頻譜分析法在電動(dòng)車差速器異響診斷中的應(yīng)用

高鑫，呂紅明

（224051 江蘇省 鹽城市 鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院）

0 引言

隨著電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)逐漸被電機(jī)取代，失去了發(fā)動(dòng)機(jī)的屏蔽效應(yīng)，電動(dòng)車在行駛中不能像傳統(tǒng)燃油車一樣利用發(fā)動(dòng)機(jī)本身的噪聲抵消或掩蓋其他零部件產(chǎn)生的噪聲[1-2]，乘客主觀上更易察覺(jué)到電動(dòng)車的異響。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電驅(qū)動(dòng)后橋異響問(wèn)題客戶抱怨率居高不下，嚴(yán)重影響乘客的乘坐舒適性[3-5]。

頻譜分析法是將時(shí)域信號(hào)做快速傅里葉變換，數(shù)據(jù)成為以頻域特征顯示的頻譜圖，圖中包含與零部件相關(guān)的頻率特性，可以為齒輪箱異響診斷提供依據(jù)。本文針對(duì)某款電動(dòng)車后橋中差速器存在的異響問(wèn)題，通過(guò)搭建簡(jiǎn)易的試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)差速器高低擋位穩(wěn)定運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)速信號(hào)、振動(dòng)加速度信號(hào)、聲壓信號(hào)進(jìn)行采集。對(duì)采集的噪聲與振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行濾波處理，提取噪聲與振動(dòng)加速度信號(hào)的頻譜特征，并通過(guò)對(duì)比主要頻率成分，確定電動(dòng)車差速器異響來(lái)源，為后期電動(dòng)車差速器異響問(wèn)題的解決提供優(yōu)化方向。

1 差速器結(jié)構(gòu)

差速器作為電動(dòng)車傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵核心部件，在汽車行駛過(guò)程中，通過(guò)行星齒輪帶動(dòng)兩邊半軸以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，從而保證汽車在轉(zhuǎn)彎時(shí)的正常行駛[6]。本文研究的某款減/差速器的齒輪傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 減/差速器齒輪傳動(dòng)系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of differential/reducer

T 對(duì)應(yīng)齒輪的齒數(shù)信息，Z 對(duì)應(yīng)齒輪序號(hào)。該款差速器共有2 個(gè)擋位的動(dòng)力傳遞路徑，一是低速擋齒輪嚙合傳遞路徑：Z3-Z4-Z5-Z6，二是高速擋齒輪嚙合傳遞路徑：Z1-Z2-Z5-Z6。高擋位運(yùn)行時(shí)，齒輪4 空轉(zhuǎn)，齒輪2 通過(guò)同步齒圈與中間軸相連，傳遞動(dòng)力。同理，低擋位運(yùn)行時(shí)，齒輪2 空轉(zhuǎn)，齒輪4 通過(guò)同步齒圈與中間軸相連，傳遞動(dòng)力。

在齒輪嚙合過(guò)程中，嚙合位置、嚙合剛度和所受載荷等參數(shù)均具有周期性變化的特征，反映此周期性特征信息的是嚙合頻率（fGMF）及其高次諧波[7]。根據(jù)式（1），可方便地計(jì)算各齒輪嚙合頻率。

式中：fi、fo——主動(dòng)輪、從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)頻；zi、zo——主動(dòng)輪、從動(dòng)輪的齒數(shù)。

2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用江蘇東華測(cè)試公司的DH5902 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)車后橋差速器的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)與振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行采集。另外，為模擬差速器的差速工況，將后橋一端固定，實(shí)現(xiàn)差速功能，具體安裝布置情況如圖2 所示。

圖2 后橋總成及傳感器布置Fig.2 Composition of rear axle and sensor arrangement

將傳聲器安裝在距離被測(cè)差速器表面距離1 m處，模擬遠(yuǎn)場(chǎng)處噪聲條件。為獲取不同擋位下的轉(zhuǎn)速信息，使用2 個(gè)速度傳感器測(cè)量差速器輸入端與輸出端轉(zhuǎn)速的變化情況。一個(gè)霍爾式速度傳感器安裝在電機(jī)風(fēng)扇輸入端，另一個(gè)光電式速度傳感器安裝在制動(dòng)盤輸出端。

此外，為與聲壓信號(hào)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，根據(jù)電動(dòng)車后橋差速器在試驗(yàn)臺(tái)架的安裝情況，一共安裝了6 個(gè)單向振動(dòng)加速度傳感器，分別在差速器的外殼安裝3 個(gè)單向振動(dòng)加速度傳感器，在電機(jī)外殼安裝1 個(gè)單向振動(dòng)加速度傳感器，在后橋牙包安裝2 個(gè)單向振動(dòng)加速度傳感器，測(cè)量各工作點(diǎn)的振動(dòng)情況。（1）在差速器外殼頂端且靠近軸承中心線上粘貼1號(hào)單向振動(dòng)加速度傳感器；（2）在差速器外殼左右兩側(cè)中間位置粘貼2 號(hào)、3 號(hào)單向振動(dòng)加速度傳感器；（3）在后橋牙包的前后兩側(cè)等高處粘貼4 號(hào)、5 號(hào)單向振動(dòng)加速度傳感器；（4）在電機(jī)外殼上采用磁力座吸附方式安裝6 號(hào)單向振動(dòng)加速度傳感器。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 噪聲分析

