（机械工程专业论文）汽车变速器振动与噪声测试方法研究.pdf

婴业查堂三矍堡主丝苎：昼旦垦墨立墨 v 汽车变速器振动与噪声测试方法研究 工程领域机械工程 研究生徐宏指导教师黄成祥( 教授)张力( 研究员) 汽车制造业是我国国民经济发展的支柱产业，汽车运行时所产生的振动与噪声参 数是评价汽车性能的重要指标之一，同时它直接影响着乘客的乘座舒适性和行驶的安 全性。汽车的振动与噪声主要来源于发动机系统和传动系统。而汽车变速器是汽车传 动系统的主要构成部分，因此，降低汽车变速器的振动与噪声对于降低汽车整车的振 动、噪声有着十分明显的效果。汽车变速器结构复杂，传动元件( 种类和数量) 较多， 传递路径长，尤其是各传动元部件间多因素联合作用时，其振动信号的频率成份多而 复杂，因此变速器故障诊断难度很大，其振动故障机理、诊断原理及方法，故障识别 等方面都有自身的特点。再加上汽车变速器的振动故障信号的模式识别也存在一定的 困难，所以想要充分提取故障特征信息，准确判断变速器的振动故障性质和故障源， 单依赖于某一、两种信号处理方法很难奏效。 本论文在回顾了国内外在汽车变速器振动与噪声研究方面的历史和研究现状的基 础上开展以下工作 l 设计了变速器的振动与噪声测试方案：采片j 现场测试与综合分析法，对测试信 号进行了分析和处理。 2 分析了汽车变速器产生振动与噪声的主要因素，并对各影响因素的传导机理进 行了深入的研究，总结了各种影响因素所产生的振动与噪声信号的特征。 3 在信号处理过程中，采用了时域波形分析和特征值计算、频谱分析、细化谱分 析、解调分析等综合分析方法，并对典型故障进行了重点分析，实现了典型故障特征 信息的提取工作。 4 ，利用d a s j 振动信号分析与处理系统，对实验所产生的数据进行了分析处理。 经过分析和研究，得出如下结论： 1 在生产现场进行噪声测试时，采用近声场测试噪声的方法能消除其它环境噪声 的影响。 2 汽车变速器的噪声是与汽车变速器的振动是密切相关的，要减小汽车变速器的 噪声，必须合理提高变速器的刚度，减小其振动。 3 汽车变速器中齿轮副的啮合频率为箱体固有频率的l 3 、1 2 倍频时，会激起 箱体的固有频率，由箱体产生表面辐射声时产生噪声。 4 在进行汽车变速器设计时，应对变速器箱体进行动态特性分析，使箱体固有频 率远离各运动件的运转频率，避免产生共振。 5 对于全封闭齿轮箱，变速器的噪声主要为箱体振动时产生的辐射声，应合理发 计箱体结构以降低齿轮箱噪声。 四川大学工程硕士论文 论文对十台汽车变速器在不同工况下的各档进行了测试 台分析方法，对试验测试信号进行了分析，得出了诊断结果 行了验证，表明诊断结果正确。 关键词：汽车变速器，振动，噪声，故障诊断，频谱图 2 按照振动与噪声信号综 并对测试分析的结论进 综合分析法 四j i i 大学工程硕士论文 a b s t r ac t t h ea u t o m o b i l ei n d u s t r yh a sb e e nt h es u p p o r to n eo f o u rn a t i o n a le c o n o m i c d e v e l o p m e n t i nt h er e s e a r c h ，j ti sc o n s i d e r e dt h a tt h ep a r a m e t e r so fv i b r a t i o na n dn o i s eb r o u a tb yt i l e m o t i o n a lc a ri so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tg u i d e l i n e sa n di ta f f e c t st h e p a s s e n g e r s c o m f o r t ，a s w e l ia st h ed r i v e r s s a f e t yi nt h ec a r sd i r e c t l y t h er i b r a t i o na n dn o i s eo ft h ea u t o m o b i l e s m o s t l yc o m e sf r o m t h ee n g i n ea r i dt r a n s m i s s i o n s y s t e m 。h o w e v e r , a u t o m o b i l e s t r a n s m i s s i o n s y s t e mi sm o s t l yc o m p r i s e do fd e r a l l l e u r s o i ts h o w st h ee s p e c i a lc r u c i a ls i g n i f i c a n c et o k n o c kd o w nt h ev i b r a t i o na n dn o i s eo ft h ew h o l ec a r , b yd e p r e s s i n gt h ev i b r a t i o na n dn o i s e r e s u l t