基于階次跟蹤的變速箱嘯叫噪聲初探

付大鵬

摘 要 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車行業(yè)也得到了逐漸的發(fā)展和壯大，在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，對(duì)噪聲的控制成為焦點(diǎn)話題。變速箱作為汽車的主要組成部分，能夠?qū)υ肼暤目刂破痍P(guān)鍵性作用。本文將對(duì)階次跟蹤、擬合轉(zhuǎn)速以及變換階次跟蹤進(jìn)行分析，并列舉出某變速箱嘯叫的具體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞 變速箱；噪聲；階次跟蹤

中圖分類號(hào) TB53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）17-0216-02

隨著人們生活水平逐漸提升，對(duì)環(huán)境的質(zhì)量要求越來(lái)越高，噪音污染成為危害環(huán)境的主要因素。其中，汽車的噪聲污染是聲音污染的主要來(lái)源，同時(shí)其噪聲大小與汽車質(zhì)量息息相關(guān)。汽車中的噪聲來(lái)源主要為變速箱，其主要包括齒輪、軸承以及其他零部件，在其進(jìn)行發(fā)動(dòng)的過(guò)程中，將會(huì)產(chǎn)生軸轉(zhuǎn)頻以及齒輪嚙合等相關(guān)的噪聲。

1 階次跟蹤分析

階次跟蹤的作用是對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件中存在的故障進(jìn)行分析，利用等角度間隔采樣的方式將其中存在的波動(dòng)較大的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檩^為平穩(wěn)的信號(hào)，并且包含階次信息。同時(shí)，利用傳統(tǒng)頻譜的方式對(duì)旋轉(zhuǎn)部件的震動(dòng)和噪聲信號(hào)等進(jìn)行分析，并且對(duì)聲源進(jìn)行定位，在階次域中選取出一個(gè)階次信號(hào)對(duì)其進(jìn)行跟蹤。

階次又被稱為是階比，在對(duì)旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行研究時(shí)，將參考的軸轉(zhuǎn)頻稱作為是一階，其余的軸以及部件的頻率都被稱作為是階次，是參考軸的倍數(shù)。其中，階次域參考軸轉(zhuǎn)速和頻率之間的表達(dá)式為：

在此表達(dá)式中，代表的是頻率，單位為Hz；代表的是參考軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；例如，參考軸到第i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度比的倒數(shù)為其所轉(zhuǎn)動(dòng)的階次，第i軸的階次與該齒輪數(shù)量相乘能夠得到第i軸上齒輪嚙合的階次。

階次跟蹤中的硬件采樣主要是通過(guò)硬件中的脈沖計(jì)數(shù)，即旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度算是進(jìn)行一次脈沖，并對(duì)其進(jìn)行一次采樣，最終可以對(duì)所采取的信號(hào)進(jìn)行直接的階次分析。但是由于這種采用的方式所應(yīng)用的設(shè)備較高且較為復(fù)雜，因此不適宜進(jìn)行廣泛的推廣。利用軟件的方式進(jìn)行采樣主要是利用傳統(tǒng)的相同時(shí)間間隔進(jìn)行信號(hào)的采取，這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)向角度間隔轉(zhuǎn)變的采樣信號(hào)，該方式具有靈活的計(jì)算方式，極大地降低了實(shí)驗(yàn)成本，因此得到廣泛的應(yīng)用[1]。

2 擬合轉(zhuǎn)速和變換階次跟蹤

2.1 分段三次埃爾米特多項(xiàng)式擬合轉(zhuǎn)速

要想進(jìn)行等角度間隔的重采樣需要利用轉(zhuǎn)速表達(dá)式進(jìn)行，但是，在以往傳統(tǒng)的多項(xiàng)式擬合方法中主要采用的是最小二乘法的方式，即依據(jù)最小方差擬合。一旦發(fā)生轉(zhuǎn)速變化十分顯著或者角度范圍明顯擴(kuò)大的情況時(shí)，獲得的轉(zhuǎn)速多項(xiàng)式以及原始變速箱信號(hào)之間產(chǎn)生的誤差變大，從而使階次跟蹤的精度受到較大的不利影響。

根據(jù)分段三次埃爾米特多項(xiàng)式的要求擬合，曲線經(jīng)過(guò)所有已知的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，一階導(dǎo)數(shù)需要將每一個(gè)點(diǎn)連接在一起。原始數(shù)據(jù)將由n個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成，將每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)之間的距離看作為一段，那么將會(huì)得到n-1段，進(jìn)而得到n-1個(gè)多項(xiàng)式。因此，維多項(xiàng)式系數(shù)的矩陣為：

在矩陣A中，每行元素將代表多項(xiàng)式中的系數(shù)對(duì)變速箱中的軸轉(zhuǎn)速曲線進(jìn)行擬合，利用分段三次多項(xiàng)式的方式得到轉(zhuǎn)速公式，再利用最小二乘法的方式對(duì)轉(zhuǎn)速原始信號(hào)以及分段三次擬合后的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)分析結(jié)果能夠得出，在擬合的精度方面，分段三次多項(xiàng)式將高于最小二乘法。因此，對(duì)具有較大波動(dòng)的離散轉(zhuǎn)速信號(hào)的分析中，利用分段三次多項(xiàng)式的方式更能夠符合實(shí)際需求。

