變速箱敲擊噪聲的調制分析方法

管文燁

（上海汽車變速器有限公司，上海，200072）

0 引言

車輛的噪聲來源于不同零件。主要的噪聲除了發動機，還包括風，輪胎和其他零件。它們影響車輛的整體NVH水平。其中一個來源于變速箱的噪聲成分是齒輪敲擊。該噪聲是由齒輪產生，并且可能僅在特定的工況下發生，齒輪敲擊噪聲能顯著降低整體NVH的評分，甚至被認為是質量缺陷。針對此類噪聲，時域分析是主流和有效的方法。但是，除了頻譜，也可以根據敲擊噪聲的的成分組成進行相關信息分析。本文提出了一種新的方法來分析齒輪敲擊，即調制分析方法。

1 齒輪敲擊噪聲

齒輪敲擊噪聲是變速器噪聲的一種類型,由于敲擊噪聲具有穿透力高的特點,容易被乘客察覺并影響乘坐舒適性。

齒輪敲擊噪聲是發生在嚙合非承載齒輪，承載齒輪對和換擋組件（如同步器、滑套等）上的一種沖擊現象。嚙合的齒輪，無論是加載或非加載的，在某種條件下相互碰撞并產生敲擊噪聲。一般來說，變速器敲擊噪聲產生的主要原因是動力傳遞系統存在著較明顯的扭矩波動。發動機在運行過程中因缸內氣體的燃燒爆發、活塞的往復運動以及曲柄連桿機構的旋轉運動，導致發動機輸出扭矩呈現周期性變化，從而使發動機輸出轉速不平衡，表現為一定的轉速波動。這一轉速波動通過彈性離合器系統傳到變速器軸系，傳遞到變速器動力流中的每一對齒輪，導致變速器內部非工作部件在允許的工作間隙內可能產生不規則的來回敲打現象，傳遞至車內表現為變速器敲擊噪聲。

齒輪敲擊噪聲是兩種不同機械機構產生的一定帶寬的空氣傳播噪聲。其中的一部分噪聲由輪齒直接進行噪聲輻射；另一部分為齒輪振動通過變速器的結構導致變速器殼體振動從而進行噪聲輻射。經過變速器殼體的“濾波”作用，輪齒敲擊產生的噪聲的頻譜將不同于變速器殼體振動的頻率成分，正因為如此，傳遞到變速器外部空氣中的敲擊噪聲容易被乘客察覺。雖然齒輪敲擊噪聲不會影響變速器的正常工作，但它們卻常常被乘客抱怨，因此有必要對齒輪敲擊噪聲系統的研究，并使該類噪聲得到最大的抑制以提高乘坐舒適性。

2 調制分析

首先對信號做窗口傅里葉變換（Windowed Fourier Transform）

其中：

具有p(k)的：振動信號在k點的采樣值

N：FFT長度n：頻率指數(該下標代表的頻率)。：重疊系數，0表示相鄰窗口無重疊，1表示完全重疊。l：窗口指數（第n個時間窗口）W：權重函數（Hamming）

在頻譜的每個頻率點上表示了在相應的載波頻率處的包絡信號（調制信號）。我們通過P(n,l) 序列的絕對值(模)的FFT來得到調制頻譜Pm (n, m)

其中： m為調制頻率指數

M為FFT長度。

調制頻率的分辨率Dfm為

最高調制頻率則為：

通過以上公式計算，可以得到敲擊振動信號的調制頻率。

3 模擬敲擊信號仿真與分析

在對真實的變速箱敲擊振動信號運用該算法前，我們先模擬敲擊信號。圖1給出了模擬的敲擊信號，它的采用頻率為10000Hz，持續10s，敲擊頻率為2Hz，傅里葉變換窗口取4096點，重疊系數為0.9.

圖1 模擬的敲擊信號

在得到模擬的敲擊信號后，我們先進行窗口傅里葉變換，得到的分時頻譜圖P(n,l)為：

調制頻譜Pm (n, m)為

圖2 模擬敲擊信號的分時傅立葉變換

圖3 模擬敲擊信號的調制分析圖

圖4 模擬敲擊信號的調制分析peak-hold圖

這樣就可以明顯看到，在2Hz處，調制頻率的幅值達到最大值，其頻率與仿真的敲擊信號一致。這也說明所選取的算法參數也是合理的。

4 油泵敲擊噪聲信號的調制分析

在DCT總成中，油泵敲擊噪聲也時常發生。目前生產線上主要采用時域考核指標來識別該噪聲，直接頻譜考核或階次考核并不能有效識別；但是我們同樣可以調制分析的方法來識別敲擊噪聲信號。

圖5給出了某一總成的油泵敲擊信號的時域圖,信號的采樣周期為20KHz,持續時間0.8s。

周期性沖擊(敲擊)周期為0.0396秒，對應的頻率約為25.25Hz?？紤]到該工況的轉速為1500RPM，則對應的階次為1.015（=67/66）階，實際對應油泵的噪聲。

圖6給出了該油泵沖擊信號的分時Fourier變換,從圖可以看出在7200Hz左右，周期性變化趨勢最明顯。

圖7和圖8分別給出了油泵敲擊信號的調制分析圖和對應的peak hold圖，由圖可見，在25.53Hz處存在尖峰（該頻率與時域直觀得到的25.25Hz相對應），它們的值存在差異是由于調制分析的分辨率決定的。

圖5 油泵敲擊信號的時域圖

圖6 油泵敲擊信號的分時Fourier變換圖

5 總結

圖7 油泵敲擊信號的調制分析圖

本文首先介紹了調制分析的基本算法，該算法首先對信號進行分時Fourier變換，再對各時間窗口下相同的頻率（載波頻率）再做一次Fourier變換，就可以得到調制頻率。本文還對仿真的敲擊信號和油泵敲擊信號做了分析，我們看到：（1）由于振動信號的時間長度有限，再加上二次Fourier變換，所以載波信號的頻率分辨率較低，一般低于傳統的階次分析或分時Fourier變換。（2）雖然調制頻率能夠準確識別，但是載波頻率的變化較大。（3）在調制分析圖中，在0Hz附近仍有較大的能量,如果敲擊噪聲的頻率非常低，那么該方法不能有效識別該類噪聲。

因為敲擊噪聲本身的固有時域特性，直接用頻譜分析不能得到其發生頻率，用調制分析的方法來識別敲擊噪聲信號，是對目前主流的時域方法(包括RMS,峰-峰值,Kurtosis,Crest Factor等考核量)的有效補充方法。

圖8 油泵敲擊信號的調制分析peak-hold圖

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