NVH檢測技術(shù)在變速器下線過程中的應(yīng)用

馬維鵬 周強 郭龍

摘要：主要從NVH測試技術(shù)基礎(chǔ)入手，對NVH的定義、變速器NVH檢測的意義進行了簡單地描述，對NVH下線臺架、NVH分析儀的分析方式及NVH各種評價手段表征的意義等方面做出了剖析。旨在為后續(xù)變速器裝配車間下線系統(tǒng)的變革提前做知識儲備，更是為裝配線無人化下線檢測技術(shù)做出指引。

關(guān)鍵詞：NVH；加載；時域；頻域；階次

NVH測試技術(shù)

NVH測試技術(shù)在汽車及其零部件產(chǎn)品質(zhì)量檢測及提升方面的作用日益顯著。NVH測試系統(tǒng)能將變速器的振動信息可視化，杜絕測試員僅憑所聽聲音進行主觀判斷，為變速器的質(zhì)量把控提供更多一重的保障。近年來，無論是質(zhì)量提升、客戶需求，還是數(shù)字化戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，無一不促使公司逐步告別老舊的空載試驗臺以及普通加載試驗臺，從而登上變速器質(zhì)量把控的一個新的臺階。

NVH分別是Noise（噪聲）、Vibration（振動）和Harshness（聲振粗糙度）的縮寫。

（1）噪聲? 是指引起人煩躁、令人不舒服或者由于音量過強而危害人體健康的聲音。噪聲是 NVH 問題中最主要的部分，常用聲壓級SPL（單位為dB）評價，主要通過頻率、級別和噪聲音質(zhì)來描述。

SPL=20lgPms/p0ms? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中 SPL——人們根據(jù)人耳對聲音強弱變化響應(yīng)的特

性，引出的一個表示聲音大小的對數(shù)量；

Pms——待測聲壓的有效值；

p0ms——標準聲壓（參考聲壓），指空氣中人聽

到的最低聲壓。

（2）振動? 描述的是系統(tǒng)狀態(tài)的參量 （如位移 ）在其基準值上下交替變化的過程。變速器的振動主要包括變速器的不平衡往復(fù)慣性力產(chǎn)生的變速器傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)擺動。一般來說，對人體舒適性影響較大的振動主要為齒輪、軸承的不正常嚙合、金屬摩擦產(chǎn)生的低頻振動等。振動主要通過頻率、振幅和方向來描述。

（3）聲振粗糙度/舒適性? 指的是振動和噪聲的品質(zhì)，它并不是一個與振動、噪聲相并列的物理概念，而是描述人體對振動和噪聲的主觀感覺，不能用客觀測量方法來直接度量。總的說來，舒適性描述的是振動和噪聲共同產(chǎn)生的使人感到疲勞的程度，它有如下三個界限。

1）舒適界限：聲振粗糙度不超過該界限，人體能感覺到振動，但對這種振動是能夠忍受的，在心理上沒有“不舒適”的感覺。

2）疲勞界限：聲振粗糙度不超過該界限，駕駛?cè)藛T大腦清醒、反應(yīng)敏捷、動作精準，能正常進行駕駛操作。

3）暴露極限：聲振粗糙度不超過該極限，不會發(fā)生嚴重影響健康和安全問題。

變速器NVH加載試驗臺

如圖1所示，變速器NVH加載試驗臺的實質(zhì)就是在普通加載試驗臺的基礎(chǔ)上配置了一系列傳感器和一套分析系統(tǒng)，而該系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是它幾乎能同步將變速器產(chǎn)生的聲音、振動進行轉(zhuǎn)化，最終以圖譜的形式展現(xiàn)出來。與此同時，臺架的分析儀會將該圖譜與最近100臺合格變速器綜合形成的一個基準圖譜作對比，對比數(shù)據(jù)再結(jié)合人為限值進行一系列運算，最終得出變速器測試結(jié)果。