i n gf r o mt h ed e r a i u e u r w i t hc o m p l e xs t r u c t u r eo f a u t o m o b i l ed e r a i l l e u r , v a r i e t yo ft h e t r a n s m i s s i o nc o m p o n e n l o n gt r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，a n dt h ec o m b i n e de f f e c tb e t w e e nt h e t r a n s m i s s i o nc o m p o n e n t si np a r t i c u l a r , t h ev i b r a t i o ns i g n a lc o n s i s to f t h ec o m p l e xf r e q u e n c y d i s t r i b u t i o n s ，w h i c h a d dt h e d i f f i c u i v i n m a l f u n c t i o n d i a g n o s i s ，s u c h a sd i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i cm e c h a n i s mo fv i b r a t i o nm a l f u n c t i o n , d i a g n o s i sm e t h o da n dp r i n c i p l e ，a n d m a l f u n c t i o nd i s c e r n m e n t ，e t c b e s i d e st h e s e ，t h e r ei ss o m ed i f f i c u l t yi ng a i n i n gm a l f u n c t i o n s i g n a la c q u i s i t i o n , t h e r e f o r e ，i ti sb e l i e v e d t h a ti ti si m p o s s i b l et or e c k o no no n l yo n eo rt w o m e t h o d st og a i nt h ei n f o r m a t i o no f m a l f u n c t i o ns i g n a la n dr e s o l v et h ep r o b l e m s b a s eo nr e t r o s p e c to fa l lt h en a t i o n a la n do v e r s e ap r o g r e s si nt h ea u t o m o b i l ed e r a i l l e u r v i b r a t i o na n dn o i s er e s e a r c h ，w h e t h e ri nt h ep a s ty e a r so rn o w a d a y s ，t h ef o l l o w i n gw o r ki s c a r r i e do u t f i r s t t h eb l u ep r i n tt ot e s tt h ev i b r a t i o na n dn o i s eo ft h ed e r a i u e u ri sm a r k e do u t t h e s p o tt e s t i n ga n da n a l y s i sb ys y n t h e s i si sa d o p t e d t oa n a l y z ea n d p r o c e s s t h et e s ts i g n a l s e c o n d ，t h ed o m i n a t i n gf a c t o ro ft h ev i b r a t i o na n dn o i s eo c c u r r i n gi nt h ea u t o m o b i l e d e r a i l l e u ri sa n a l y z e d ，a n dt h er e s e a r c ho nt h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo ft h ei n f l u e n c i n g f a c t o ri sa l s oc a r r i e dt h r o u g h a sar e s u l to f t h e s e , t h et r a i to f t h ev i b r a t i o na n d n o i s ei n d u c e d b va l lo f t h e s ei n f l u e n c i n gf a c t o r si ss u m m e du