變速器嘯叫聲與下線臺架振動的相關(guān)性試驗研究

王澤貴，周 益，周觀鵬，張 磊

(1.格特拉克(江西)傳動系統(tǒng)有限公司，南昌 330013;2.浙江大學(xué) 能源工程系，杭州 310027)

汽車變速器嘯叫聲是一種中高頻率(頻率范圍大約為300～3 000 Hz)的純音，因此很容易被人耳識別[1]。隨著汽車的主要噪聲的降低和顧客對汽車聲品質(zhì)要求的提高，嘯叫聲的控制刻不容緩。

當(dāng)變速器制造裝配完成后，需要在其被傳遞至顧客之前有效識別其振動和嘯叫品質(zhì)。當(dāng)今識別嘯叫聲的技術(shù)是在下線振動檢測臺架上測量變速器的齒輪嚙合振動特性以考察其嘯叫聲[2]，與傳統(tǒng)的靠人耳聽覺的主觀檢測相比，這是較先進和可靠的方法。此方法的難點在于如何確定振動的測量位置和振動的臨界值。

本文以某手動前驅(qū)變速器為例，通過選取不同測量位置的齒輪嚙合振動與整車上變速器嘯叫聲的相關(guān)性進行研究，確定了臺架上的最佳測量位置和各檔位齒輪副振幅的臨界值。該方法應(yīng)用于實際生產(chǎn)后有效地區(qū)分了合格變速器和不合格變速器，降低了顧客對嘯叫聲的抱怨率。

1 嘯叫聲檢測方法

1.1 齒輪副嚙合振動與嘯叫的關(guān)系

汽車變速器受載齒輪副承受載荷后，由于各種誤差和嚙合剛度的變化等因素導(dǎo)致嚙合過程產(chǎn)生振動，振動激起變速器殼體類零件的振動而輻射出噪聲。要識別和控制變速器的嘯叫聲，就必須知曉齒輪副嚙合振動的大小。

齒輪副的噪聲也可以應(yīng)用齒輪副的振動強烈評判[3]。變速器齒輪嚙合故障的基頻計算公式如(1)[8－9]所示:式中:f為齒輪嚙合故障頻率，Hz;N為齒輪的齒數(shù);n為齒輪的轉(zhuǎn)速，r/min。

圖1 典型齒輪嚙合故障頻譜圖Fig.1 Fault frequency spectrum of typical gear mesh

典型齒輪嚙合故障頻譜如圖1，在嚙合基頻、2次諧頻、3次諧頻等處出現(xiàn)較大的振動速度。當(dāng)這些頻率的噪聲過大時，表現(xiàn)為齒輪嘯叫聲。

1.2 齒輪嘯叫的階次分析法

階次分析方法(Order Analysis)，又稱為序分析方法，是基于等角度重采樣技術(shù)的現(xiàn)代齒輪故障分析方法[4]，分析精度較高。齒輪嚙合的階次計算由式(1)得到[4]:

式中:order為齒輪副嚙合階次;z為主動齒輪齒數(shù);n2為齒輪轉(zhuǎn)速，r/min;n1為參考軸轉(zhuǎn)速，r/min。

齒輪副嚙合階次的振動超過一定限值時，輻射出嘯叫聲。這是采用嚙合階次的振動大小來反映嘯叫水平的原理和方法。已有研究證明階次分析方法能夠準(zhǔn)確地識別變速器的嘯叫聲[5]。

2 下線臺架工作原理

根據(jù)1節(jié)內(nèi)容所述，利用齒輪副嚙合階次的振動大小識別和判定齒輪嘯叫聲。變速器下線臺架檢測終端(EOL)是當(dāng)今變速器生產(chǎn)制造企業(yè)廣泛采用的變速器振動客觀評價平臺。圖2描述了EOL如何利用振動傳感器在殼體上測量變速器齒輪嚙合振動的方法。

圖2 EOL測量齒輪副振動示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring gear mesh vibration

