用階次分析法識別起動機(jī)的異常噪聲

王天利，張相坤，楊亮

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧錦州121001；2.錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧錦州121013）

用階次分析法識別起動機(jī)的異常噪聲

王天利1，張相坤1，楊亮2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧錦州121001；2.錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧錦州121013）

對汽車起動機(jī)停機(jī)過程進(jìn)行了檢測，并對其同時分別對驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速和起動機(jī)噪聲進(jìn)行試驗分析。采用階次分析方法對測量結(jié)果進(jìn)行處理，得到異常噪聲的特征分量以及對應(yīng)的階次。進(jìn)一步分析被測起動機(jī)的具體結(jié)構(gòu)，取得出被測起動機(jī)停機(jī)過程的異常噪聲與其電樞槽數(shù)密切相關(guān)的結(jié)論。分析結(jié)果表明階次等于與電樞槽數(shù)與減速比乘積的特征分量相同時；對起動機(jī)停機(jī)階段異常噪聲影響最大。其結(jié)論為減少或消除起動機(jī)工作異常噪聲提供了理論依據(jù)，并提出了恰當(dāng)?shù)牟僮鞣椒ǖ慕ㄗh。

聲學(xué)；汽車；起動機(jī)；異常噪聲；階次分析

近年來，由于市場競爭程度的激烈和用戶對產(chǎn)品性能要求的提升，使得噪聲已經(jīng)成為起動機(jī)性能的一項重要指標(biāo)。雖然在起動機(jī)設(shè)計階段已經(jīng)考慮到噪聲對起動機(jī)性能的影響，但是在實際應(yīng)用中仍然存在異常噪聲問題。因此，有效診斷分析起動機(jī)異常噪聲并加以消除或減小，對判斷、提升起動機(jī)品質(zhì)具有重要意義[1]。

傳統(tǒng)噪聲診斷分析方法有聲壓法、聲強法和頻譜分析法，并且各自適用于不同工況和場合[2]。由于起動機(jī)在退出與發(fā)動機(jī)飛輪嚙合過程中，其電樞旋轉(zhuǎn)速度并非處于穩(wěn)定狀態(tài)，使所測得振動信號頻率成分在不斷變化，在進(jìn)行傳統(tǒng)的頻譜分析時，會產(chǎn)生明顯的“頻率模糊”現(xiàn)象[2，4]。而階次分析方法是一種有效的非穩(wěn)態(tài)信號分析方法，因此本文采用階次分析法對起動機(jī)齒頭退出嚙合直至停止轉(zhuǎn)動過程中的異常噪聲進(jìn)行診斷，并重點分析異常噪聲產(chǎn)生的主要原因。

1 階次分析的基本原理

階次分析的實質(zhì)是將非穩(wěn)定的等時間間隔采樣，通過恒定角增量采樣轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的等角度間隔采樣信號。保證在信號的每一周期內(nèi)都保持相同的采樣點數(shù)，使其能更好地反映與轉(zhuǎn)速相關(guān)的噪聲信息。通過對獲取的轉(zhuǎn)速與噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到階次譜[5]，如圖5所示。在圖5中X軸代表起動機(jī)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，Y軸代表噪聲頻率；圖中的直線代表特征分量的階次；顏色代表噪聲聲壓級的大小，顏色越亮說明噪聲聲壓級越大。利用噪聲的階次譜可以準(zhǔn)確跟蹤起動機(jī)運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)噪聲的各階次特征分量。

2 階次法分析起動機(jī)異常噪聲

2.1 試驗?zāi)康?/p>

通過對起動機(jī)噪聲信號進(jìn)行階次分析，確定噪聲信號的主要頻率成分及與異常噪聲的產(chǎn)生有密切關(guān)系的部件，為改善起動機(jī)的噪聲情況提供參考依據(jù)。

2.2 試驗儀器與設(shè)備

試驗在半消音室中進(jìn)行，采用比利時LMS公司LMS Test.Lab 11B分析儀系統(tǒng)，系統(tǒng)是高速多通道采集系統(tǒng)，并集成試驗、分析以及電子報告工具的完美結(jié)合。其試驗所用轉(zhuǎn)速傳感器與噪聲傳感器及其試驗平臺都是基于某起動機(jī)公司測試起動機(jī)噪聲的測試平臺。

2.3 試驗方法與過程

根據(jù)《旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測定方法及限值》（GB 10069.1-2006）等有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，在半消音室中進(jìn)行測試起動機(jī)電樞為25槽和29槽的起動機(jī)。試驗過程與條件：在12 V直流電壓下，起動機(jī)開始轉(zhuǎn)動并加速至穩(wěn)定的工作轉(zhuǎn)速并持續(xù)穩(wěn)定運轉(zhuǎn)一段時間；而后斷電，起動機(jī)電樞減速直至停止。將轉(zhuǎn)速傳感器安裝在距離起動機(jī)驅(qū)動齒輪3～5 mm處并測量其轉(zhuǎn)速；而噪聲傳感器位于起動機(jī)外殼130 mm處，并與起動機(jī)中心軸線處于同一平面。采樣帶寬51 kHz，采樣頻率為120 kHz。