p t h i r d ，t h ee i g e n v a l u eo ft i m ed o m a i ns i g n a l ，w a v ef i l t e r i n ga n a l y s i s ，f r e q u e n c yc h a r t a n a l y s i s ，f r e q u e n c yc h a r ts u b d i v i s i o na n a l y s i s ，d e m o d u l a t i o na n a l y s i s ，e r e ，a l l o ft h e s et h e a n a l y s i sb ys y n t h e s i sm e t h o d s a r ea d o p t e d ，a n dt y p i c a lm a l f u n c t i o ni sa n a l y z e do n e m p h a s e s ， t o oa f t e rt h i sw o r k 伽et r a i ti n f o r m a t i o no f t h et y p i c a lm a l f u n c t i o ni sa c q u i r e d i nt h ee n d ，t h ea r t i c l ea n a l y s e sa n dp r o c e s s e st h ee x p e r i m e n td a t aw i t ht h eh e l po f t h e d y n a m i cs i g n a la n a l y s i sa n df a u l td i a g n o s i ss y s t e m ( d a s j ) a f t e rt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c hw e r k , t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o nc a nb ed r a w n ： t h ef i r s to fa l l 。t h ec l o s es o u n df i l e dn o i s et e s tc a nb eu s e dt oe l i m i n a t et h ea f f e c to f o t h e re n v i r o n m e n tn o i s ei nt h ep r o d u c h a gl o c a l en o i s et e s t b e s i d e st h i s ，t h ev i b r a t i o na n dt h en o i s es i g n a lo f t h es a m ed e r a l l l e u ra r ec o r r e l a t i v e c l o s e l y i no r d e r t or e d u c et h en o i s eo ft h ed e r a l l l e u r , i ti sn e c e s s a r yt oi m p r o v et h es t r e n g t h 3 四川大学工程硕士论文 o f t h es t r e n g t ht om i n i s ht h ev i b r a t i o n t h i r d l y , t h ef a c tt h a tt h ei n h e r e n tf r e q u e n c yw i l lb es t i r r e da n dt h en o i s ec o m e si n t o b e i n g a sr e s u l to f t h ed e r a i l l e u rs h e l lr a d i a t i o nw h e nt h em e s h f r e q u e n c yo f g e a rm a t ei sc l o s e t ot h e1 2o r1 3o f t h ei n h e r e n tf r e q u e n c yo f t h ed e r a i l l e u rb o x i sd i s c o v e r e d f o u r t h ，i no r d e r t oa v o i dt h er e s o n a n c e ，t h ed y n a m i c p r o p e a y a n a l y s i ss h o u l db ed o n e t o m a k et h ew o r k i n g f r e q u e n c yo f a l lt h em o v e m e n t p a r t sa p a r tf r o mt h ei n h e r e n tf r e q u e n c yo f t h ed e r a l l l e u rb o xw h e nt h ea u t o