是由嚙入和嚙出過(guò)程中的嚙合沖擊力造成的。

對(duì)比變速器空載和負(fù)載下的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果可知，負(fù)載時(shí)二檔檔位齒輪副的動(dòng)態(tài)激勵(lì)顯著增加。考慮到傳遞誤差激勵(lì)與負(fù)載的關(guān)系較小，因此基本排除誤差激勵(lì)的影響。其次，由于二檔的檔位齒輪副為斜齒輪副，其嚙合剛度的時(shí)變性不甚明顯，因此也可基本排除嚙合剛度的影響。所以，經(jīng)過(guò)初步分析，可暫定嚙合沖擊激勵(lì)為變速器二檔負(fù)載運(yùn)行時(shí)的主要激勵(lì)源。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該結(jié)論，作者將變速器安裝在整車上進(jìn)行相應(yīng)的路試。在行駛30000km后，拆下變速器二檔的主動(dòng)齒輪，清洗后對(duì)其齒形方向進(jìn)行計(jì)量，可以得到如圖10的結(jié)果。從圖中可以看出，路試后，齒輪的前齒頂和后齒根部位磨損比較嚴(yán)重，磨損量分別達(dá)到了0.014mm和0.010mm。經(jīng)分析可知，這兩部位是主從動(dòng)齒輪嚙入和嚙出時(shí)的接合區(qū)域，因此，可確定嚙合沖擊激勵(lì)是二檔齒輪副在負(fù)載時(shí)的主要激勵(lì)源。

圖10 路試前后齒形對(duì)比

5 結(jié)論

本文以國(guó)產(chǎn)某型五檔手動(dòng)變速箱為研究對(duì)象，在半消聲室內(nèi)對(duì)其進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在給定負(fù)載的條件下，二檔存在輕微的嘯叫現(xiàn)象。同時(shí)，利用階次跟蹤的基本原理獲得了嘯叫噪聲的主要來(lái)源為二檔主從動(dòng)齒輪副的嚙合激勵(lì)。為了進(jìn)一步確定激勵(lì)源，將變速器裝在整車上進(jìn)行了30000km的路試。通過(guò)對(duì)比路試前后二檔主動(dòng)齒輪齒形的磨損情況，最終確定了嘯叫噪聲的主要激勵(lì)源為齒輪副的嚙合沖擊激勵(lì)，從而為變速器的減振、降噪工作奠定了理論基礎(chǔ)。

[1]陳原.車輛變速箱嘯叫噪聲測(cè)試診斷[J].機(jī)械傳動(dòng),2011,35 (1):15-19.

[2]胡溧,丁衛(wèi)東,郭建忠.汽車車內(nèi)行駛噪聲測(cè)試的階次跟蹤法[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,24(2):4-6.

[3]崔硯宏,葉文龍,黃林.階次跟蹤在齒輪箱噪聲源識(shí)別上的應(yīng)用[J].機(jī)械傳動(dòng),2012,36(7):111-114.

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（責(zé)任編輯：朱 彬）

Identification of Squeaking Noise Source of Automotive Transmission Based on Order Tracking

ZHANG Qiang，CHEN Xiao-yu，HE Ming，YAN Chang-guo
（Engineering College,Zunyi Normal College,Zunyi 563002,China）

As one of important factors that can impact on the vehicle performance,transmission noise gets more and more attention of automobile manufacturers.This paper takes a domestic transmission as study object,and bench test is conducted in a semi-anechoic room.Then,the gear pair making squeaking noise is found with this method of order tracking.To further confirm the excitation source, road test is conducted.Through an analysis of wear loss of tooth profile,it shows that mesh impact is the main excitation source of squeaking noise.

transmission;squeak;order tracking;gear;mesh impact

TH132

A

1009-3583（2016）-0101-04

2015-12-05

張 強(qiáng)，男，重慶人，遵義師范學(xué)院工學(xué)院講師，碩士。