汽車(chē)起重機(jī)齒輪泵噪聲研究

李劼人 董立 王開(kāi)宇 宋雅培 王建民

摘 要：文章分析了汽車(chē)起重機(jī)使用的齒輪泵產(chǎn)生噪聲的內(nèi)外部激勵(lì)。介紹了工況載荷下噪聲傳遞路徑分析方法，并對(duì)某型號(hào)25噸級(jí)汽車(chē)起重機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了噪聲測(cè)試及頻譜分析，分結(jié)果表明齒輪泵是汽車(chē)起重機(jī)作業(yè)時(shí)操縱室內(nèi)重要的噪聲源，在汽車(chē)起重機(jī)常用的怠速工況時(shí)所占比例最大，降低此噪聲源可以極大的提高汽車(chē)起重機(jī)產(chǎn)品的使用舒適性，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)起重機(jī);齒輪泵;傳遞路徑;噪聲頻譜標(biāo)定

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.6+4 TH137.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）10-145-05

Study on the Noise of Gear Pump of Truck Crane

Li Jieren¹， Dong Li¹，?Wang Kaiyu¹， Song Yapei¹， Wang Jianmin²

（1.Anhui liugong Crane co.， Ltd?Research Institute， Anhui?Bengbu?233010;2. Anhui University Of Science & Technology， Anhui?Huainan 232038）

Abstract：?This paper analyzes the internal and external excitation of the gear pump used in the truck crane.?This paper introduces the analysis method of noise transmission path under the working condition load， and tests the spectrum noise of a 25t truck crane product. The test results show that gear pump is an important noise source in the operation room of truck crane， which accounts for the largest proportion in the commonly used idle working condition of truck crane. Reducing this noise source can greatly improve the truck crane product The use of comfort， improve product competitiveness.

Keywords： Crane; Gear pump; Transfer path; Noise spectrum calibration

CLC NO.： U469.6+4 ?TH137.3 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）10-145-05

前言

齒輪泵是汽車(chē)起重機(jī)的動(dòng)力來(lái)源，但同時(shí)也是汽車(chē)起重機(jī)振動(dòng)的主要激勵(lì)源，齒輪泵振動(dòng)如果不能得到很好的控制，會(huì)引起車(chē)架以及其他與車(chē)架相連接的零部件產(chǎn)生振動(dòng)與噪聲，影響起重機(jī)的 NVH 水平，甚至?xí)茐钠鹬貦C(jī)零部件，縮短起重機(jī)使用壽命。齒輪泵系統(tǒng)包括齒輪泵、相關(guān)液壓管路、傳動(dòng)軸和懸置裝置等。齒輪泵懸置即為隔離齒輪泵振動(dòng)向車(chē)身傳遞及衰減外部激勵(lì)引起的齒輪泵共振的裝置。一般來(lái)說(shuō)，齒輪泵振動(dòng)激勵(lì)源分為內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)兩類(lèi)。根據(jù)噪聲傳遞路徑的不同，如圖1所示，齒輪泵的輻射噪聲主要由通過(guò)泵體內(nèi)部聲腔產(chǎn)生并直接輻射到空氣中形成的空氣傳遞聲以及動(dòng)力傳遞過(guò)程中經(jīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)傳遞到齒輪泵殼體上的機(jī)械振動(dòng)激勵(lì)，使殼體振動(dòng)向空氣中輻射噪聲的結(jié)構(gòu)傳遞聲兩部分^{[1，2，3]}。

1 齒輪泵噪聲原因分析

1.1 內(nèi)部激勵(lì)分析

齒輪泵主從齒輪嚙合時(shí)，齒輪會(huì)發(fā)出敲擊噪聲，一般將這種噪聲稱(chēng)為嘯叫，主要有3種形式：?jiǎn)芜吳脫粼肼暋㈦p邊敲擊噪聲和間歇性敲擊噪聲。當(dāng)被動(dòng)齒輪的慣性力矩大于阻滯力矩時(shí)，齒輪副將會(huì)產(chǎn)生敲擊。因此，準(zhǔn)確獲得齒輪阻滯力矩對(duì)研究齒輪敲擊非常重要^[4，5]。

齒輪泵空載怠速時(shí)，齒輪嚙合驅(qū)動(dòng)側(cè)隙距離與背隙側(cè)距離相互交替變化，表明空載時(shí)非承載齒輪的嚙合狀態(tài)非常自由，此時(shí)從動(dòng)齒輪慣性力矩大于阻滯力矩。重載高速時(shí)從動(dòng)齒輪要傳遞扭矩和功率，在負(fù)載大扭矩的阻礙作用下從動(dòng)齒輪慣性力矩小于阻滯力矩，齒輪會(huì)被抑制脫齒，避免了從動(dòng)齒輪在非工作齒面與主動(dòng)齒輪發(fā)生碰撞沖擊，因此，驅(qū)動(dòng)側(cè)隙距離與非驅(qū)動(dòng)側(cè)距離表現(xiàn)為不再交替變化^[6]。

