汽車變速器車載動態測試振動分析的研究

王麗娟

（中國重汽集團 大同齒輪有限公司 技術中心，山西 大同 037305）

0 引言

變速器是汽車傳動系統的主要構成部分，它是一個由齒輪、軸承、箱體等組成的復雜的彈性機械系統，在激振力的作用下產生的振動和噪聲是一種必然的響應，因此了解變速器的工作模態及振動和噪聲特性對提供整車性能極其重要。

1 車載動態測試過程

1.1 測試儀器

齒輪變速箱振動噪聲測試試驗采用DASP INV3020-CPCI高性能數據測試分析儀、三向加速度傳感器、信號線等儀器設備，測試系統組成如圖1所示［1］。

1.2 測點布置

布置測點時主要考慮振動測點能夠充分表征試驗分析頻段內的各階振型，每次試驗布置11個測點作為加速度響應點。水平向左為X軸正向（從車頭方向看），垂直向上方向為Y軸正向，Z軸正向指向變速箱輸出軸。測試數據采樣頻率為10.24kHz，濾波方式為低通3 900Hz。

由于傳感器數量的限制，將車載工作模態測試試驗分6組進行，共63個測點，第1組為1號～11號測點，第2組為12號～21號測點，第3組為22號～32號測點，第4組為33號～43號測點，第5組為44號～54號測點，第6組為55號～63號測點。離合器殼上布置1號～33號測點；離合器殼和中殼的連接處布置34號～39號測點；中殼上布置40號～57號測點；車架上布置58號～63號測點。本文主要分析第3組和第4組數據，即分析變速器離合器殼和中殼在空載、2t、3t三種不同載荷時，汽車行駛在碎石路面并擺放障礙物的路況下換檔、加速過障礙、減速過程中的加速度信號。有代表性的測點22號、23號、33號、39號的布置如圖2、圖3所示。

圖1 齒輪變速箱振動噪聲測試系統

圖2 22號、23號測點 布置圖

1.3 測試數據

對所記錄的振動信號進行數據處理，主要包括時域分析和頻域分析。對試驗所取得的數據通過MATLAB軟件處理得出了原始信號的時域波形圖和PSD三維瀑布圖［2－3］。

圖4為載重2t時33號測點X方向的原始信號時域波形圖，共266 240個采樣點。通常認為10 240個采樣點的采樣時間為1s，故本次采樣時間約為26s。其中，1s～3s為1檔，6s～8s轉換為2檔，19s～23s轉換為3檔，在5.63s有最大加速度值231.9m/s2。

圖3 33號、39號測點布置圖

圖4 載重2t時33號測點X方向的原始信號時域波形圖

三維功率譜又稱瀑布圖，它是頻譜分析在能量域、時間域或其他域中的展開，是信號處理和故障診斷常用的方法之一，這種分析方法的特點是在一幅三維譜陣圖上同時給出多種工況的頻域特征，為考察多種工況的頻域特征、前后工況的頻域特征的關系變化等提供一個重要的分析手段。

試驗中，每組有11個測點，33個加速度信號，根據不同的信號長度，以1 024個采樣點為一個切片，計算出每組數據的切片數，PSD分析帶寬為5 120Hz，PSD三維瀑布圖詳細信息見表1。

表1 PSD三維瀑布圖詳細信息

變速器上具有代表性的23號測點在2t載荷條件下的PSD瀑布圖見圖5、圖6、圖7。

圖5中，在第157個切片，頻率為1 420Hz時，PSD幅值取得最大值為71 690（m·s－2）2/Hz，振動能量集中的頻帶分布為1 200Hz～1 800Hz。

圖6中，在第143個切片，頻率為1 430Hz時，PSD幅值取得最大值為34 650（m·s－2）2/Hz，振動能量集中的頻帶分布為：0Hz～100Hz、600Hz～800Hz、1 200Hz～1 600Hz。

圖7中，在第153個切片，頻率為3 270Hz時，PSD幅值取得最大值為25 940（m·s－2）2/Hz，振動能量集中的頻帶分布為：250Hz～750Hz、600Hz～800Hz、1 200Hz～1 500Hz、3 100Hz～3 500Hz。

2 測試數據分析

2.1 時域信號最大幅值位置

載荷為2t工況下，布置在離合器殼圓殼邊緣下方的24號測點X方向最大加速度振動幅值為638.5m/s2，Y方向最大加速度振動幅值為394m/s2；布置在離合器殼彎曲處下方29號測點Z方向最大加速度振動幅值為490.1m/s2。布置在離合器殼、中殼連接處底部右側的37號測點Z方向最大加速度振動幅值為616.3m/s2，布置在離合器殼彎曲處左下方的33號測點Z方向最大振動幅值達到487.4m/s2，離合器殼、中殼連接處底部左側的39號測點Z方向最大加速度振動幅值也達到465m/s2。

圖5 23號測點載荷2t時X向三維瀑布圖

圖6 23號測點載荷2t時Y向三維瀑布圖

圖7 23號測點載荷2t時Z向三維瀑布圖

空載和載重3t工況下的分析結果與2t載荷時的結果基本一致。

2.2 測試數據頻域分析

對變速箱離合器殼部分測點、中殼部分測點PSD最大幅值進行了統計。載荷為2t工況下，布置在離合器殼圓殼邊緣下方24號測點的X方向最大功率譜幅值達到67 460（m·s－2）2/Hz，離合器殼彎曲處下方的29號測點Z方向最大功率譜幅值也達到67 380（m·s－2）2/Hz。布置在中殼右側的41號和42號測點的X方向最大加速度功率譜幅值分別達到225 000（m·s－2）2/Hz、180 700（m·s－2）2/Hz。

空載和載重3t工況下的分析結果與2t載荷時的結果基本一致。

3 結論

對汽車變速器在碎石路況、不同載荷、不同檔位工作狀態下加速度振動信號進行測量、分析后，得出以下結論：

（1）離合器圓殼邊緣下方和彎曲處下方的振動響應最為明顯，從振動的實際方向上來看，離合器殼圓殼邊緣水平方向（X向）的加速度振動幅值大于其他方向，離合器殼彎曲處軸向（Z向）加速度振動幅值大于其他方向。

（2）離合器殼、中殼的連接處底部的振動響應最為明顯，從振動的實際方向上來看，離合器殼與中殼的連接處軸向（Z向）上的加速度振動幅值大于其他方向，中殼處水平方向（X向）的加速度振動幅值大于其他方向。

（3）離合器殼圓殼邊緣下方、彎曲處下方加速度PSD幅值最大。

（4）離合器殼與中殼連接處軸向（Z向）上的加速度PSD最大。中殼處水平方向（X向）的振動能量最為集中。從振動的實際方向上來看，在離合器殼與中殼的連接處軸向（Z向）方向振動加速度功率譜幅值要遠大于其他方向的加速度功率譜幅值。在中殼處水平方向（X向）的加速度功率譜幅值要遠大于其他方向的加速度功率譜幅值。

通過分析變速器的振動信號頻譜，可有效找到貢獻較大的頻率，同時，還可根據頻譜圖分析出在哪些頻率下容易發生總成共振。為后期的變速器殼體優化設計提供支持，有利于整車采取措施避開容易引起共振的頻率，降低總成的振動。

［1］周生國.機械工程測試技術［M］.第2版.北京：國防工業出版社，2005.

［2］陳杰.MATLAB寶典［M］.北京：電子工業出版社，2007.

［3］王濟，胡曉.MATLAB在振動信號處理中的應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.