張 強(qiáng)，陳孝玉，何 鳴，閻昌國

（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別

張 強(qiáng)，陳孝玉，何 鳴，閻昌國

（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重要因素，一直以來倍受汽車廠商關(guān)注。作者以某型國產(chǎn)變速器為研究對象，在半消聲室內(nèi)對其進(jìn)行臺架試驗(yàn)，并利用階次跟蹤原理識別出齒輪副為嘯叫噪音的聲源；同時(shí)通過對比路試前后主動齒輪的磨損量，分析出了聲源齒輪副的主要激勵源。

變速器；嘯叫；階次跟蹤；齒輪；嚙合沖擊

變速器作為汽車傳動系統(tǒng)中一個重要的組成部分，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)行過程中存在嘯叫噪音時(shí)，會大大降低乘坐的舒適性，從而降低整車的綜合性能。因此，對變速器的噪聲源進(jìn)行識別并加以控制，就顯得十分重要。

但是，變速器作為一個復(fù)雜部件，其運(yùn)行過程十分復(fù)雜，且在其運(yùn)行過程中，許多零件，如齒輪、軸、軸承等都會產(chǎn)生噪音，采用傳統(tǒng)的方法很難進(jìn)行聲源識別。因此，本文采用階次跟蹤的方法對變速器產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行測試和分析，識別出齒輪副為嘯叫噪聲的聲源。同時(shí)，對該齒輪嚙合過程中的動態(tài)激勵進(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，即每隔一個相等的時(shí)間對信號進(jìn)行一次采樣，然后對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，這種方法對于平穩(wěn)的周期信號十分有效。但是，由于變速器在轉(zhuǎn)速變化過程中產(chǎn)生的振動或噪音信號為非平穩(wěn)信號，因此采用等時(shí)間采樣的方法會使信號失真，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。

在階次跟蹤的過程中，通常以某旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)頻為參考對象[3]，定義其轉(zhuǎn)頻為1階，則其它頻率可按相應(yīng)的傳動比關(guān)系計(jì)算得到所對應(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)速無關(guān)，只與一個零部件的特征頻率有關(guān)。對旋轉(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比。由式（3）可知，齒輪嚙合頻率所對應(yīng)的階次只與齒數(shù)和兩軸之間的傳動比有關(guān)，與轉(zhuǎn)速無關(guān)。在實(shí)際的階次跟蹤過程中，對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)臺的布局如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺的布局圖

變速器的動力由動力設(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)作為動力源，測功機(jī)作為加載設(shè)備。通過控制電機(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)境對試驗(yàn)結(jié)果的干擾。

2.2 試驗(yàn)對象介紹

本次試驗(yàn)的對象為某型國產(chǎn)五檔手動變速箱，其傳動系統(tǒng)的三維模型如圖2所示。

圖2 傳動系統(tǒng)三維模型

由圖2可知，該變速器的傳動系統(tǒng)共包含四根軸：動力輸入軸、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應(yīng)的階次，如表2所示。

表1 傳動系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

表2 齒輪嚙合頻率階次表

2.3 測點(diǎn)選擇

在對變速器進(jìn)行振動測試時(shí)，測點(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）測點(diǎn)應(yīng)盡量避開殼體上的薄弱環(huán)節(jié)。

（2）測點(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。

（4）測點(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方向上布置了三個加速度傳感器，其中兩個布置在后殼體的軸承孔附近，另一個布置在前殼體的軸承孔附近，如圖3所示。

圖3 振動傳感器的布置位置

在進(jìn)行噪聲測試時(shí)，分別在距變速器中心0.5m的四個面內(nèi)布置四個麥克風(fēng)傳感器，以便測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)合測試時(shí)的主觀聽覺感受可知，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

振動測試結(jié)果也同樣說明了這一問題。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十分顯著。

圖8 二檔空載時(shí)振動信號的連續(xù)頻譜圖

圖9 二檔負(fù)載時(shí)振動信號的連續(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 激勵源的確定

齒輪副在嚙合過程中，所受的動態(tài)激勵包括內(nèi)部激勵和外部激勵兩大類[4，5]。

所謂內(nèi)部激勵是指由齒輪副的嚙合過程所產(chǎn)生的動態(tài)激勵，主要包括嚙合剛度激勵、傳遞誤差激勵和嚙合沖擊激勵。其中，嚙合剛度激勵主要是由于齒輪副在嚙合過程中其剛度的時(shí)變性而產(chǎn)生的動態(tài)激勵[6]；傳遞誤差激勵主要是由于齒輪在加工和安裝的過程中存在誤差，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[7]；嚙合沖擊激勵是由嚙入和嚙出過程中的嚙合沖擊力造成的。

對比變速器空載和負(fù)載下的臺架試驗(yàn)結(jié)果可知，負(fù)載時(shí)二檔檔位齒輪副的動態(tài)激勵顯著增加?？紤]到傳遞誤差激勵與負(fù)載的關(guān)系較小，因此基本排除誤差激勵的影響。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)過初步分析，可暫定嚙合沖擊激勵為變速器二檔負(fù)載運(yùn)行時(shí)的主要激勵源。

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齒輪，清洗后對其齒形方向進(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是二檔齒輪副在負(fù)載時(shí)的主要激勵源。

圖10 路試前后齒形對比

5 結(jié)論

本文以國產(chǎn)某型五檔手動變速箱為研究對象，在半消聲室內(nèi)對其進(jìn)行臺架試驗(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源為二檔主從動齒輪副的嚙合激勵。為了進(jìn)一步確定激勵源，將變速器裝在整車上進(jìn)行了30000km的路試。通過對比路試前后二檔主動齒輪齒形的磨損情況，最終確定了嘯叫噪聲的主要激勵源為齒輪副的嚙合沖擊激勵，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試診斷[J].機(jī)械傳動,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別上的應(yīng)用[J].機(jī)械傳動,2012,36(7):111-114.

[4]李潤方,王建軍.齒輪系統(tǒng)動力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1997.

[5]黃冠華,王興宇,梅桂明,等.內(nèi)外激勵下高速列車齒輪箱箱體動態(tài)響應(yīng)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2015,51(12):95-100.

[6]Z G Chen,Y M Shao,T C Lim.Non-linear dynamic simulation of gear response under the idling condition[J].International Journal of Automotive Technology,2012,13(4):541-552.

[7]Mats Henriksson,Yuet-Yan Pang.Transmission error as gear noise excitation[C].Asme International Design Engineering Technical Conferences&Computers&Information in Engineering Conference,2009.197-203.

（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。