本研究中的EOL采用德國Reilhofer KG的專門用于汽車變速器裝配線中NVH檢測的eol-ANALYSER專家測量系統(tǒng)。

2.1 eol-ANALYSER系統(tǒng)介紹

eol-ANALYSER測量系統(tǒng)的主要工作是在變速器產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的終端進行質(zhì)量檢測，防止不合格品提供給用戶。它基于變速器結(jié)構(gòu)聲的不同特性，通過測量當(dāng)前產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)聲特性，判斷變速器的振動質(zhì)量性能。它對變速器各檔位的加速與滑行工況進行測量，以評判變速器的加速與滑行的振動。圖3較好地說明了典型的針對某檔位的測量程序和測量區(qū)域。

圖3 eol-ANALYSER測量程序與測量區(qū)域Fig.3 Measurement program and areas of eol-ANALYSER

2.2 eol-ANALYSER評判標(biāo)準(zhǔn)

eol-ANALYSER系統(tǒng)通過測量某一批次產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)振動特性，結(jié)合該批產(chǎn)品的整車路試主觀評價情況，確定合格與不合格變速器的振動區(qū)別。后期生產(chǎn)的變速器的測量結(jié)果與該結(jié)果做比較，比較結(jié)果作為判定有無嘯叫聲的依據(jù)。某一變速器齒輪副21嚙合階次的振幅臨界值140和檢測合格的變速器如圖4所示。當(dāng)被測量的變速器齒輪副21階振動幅值小于圖中的140時，該齒輪副嚙合產(chǎn)生的振動在整車車內(nèi)將沒有噪聲產(chǎn)生。如果測量結(jié)果超過140，乘客在車內(nèi)將聽到嘯叫聲。

圖4 某變速器齒輪副21階振幅臨界值及合格變速器檢測結(jié)果Fig.4 Vibration amplitude critical value of 21 order and measurement results of satisfied transmissions of one transmission

EOL上述的振動判定標(biāo)準(zhǔn)是由人工建立得到的，如何得到變速器齒輪副正確的振動測量位置和振動參考值是EOL的關(guān)鍵工作。

3 相關(guān)性模型的建立

本文以匹配Ford Focus和Ford Fiesta的B5A手動變速器為例研究如何在EOL上尋找到最佳的測量位置和嘯叫階次的振動參考值。

B5A變速器各檔位在車內(nèi)均有一定嘯叫聲出現(xiàn)，為把車內(nèi)嘯叫聲與EOL臺架的振動特性做相似性比較，引入相關(guān)性概念。嘯叫聲是靠人耳主觀評價的，因此用如下3個相關(guān)關(guān)系把人耳主觀感受的嘯叫與臺架的振動聯(lián)系起來:

(1)嘯叫聲主觀量級與車內(nèi)嘯叫客觀測量聲壓級的相關(guān)關(guān)系。主觀量級用汽車工程等級(Vehicle Engineering Rating，VER)表示;用“齒輪噪聲”代表嘯叫客觀測量的A記權(quán)聲壓級(Sound Pressure Level，SPL)，單位為dB(A)。

(2)整車車內(nèi)嘯叫客觀測量聲壓級與變速器殼體上相應(yīng)階次振動的相關(guān)關(guān)系。用“齒輪振動”代表嘯叫階次振動的測量結(jié)果，單位為dB。

(3)整車變速器上階次振動與EOL臺架上傳感器安裝處變速器振動的相關(guān)關(guān)系。EOL振動用振幅來衡量。

以上相關(guān)關(guān)系中的齒輪嘯叫噪聲與振動數(shù)值大小均由階次分析方法得到。整車變速器振動測量位置與EOL上位置保持一致。以B5A變速器3檔加速為例說明EOL上和整車變速器NVH測量的階次分析結(jié)果圖譜。如圖5所示，29階為該變速器3檔齒輪副的嚙合階次。

工程上，當(dāng)某一相關(guān)關(guān)系的相關(guān)系數(shù)R2滿足關(guān)系式(3)時，表示兩者具有強相關(guān)，可以用來做某些研究和應(yīng)用于工程實際。