m o b i l ed e r a l l l e u ri sd e s i g n e d f i n a l l nf o rt h ef u l lc l o s e dg e a r b o x ，t h en o i s ei sm o s t l yb r o u g h tb yt h ed e r a i l l e u rs h e l l m d i 甜i o nw h e nt h ed e m i l l e u rb o xv i b r a t e s s o i ti sr e a s o n a b l et od e v i s et h es t r u c t u r eo f d e r a i l l e u rb o xp r o p e r l yt or e d u c e 廿1 ed e r a i l l e u rn o i s e t os u m u p ，t h et e na u t o m o b i l ed e r a i l l e u r sa r et e s t e di nt h ed i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n a n dv e l o c i t yr a n k s ，a n dt h et e s ts i g n a li sa l s op r o c e s s e da n da n a l y z e d i nt h em e a n t i m e ，t h e d i a g n o s i sr e s u l ti sg i v e na n dp r o v e d t r u eb yt h ev a l i d a t i o n k e y w o r d s ：a u t o m o b i l ed e r a l l l e u r , v i b r a t i o n , n o i s e ，m a l f u n c t i o nd i a g n o s i s ，f r e q u e n c yg r a p h ， a n a l y s i sb ys y n t h e s i s 4 四川火学工程硕_ ：论文 1 绪论 1 1 本论文研究的背景和意义 汽车是我国国民经济发展的支柱产业，汽车工业的发展方向是舒适、节能、环 保和安全；汽车运行时所产生的振动与噪声是评价汽车性能的重要指标之一同时 它直接影响着乘客的乘座舒适性和行驶的安全性。据有关文献。3 吁日出：汽车的振 动、噪声主要来源于发动机系统和传动系统。而汽车变速器是汽车传动系统的主要 构成部分，因此，降低汽车变速器的振动、噪声对于降低汽车整车的振动、噪声有 着十分明显的效果。本论文开展的汽车变速器振动、噪声研究工作对于提高我国汽 车产业的产品质量，提高其在国际市场的竞争力有着十分重要的意义。 1 2 汽车变速器状态监测与故障诊断技术的国内外研究现状 1 2 1 研究历程 汽车变速器属齿轮箱的范畴，研究汽车变速器的运行状态监测与故障诊断采川 设备状态监测与故障诊断技术；其也是设备状态监测与故障诊断( c o n d i t i o n m o n i t o r i n ga n df a u l t sd i a g n o s i s ) 技术的主要内容之一。设备状态监测与故障诊断是 近年来发展起来的一门综合性新兴学科，它利用现代检测技术、信号处理模式识别、 预报、决策、可靠性分析、计算机技术等多种现代研究成果，对设备的运行状态进 行监测，判断设备性能劣化趋势，诊断和预报故障，以保证设备良好、安全运行 合理使用。设备状态监测与故障诊断技术从本质上讲属于信息技术范畴，它包括信 号的采集、信息的分析处理( 数据处理) 、状态识别、判断和决策。 二十世纪六十年代末，医学中的诊断概念在机械工程中的推广应用：机械设备 日益大型化、连续化、自动化、精密化和强载化，以及计算机的推广应川快速傅 立叶变换( f f t ) 的应用等，促使设备状态监测与故障诊断形成了一门新兴学科。 “故障”( f a u l t ) 有时称之为“失效”，是指一台设备的功能指标低于正常的最 低限值或误差超过了允许值，是设备的正常状态、异常状态和故障状态等三种状态 之一。设备状态监测是弄清设备所处的客观状态，包括采用各种测试分析利判断方 法，结合设备的实际状况和运行条件，掌握设备状态，对设备的性能作出客观评价， 为合理使用和安全运行打好基础。而故障诊断则是要进一步确定故障的性质、程度、 类别、部位、原因等，为预报、控制、调整、维修和治理提供依据。设备状态监测 与故障诊断技术的目的是设计、制造出符合用户需要的、运行性能优良的设备，并 保证其在一定的工作条件下，定的使用期限内可靠而有效地实现设备的功能，它 实际包含了四个主要方面： 1 通过性能评价为优化设计，精良制造提供数据和信息： 2 保证设备无故障，安全可靠地运行i 3 保证设备充分发挥最大设计能力，物尽其用，避免人马拉小车平小马拉人t i 叫川大学工程硕士论文 的现象； 4 及时正确地对各种异常或故障做出诊断，提出必要的干预方案( 包括控制、 调整、维修、治理及继续监测等) 。 