基于階次跟蹤的某純電動客車的噪聲源識別

胡鴻飛，董經(jīng)魯，張 勇，董釗志

(南京金龍客車制造有限公司，南京 211215)

生產(chǎn)實踐中，某純電動客車在減速滑行的過程中出現(xiàn)異響的現(xiàn)象。確定噪聲源的方法通常有頻譜分析、瀑布圖分析、階次跟蹤、模態(tài)分析等［1］。結(jié)合實際，本文基于階次跟蹤的方法，首先對各測點的振動瀑布圖進行階次切片;然后對比分析各測點各階次的振動水平;最后確定噪聲源，提出改進措施，并對改進結(jié)果進行驗證。在新車型的研發(fā)過程中，該測試分析方法可以節(jié)省研發(fā)成本，提高效率，對生產(chǎn)實踐具有一定意義。

1 問題車輛的測試及異響轉(zhuǎn)速的確認(rèn)

1.1 測試

1)工況設(shè)置。選在晴朗、風(fēng)速低于5 m/s或無風(fēng)的天氣進行測試。在平直的道路上，樣車先從0 km/h加速至70 km/h，駕駛員隨即松開加速踏板，讓樣車自由滑行直至車輛平穩(wěn)地減速至0 km/h，測試工況為0～70～0 km/h全過程。

2)測試車輛及測點位置。測試樣車為一輛純電動客車。由于動力總成、制動系統(tǒng)相對于其他位置的振動較大，故將振動傳感器分別安裝在電機側(cè)面、電機端面、主減速器殼體、制動器支架上;同時將噪聲傳感器布置在乘員艙中間靠后的扶手處。

3)動力系統(tǒng)參數(shù)。被測車輛的驅(qū)動形式為前置后驅(qū)，電機槽數(shù)與極數(shù)之比為72/12，測試擋位為直接擋，后橋速比為43/7。

4)測試設(shè)備。本測試采用的是LMS振動噪聲采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)采集前端、振動傳感器、噪聲傳感器及Test．Lab軟件。

1.2 異響的轉(zhuǎn)速范圍

0～70～0 km/h工況下，乘員艙內(nèi)采集到的噪聲overall level曲線如圖1所示，通過軟件的錄音回放功能，發(fā)現(xiàn)在38～44 s內(nèi)出現(xiàn)異響，峰值噪聲達到81.78 dB(A)，圖1中的噪聲變化對應(yīng)時刻與圖2中電機轉(zhuǎn)速變化曲線對應(yīng)時刻相一致。

圖1 乘員艙內(nèi)overall level噪聲曲線

圖2 轉(zhuǎn)速信號圖

圖1 中的峰值噪聲出現(xiàn)在38～44 s，對應(yīng)圖2，可確定問題轉(zhuǎn)速區(qū)域為2 770～2 450 r/min，即待測車輛在滑行工況下出現(xiàn)噪聲問題。由于各測點的Z向振動明顯大于X、Y向，為快速確定噪聲源，下面截取滑行工況下各測點的Z向振動數(shù)據(jù)進行階次跟蹤分析。

2 階次跟蹤分析及改進驗證

2.1 階次跟蹤技術(shù)概述

階次跟蹤技術(shù)是從周期載荷作用(特別是旋轉(zhuǎn)機械)的測試系統(tǒng)中分離正弦成分的一種信號處理方法，被廣泛用于系統(tǒng)的故障診斷和綜合分析［2］。實質(zhì)上是通過恒定角增量采樣，將非穩(wěn)定的等時間間隔采樣轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的等角度間隔采樣，這樣可以保證信號在每個周期內(nèi)的采樣點數(shù)相同，從而使噪聲或振動信息與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，階次跟蹤可以通過采集到的轉(zhuǎn)速與振動/噪聲信息得到階次譜［3－4］。定義某一旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)速為基本轉(zhuǎn)速，相應(yīng)的基本頻率的階次為1，與該旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)速相關(guān)的頻率為基本頻率的N倍，即N階。

2.2 colormap

Test．Lab將不同轉(zhuǎn)速下的頻譜圖按轉(zhuǎn)速逐漸增加或減小順序排列得到一組頻譜，這種圖形的結(jié)構(gòu)類似瀑布，所以稱為瀑布圖［5］，如圖3所示。瀑布圖可以反映出測點振動的階次信息，對突出的階次做切片處理，得到該階次下的振動曲線。通過該曲線可以直觀地看出該階次振動相對于其他階次振動的大小，即對該測點整體振動強度(overall level)的貢獻，找到主要階次，從而找到導(dǎo)致該測點振動的主要零部件或機構(gòu)。Test．Lab中生成的colormap是瀑布圖的俯視圖，通過俯視圖可以看到振動的階次信息。圖4中的階次線與圖3中的“尖峰”相對應(yīng)。