4 試驗研究

4.1 EOL測量點的選擇

EOL 上振動測量點的選擇應(yīng)便于傳感器的簡單、方便和正確的安裝，并滿足最大生產(chǎn)效率的要求。根據(jù)變速器振動傳遞路徑理論[6]，變速器產(chǎn)生的振動經(jīng)過動力總成懸置系統(tǒng)傳遞至車身、車身面板等零部件的振動輻射出嘯叫聲。因此測量點應(yīng)位于變速器與外部連接部位，而且易于安裝和拆卸傳感器。

綜合以上因素，選擇變速器殼體支承位置安裝平面(測量位置1)和與發(fā)動機連接的離合器殼體端面位置(測量位置2)為兩個振動測量點，這些位置的振動同時也是考察變速器輻射噪聲的代表性測量點[10－11]。傳感器位置如圖6所示。

4.2 試驗內(nèi)容

選擇20臺B5A變速器為研究對象，根據(jù)相關(guān)性模型，對每臺變速器開展如下試驗內(nèi)容:

在EOL上測量各前進檔加速與減速工況的振動，提取各檔位齒輪副嚙合階次的振幅值。本研究的臺架測量程序如圖7。5個前進檔位的總測試時間只有15 s。

圖6 EOL上測量變速器振動的兩測量位置Fig.6 Two measurement positions for measuring the vibration of transmissions on EOL

圖7 EOL測量變速器各檔位振動程序圖Fig.7 Program to measure the speeds vibrations of transmissions on EOL

變速器完成EOL測試后，裝配于整車上，在平整柏油路面主觀評價和客觀測量變速器各檔的嘯叫及其振動。整車變速器各檔的NVH測量工況與圖7保持一致。主觀評價由專業(yè) NVH工程師完成，采用 Ford CETP 00.00－R－201規(guī)范，并規(guī)定6分為可接受標(biāo)準(zhǔn)[7]。嘯叫及相應(yīng)振動信號分別由雙耳人工頭BHM.Ⅲ.3和Kistler三向振動傳感器測得。噪聲取自駕駛員右耳處，振動結(jié)果為三方向振動平方和的均方根。

4.3 試驗結(jié)果

在研究嘯叫聲與下線臺架所測振動之間的相關(guān)性之前，首先需對相關(guān)關(guān)系Ⅰ和Ⅱ作分析，以確認(rèn)主觀評價與測量儀器之間的一致性和階次分析方法在本研究中的準(zhǔn)確性。在20臺被測變速器中，剔除5臺較差的測量數(shù)據(jù)，以15臺變速器的數(shù)據(jù)進行試驗結(jié)果分析。

根據(jù)齒輪傳遞誤差理論，傳遞誤差與齒輪副嚙合振動和齒輪嘯叫聲之間呈正比例關(guān)系[2，6]。所以本文中的相關(guān)性均為線性相關(guān)。

以低速檔2檔加速為例，說明相關(guān)性Ⅰ和Ⅱ。

圖8的相關(guān)性結(jié)果表明，2檔加速時相關(guān)性Ⅰ和Ⅱ的相關(guān)系數(shù)分別為0.874 6和0.911 1，具有強相關(guān)性。表1列出了變速器各檔加速時相關(guān)性Ⅰ和Ⅱ的結(jié)果。

表1中相關(guān)系數(shù)表明，NVH工程師主觀評價與客觀測量保持了很好的一致性，階次分析方法可應(yīng)用于本研究中以測量嘯叫及其振動大小。

圖8 2檔加速時相關(guān)性Ⅰ和Ⅱ的相關(guān)結(jié)果Fig.8 CorrelationⅠand Ⅱresults of 2nddrive

表1 B5A變速器各檔減速時相關(guān)性Ⅰ和Ⅱ的結(jié)果Tab.1 Coast correlationⅠand Ⅱ results of all speeds coast condition of B5A transmissions

完成相關(guān)性Ⅰ和Ⅱ后，對EOL上位置1和2的結(jié)果作相關(guān)性Ⅲ分析。由相關(guān)性結(jié)果決定采用哪個測量位置來評價齒輪嘯叫聲。

表2是圖6中B5A變速器EOL上位置1和2的相關(guān)性Ⅲ測量的分析對比結(jié)果，該結(jié)果表明:位置1上測量的EOL振幅與整車變速器上相應(yīng)位置的振動具有強的正相關(guān)，適合于評價和識別變速器齒輪嘯叫聲。位置2不宜用于嘯叫識別的測量。