圖2所示為從動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)側(cè)與背隙側(cè)嚙合力與阻滯力矩的變化關(guān)系。圖中A 區(qū)域，嚙合狀態(tài)為雙邊敲擊，空載怠速齒輪驅(qū)動(dòng)側(cè)與背隙側(cè)嚙合力隨阻滯力矩增加，表現(xiàn)為先增大再逐漸減小的趨勢(shì);B 區(qū)域，背隙側(cè)嚙合力逐漸減小為0N，表明非工作齒面無(wú)敲擊發(fā)生，嚙合狀態(tài)為間歇性敲擊;C 區(qū)域，背隙側(cè)嚙合力恒為0N，重載高速時(shí)在較大阻滯力矩阻礙作用下，工作齒面完全嚙合，驅(qū)動(dòng)側(cè)嚙合力無(wú)沖擊，此時(shí)，嚙合力隨阻滯力矩增加而增大，嚙合狀態(tài)為單邊敲擊。

分析圖3可知：齒輪雙邊敲擊狀態(tài)下的敲擊噪聲強(qiáng)度明顯比單邊和完全嚙合狀態(tài)下的高，阻滯力矩為 0.96 N.m 時(shí)，齒輪敲擊噪聲最小，說(shuō)明適當(dāng)增加阻滯力矩，可降低空套齒輪敲擊噪聲。但是，繼續(xù)增大阻滯力矩，不但不能降低齒輪敲擊噪聲，還會(huì)增大齒輪機(jī)械損失，降低傳動(dòng)效率^{[7，8，9]}。

1.2 外部激勵(lì)分析

齒輪泵的外部激勵(lì)有如發(fā)動(dòng)機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)速與扭矩波動(dòng)、離合器的啟閉沖擊、結(jié)構(gòu)共振等這類(lèi)除齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的其它外部因素產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)激勵(lì)。外部激勵(lì)引起的噪聲有轟鳴聲、顫抖聲、嗡嗡聲等。

引起動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)的原因主要有：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出不均勻、萬(wàn)向節(jié)二階附加扭矩、傳動(dòng)軸的動(dòng)不平衡和徑向跳動(dòng)等。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的扭振一方面通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、傳動(dòng)軸中間支撐、懸架等結(jié)構(gòu)傳遞至車(chē)身，然后經(jīng)由與車(chē)身相連的齒輪泵支架傳遞到齒輪泵殼體，殼體振動(dòng)并向空氣中輻射噪聲;另一方面則通過(guò)變速箱、傳動(dòng)軸傳遞到齒輪泵內(nèi)部齒輪，使得齒輪嚙合過(guò)程中產(chǎn)生噪聲。

在汽車(chē)啟動(dòng)或制動(dòng)的過(guò)程中，離合器主動(dòng)部分和從動(dòng)部分存在隨相對(duì)轉(zhuǎn)速的變化而變化的動(dòng)摩擦，在摩擦扭矩的作用下，離合器被動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生的劇烈轉(zhuǎn)速波動(dòng)通過(guò)車(chē)輪傳遞至車(chē)身，引起車(chē)輛振動(dòng)，車(chē)身抖動(dòng)通過(guò)齒輪泵支架傳遞到齒輪泵殼體，殼體振動(dòng)并向空氣中輻射噪聲。

2 傳遞路徑分析原理

2.1 TPA原理

傳遞路徑分析法（Transfer Path Analysis，TPA）是基于頻響函數(shù)的一種故障診斷方法，將試驗(yàn)和仿真有機(jī)結(jié)合在一起。此方法的模型中一般是把整個(gè)系統(tǒng)劃分成幾個(gè)彼此獨(dú)立的子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)均以頻響函數(shù)來(lái)表征其振動(dòng)特性，各子系統(tǒng)之間通過(guò)各種彈性或剛性懸置傳遞振動(dòng)。

一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)受到一個(gè)外界的激勵(lì)必然會(huì)引起其他部分的響應(yīng)，這種激勵(lì)和響應(yīng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系由系統(tǒng)的傳遞特性確定，系統(tǒng)的傳遞特性就是系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。對(duì)于有多個(gè)激勵(lì)的系統(tǒng)，其響應(yīng)是由多個(gè)激勵(lì)對(duì)系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果。TPA的原理就是把響應(yīng)假設(shè)為多個(gè)激勵(lì)通過(guò)不同的傳遞路徑抵達(dá)響應(yīng)位置后疊加作用的結(jié)果^[10]。TPA的基本數(shù)學(xué)公式為：