设备状态监测与故障诊断的基本内容是现代结构动力学理论的推广应用。 结构动力学理论是： 载荷 系统固有特性 响应 曰一匝) + 叵 载荷识别系统识别 响应预估 图1 2 ，1 ：设备状态监测与故障诊断模型 臣匦亟亟 十 i r 一一一_ t 一一一一一一 i： i e 统茎圆圈 l检测及评价技术il 伍删 l 综合诊断：( 1 ) 异常和故障的原因、部位、性质及程度 ( 2 ) 可靠性及寿命预测 ( 3 ) 性能优劣，使用好坏评价 ( 4 ) 决定修复和改进的方法 图1 2 2 设备状态监测与故障诊断模型 故障诊断一般分两个阶段四个步骤实施。两阶段即状态监测和故障诊断。故障 诊断的四个步骤为：信号检测、特征提取( 信号处理) 、状态识别和诊断决策。 1 信号检测：按不同诊断目的选扦最能表征j = 作状态的信号。这种l 。作状态信 号称为初始模式。 四川i 大学工程硕士论文 2 特征提取( 信号处理) ：将初始模式向量进行信号处理，形成变换，去掉冗余 信息，提取故障特征，形成待检模式。 3 状态识别：将待检模式与样板模式( 故障档案) 对比和状态分类。这一步是整 个诊断过程的核心。为此，要建立判别函数，规定函数准则并力争使误著率最小。 4 诊断决策：根据判别结果采取相应对策。对设备及工作进行必要的预测及干 预。 综上所述，设备诊断的内容如图1 2 3 ： 文档建立卜 ( 故障模拟)( 异常模型向量)( 各种样板模式) 匝日鼍匝日薄 图i 2 3 设备诊断技术的内容 1 2 2 汽车变速器故障诊断的现状 变速器故障诊断属于旋转机械( 齿轮箱) 故障诊断范围。旋转机械故障诊断技 术正在日益发展，涉及了动态信号处理、计算机、人工智能等众多知识领域。国内 外专家、学者所从事的研究主要集中在旋转机械振动监测系统开发、振动信号处理 与分析、人工智能的应用等方面。其中美国、英国、日本等处于此项技术的领先地 位。 资料表明“”“，多年来，国内外一些专家、学者在经济效益明显的， 危险性大的、连续性生产的、高速大型回转机械的故障诊断研究方面做了大最：f ：作， 技术已比较成熟，已开发了相当数量的监测诊断系统、分析仪器。例如美国惠酱公 司的h p 系列谱分析仪，美国内华达公司的d d m 和a d r e 旋转机械故障诊断系统， 日本小野测器的c f 系列动态信号分析仪，丹麦b & k 公司的b & k 信号分析仪等， 我国重庆大学研制生产的q l p m 2 a 、q l p m 1 0 a 设备预测维修分析仪，d s a - 1 动态 3 凹川火学工程硕士论文 信号分析与故障诊断系统，q l s a l 信号分析仪西安交通大学的大型回转机械神经 网络系统等等，因而，推动了拥有较多回转机械设备的行业( 如电力、石化等) 的 设备状态监测与故障诊断工作展开和应用，并取得了可喜的成绩。 但是，迄今为止，对结构复杂的、种类繁多的汽车变速器故障机理进行深入研 究的资料尚属少见，而诊断实例亦属有限，至于汽车变速器的故障诊断方面的研究 和实验则更为少见。因此，本文所做的这项工作，正好填补了这方面的不足。 汽车变速器主要由箱体、齿轮、滚动轴承和传动轴等零件组成，而这些零件的 失效是变速器故障的主要表现形式。变速器故障诊断实际上是对齿轮、轴承及传动 轴系和它们的组合等故障进行诊断。其诊断技术的发展现状分别简述如下： l 齿轮故障诊断 由于齿轮故障诊断有着十分重要的地位，所以国内外的专家、学者对其振动故 障机理和故障特征从理论方面进行了大量的研究，已有较成熟的分析处理方法，但 是，从现有资料来看，有些方法和手段存在一定缺陷，受较大的条件限制，还没有 达到完全实用的程度。对齿轮进行振动故障诊断常采用的方法有时域波形及特征值 计算、频谱分析、细化谱分析、解调分析，特别值得一提的是我们从实际诊断l 。千1 ： 总结出来的综合分析法，它是利用多种信号处理方法对信号从不同侧面进行分析， 从而诊断出故障的部位、性质及损坏程度等。实践证明，该方法对齿轮箱故障诊断 是行之有效的。 2 滚动轴承故障诊断 因为轴承的缺陷会导致设备剧烈振动的噪声，甚至引起设备损坏，所以轴承故 障诊断引起了人们的足够重视，并进行了大量研究，国内外也都生产了不少轴承故 障诊断的专用器，如瑞典的s p m 4 3 a 和b e a 5 2 冲击脉冲仪，国产的c m j 一】冲击脉 冲计和d x f 1 a 电脑轴承分析仪等。但这些仪器仅能对比较直接、简单的结构进行 定性地诊断，且对监测条件要求比较苛刻。在实际诊断中，特别是对结构复杂的汽 车变速器的诊断则难以进行。 即便是精密诊断也不十分有效，因为轴承缺陷引起的振动能爨与齿轮啮合的振动能 量相比小得多，而轴承的故障特征频率较高，且传递路径较陡，所测得的信号中， 故障特征信号一部分被衰减，一部分淹没在齿轮的振动信号中，所以诊断汽车变谜 器轴承的故障有较大的难度。 3 轴系的故障诊断 轴的主要故障是轴弯扭和轴裂纹。声发射技术是轴裂纹的有效诊断方法：至于 轴弯扭，可从齿轮和轴承的调制信号上反映出来，用解调分析频谱分析便能诊断出 故障的部位。 从现有资料看，变速器轴系故障，特别是在多种零件组合失效的情况f ，成功 的诊断实例和有效的诊断方法尚不见。所以有效地识别变速器轴系故障信号，提取 的故障特征信息，进行故障机理研究，是开展汽车变速器故障诊断的技术关键。 