汽車起重機齒輪泵噪聲研究

李劼人 董立 王開宇 宋雅培 王建民

摘 要：文章分析了汽車起重機使用的齒輪泵產生噪聲的內外部激勵。介紹了工況載荷下噪聲傳遞路徑分析方法，并對某型號25噸級汽車起重機產品進行了噪聲測試及頻譜分析，分結果表明齒輪泵是汽車起重機作業時操縱室內重要的噪聲源，在汽車起重機常用的怠速工況時所占比例最大，降低此噪聲源可以極大的提高汽車起重機產品的使用舒適性，提高產品競爭力。

關鍵詞：汽車起重機;齒輪泵;傳遞路徑;噪聲頻譜標定

中圖分類號：U469.6+4 TH137.3 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-145-05

Study on the Noise of Gear Pump of Truck Crane

Li Jieren¹， Dong Li¹，?Wang Kaiyu¹， Song Yapei¹， Wang Jianmin²

（1.Anhui liugong Crane co.， Ltd?Research Institute， Anhui?Bengbu?233010;2. Anhui University Of Science & Technology， Anhui?Huainan 232038）

Abstract：?This paper analyzes the internal and external excitation of the gear pump used in the truck crane.?This paper introduces the analysis method of noise transmission path under the working condition load， and tests the spectrum noise of a 25t truck crane product. The test results show that gear pump is an important noise source in the operation room of truck crane， which accounts for the largest proportion in the commonly used idle working condition of truck crane. Reducing this noise source can greatly improve the truck crane product The use of comfort， improve product competitiveness.

Keywords： Crane; Gear pump; Transfer path; Noise spectrum calibration

CLC NO.： U469.6+4 ?TH137.3 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-145-05

前言

齒輪泵是汽車起重機的動力來源，但同時也是汽車起重機振動的主要激勵源，齒輪泵振動如果不能得到很好的控制，會引起車架以及其他與車架相連接的零部件產生振動與噪聲，影響起重機的 NVH 水平，甚至會破壞起重機零部件，縮短起重機使用壽命。齒輪泵系統包括齒輪泵、相關液壓管路、傳動軸和懸置裝置等。齒輪泵懸置即為隔離齒輪泵振動向車身傳遞及衰減外部激勵引起的齒輪泵共振的裝置。一般來說，齒輪泵振動激勵源分為內部激勵和外部激勵兩類。根據噪聲傳遞路徑的不同，如圖1所示，齒輪泵的輻射噪聲主要由通過泵體內部聲腔產生并直接輻射到空氣中形成的空氣傳遞聲以及動力傳遞過程中經內部結構傳遞到齒輪泵殼體上的機械振動激勵，使殼體振動向空氣中輻射噪聲的結構傳遞聲兩部分^[1，2，3]。

1 齒輪泵噪聲原因分析

1.1 內部激勵分析

齒輪泵主從齒輪嚙合時，齒輪會發出敲擊噪聲，一般將這種噪聲稱為嘯叫，主要有3種形式：單邊敲擊噪聲、雙邊敲擊噪聲和間歇性敲擊噪聲。當被動齒輪的慣性力矩大于阻滯力矩時，齒輪副將會產生敲擊。因此，準確獲得齒輪阻滯力矩對研究齒輪敲擊非常重要^[4，5]。

齒輪泵空載怠速時，齒輪嚙合驅動側隙距離與背隙側距離相互交替變化，表明空載時非承載齒輪的嚙合狀態非常自由，此時從動齒輪慣性力矩大于阻滯力矩。重載高速時從動齒輪要傳遞扭矩和功率，在負載大扭矩的阻礙作用下從動齒輪慣性力矩小于阻滯力矩，齒輪會被抑制脫齒，避免了從動齒輪在非工作齒面與主動齒輪發生碰撞沖擊，因此，驅動側隙距離與非驅動側距離表現為不再交替變化^[6]。

圖2所示為從動齒輪驅動側與背隙側嚙合力與阻滯力矩的變化關系。圖中A 區域，嚙合狀態為雙邊敲擊，空載怠速齒輪驅動側與背隙側嚙合力隨阻滯力矩增加，表現為先增大再逐漸減小的趨勢;B 區域，背隙側嚙合力逐漸減小為0N，表明非工作齒面無敲擊發生，嚙合狀態為間歇性敲擊;C 區域，背隙側嚙合力恒為0N，重載高速時在較大阻滯力矩阻礙作用下，工作齒面完全嚙合，驅動側嚙合力無沖擊，此時，嚙合力隨阻滯力矩增加而增大，嚙合狀態為單邊敲擊。