2.4 測試結(jié)果分析

首先分析起動機(jī)噪聲總聲壓級隨時間的變化[6,7]。圖1所示曲線是起動機(jī)由起動、工作到停機(jī)過程中噪聲總聲壓級隨時間變化的曲線，其橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)軸為A計權(quán)聲壓級。由圖1可見，在4.2～8.8 s的時間段內(nèi)起動機(jī)完成了起動、工作到停止的全過程。其中4.2～4.3 s區(qū)間為起動時段；4.3～7.7 s區(qū)間為工作時段；7.7～8.8 s區(qū)間為停機(jī)時段。顯然，起動時段起動機(jī)噪聲總聲壓級發(fā)生突變并且最大；工作時段起動機(jī)噪聲總聲壓級雖有波動，但基本穩(wěn)定在83.3 dB附近；停機(jī)時段起動機(jī)噪聲總聲壓級按突變、抖動、迅速衰減的規(guī)律下降。理論分析和工程實踐表明：起動機(jī)噪聲總聲壓級在起動時段的突變、工作時段的波動以及停機(jī)時段開始區(qū)間的突變和最后的迅速衰減屬于正常現(xiàn)象，而在停機(jī)過程的中間時段出現(xiàn)的起動機(jī)噪聲總聲壓級的劇烈抖動是異常現(xiàn)象，屬于異常噪聲，并表現(xiàn)為衰減緩慢而且波動大。同時由圖1可見，在8.42 s時噪聲波動量最大，此時A計權(quán)聲壓級為83.3 dB。

顯然，圖1無法判斷起動機(jī)出現(xiàn)異常噪聲的轉(zhuǎn)速區(qū)間，為此提取起動機(jī)由起動、工作到停機(jī)過程中驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)速隨時間變化的曲線，如圖2所示。比較圖1和圖2可見，異常噪聲出現(xiàn)在驅(qū)動齒輪為600～2 800 r/m in的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，且在噪聲波動量最大的8.42 s時，驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)速約為968 r/min，頻率為16.13 Hz。由于被測起動機(jī)為29槽永磁減速起動機(jī)，且減速傳動比為4.9，因此可以推論出起動機(jī)電樞轉(zhuǎn)速約為4 740 r/m in，頻率為79 Hz。

圖1 噪聲總聲壓級隨時間變化圖

圖2 起動機(jī)驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)速隨時間變化圖

為分析異常噪聲的頻率成分，提取起動機(jī)驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)速為968 r/m in時的噪聲頻譜，如圖3.所示。顯然，此時起動機(jī)異常噪聲主要分布在2 291 Hz、4 582 Hz、6 873 Hz這幾個頻率點附近，其中2 291 Hz頻率成分最為突出，而該頻率成分恰好是起動機(jī)電樞轉(zhuǎn)動頻率的29倍。同理，如果把起動機(jī)驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)動頻率看作是基頻，則其它幾個頻率點基本上也是起動機(jī)電樞轉(zhuǎn)動頻率的倍數(shù)，因此可認(rèn)為此時的異常噪聲均是起動機(jī)電樞轉(zhuǎn)動頻率的高次諧波分量。即把起動機(jī)驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)動頻率作1階，則其電樞的轉(zhuǎn)動頻率為4.9階，因此起動機(jī)驅(qū)動齒輪在退出嚙合階段主要異常噪聲階次分別為142.1階、284.2階、426.3階。

圖3 968 r/min噪聲頻譜

為進(jìn)一步分析異常噪聲階次與總聲壓級的關(guān)系，繪制起動機(jī)驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)速為968 r/m in時異常噪聲的階次分析譜，如圖4所示。圖中可見，異常噪聲總聲壓級主要集中在142.1階、284.2階、426.3階這幾個特征分量上，其中142.1階的特征分量最為突出。如前所述，由于起動機(jī)驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)速為968 r/ min時，其轉(zhuǎn)動基頻為16.13 Hz，因此，主要特征分量所對應(yīng)的頻率成分分別約為2 292 Hz、4 584 Hz、6 876 Hz，所以分析結(jié)果與圖3的噪聲頻譜分析結(jié)果基本相同。