四川大学工程硕士论文 1 3 本论文的主要研究内容 1 根据汽车变速器振动、噪声测试工作的需要，设计出变速器的实验方案和振动、 噪声测试方案： 2 分析汽车变速器产生振动、噪声的主要因素，并对各影响因素引起的振动进行理 论研究，总结各种影响因素所产生的振动、噪声信号的特征。 3 研究振动、噪声信号的分析处理方法。 4 在变速器性能试验台上，完成了十台变速器的实验和振动、噪声的实测二l 作。 5 利用d a s j 振动信号分析与处理系统，对实验所产生的数据文件进行分析处理。 1 4 本章小结 本章介绍了论文研究内容的背景和意义，回顾了国内外在汽车变速器振动、噪 声研究方面的历史和研究现状，进而提出了论文的主要研究内容。 四川大学工程硕士论文 2 试验与测试系统方案设计 2 1 实验平台方案与测试方法的拟定 l3 5 型变速器为中间轴式变速器，它的传动机构主要由第一轴( 输入轴1 总成，中间 轴总成，第二轴( 输出轴) 总成，倒档轴和倒档齿轮及变速器壳体组成。此型变速器采_ l 常规啮合齿轮传动，通过同步器换档机构换档，可以使输入动力经过不同的齿轮对得 以传递，同时实现了不同的传动比。1 3 5 型变速器各档位时的转频与齿轮啮合频率如表 21 1 所示。( 为方便测试分析，表中所列的各频率为该变速器输入转速为l o r p m 时， 各运转件对应的频率) 表2 1 11 3 5 型变速器的档位及轴频与齿轮啮合频率 传动比 齿轮啮合频率 输出轴频率输入轴频率中间轴频率 5 0 9 ( i 档) 1 5 3 9 4 70 0 3 2 7 5 28 9 ( 1 i 档) 2 3 6 8 4 20 0 5 7 7 7 l6 4 ( i i i 档、 35 5 2 6 0 1 0 1 5 0 1 6 6 70 1 1 8 4 2 10 0 ( n 档)4 5 0 1 6 6 6 7 o7 7 ( v 档)4 9 7 3 7o 2 1 6 2 49 6 ( 倒档)23 6 8 4 i 1 5 1 5 70 0 3 2 2 5 9 要完成变速器的振动噪声试验需要有专门的试验台。目前在汽车行业中，j = l j 丁汽 车变速器静、动态性能实验的试验台主要有机械功率封闭试验台和电功率封闭试验台； 由于机械封闭式试验台具有机械结构较复杂的缺点，不利于试验过程的振动、噪声测 试，而电封闭试验台的机械结构相对简单，通用性强，因此，在本实验中选用了某院 校汽车系的电封闭试验台进行实验。该试验台配备有拖动电动机、加载电机、转速转 矩传感器以及t 形支承等。因此只要设计一套工装将拖动电动机、变速器、转速转矩 传感器、加载装置联接起来就能实现变速器的振动噪声测试试验。试验台总体缶与构方 案如下图。 6 四川大学工程硕士论文 图2 1 1 试验台结构方案框图 1 电动机2 ，4 ，6 8 联轴器3 ，7 转速、转矩传感器5 变速器9 加载 图2 1 2 测试系统 图2 1 3 试验台系统 考虑到诸方面的原因，本试验拟定采用电功率封闭试验台。试验台采用交流电机 拖动，拖动电机额定功率为2 2 k w ，转速为1 4 7 0 r r a i n ，动力的输入输出采用联轴器进 行传递。试验时，通过交流变频装置调节输入电压控制交流电机以一定的转速运转。 输入动力经联轴器2 和4 以及输入转速转矩传感器3 ，接入被测试变速器5 的输入端t 其输出端则通过联轴器6 ，8 以及输出转速转矩传感器7 与加载电机相联。试验中通过 逐步调节电动机的励磁电压来改变转速，使拖动电机1 的转速逐渐增至1 4 7 0 r m i n 。通 过调节加载装置的励磁电压改变载荷，完成给变速器加载，满足试验要求。 7 四川大学工程硕士论文 2 2 振动、噪声测试方案的设计 2 2j 振动信号测试方案的设计 试验的目的是为了获取振动和噪声信号，进而进行信号分析和诊断。试验中振动信 号测试系统如图2 2 1 所示。 哪塞翌l 蔼r s g l 3 5 d s 变速器 d 董塑霆f 面 接口箱 加速度计。一肥坦 网矿 图2 2 1 振动噪声测试系统 试验中采用b & k 4 3 7 4 压电式加速度计来拾取变速器振动信号，该传感器的频响范 围为：1 - - 5 k h z ，振动加速度的最大测量值达1 x1 0 0 0 9 。完全能满足本次实验的需要； 再配以y e 5 8 5 2 电荷放大器并通过d a s 接口箱将振动信号输入p c 机，由d a s j 软件完成 信号的记录。 2 2 2 噪声测试方案的设计 考虑到实验现场有多台机械设备在同时运行的特点，为了较准确测馘汽车变速器 的噪声，最大限度削弱其它噪声信号的影响，在噪声测量时，采用近声场测量方法 将传声器置于与变速器噪声源较近的测点上测量声压，然后通过a 计权进行加权处理， 得到计权声压级，又称声级。本试验采用n d 2 型便携式精密声级计，并从声级计引出 噪声信号，再通过d a s 接口箱将振动信号输入p c 机，由d a s j 软件完成信号的记录。 n d 2 型便携式精密声级计结构原理如图2 2 2 所示。 图2 2 2 声级计结构原理图 2 3 本章小结 本章在对目前常用的多种汽车变速器试验台的特点进行分析后再根据本课题 8 四川大学工程硕士论文 研究的具体要求，确定了进行汽车变速器故障诊断的试验方案；对需进行测试的测 试环境和被测参量的特点进行分析后，确定了测试系统方案。 