振動測量：加速度傳感器，可以檢測位移、速度或者加速度，一般測量加速度。因為在低頻范圍內(nèi)，振動強度與位移成正比；中頻范圍內(nèi)，振動強度與速度成正比；高頻范圍內(nèi)，振動強度與加速度成正比。因為頻率低意味著振動體在單位時間內(nèi)振動的次數(shù)少、過程時間長，速度、加速度的數(shù)值相對較小且變化量更小，因此振動位移能夠更清晰地反映出振動強度的大小；而頻率高，意味著振動次數(shù)多、過程短，速度、尤其是加速度的數(shù)值及變化量大，因此振動強度與振動加速度成正比。

NVH的基本分析方式

一個擋位的測試過程如圖2所示，黃線代表轉(zhuǎn)速，藍線代表扭矩，兩個綠框代表NVH測試階段。6～10s屬于正拖階段，該階段輸入端扭矩較大，轉(zhuǎn)速持續(xù)增加；10～12s屬于穩(wěn)拖階段，該階段輸入端和輸出端達到平衡，轉(zhuǎn)速保持不變；12～16s屬于反拖階段，該階段輸入端扭矩變成負值，轉(zhuǎn)速持續(xù)下降。正拖跟反拖階段齒輪嚙合時接觸的齒面不同。

1.時域分析

圖3反映了變速器實際的振動情況，可以分析出一些瞬時性的敲擊及磕碰。可以看出，NVH測試過程中轉(zhuǎn)速是變化的，因此，相對于時間而言，振動的規(guī)律性就不是很強。如果分析儀等時間對曲線進行采樣（見圖4），隨著變速器轉(zhuǎn)速加快，傳感器采集到的點會越來越少，一個循環(huán)內(nèi)得到的離散點就會越來越少，特別不均勻，頻譜分析后得到的曲線就會特別不規(guī)則（失真）。比如一軸某個齒有問題，那么它轉(zhuǎn)一圈這個問題齒就會嚙合一次，但由于測試過程中轉(zhuǎn)速的變化，這個問題齒嚙合一次所用的時間都不一樣，采樣后得到的結(jié)果就會出現(xiàn)上述失真現(xiàn)象。

鑒于以上情形，實際上分析儀取點并非以時間為單位，分析儀能檢測到一軸恰好轉(zhuǎn)動一圈的點，然后傳感器在該點處不斷取樣，如圖5所示，得到的曲線就很規(guī)則。利用該采樣方式得到的加速度-轉(zhuǎn)數(shù)譜線如圖6所示，其橫坐標是輸入軸的轉(zhuǎn)數(shù)。該譜線是分析儀直接通過傳感器讀取到的信號，未經(jīng)過過多的數(shù)字化換算，分析過程中通常把該信號稱作原始信號。當圖譜上下兩側(cè)出現(xiàn)這種比較均勻的突起，就可以通過測量兩組高峰之間的距離，來確定一軸轉(zhuǎn)多少轉(zhuǎn)這個能量較高的振動發(fā)生一次。該圖像中測試結(jié)果為1.34r，說明一軸每轉(zhuǎn)動1.34r，這個現(xiàn)象發(fā)生一次，如果是齒輪的敲擊問題，就可以通過確定傳動比1.34來確定問題齒輪。

2.頻域分析

分析儀通過一種數(shù)學方式——快速傅里葉變換（FFT），就可以將時域信號轉(zhuǎn)換成頻域信號。如圖7所示，比較復(fù)雜的時域信號被分解為多組特定振幅和頻率的正玄信號，而這些正玄信號的幅值和頻率就組成了頻域信號。也就是說，當把圖3所示的加速度-時間譜線經(jīng)過快速傅里葉變換后，就可以得到如圖8所示的加速度-頻率譜線，它能更好地揭示整個測試過程中綜合信號的所有成分。

引入公式（2），就可以將頻率轉(zhuǎn)化成階次，得到如圖9所示的加速度-階次譜線。

Order=60f/w輸入軸? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中 Order——軸轉(zhuǎn)動一周某事件發(fā)生的次數(shù)，單位

為階次；

f——頻率，1s內(nèi)某事件發(fā)生的次數(shù)，單位

為Hz；

w輸入軸——轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

圖9譜線如果用上述方法直接進行分析，任意階次都將代表一軸轉(zhuǎn)動一周對應(yīng)能量的發(fā)生的次數(shù)，那么只需要找到加速度較大點，通過它的橫坐標就能直接看出一軸轉(zhuǎn)動一周能發(fā)生多少次，然后通過速比鎖定問題齒所在的齒輪。實際上卻不是這樣的，這里引入一個新的概念——調(diào)制。