表2 B5A變速器各檔相關(guān)性Ⅲ的測量結(jié)果Tab.2 Correlation Ⅲ measurement results of all speeds of B5A transmissions

圖9分別以1檔減速、2檔加速和5檔加速為例詳細(xì)說明了相關(guān)性Ⅲ在位置1和2上測量結(jié)果的相關(guān)系數(shù)。

4.4 EOL振動臨界值的確定

當(dāng)測量完并選擇出EOL上測量變速器嘯叫階次振動的最佳位置后，判別有無嘯叫的振幅臨界值便可以由相關(guān)性結(jié)果確定。仍以2檔加速工況為例說明如何確定該臨界值。

圖9 1檔減速、2檔加速和5檔加速位置1和2的相關(guān)性Ⅲ的相關(guān)結(jié)果比較Fig.9 Comparison correlation Ⅲ results of 1stcoast，2nddrive and 5thdrive of position 1 and position 2

圖10 描述了如何利用已有的相關(guān)性結(jié)果得到該相關(guān)性中的臨界值，y0代表臨界值。根據(jù)線性插值原理和相關(guān)性趨勢線，得到y(tǒng)0計算公式:

式中:k為相關(guān)性趨勢線的斜率。

圖10 臨界值確定原理圖Fig.10 Principal diagram to determine the critical value

表3 B5A變速器各檔EOL振幅臨界值結(jié)果Tab.3 Vibration amplitudes critical results of all speeds of B5A transmissions

齒輪嘯叫聲主觀可接受標(biāo)準(zhǔn)為6，根據(jù)三個相關(guān)性結(jié)果，與其對應(yīng)的齒輪噪聲值、齒輪振動值和EOL振幅臨界值分別為53.5dB(A)，22.3dB和791。如果某臺變速器2檔加速時在EOL上測量的振幅大于791，表明該變速器2檔齒輪裝于整車時，將產(chǎn)生嘯叫;若振幅值小于791，在車內(nèi)將無嘯叫聲。

B5A變速器所有檔位的EOL振幅臨界值計算結(jié)果列于表3。

變速器下線臺架EOL上程序中各檔位的振幅臨界值根據(jù)表3進行設(shè)定，以此判斷和識別B5A變速器各檔位有無嘯叫聲。

5 試驗驗證

為對上述試驗結(jié)果的正確性進行檢驗，分別抽取一臺不合格變速器和一臺合格變速器，如圖11所示。不合格變速器的原因為5檔加速時的41階EOL振幅達7 400，兩臺變速器分別裝車、路試和NVH主客觀評價。不合格變速器的5檔有明顯嘯叫，VER為5.5，合格變速器5檔加速無嘯叫，VER為7.5。圖12是兩臺變速器5檔加速的客觀測量結(jié)果。

圖11 2臺變速器5檔加速齒輪副振動EOL測量結(jié)果Fig.11 Gear pair vibration measurement results of 5thspeed drive of two transmissions

圖12 2臺變速器5檔加速齒輪副噪聲測量結(jié)果Fig12 Gear pair measurement noise of 5thspeed drive of two transmissions

整車噪聲的主客觀評價結(jié)果驗證了本試驗研究結(jié)果能夠在EOL上利用其振幅有效地識別齒輪嘯叫聲。

6 結(jié)論

根據(jù)齒輪副振動反應(yīng)齒輪副噪聲的原理和齒輪副的階次分析方法，在變速器下線臺架EOL上以變速器殼體表面的振幅來識別變速器有無嘯叫聲產(chǎn)生。

采取相關(guān)性分析把EOL與齒輪嘯叫的主客觀評價聯(lián)系起來，以確定EOL上用來測量齒輪副振動的最佳位置和判定有無嘯叫的振幅臨界值。試驗確定了變速器各檔位加速和減速工況下各齒輪副的振幅臨界值。利用該振幅臨界值可以識別變速器各檔位在整車上有無嘯叫聲產(chǎn)生。

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