分析圖3可知：齒輪雙邊敲擊狀態下的敲擊噪聲強度明顯比單邊和完全嚙合狀態下的高，阻滯力矩為 0.96 N.m 時，齒輪敲擊噪聲最小，說明適當增加阻滯力矩，可降低空套齒輪敲擊噪聲。但是，繼續增大阻滯力矩，不但不能降低齒輪敲擊噪聲，還會增大齒輪機械損失，降低傳動效率^[7，8，9]。

1.2 外部激勵分析

齒輪泵的外部激勵有如發動機和負載的轉速與扭矩波動、離合器的啟閉沖擊、結構共振等這類除齒輪傳動系統的其它外部因素產生的動態激勵。外部激勵引起的噪聲有轟鳴聲、顫抖聲、嗡嗡聲等。

引起動力系統振動的原因主要有：發動機轉矩輸出不均勻、萬向節二階附加扭矩、傳動軸的動不平衡和徑向跳動等。動力傳動系統的扭振一方面通過發動機懸置、傳動軸中間支撐、懸架等結構傳遞至車身，然后經由與車身相連的齒輪泵支架傳遞到齒輪泵殼體，殼體振動并向空氣中輻射噪聲;另一方面則通過變速箱、傳動軸傳遞到齒輪泵內部齒輪，使得齒輪嚙合過程中產生噪聲。

在汽車啟動或制動的過程中，離合器主動部分和從動部分存在隨相對轉速的變化而變化的動摩擦，在摩擦扭矩的作用下，離合器被動盤產生的劇烈轉速波動通過車輪傳遞至車身，引起車輛振動，車身抖動通過齒輪泵支架傳遞到齒輪泵殼體，殼體振動并向空氣中輻射噪聲。

2 傳遞路徑分析原理

2.1 TPA原理

傳遞路徑分析法（Transfer Path Analysis，TPA）是基于頻響函數的一種故障診斷方法，將試驗和仿真有機結合在一起。此方法的模型中一般是把整個系統劃分成幾個彼此獨立的子系統，每個子系統均以頻響函數來表征其振動特性，各子系統之間通過各種彈性或剛性懸置傳遞振動。

一個振動系統受到一個外界的激勵必然會引起其他部分的響應，這種激勵和響應之間的對應關系由系統的傳遞特性確定，系統的傳遞特性就是系統的傳遞函數。對于有多個激勵的系統，其響應是由多個激勵對系統綜合作用的結果。TPA的原理就是把響應假設為多個激勵通過不同的傳遞路徑抵達響應位置后疊加作用的結果^[10]。TPA的基本數學公式為：

式中：X（ω）為響應，H_i（ω）為各路徑的傳遞函數，F_i（ω）為各激勵。

式中：F_i（ω）為各振動源作用在系統上的載荷力，Q_j（ω）為各聲源作用在系統上的聲載荷，NTF_i（ω）、NTF_j（ω）分別為振動源與聲源激勵點到響應點的傳遞函數。

任何一個復雜的結構都會受到多種振動和噪聲的激勵，每種激勵源產生的振動噪聲通過不同的傳遞路徑傳遞到多個響應點，從而被人體（接受者）所感知。因此，為了分析與控制噪聲與振動，可以將任何一個振動噪聲系統按“源-路徑-接受者”模型來表示，如圖4所示。

在汽車起重機中的激勵源主要為動力系統（包括發動機、傳動系統和進排氣系統等）車輛的振動激勵源主要包括動力裝置、排氣系統、傳動軸、車輪和懸架系統等。噪聲激勵源主要包括動力裝置的噪聲、進排氣系統的噪聲、傳動軸系的噪聲、車輪和路面的摩擦噪聲和各種結構噪聲等。

汽車起重機的振動傳遞路徑包括動力總成懸置隔振系統、操縱室與車架連接處、排氣系統隔振系統、懸置與車架連接處，各種連接部件，如托架、空調管、油管等。噪聲傳遞路徑包括車體、車體上的一些空洞縫隙以及空氣等。

接受者主要包括操縱室駕駛員耳旁噪聲、操縱室和駕駛室地板腳踏處的振動、座椅振動等。在分析源-路徑-接受者模型時，最主要的是接受者，一切應從接受者出發，來確定噪聲與振動量級的大小和聲品質。

2.2 工況載荷下傳遞路徑分析

擴展工況傳遞路徑分析（Operational Path Analysis with Exogenous Inputs，OPAX）基于參數建模對工況載荷進行識別，利用數學手段消除噪聲信號的干擾，實現了分析精度與建模成本之間的平衡^[11]。

由式（2）可知，實施TPA分析的兩大基本步驟為：①運行工況載荷識別;②路徑非耦合頻響函數估計。為克服已有載荷識別方法不足，OPAX采用參數化載荷識別模型獲取運行工況載荷。參數化載荷識別模型是建立OPAX模型最核心的步驟，該方法僅需要運行工況數據輔以少量頻響函數測試，便可對路徑載荷進行識別。