9 四川大学工程硕：l 论文 3 汽车变速器振动、噪声源分析 3 1 汽车变速器振动、噪声的形成因素 3 1 1 汽车变速器常见的振动、噪声形成因素分类 汽车变速器的非正常振动、噪声基本上都是由其故障所产生：变速器的常见故 障包括齿轮故障，轴承故障，轴系故障，安装不良，使用不当等等。根据大蛄资料 统计结果，按零件的失效比重进行分类见表3 1 1 表3 1 1 变速器零件失效比例分类表 失效零齿轴箱 紧 油 件 轮承 轴固 体封 体 比 6 0 1 9 l o 7 3 1 例 3 1 2 齿轮、轴承和轴的常见损坏形式 1 齿轮的常见损坏形式 ( 1 ) 齿面磨料磨损 ( 2 ) 齿面胶合和擦伤 ( 3 ) 齿面接触疲劳 ( 4 ) 轮齿断裂 2 ，滚动轴承的主要故障 ( 1 ) 疲劳剥落 ( 2 ) 磨料磨损 ( 3 ) 塑性变形( 刻痕) ( 4 ) 锈蚀 ( 5 ) 断裂 ( 6 ) 胶合 ( 7 ) 保持架损坏 3 轴的主要故障形式 ( 1 ) 轴裂纹 ( 2 ) 轴弯曲 3 2 汽车变速器振动、噪声机理及特征分析 3 2 1 齿轮的振动、噪声机理与特征 1 齿轮的振动、嗓声机理 ( 1 ) 齿轮是具有一定质量的弹簧系统，若以一对齿轮作为研究对象，则该齿轮静 1 0 四川大学工程硕士论文 可以看作是一个质量、弹簧、阻尼系统。其振动方程为： m x ”+ c x + k ( t ) x = k ( t ) e i + k ( t ) e 2 ( t ) ( 3 2 1 ) 式中：x 一沿啮合线上齿轮的相对位移 m 一齿轮换算质量 c 一齿轮啮台阻尼 k ( t ) 一齿轮啮台刚度 e , - 齿轮受载后的平均变形 ( t ) 一齿轮误差或故障造成的两轮间的相对位移；或是其它故障( 如 弯曲) 引起的啮合齿轮间的相对位移，也称为故障函数 由式( 3 2 ，1 ) 知，齿轮的振动为自激振动，公式左端代表齿轮本身的振动特征， 右端为激振函数。由激振函数可以看出，齿轮的振源来源于两部分：一部分为常规 振动部分k ( t ) e 。，是由正常的交变载荷引起的振动，与齿轮误差和故障无关；另一部 分k ( t ) e 2 ( t ) ，它取决于齿轮的综合刚度和故障函数。这一部分可以较好的解释齿轮信 号中边频存在及它们与故障的关系。 设y ( t ) = k g ( t ) e g ( t ) = k ( t ) e 2 ( t ) ，则l g ( t ) 为载波信号，它包含了齿轮啮合频率及其 高次偕波：e g ( t ) 为调制信号，反映了齿轮本身的误差和故障情况以及其它零部什故 障引起的齿轮传动误差情况，由于齿轮周而复始地运转，所以齿轮每转一周变化一 次，e g ( t ) 包含齿轮所在轴的转频及其高次谐波。 在时域上y ( t ) = k g ( t ) e g ( t ) ( 3 2 。2 ) 在频域上s y ( f ) = s “d s e ( 0 ( 3 2 3 ) 式中s y ( f ) 、s k ( _ 。和s b ( f ) 分别为y ( 1 ) 、k g c 0 和e g ( i ) 的频谱，。表示卷积。由于在 时域上载波信号k g ( t ) 和调制信号e g ( t ) 为相乘，在频域上调制的效果相当于它们幅值 频谱的卷积积。即近似于一组频率间隔较大的脉冲函数和一组频率间隔较小的脉冲 函数的卷积，从而在频谱上形成若干组以啮合频率及其倍频成份为中心，间隔为转 频及其倍频的边频带。调制频率和载波频率都与转速有关。 ( 2 ) 齿轮噪声是由啮合过程中齿与齿间的撞击与摩擦而产生的，也就是由于齿轮 弹性系统受激励响应的结果。其力学简化模型和数学表达式与其振动机理的模型相 同。齿轮在交变的激振力作用下激起圆周振动、径向振动和轴向振动，这些振动 产生噪声。并通过空气及固体媒质传播出去。因此，凡是减小激振力矛限制振动传 播的各种措施都可以降低齿轮嗓声。 在齿轮传动中，激振力有冲击性的、周期性的、也有随机性的。这些激振力， 主要由齿轮本身的原因，如齿轮弹性刚度周期性的变化，以及齿轮的各种误著所造 成的。外界负荷的波动、发动机的影响、传动系统的共振、润滑等因素也会造成激 振力。 齿轮带负荷运转时产生的噪声有以下几种成份。 齿轮在啮合过程中，因齿与齿之间的连续冲击而使齿轮产生频率为啮合频率 四川大学工程硕士论文 的受迫振动和所引起的冲击声。这主要与齿距误差大小及其周期性有关。当齿轮的 转速变化时，啮合频率也随之而变。而且随着转速的升高，齿轮噪声增大，这是识 别齿轮噪声的两个基本原则。此外，齿轮的啮合频率还往往呈二次、三次等高次浩 波出现在频谱中。当啮合频率是齿轮或箱体固有频率的l 2 、1 3 时，将山现兆振， 产生很大噪声。 齿轮、轴承及轴的偏心引起旋转不平衡的惯性力，会产生与转速相一致的低 频率振动和旋转噪声。当齿轮安装有较大偏心量时，啮台频率还往往伴有上、下边 频带。这些边频是由于轴的旋转频率与齿轮啮合频率相互调制而产生的。 齿轮和箱体受激振力作用，而产生的频率为齿轮固有频率的瞬态自由振动年 所引起的噪声。 齿轮和箱体的固有频率与其材料尺寸等有关。