式中：X（ω）為響應(yīng)，H_i（ω）為各路徑的傳遞函數(shù)，F(xiàn)_i（ω）為各激勵(lì)。

式中：F_i（ω）為各振動(dòng)源作用在系統(tǒng)上的載荷力，Q_j（ω）為各聲源作用在系統(tǒng)上的聲載荷，NTF_i（ω）、NTF_j（ω）分別為振動(dòng)源與聲源激勵(lì)點(diǎn)到響應(yīng)點(diǎn)的傳遞函數(shù)。

任何一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)都會(huì)受到多種振動(dòng)和噪聲的激勵(lì)，每種激勵(lì)源產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲通過(guò)不同的傳遞路徑傳遞到多個(gè)響應(yīng)點(diǎn)，從而被人體（接受者）所感知。因此，為了分析與控制噪聲與振動(dòng)，可以將任何一個(gè)振動(dòng)噪聲系統(tǒng)按“源-路徑-接受者”模型來(lái)表示，如圖4所示。

在汽車(chē)起重機(jī)中的激勵(lì)源主要為動(dòng)力系統(tǒng)（包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)排氣系統(tǒng)等）車(chē)輛的振動(dòng)激勵(lì)源主要包括動(dòng)力裝置、排氣系統(tǒng)、傳動(dòng)軸、車(chē)輪和懸架系統(tǒng)等。噪聲激勵(lì)源主要包括動(dòng)力裝置的噪聲、進(jìn)排氣系統(tǒng)的噪聲、傳動(dòng)軸系的噪聲、車(chē)輪和路面的摩擦噪聲和各種結(jié)構(gòu)噪聲等。

汽車(chē)起重機(jī)的振動(dòng)傳遞路徑包括動(dòng)力總成懸置隔振系統(tǒng)、操縱室與車(chē)架連接處、排氣系統(tǒng)隔振系統(tǒng)、懸置與車(chē)架連接處，各種連接部件，如托架、空調(diào)管、油管等。噪聲傳遞路徑包括車(chē)體、車(chē)體上的一些空洞縫隙以及空氣等。

接受者主要包括操縱室駕駛員耳旁噪聲、操縱室和駕駛室地板腳踏處的振動(dòng)、座椅振動(dòng)等。在分析源-路徑-接受者模型時(shí)，最主要的是接受者，一切應(yīng)從接受者出發(fā)，來(lái)確定噪聲與振動(dòng)量級(jí)的大小和聲品質(zhì)。

2.2 工況載荷下傳遞路徑分析

擴(kuò)展工況傳遞路徑分析（Operational Path Analysis with Exogenous Inputs，OPAX）基于參數(shù)建模對(duì)工況載荷進(jìn)行識(shí)別，利用數(shù)學(xué)手段消除噪聲信號(hào)的干擾，實(shí)現(xiàn)了分析精度與建模成本之間的平衡^[11]。

由式（2）可知，實(shí)施TPA分析的兩大基本步驟為：①運(yùn)行工況載荷識(shí)別;②路徑非耦合頻響函數(shù)估計(jì)。為克服已有載荷識(shí)別方法不足，OPAX采用參數(shù)化載荷識(shí)別模型獲取運(yùn)行工況載荷。參數(shù)化載荷識(shí)別模型是建立OPAX模型最核心的步驟，該方法僅需要運(yùn)行工況數(shù)據(jù)輔以少量頻響函數(shù)測(cè)試，便可對(duì)路徑載荷進(jìn)行識(shí)別。

2.3 參數(shù)化載荷識(shí)別模型

參數(shù)化載荷識(shí)別模型是對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)懸置動(dòng)剛度法的發(fā)展，模型中動(dòng)剛度不再是已知量而是待求量。將結(jié)構(gòu)載荷和聲學(xué)載荷表示為加速度、聲壓及其參數(shù)。通常懸置動(dòng)剛度被簡(jiǎn)化為靜剛度、阻尼和質(zhì)量參數(shù)的函數(shù)。

起重機(jī)是典型的非承載式車(chē)輛，車(chē)架是支撐全車(chē)的基礎(chǔ)，駕駛室、動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等所有部件通過(guò)懸置與車(chē)架構(gòu)成柔性或剛性連接。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，振動(dòng)激勵(lì)能量的傳遞為二級(jí)傳遞形式。

動(dòng)力總成系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和齒輪泵等元件，要分析齒輪泵噪聲問(wèn)題需要將動(dòng)力總成作為一個(gè)整體進(jìn)行振動(dòng)分析。動(dòng)力總成振動(dòng)激勵(lì)經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)前后4個(gè)懸置傳遞至車(chē)架，同時(shí)作為外部激勵(lì)傳遞到變速箱，與變速箱內(nèi)部激勵(lì)共同作用到變速箱安裝支架并傳遞至車(chē)架，同時(shí)所有的外部激勵(lì)通過(guò)傳動(dòng)軸和泵架傳遞到齒輪泵，最后齒輪泵內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)通過(guò)空氣和結(jié)構(gòu)傳遞到操縱室里。