2.3 參數化載荷識別模型

參數化載荷識別模型是對動力系統懸置動剛度法的發展，模型中動剛度不再是已知量而是待求量。將結構載荷和聲學載荷表示為加速度、聲壓及其參數。通常懸置動剛度被簡化為靜剛度、阻尼和質量參數的函數。

起重機是典型的非承載式車輛，車架是支撐全車的基礎，駕駛室、動力系統、液壓系統等所有部件通過懸置與車架構成柔性或剛性連接。根據其結構特點，振動激勵能量的傳遞為二級傳遞形式。

動力總成系統包括發動機、變速箱和齒輪泵等元件，要分析齒輪泵噪聲問題需要將動力總成作為一個整體進行振動分析。動力總成振動激勵經由發動機前后4個懸置傳遞至車架，同時作為外部激勵傳遞到變速箱，與變速箱內部激勵共同作用到變速箱安裝支架并傳遞至車架，同時所有的外部激勵通過傳動軸和泵架傳遞到齒輪泵，最后齒輪泵內部激勵和外部激勵通過空氣和結構傳遞到操縱室里。

動力總成-操縱室的一級傳遞路徑模型示意圖5所示，此時車架和操縱室作為一個整體系統，動力總成的振動能量經過懸置傳遞到該系統，繼而引起操縱室內目標點的響應。

車架和操縱室支架采用橡膠墊減振結構連接，是車架振動能量傳遞至操縱室的主要路徑，車架-操縱室二級傳遞路徑模型示意圖如圖6。

3 汽車起重機齒輪泵噪聲標定

3.1 噪聲測試方案

汽車起重機是裝在汽車底盤上的一種起重機，其行駛駕駛室和起重操縱室分別設置在底盤和起重機上，整車實物圖見圖7。

根據國家標準GB/T 20062-2017《流動式起重機 作業噪聲限值及測量方法》^[12]布置起重機測量位置及傳聲器，詳見圖8。同時按本文第2章所述內容和標準要求進行測試工況規劃，具體工況為：1）定置工況（發動機和變速箱工作，齒輪泵不工作）;2）怠速工況（發動機和變速箱工作，齒輪泵空轉）;3）變幅工況（發動機、變速箱、齒輪泵工作）。

3.2 噪聲測試結果及分析

（1）定置工況（發動機轉速800RPM，變速箱速比1），該工況的測試目的是測量發動機和變速箱在不受齒輪泵影響下的噪聲值。噪聲頻譜圖見圖9、10。

操縱室內頻譜圖，可以發現有兩個較為突出的尖峰，分別為80HZ與6714HZ左右，前者為發動機二階點火激振頻率，后者為操縱室蜂鳴器鳴叫頻率，后者為干擾項需要在后面的分析中剔除，兩處頻率分貝值均為45dB（A）左右，在定置工況下，操縱室內噪聲主要由發動機產生。

（2）怠速工況（發動機轉速900RPM，變速箱速比1.04），該工況的測試目的是測量齒輪泵在不受負載影響下的噪聲噪聲值。噪聲頻譜圖見圖11、12。

液壓泵近場噪聲中主要頻率為468HZ其次為1720HZ，其中468HZ液壓泵10齒三階轉頻：900/60×1.04×10×3=468;1720HZ暫時不清楚，估計為變速箱某一階頻率。操縱室內主要噪聲由液壓系統不動作時主溢流閥的溢流聲，該頻率為4000HZ，符合液閥溢流嘯叫的高頻噪聲特性。以及齒輪泵嚙合產生的輻射噪聲。

（3）變幅工況（發動機轉速1600RPM，變速箱速比1.04），該工況的測試目的是測量齒輪泵在高流量、大負載影響下的噪聲噪聲值。噪聲頻譜圖見圖13、14。

液壓泵近場噪聲主要來源為液壓泵10齒的一階364HZ、三階1094HZ轉頻以及9齒的一階328HZ轉頻。操縱室內主要噪聲貢獻為液壓泵10齒的一階364HZ、三階1094HZ轉頻以及9齒的一階328HZ轉頻，加上3986HZ的主溢流閥噪聲。

4 結論

綜上所述，被測車輛在作業時在液壓泵近場主要噪聲源為發動機、齒輪泵、溢流閥工作時產生的噪聲。在操縱室內主要噪聲源是齒輪泵的低頻噪聲和主溢流閥溢流時產生的高頻噪聲。下一步工作針對主溢流閥溢流時產生的高頻噪聲采用在操縱室內壁增加隔音棉進行吸振實驗，針對齒輪泵的低頻噪聲采用在齒輪泵懸置上增加彈性材料進行隔振實驗。

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[12] 參考文獻按GB/T 20062-2017《流動式起重機 作業噪聲限值及測量方法》的要求著錄.