基于階次跟蹤的變速箱嘯叫噪聲初探

付大鵬

摘 要 隨著社會經濟的不斷發展，汽車行業也得到了逐漸的發展和壯大，在日益激烈的市場競爭中，對噪聲的控制成為焦點話題。變速箱作為汽車的主要組成部分，能夠對噪聲的控制起關鍵性作用。本文將對階次跟蹤、擬合轉速以及變換階次跟蹤進行分析，并列舉出某變速箱嘯叫的具體實驗進行研究。

關鍵詞 變速箱；噪聲；階次跟蹤

中圖分類號 TB53 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）17-0216-02

隨著人們生活水平逐漸提升，對環境的質量要求越來越高，噪音污染成為危害環境的主要因素。其中，汽車的噪聲污染是聲音污染的主要來源，同時其噪聲大小與汽車質量息息相關。汽車中的噪聲來源主要為變速箱，其主要包括齒輪、軸承以及其他零部件，在其進行發動的過程中，將會產生軸轉頻以及齒輪嚙合等相關的噪聲。

1 階次跟蹤分析

階次跟蹤的作用是對旋轉運動部件中存在的故障進行分析，利用等角度間隔采樣的方式將其中存在的波動較大的信號轉變為較為平穩的信號，并且包含階次信息。同時，利用傳統頻譜的方式對旋轉部件的震動和噪聲信號等進行分析，并且對聲源進行定位，在階次域中選取出一個階次信號對其進行跟蹤。

階次又被稱為是階比，在對旋轉部件進行研究時，將參考的軸轉頻稱作為是一階，其余的軸以及部件的頻率都被稱作為是階次，是參考軸的倍數。其中，階次域參考軸轉速和頻率之間的表達式為：

在此表達式中，代表的是頻率，單位為Hz；代表的是參考軸的轉速，單位為r/min；例如，參考軸到第i軸的轉動速度比的倒數為其所轉動的階次，第i軸的階次與該齒輪數量相乘能夠得到第i軸上齒輪嚙合的階次。

階次跟蹤中的硬件采樣主要是通過硬件中的脈沖計數，即旋轉部件轉過一定的角度算是進行一次脈沖，并對其進行一次采樣，最終可以對所采取的信號進行直接的階次分析。但是由于這種采用的方式所應用的設備較高且較為復雜，因此不適宜進行廣泛的推廣。利用軟件的方式進行采樣主要是利用傳統的相同時間間隔進行信號的采取，這種方式能夠實現向角度間隔轉變的采樣信號，該方式具有靈活的計算方式，極大地降低了實驗成本，因此得到廣泛的應用[1]。

2 擬合轉速和變換階次跟蹤

2.1 分段三次埃爾米特多項式擬合轉速

要想進行等角度間隔的重采樣需要利用轉速表達式進行，但是，在以往傳統的多項式擬合方法中主要采用的是最小二乘法的方式，即依據最小方差擬合。一旦發生轉速變化十分顯著或者角度范圍明顯擴大的情況時，獲得的轉速多項式以及原始變速箱信號之間產生的誤差變大，從而使階次跟蹤的精度受到較大的不利影響。

根據分段三次埃爾米特多項式的要求擬合，曲線經過所有已知的原始數據點，一階導數需要將每一個點連接在一起。原始數據將由n個數據點構成，將每兩個點之間的距離看作為一段，那么將會得到n-1段，進而得到n-1個多項式。因此，維多項式系數的矩陣為：

在矩陣A中，每行元素將代表多項式中的系數對變速箱中的軸轉速曲線進行擬合，利用分段三次多項式的方式得到轉速公式，再利用最小二乘法的方式對轉速原始信號以及分段三次擬合后的信號進行對比分析。根據分析結果能夠得出，在擬合的精度方面，分段三次多項式將高于最小二乘法。因此，對具有較大波動的離散轉速信號的分析中，利用分段三次多項式的方式更能夠符合實際需求。