調(diào)制是將能量低的消息信號與能量高的載波信號進行混合，產(chǎn)生一個新的高能量信號的過程，該信號具有更強的抗干擾能力，可以減小失真，而且該信號便于處理和解析。信號都有幅度、頻率和相位等關(guān)鍵參數(shù)，一般可以根據(jù)消息信號選擇改變載波信號的幅度、頻率和相位，也就是所謂的調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。在調(diào)制過程中，載波信號的特性會根據(jù)調(diào)制方式發(fā)生變化，但是調(diào)制波的特性一般不會發(fā)生改變。

變速器齒輪的輪齒在進入和脫離嚙合時，載荷突變、碰撞加劇，瞬時的高頻沖擊振幅與周期性變化的轉(zhuǎn)頻振幅相互疊加而產(chǎn)生幅值調(diào)制；制造時的輪齒分度不均勻，即周節(jié)誤差使旋轉(zhuǎn)速率發(fā)生變化則產(chǎn)生了頻率調(diào)制，調(diào)制過程如圖10所示。通過傅里葉變換及其他一系列運算，表現(xiàn)在頻譜圖上，是以載波為中心，調(diào)制波為邊帶（邊頻帶）的曲線，如圖11所示，可以通過測量邊帶與中心的距離去判斷嚙合故障發(fā)生的頻率，然后通過速比關(guān)系確定故障在變速器的具體位置。如果缺陷分布較均勻（如磨損），頻譜圖上的邊頻帶則顯現(xiàn)為窄、高、起伏大；如果發(fā)生斷齒或大的局部性缺陷，邊帶則寬、低、平。

一般情況，較高的頻率會形成載頻，較低的頻率會形成邊帶。齒輪嚙合時，載頻一般是齒輪嚙合頻率，邊帶對應(yīng)軸轉(zhuǎn)動的頻率，邊帶與載頻具有相當于軸頻的距離。對于軸承而言，載頻是滾子的旋轉(zhuǎn)頻率，而邊帶寬度相應(yīng)于軸頻。另外非正弦調(diào)制會引起多個等距離的邊帶，如圖12所示，此時等距邊帶之間的距離即為故障發(fā)生的階次。

基于上述兩大分析方式的幾種評價手段如下：

1.質(zhì)量品質(zhì)QI

如圖9（加速度-階次譜線）所示，紅線外側(cè)包裹的兩條藍色曲線為臺架通過最近100臺合格變速器自學習后形成的一個上、下容限帶，而質(zhì)量品質(zhì)表征的就是測試過程中超出容限帶范圍的能量總和所處的一個水平。

QI=（超過限值的能量總和/絕對閥值） ×100%? ? ?（3）

階次分析閥值是一個具體數(shù)值，可以結(jié)合廠內(nèi)出廠標準以及顧客的質(zhì)量要求驗證后進行調(diào)節(jié)（見圖13），以此來改變QI值的大小。

如圖14所示，一般當QI值為0～79%，表格顯示為綠色，表示該種評價方式下測試變速器合格；當QI值在79%～99%，表格顯示為黃色，表示測試變速器在該種評價方式下處于臨界范圍；當QI值≥100%，表格顯示為紅色，表示測試不合格。

2.相對質(zhì)量品質(zhì)QI/R

QI/R=[（超過限值的能量/其對應(yīng)限值）的總和/階次分析儀中的相對閥值]×100%? ? ? ? ? ? ?（4）

跟QI評價方式類似，同樣是拿超出部分的總能量進行運算，該種方式的優(yōu)勢在于能夠發(fā)現(xiàn)一些超出總能量本身不是太大，但比限值高出幅度較大的情況。圖15反饋的就是一個高頻的金屬摩擦，測試譜線超出限值的部分不多，且超出的總能量明顯不是很高，也就是QI值不是很大。但其225階附近能量高出限值相對較大，也就是該位置處超過限值的能量與其對應(yīng)限值的比值較大，那么計算后的相對質(zhì)量品質(zhì)就比較大。QI/R的閥值調(diào)節(jié)方式與QI調(diào)節(jié)方式相同，而且最終測試結(jié)果評判標準也一致，綠色表格的QI/R=0～79%，相對質(zhì)量品質(zhì)合格、黃色表格的QI/R=80%～99%，相對質(zhì)量品質(zhì)處于臨界水平、紅色表格QI/R≥100%，相對質(zhì)量品質(zhì)不合格。