通過(guò)電動(dòng)車后橋高低擋位勻速工況的試驗(yàn)，獲取相應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲曲線圖，如圖3 所示。圖3 為勻速工況下，高擋位與低擋位的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲曲線圖。橫坐標(biāo)表示時(shí)間，提取15 s 時(shí)間長(zhǎng)度的噪聲信號(hào)。縱坐標(biāo)表示A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，描述線性幅值的變化情況。在高擋位勻速運(yùn)行工況下，遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲強(qiáng)度峰值為83.28 dB(A)；在低擋位勻速運(yùn)行工況下，遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲強(qiáng)度峰值為80.58 dB(A)。測(cè)量的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲強(qiáng)度均超過(guò)80 dB(A)。噪聲強(qiáng)度在80 dB(A)以上，會(huì)對(duì)人體的聽(tīng)覺(jué)器官產(chǎn)生損害。長(zhǎng)期在此噪音強(qiáng)度環(huán)境下，會(huì)危害人們的健康。

圖3 高擋位與低擋位勻速工況噪聲曲線圖Fig.3 Noise curves of high-gear and low-gear under uniform working conditions

為獲取相應(yīng)的噪聲頻譜特性，對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲功率譜圖如圖4、圖5 所示。由圖4 可知，高擋位的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲信號(hào)頻率主要集中在141.60、283.20、364.38 Hz。根據(jù)式（1）計(jì)算各對(duì)齒輪嚙合頻率，圖4 主要頻率成分對(duì)應(yīng)行星齒輪與半軸齒輪嚙合頻率141.02 Hz 及其諧頻成分282.05 Hz，差速器齒輪5 與齒輪6 的嚙合頻率363.41 Hz。由圖5 可知，低擋位的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲信號(hào)頻率主要集中在68.96、137.32、177.00 Hz。根據(jù)式（1）計(jì)算各對(duì)齒輪嚙合頻率，圖5 主要頻率成分對(duì)應(yīng)行星齒輪與半軸齒輪嚙合頻率68.69 Hz 及其諧頻成分137.38 Hz，差速器齒輪5 與齒輪6 的嚙合頻率177.01 Hz。

圖4 高擋位勻速工況噪聲功率譜圖（輸入軸轉(zhuǎn)速3 115 r/min）Fig.4 Noise power spectrum at constant speed in high range (input shaft speed 3 115 r/min)

圖5 低擋位勻速工況噪聲功率譜圖（輸入軸轉(zhuǎn)速3 160 r/min）Fig.5 Noise power spectrum at constant speed in low range (input shaft speed 3 160 r/min)

3.2 振動(dòng)分析

在高低擋穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的運(yùn)行工況下，測(cè)得各振動(dòng)加速度信號(hào)，將6 個(gè)傳感器所測(cè)信號(hào)進(jìn)行FFT 計(jì)算，數(shù)字濾波后獲得振動(dòng)加速度的功率譜特性，如圖6和圖7 所示。由圖6 可見(jiàn)，電動(dòng)車差速器振動(dòng)加速度信號(hào)在高擋位時(shí)，頻率成分主要集中在365.60、140.99 Hz 及其倍頻282.59 Hz、倍分頻211.79 Hz 處。

圖6 高擋位振動(dòng)頻率特性（輸入軸轉(zhuǎn)速3 115 r/min）Fig.6 High range vibration frequency characteristics (input shaft speed 3 115 r/min)

圖7 低擋位振動(dòng)頻率特性（輸入軸轉(zhuǎn)速3 160 r/min）Fig.7 Low range vibration frequency characteristics (input shaft speed 3 160 r/min)

由圖7 可見(jiàn)，在低擋位時(shí)，振動(dòng)頻率成分主要集中在177.00、68.97 Hz 及其倍頻137.32 Hz 和倍分頻103.14 Hz 處。根據(jù)式（1）計(jì)算各對(duì)齒輪嚙合頻率，圖6 與圖7 振動(dòng)信號(hào)主要頻率成分依然對(duì)應(yīng)差速器的不同轉(zhuǎn)速下，齒輪5 與齒輪6 的嚙合頻率、行星齒輪與半軸齒輪嚙合頻率及其諧頻成分。齒輪的倍分頻成分往往是受齒輪制造、安裝誤差等非線性因素影響所產(chǎn)生，并且，各傳感器信號(hào)的頻率幅值也在高擋位轉(zhuǎn)速最高時(shí)達(dá)到最大。

此外，聲壓信號(hào)也表明，振動(dòng)噪聲與個(gè)別輪齒嚙合情況密切相關(guān)，噪聲主要頻率成分與上述異響差速器的嚙合頻率成分基本相同，說(shuō)明主要振動(dòng)頻率是由相應(yīng)齒輪嚙合所產(chǎn)生的。

4 結(jié)語(yǔ)

后橋差速器異響噪聲與振動(dòng)的頻率成分主要集中在齒輪嚙合頻率及其倍頻（倍分頻）處，具有頻率低、幅值大的特點(diǎn)。齒輪的嚙合頻率比較低，但產(chǎn)生的嚙合頻率及其諧頻成分位于人耳的可聽(tīng)頻率范圍內(nèi)，會(huì)產(chǎn)生令人不舒適的振動(dòng)異響。后期應(yīng)對(duì)差速器齒輪參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，以此降低差速器異響問(wèn)題。