2.2 短時(shí)傅里葉變換階次的跟蹤

在現(xiàn)實(shí)工作中，隨著時(shí)間的變化頻率也將發(fā)生不同的改變，利用短時(shí)傅里葉變換的方式將能夠在充分反應(yīng)信號(hào)隱藏的內(nèi)部信息同時(shí)，又能夠?qū)⒉煌l率產(chǎn)生的時(shí)間進(jìn)行展現(xiàn)。在該變換的過(guò)程中，利用窗函數(shù)來(lái)截取部分信號(hào)，并且對(duì)所截取的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，取得一定時(shí)間段內(nèi)該信號(hào)的變換數(shù)值。同時(shí)，將窗函數(shù)的位置不斷進(jìn)行改變，從而得到不同時(shí)間段的變換數(shù)值。傅里葉變換除了能夠?qū)㈩l域中的信息進(jìn)行表達(dá)之外，在其進(jìn)行的階次跟蹤過(guò)程中，同樣可以通過(guò)窗函數(shù)中的中心數(shù)值獲取轉(zhuǎn)速的相關(guān)信息。在對(duì)等角度重采樣信號(hào)進(jìn)行變換時(shí)能夠得到多個(gè)階段中的傅里葉變換數(shù)值，將其進(jìn)行連接插值之后將能夠獲取到轉(zhuǎn)速信號(hào)，這將能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)任何階信號(hào)進(jìn)行提取跟蹤。

3 某變速箱嘯叫的具體實(shí)驗(yàn)分析

本文將對(duì)A車型手動(dòng)變速箱中存在的嘯叫問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。首先，在車廂的不同位置處設(shè)置多個(gè)4189類型的傳聲器，并將光電式轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)位置。在不同的行駛狀態(tài)下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中傳出的轉(zhuǎn)速信號(hào)和噪聲進(jìn)行采集，其中，前者的重采樣率為100Hz，后者的采樣率為20Hz，利用階次跟蹤的方式將噪聲信號(hào)進(jìn)行記錄和定位，從而對(duì)噪聲的特征進(jìn)行分析。

在分段三次多項(xiàng)式擬合以及傅里葉的變換基礎(chǔ)上，利用MATLAB進(jìn)行計(jì)算階次跟蹤腳本程序的編寫，進(jìn)而對(duì)階次進(jìn)行分析和跟蹤計(jì)算。例如，中控臺(tái)中的傳聲器所收集到的噪音，利用等角度間隔重采樣之后將噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)榻嵌扔虻男盘?hào)，再與相同時(shí)間采樣信號(hào)進(jìn)行對(duì)比能夠得出噪聲的頻率將隨著對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化而發(fā)生改變。將兩種方式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果就進(jìn)行對(duì)比能夠看出，由于在轉(zhuǎn)速擬合中具有較大的誤差存在，因此利用最小二乘法進(jìn)行的多項(xiàng)式擬合的噪聲階次譜，難以對(duì)A型車中的二檔齒輪噪聲進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的階峰值都將數(shù)據(jù)階次混淆的現(xiàn)象。而利用分段三次多項(xiàng)式進(jìn)行的噪聲階次譜中，由于轉(zhuǎn)速的精度較高，因此階次譜中的分析也十分準(zhǔn)確，更加適用于轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大的情況下[2]。

對(duì)于為提升分析精度而導(dǎo)致的階次譜線發(fā)生密集或者摻雜大量階次成分的現(xiàn)象，應(yīng)該屬于在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣的過(guò)程中所混入的成分。根據(jù)此次對(duì)于A型車進(jìn)行的噪聲實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻贸?，通常用戶所能夠接受的噪聲主要為：一擋變速箱中的聲音與車廂內(nèi)正常的噪聲低7.5dB；除一擋之外的擋位，其變速箱中的噪聲應(yīng)比車內(nèi)平均噪聲低15dB。車廂內(nèi)的平均噪聲壓級(jí)主要源于車廂內(nèi)所設(shè)置的傳感器所記錄的信號(hào)以及任意時(shí)間段內(nèi)的聲壓級(jí)平均值。此外，利用階次跟蹤能夠通過(guò)三維階次譜將變速箱中二擋的某幾個(gè)階次進(jìn)行提取，跟隨變速箱中軸轉(zhuǎn)速的變化而在聲壓方面發(fā)生改變，同時(shí)在轉(zhuǎn)速發(fā)生改變的情況下，車內(nèi)的噪聲平均值能夠減少15dB。變速箱中二擋聲壓級(jí)在2 700～3 700r/min的范圍內(nèi)時(shí)，車內(nèi)的平均聲壓級(jí)將減少15dB，達(dá)到50dB左右，具有明顯的嘯叫噪聲；變速箱中二擋聲壓級(jí)在3 000～4 700r/min的范圍內(nèi)時(shí)，車內(nèi)的平均聲壓級(jí)將減少15dB，達(dá)到50dB左右，依然具有明顯的嘯叫噪聲。根據(jù)此次實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺浞值贸鲈肼曊Z(yǔ)譜圖與實(shí)際的主觀感受完全相符。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車行業(yè)也得到了逐漸的發(fā)展和壯大，噪聲的控制已經(jīng)成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。變速箱作為汽車的主要組成部分，能夠?qū)υ肼暤目刂破痍P(guān)鍵性作用。本文將利用最小二乘法以及分段三次埃爾米特多項(xiàng)式進(jìn)行對(duì)比分析，并通過(guò)具體的車廂噪聲實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)。此外，利用傅里葉變換對(duì)階次進(jìn)行跟蹤分析，進(jìn)一步證明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性。

參考文獻(xiàn)

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[2]王鵬，吳光強(qiáng)，欒文博.基于平滑偽維格納分布與階次跟蹤的汽車變速器嘯叫噪聲分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2014，38（9）：128-133.endprint