動(dòng)力總成-操縱室的一級(jí)傳遞路徑模型示意圖5所示，此時(shí)車(chē)架和操縱室作為一個(gè)整體系統(tǒng)，動(dòng)力總成的振動(dòng)能量經(jīng)過(guò)懸置傳遞到該系統(tǒng)，繼而引起操縱室內(nèi)目標(biāo)點(diǎn)的響應(yīng)。

車(chē)架和操縱室支架采用橡膠墊減振結(jié)構(gòu)連接，是車(chē)架振動(dòng)能量傳遞至操縱室的主要路徑，車(chē)架-操縱室二級(jí)傳遞路徑模型示意圖如圖6。

3 汽車(chē)起重機(jī)齒輪泵噪聲標(biāo)定

3.1 噪聲測(cè)試方案

汽車(chē)起重機(jī)是裝在汽車(chē)底盤(pán)上的一種起重機(jī)，其行駛駕駛室和起重操縱室分別設(shè)置在底盤(pán)和起重機(jī)上，整車(chē)實(shí)物圖見(jiàn)圖7。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20062-2017《流動(dòng)式起重機(jī) 作業(yè)噪聲限值及測(cè)量方法》^[12]布置起重機(jī)測(cè)量位置及傳聲器，詳見(jiàn)圖8。同時(shí)按本文第2章所述內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行測(cè)試工況規(guī)劃，具體工況為：1）定置工況（發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱工作，齒輪泵不工作）;2）怠速工況（發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱工作，齒輪泵空轉(zhuǎn)）;3）變幅工況（發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、齒輪泵工作）。

3.2 噪聲測(cè)試結(jié)果及分析

（1）定置工況（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速800RPM，變速箱速比1），該工況的測(cè)試目的是測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱在不受齒輪泵影響下的噪聲值。噪聲頻譜圖見(jiàn)圖9、10。

操縱室內(nèi)頻譜圖，可以發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)較為突出的尖峰，分別為80HZ與6714HZ左右，前者為發(fā)動(dòng)機(jī)二階點(diǎn)火激振頻率，后者為操縱室蜂鳴器鳴叫頻率，后者為干擾項(xiàng)需要在后面的分析中剔除，兩處頻率分貝值均為45dB（A）左右，在定置工況下，操縱室內(nèi)噪聲主要由發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生。

（2）怠速工況（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速900RPM，變速箱速比1.04），該工況的測(cè)試目的是測(cè)量齒輪泵在不受負(fù)載影響下的噪聲噪聲值。噪聲頻譜圖見(jiàn)圖11、12。

液壓泵近場(chǎng)噪聲中主要頻率為468HZ其次為1720HZ，其中468HZ液壓泵10齒三階轉(zhuǎn)頻：900/60×1.04×10×3=468;1720HZ暫時(shí)不清楚，估計(jì)為變速箱某一階頻率。操縱室內(nèi)主要噪聲由液壓系統(tǒng)不動(dòng)作時(shí)主溢流閥的溢流聲，該頻率為4000HZ，符合液閥溢流嘯叫的高頻噪聲特性。以及齒輪泵嚙合產(chǎn)生的輻射噪聲。

（3）變幅工況（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1600RPM，變速箱速比1.04），該工況的測(cè)試目的是測(cè)量齒輪泵在高流量、大負(fù)載影響下的噪聲噪聲值。噪聲頻譜圖見(jiàn)圖13、14。

液壓泵近場(chǎng)噪聲主要來(lái)源為液壓泵10齒的一階364HZ、三階1094HZ轉(zhuǎn)頻以及9齒的一階328HZ轉(zhuǎn)頻。操縱室內(nèi)主要噪聲貢獻(xiàn)為液壓泵10齒的一階364HZ、三階1094HZ轉(zhuǎn)頻以及9齒的一階328HZ轉(zhuǎn)頻，加上3986HZ的主溢流閥噪聲。

4 結(jié)論

綜上所述，被測(cè)車(chē)輛在作業(yè)時(shí)在液壓泵近場(chǎng)主要噪聲源為發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪泵、溢流閥工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲。在操縱室內(nèi)主要噪聲源是齒輪泵的低頻噪聲和主溢流閥溢流時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲。下一步工作針對(duì)主溢流閥溢流時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲采用在操縱室內(nèi)壁增加隔音棉進(jìn)行吸振實(shí)驗(yàn)，針對(duì)齒輪泵的低頻噪聲采用在齒輪泵懸置上增加彈性材料進(jìn)行隔振實(shí)驗(yàn)。

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