圖3 支架Z向振動瀑布圖

2.3 階次跟蹤分析

圖4 為70～0 km/h工況下支架Z向振動colormap，其中 1、2、6、7、12、14 階較明顯，對應(yīng)圖 5 中振動曲線(虛線)，實線為該測點的整體振動強度(overall level)曲線。實線在2 770～2 450 r/min內(nèi)出現(xiàn)了振動峰值，與圖4中的“帶狀”區(qū)域，與圖1的異響區(qū)域相對應(yīng)。7、14階振動由主減速器引起，主減速器的主動齒齒數(shù)為7，電機帶動傳動軸旋轉(zhuǎn)1圈，主動齒與被動齒嚙合7次，產(chǎn)生7階噪聲，14階噪聲是主被動齒輪產(chǎn)生的二次諧波噪聲［1］;6、12階振動在2 800～2 700 r/min范圍內(nèi)作出貢獻，電機在制造加工中存在的誤差和定子開槽等原因使氣隙磁場無法滿足理想正弦分布［6］，電機產(chǎn)生的振動中不僅包括氣隙基波磁場引起的2P成分，還包含6i倍電流基頻的諧波成分 6i×(Pn/60)［6－8］，n 為轉(zhuǎn)子磁場力波次數(shù)，P 為電機極對數(shù)，i、n為正整數(shù)。由工程經(jīng)驗可知:1階振動由傳動軸(旋轉(zhuǎn)件)的動不平衡造成，2階振動一般由傳動軸當(dāng)量夾角過大導(dǎo)致。

圖4 支架Z向振動colormap

圖5 支架Z向各階振動

主減速器的Z向振動中，出現(xiàn)了與主動齒齒數(shù)相關(guān)的7、14階振動，與電機極數(shù)相關(guān)的4、6階振動及1階振動與2階振動產(chǎn)生的1.6階“拍振”［9］。電機端面與側(cè)面的 Z 向振動出現(xiàn)了 1、2、3、4、6、8、9、12、24、72、144 階，其中 6、12、24 階與電機極數(shù)相關(guān)，3、4、8、9、72、144階與電機槽數(shù)相關(guān)。

綜上所述:各測點colormap振動圖譜中，都出現(xiàn)1階、2階振動，高轉(zhuǎn)速下，制動盤的動不平衡問題將傳動軸當(dāng)量夾角問題放大，最終引起支架與制動盤發(fā)生“剮蹭”，各測點均出現(xiàn)振動峰值。改善旋轉(zhuǎn)件的動平衡需要從設(shè)計上著手，該過程需要大量的實踐驗證與仿真計算。為適應(yīng)快節(jié)奏的生產(chǎn)，調(diào)整傳動軸當(dāng)量夾角較直接有效。

2.4 改進及驗證

如圖6所示，將電機抬高，使傳動軸旋轉(zhuǎn)軸線與法蘭所在平面的夾角減小，使得當(dāng)量夾角減小。

圖6 動力傳遞路徑簡圖

圖7 為各測點在70～0 km/h工況下，傳動軸當(dāng)量夾角改變前后，各測點振動水平的對比，其中實線、虛線、點劃線、長點劃線分別代表調(diào)整前的支架、主減速器、電機側(cè)面、電機端面overall level振動曲線，加粗的實線、虛線、點劃線、長點劃線表示調(diào)整后的各測點振動曲線。調(diào)整后，支架振動峰值減小0.3g，主減速器減小0.21g，電機側(cè)面減小0.27g，電機端面減小0.38g，圖中標(biāo)注區(qū)域為2 770～2 450 r/min各測點的振動情況。

圖8為70～0 km/h工況下的噪聲對比，虛線、實線分別為修改當(dāng)量夾角前后的乘員艙內(nèi)噪聲overall level曲線，噪聲峰值減小約2 dB(A)。

圖7 修改傳動軸當(dāng)量夾角前后各測點振動對比

圖8 修改傳動軸當(dāng)量夾角前后乘員艙內(nèi)噪聲對比

3 結(jié)論

1)噪聲出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速范圍為2 770～2 450 r/min，與各測點振動出現(xiàn)峰值的范圍基本對應(yīng)。

2)發(fā)現(xiàn)各測點振動較突出的階次均存在1階、2階，分別由旋轉(zhuǎn)件的動不平衡、傳動軸當(dāng)量夾角過大引起。

3)當(dāng)量夾角減小后，噪聲峰值從81.78 dB(A)減小到79.84 dB(A)，且2 770～2 450 r/min范圍內(nèi)的振動水平得到明顯改善。