2.2 短時傅里葉變換階次的跟蹤

在現實工作中，隨著時間的變化頻率也將發生不同的改變，利用短時傅里葉變換的方式將能夠在充分反應信號隱藏的內部信息同時，又能夠將不同頻率產生的時間進行展現。在該變換的過程中，利用窗函數來截取部分信號，并且對所截取的信號進行傅里葉變換，取得一定時間段內該信號的變換數值。同時，將窗函數的位置不斷進行改變，從而得到不同時間段的變換數值。傅里葉變換除了能夠將頻域中的信息進行表達之外，在其進行的階次跟蹤過程中，同樣可以通過窗函數中的中心數值獲取轉速的相關信息。在對等角度重采樣信號進行變換時能夠得到多個階段中的傅里葉變換數值，將其進行連接插值之后將能夠獲取到轉速信號，這將能夠實現對任何階信號進行提取跟蹤。

3 某變速箱嘯叫的具體實驗分析

本文將對A車型手動變速箱中存在的嘯叫問題進行實驗分析。首先，在車廂的不同位置處設置多個4189類型的傳聲器，并將光電式轉速傳感器設置在發動機位置。在不同的行駛狀態下對發動機中傳出的轉速信號和噪聲進行采集，其中，前者的重采樣率為100Hz，后者的采樣率為20Hz，利用階次跟蹤的方式將噪聲信號進行記錄和定位，從而對噪聲的特征進行分析。

在分段三次多項式擬合以及傅里葉的變換基礎上，利用MATLAB進行計算階次跟蹤腳本程序的編寫，進而對階次進行分析和跟蹤計算。例如，中控臺中的傳聲器所收集到的噪音，利用等角度間隔重采樣之后將噪聲轉變為角度域的信號，再與相同時間采樣信號進行對比能夠得出噪聲的頻率將隨著對應的轉速變化而發生改變。將兩種方式的實驗結果就進行對比能夠看出，由于在轉速擬合中具有較大的誤差存在，因此利用最小二乘法進行的多項式擬合的噪聲階次譜，難以對A型車中的二檔齒輪噪聲進行準確的計算。在實驗中出現的階峰值都將數據階次混淆的現象。而利用分段三次多項式進行的噪聲階次譜中，由于轉速的精度較高，因此階次譜中的分析也十分準確，更加適用于轉速波動較大的情況下[2]。

對于為提升分析精度而導致的階次譜線發生密集或者摻雜大量階次成分的現象，應該屬于在對信號進行采樣的過程中所混入的成分。根據此次對于A型車進行的噪聲實驗能夠得出，通常用戶所能夠接受的噪聲主要為：一擋變速箱中的聲音與車廂內正常的噪聲低7.5dB；除一擋之外的擋位，其變速箱中的噪聲應比車內平均噪聲低15dB。車廂內的平均噪聲壓級主要源于車廂內所設置的傳感器所記錄的信號以及任意時間段內的聲壓級平均值。此外，利用階次跟蹤能夠通過三維階次譜將變速箱中二擋的某幾個階次進行提取，跟隨變速箱中軸轉速的變化而在聲壓方面發生改變，同時在轉速發生改變的情況下，車內的噪聲平均值能夠減少15dB。變速箱中二擋聲壓級在2 700～3 700r/min的范圍內時，車內的平均聲壓級將減少15dB，達到50dB左右，具有明顯的嘯叫噪聲；變速箱中二擋聲壓級在3 000～4 700r/min的范圍內時，車內的平均聲壓級將減少15dB，達到50dB左右，依然具有明顯的嘯叫噪聲。根據此次實驗能夠充分得出噪聲語譜圖與實際的主觀感受完全相符。

4 結論

綜上所述，隨著社會經濟的不斷發展，汽車行業也得到了逐漸的發展和壯大，噪聲的控制已經成為市場競爭的焦點。變速箱作為汽車的主要組成部分，能夠對噪聲的控制起關鍵性作用。本文將利用最小二乘法以及分段三次埃爾米特多項式進行對比分析，并通過具體的車廂噪聲實驗加以證實。此外，利用傅里葉變換對階次進行跟蹤分析，進一步證明了實驗結果的有效性。

參考文獻

[1]龍月泉，石曉輝，施全.基于階次跟蹤的變速箱噪聲源識別[J].噪聲與振動控制，2012，29（1）：77-81.

[2]王鵬，吳光強，欒文博.基于平滑偽維格納分布與階次跟蹤的汽車變速器嘯叫噪聲分析[J].機械傳動，2014，38（9）：128-133.endprint