齿轮振动时出现不同振动形态的 多个固有频率，所以齿轮和箱体的固有频率要与振形同时测定。也可通过计算求得 齿轮和箱体的基频与高阶固有频率。 由齿与齿之间摩擦引起的齿轮自激振动所产生的噪声。在齿轮精度较高的情 况下，所听到的是周期性齿面跑合声，它主要与齿面加工状态及润滑条件有关。如 齿面凸凹不平，会引起快速周期性的冲击声。 2 齿轮的振动、噪声特征 ( 1 ) 齿形误差 齿形不好时，时域信号表现为明显的周期性调制现象。频域产生以齿合频率及 其谐波为载波频的调制现象。此时在齿轮箱上测得的振动信号一般可表示为： y ( t ) = g ( t ) + k g ( t ) e g ( t ) + k b ( t ) e b ( t ) 十n ( t ) ( 3 2 4 ) 式中：k o ( t ) 表示与齿轮啮合频率及其倍频成份有关的振动信号； e g ( 0 表示与齿轮所在轴的转频有关的振动信号； g ( t ) 与各轴转频相关的频率较低的振动信号 k n ( t ) e b ( t ) 一滚动轴承异常振动与干扰信号 n ( t ) 一其它振动与干扰信号， 其余符号的含义同式( 3 2 1 ) 频谱图上，在啮合频率及其倍频附近产生边频带，边频带幅值小且稀疏。 齿形误差过大，在某些情况下还将激励起齿轮固有频率，产生齿轮共振调制现 象。 此时在齿轮箱上测量的振动信号可近似地表示为： y ( t ) = g ( t ) 十k g ( t ) e g ( t ) + k b ( t ) e s ( t ) + n ( t ) + k x 0 ) e g ( t ) ( 3 2 ，5 ) 式中：k x ( t ) 表示齿轮固有频率引起的共振。 综上所述，齿形误差使振动信号的时域波形出现明显的( 无冲击) 调制现象， 频域中，在啮合频率及其谐波附近，出现调制边频带边频数量少，带较窄，即出 现以啮合频率及其谐波为载波，以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制现象。 2 四川大学工程硕士论文 齿形误差严重时，由于激振能量较大，除产生啮合频率制外，还可能产生以齿轮某 阶固有频率为载频率，以轴转频为调制频率的共振调制现象。 ( 2 ) 齿面磨损 啮合频率及其高次谐波成份和齿轮的磨损密切相关。标准渐开线齿廓的齿轮， 在节线附近是单齿啮合，从节线的某个部位开始( 具体位置由重叠系数而定) 至齿 顶和齿根的两区段为双齿啮合。因此每个齿轮在啮合过程中，载荷的分配是变化 的，载荷的变化会引起齿的刚性变化，从而引起齿轮的振动，该振动会表现任频谱 图上的啮台频及谐波成份处。此外，两啮合齿轮齿面相对滑动速度及摩擦力，在节 线处要改变方向从而形成交变的摩擦力，而且齿廓的制造误差等因素都会在啮合频 率及各次谐波上产生振动分量，当齿面磨损后，齿啮合频率及谐波成份的振动都会 增大。均匀磨损时，谐波成份振幅增大，振幅增大速度较啮合频率快；不均匀磨损 时，某阶谐波成份振幅会明显大得多，甚至淹没其它成份。 图3 2 1 齿面交变摩擦力 综上所述，齿轮磨损后，啮合频率及谐波成份的振动能量都会增大。齿面均匀 磨损时，基频成份幅值增大不如谐波成份的快；不均匀磨损时。在啮合齿对的某阶 谐波成份幅值特别突出，甚至淹没其它成份。 ( 3 ) 断齿 变速器中齿轮发生断齿现象后，在时域波形上表现为持续时间较短且有规律的 调制现象。在频谱上，表现为啮合频率及谐波附近出现数量多，振动幅值大的调制 边频带。 由于断齿后的瞬态冲击能量较大，齿轮每转一周，脉冲重复一次，所以在时域 波形上便会出现持续时间较短，幅值较大的周期性冲击振动。这种调制现象从数学 上相当于两组时间函数的时域相乘，在频域上相于两组函数的卷积。在断齿后的振 动信号中，啮合频率及其倍频、齿轮和箱体的固有频率等通常是载波频率成份，齿 轮轴旋转脉冲序列振动信号为调制频率成份。那么，断齿后齿轮振动信号调制函数 的分析形式为( 不考虑调相) ： 吲j i l 大学工程硕士论文 y ( t ) = l 1 + ( t ) c o s ( 2 t tm f o t + 。) n i t l 式中：a 。( t ) 调制函数，为脉冲序列函数 rl4 。，! ，+ 2 t ，! ” 口。( f + t ) = 【0其它 x ，。振幅 f 0 啮合频率 a 。调幅指数 v 。初始相位角 t 脉冲周期 调制函数y ( t ) 在频域中理论上可表述为： s y ( o = s 。( 矿s 。( f ) 其卷积过程如图3 2 2 血 ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 2 8 ) 图3 2 2 调制函数y ( t ) 的理论卷积过程 由于作f f t 时的加窗实际上是对调制函数y ( t ) 乘上了一个窗函数( 以； j 筒 为例) ，这不可避免会泄漏能量，致使调制边带的幅值逐渐衰减所以对调制函数y ( t ) 作f f t 变换的实际卷积应为： s ，( d = ( s 。( f ) + s 。( d ) + s h ( f ) ( 3 2 9 ) 卷积过程如图3 23 s 。【f l 图3 2 3 调制函数y ( t ) 的实际卷积过程 从图3 , 2 3 的卷积结果可知，调制后的信号除原