圖4 異常噪聲階次圖

圖3、圖4分別顯示了異常噪聲總聲壓級與頻率和階次的變化，為確認(rèn)三者的關(guān)系，可以采用如圖5所示的階次分析譜。圖5為起動機(jī)工作全過程噪聲的階次分析譜，其中橫坐標(biāo)代表轉(zhuǎn)速；縱坐標(biāo)代表頻率；圖片中的亮度代表聲壓級大小，亮度越大，聲壓級越大。由圖5可見，在整個工作過程中，異常噪聲主要集中在142.1階、284.2階、426.3階這幾個特征分量，且?guī)讉€特征分量的聲壓級隨著轉(zhuǎn)速升高而增大。同時幾個特征分量基本是起動機(jī)電樞的槽數(shù)與減速比乘積的1倍、2倍、3倍，因此可以判定異常噪聲與起動機(jī)電樞的槽數(shù)有關(guān)。

圖5 29槽起動機(jī)工作全過程階次譜

為確認(rèn)上述“異常噪聲與起動機(jī)電樞的槽數(shù)有關(guān)”的判斷，使用前述試驗系統(tǒng)對25槽電樞的同規(guī)格起動機(jī)進(jìn)行相同試驗，并得到如圖6所示的階次譜。由圖6可見，異常噪聲總聲壓級特征分量對應(yīng)的是122.5階、245階、367.5階，而這三個階次也是電樞槽數(shù)與減速比乘積的1倍、2倍、3倍。因此，可以斷定起動機(jī)停機(jī)時段的異常噪聲與起動機(jī)電樞的槽數(shù)密切相關(guān)。

圖6 25槽起動機(jī)工作全過程階次譜

如上所述，起動機(jī)停機(jī)時段的異常噪聲與起動機(jī)電樞的槽數(shù)密切相關(guān)，且異常噪聲總聲壓級特征分量對應(yīng)的階次是電樞槽數(shù)與減速比乘積的1倍、2倍、3倍。為分析上述三個階次對異常噪聲的“貢獻(xiàn)”，繪制如圖7所示的29槽起動機(jī)轉(zhuǎn)速與聲壓級曲線圖，即三個階次“貢獻(xiàn)”的異常噪聲聲壓級隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。由圖7可見，在起動機(jī)停機(jī)過程中，隨著轉(zhuǎn)速的降低，噪聲聲壓級逐漸降低，而且在600～2 800 r/m in內(nèi)，除個別區(qū)域外，階次為電樞槽數(shù)與減速比乘積的特征分量的聲壓級一直高于其它特征分量的聲壓級。因此在三個階次中，該階次對異常噪聲的“貢獻(xiàn)”最大。

圖7 轉(zhuǎn)速與聲壓級曲線圖

3 結(jié)語

(1)通過同時測量停機(jī)過程起動機(jī)驅(qū)動齒輪的轉(zhuǎn)速和起動機(jī)噪聲，并采取階次分析的方法分析測量結(jié)果可以得到異常噪聲的特征分量以及對應(yīng)的階次。進(jìn)一步分析起動機(jī)的具體結(jié)構(gòu)，可以判斷異常噪聲與起動機(jī)的某個部件密切相關(guān)，并為減少或消除異常噪聲，提升起動機(jī)品質(zhì)奠定基礎(chǔ)；

(2)起動機(jī)停機(jī)階段的異常噪聲與電樞槽數(shù)密切相關(guān)，而且噪聲總聲壓級特征分量對應(yīng)的階次是電樞槽數(shù)與減速比乘積的1倍、2倍、3倍；

(3)階次為電樞槽數(shù)與減速比乘積的特征分量對起動機(jī)停機(jī)階段異常噪聲的“貢獻(xiàn)”最大。

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Application of OrderAnalysis Method to Diagnosis of Abnormal Noise of Starters

WANG Tian-li1,ZHANG Xiangkun1,YANG Liang2

（1.Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,Liaoning China; 2.Jinzhou Halla Electrical Equipment Co.Ltd.,Jinzhou 121013,Liaoning China)

The automobile starter’s stopping process is observed,and the driving gear’s rotational speed and the starter’s noise are analyzed experimentally.Measurement results are processed using order analysis method so that the characteristics of abnormal noise and the corresponding order are thus obtained.Furthermore,the measured starter’s structure is studied.It is concluded that the abnormal noise is closely related to the armature slot number.Analysis indicates that when the order is equal to the product of the armature slot number and the speed reduction ratio,the armature slot number has the largest influence on the abnormal noise in the stopping process of the starter.Finally,a pertinent suggestion for starter operation is proposed.This work has offered a reference for reducing or elim inating starter’s abnormal noise.

acoustics;car;starter;abnormal noise;order analysis

TB5；U464.337+.1

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.038

1006-1355(2014)01-0169-04

2012-03-06

王天利（1957-），男，遼寧錦州人，碩士，教授，研究方向汽車測試技術(shù)、汽車動力學(xué)。

E-mail:936028679@qq.com