3.峰態(tài)Kurtosis

峰態(tài)又叫峰度、峰度系數(shù)，它主要針對時域信號（見圖16）。峰度是描述總體中所有取值分布形態(tài)陡緩程度的統(tǒng)計量，若峰度值比較低的話，時域信號中就不會有加速度較大的那些尖銳部分。此評價方式中，分析儀針對變速器時域信號中多組數(shù)據(jù)分別計算峰度系數(shù)值，每組數(shù)據(jù)容量為n。然后分析儀統(tǒng)計峰度值超出分析儀給定限值范圍的數(shù)據(jù)組數(shù)，通過跟分析儀允許的最大溢出個數(shù)比較后得出結(jié)論。該種評價方式對瞬時性的敲擊及磕碰等比較敏感。

峰度以K表示，正態(tài)分布的峰度為3，計算峰度時以正態(tài)分布為參照，峰度數(shù)值越大，信號越不平緩。如圖所示，一般時域信號有一些比較尖銳的峰出現(xiàn)時，峰態(tài)不合格的可能性就越大。

峰值圖像（見圖17）中的橫坐標與時域信號中的橫坐標一致，都是轉(zhuǎn)數(shù)，但它的縱坐標為峰度值K。該圖像中每組計算條數(shù)n設(shè)置的是256，最大溢出15個點，峰值K的限值設(shè)置的是4.5。該折線中的每個點都表示：在時域信號中轉(zhuǎn)數(shù)與折線中的每個點對應(yīng)的這一小段，它的256個點通過上面的峰度計算公式計算后的結(jié)果就是折線圖中的縱坐標K值。下圖中的“每組計算條數(shù)n”可以設(shè)置。在分析儀收集信號時點的總個數(shù)不變的情況下，n越大，折線圖中點的個數(shù)越小。在其他設(shè)置不變的情況下，限值越小合格率越小、最大溢出量越小合格率越低，這兩個值的設(shè)置也需要結(jié)合廠內(nèi)出廠標準以及主機廠質(zhì)量要求驗證后進行調(diào)節(jié)。

結(jié)語

NVH下線一般還包括階次自動計算模塊及數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊，要想讓NVH檢測儀器充分發(fā)揮它的價值，就需要多關(guān)注測試數(shù)據(jù)的準確性，另外需要對應(yīng)不同箱型、不同客戶需求以及售后數(shù)據(jù)等實時維護檢測閥值。目前數(shù)字化轉(zhuǎn)型已成為所有企業(yè)的共同使命，客戶的認可度及工廠的自動化水平提高是我們應(yīng)該努力的方向，汽車關(guān)鍵零部件甚至汽車總成下線檢測技術(shù)也不得不邁上新的臺階。NVH下線檢測技術(shù)終將全面替代傳統(tǒng)檢測方式，NVH下線檢測技術(shù)的深入研究也是迫在眉睫。

參考資料

[1] 侯燦明，王新晴，王志強.邊頻帶特征在齒輪箱故障狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].精密制造與自動化，2004（3）：28-29.

[2] 寇漢萍.邊頻帶分析在齒輪故障診斷中的應(yīng)用[J].冶金設(shè)備，2009（3）：36-38，71.

[3] 王志強，侯燦明，王新晴，等.邊頻帶譜理論的齒輪箱故障診斷[J].起重運輸機械，2004（11）：52-54.

[4] 蔣國平，王國林，陳步達.車輛動力傳動系振動研究評述[J].江蘇理工大學學報，2000，21（3）：22-26.

[5] 范習民，陳劍，宋萍，高煜.基于系統(tǒng)工程原理的汽車NVH正向設(shè)計流程[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2007（7）：3-5.

[6] 龐劍，諶剛，何華，汽車噪聲與振動——理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學出版社，2006.