施 全，郭 棟，石曉輝，易 鵬

(1.重慶理工大學(xué) 汽車(chē)零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054;2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

目前自主品牌汽車(chē)企業(yè)滿足產(chǎn)品可靠及耐久、動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性的能力較強(qiáng)，滿足操縱穩(wěn)定性能力次之，滿足安全性能力相對(duì)薄弱，NVH(Noise，Vibration＆Harshness)控制能力則最差［1］。同時(shí)國(guó)家法規(guī)對(duì)整車(chē)噪聲控制要求的日益嚴(yán)格，以及汽車(chē)購(gòu)買(mǎi)者對(duì)乘坐舒適性的要求越來(lái)越高，迫切需要展開(kāi)對(duì)汽車(chē)NVH性能的研究。變速器是汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)的主要部分，同時(shí)也是汽車(chē)NVH主要的來(lái)源之一。變速器嘯叫因噪聲敏感頗受關(guān)注。Becker［2］從聲品質(zhì)的角度對(duì)變速器嘯叫進(jìn)行了評(píng)價(jià)與研究。Lee［3］對(duì)某商務(wù)車(chē)車(chē)內(nèi)存在的嘯叫問(wèn)題，通過(guò)車(chē)內(nèi)噪聲實(shí)驗(yàn)，利用階次分析得到特征譜。利用工作變形分析和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解找到了噪聲源。Donald等［4］基于結(jié)構(gòu)聲的產(chǎn)生傳遞過(guò)程，以靜態(tài)分析的方法，重點(diǎn)討論輪齒齒形修形和噪聲的關(guān)系。葛如海［5］等建立了齒輪靜傳遞誤差模型，結(jié)合接觸斑點(diǎn)并采用多因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得出最佳的齒面微觀修形參數(shù)，降低了嘯叫聲。

本文以存在嘯叫的變速器為研究對(duì)象。分析變速器噪聲的組成部分，進(jìn)行半消聲室臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，通過(guò)頻譜分析、貢獻(xiàn)量分析等方法找到噪聲的特征頻率。通過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題比較特殊，由于設(shè)計(jì)參數(shù)不當(dāng)出現(xiàn)了不同傳動(dòng)部件特征頻率一致的情況。對(duì)此利用聲學(xué)照相機(jī)技術(shù)確定了輻射聲源的位置，考慮到噪聲特征頻率范圍與箱體的模態(tài)頻率范圍較為接近，通過(guò)有限元法計(jì)算箱體的模態(tài)頻率，發(fā)現(xiàn)箱體出現(xiàn)共振。研究為修改傳動(dòng)部件參數(shù)、變速器箱體結(jié)構(gòu)提供了參考依據(jù)。

1 變速器噪聲分析

變速器噪聲主要包括空氣聲和結(jié)構(gòu)聲兩部分。變速器噪聲產(chǎn)生過(guò)程［6］如圖1所示:

圖1 變速器噪聲產(chǎn)生過(guò)程Fig.1 Process of transmission noise production

對(duì)汽車(chē)變速器等閉式傳動(dòng)系統(tǒng)，通常結(jié)構(gòu)聲為主要噪聲源。結(jié)構(gòu)聲的產(chǎn)生傳遞過(guò)程如圖2所示。嚙合的齒輪對(duì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)嚙合力，動(dòng)態(tài)嚙合力經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)的傳遞到達(dá)箱體，引起箱體的振動(dòng)，并在箱體剛度較低的位置輻射出噪聲。

2 臺(tái)架試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

圖2 結(jié)構(gòu)聲產(chǎn)生傳遞過(guò)程Fig.2 Process of structure noise production

在半消聲室中對(duì)該變速器進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用德國(guó)HEAD公司的 OctoBox。變速器輻射出的噪聲是通過(guò)三個(gè)電容式聲壓傳感器(G.R.A.S46AE)來(lái)測(cè)量的。轉(zhuǎn)速傳感器采用小野公司的LG－916型光電轉(zhuǎn)速傳感器。傳感器的布置依據(jù)QC/T 568－1999的要求，同時(shí)結(jié)合箱體有限元分析的結(jié)果來(lái)布置。轉(zhuǎn)速傳感器布置在變速器輸入軸一端的聯(lián)軸器處，測(cè)量輸入軸的轉(zhuǎn)速。三個(gè)聲壓傳感器分別布置在變速器的左、右、上三個(gè)方向且與輸入軸中心線垂直相交。

2.2 試驗(yàn)規(guī)范

根據(jù)本次試驗(yàn)的目的以及變速器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，制定了在半消聲室中臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范。分別為穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)兩種。

穩(wěn)態(tài)試驗(yàn):在5個(gè)不同的轉(zhuǎn)速(1000 r/min、2000 r/min、3000 r/min、4000 r/min、5000 r/min)下進(jìn)行。

瞬態(tài)試驗(yàn):從轉(zhuǎn)速1000 r/min到4000 r/min的勻變速過(guò)程。反拖試驗(yàn):1000 r/min。

每次實(shí)驗(yàn)采集記錄三次數(shù)據(jù)，選擇一致性較好的數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)。

圖3 NVH臺(tái)架試驗(yàn)簡(jiǎn)圖Fig.3 NVH testbench

2.3 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)各種工況下的一致性較好的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)各種工況下的噪聲頻譜特征較為一致。3000 r/min工況下平均噪聲值在68 dB(A)。3000 r/min頻譜圖如圖4。反拖工況頻譜圖如圖5。

通過(guò)對(duì)比及統(tǒng)計(jì)分析得到了特征頻率為:524.8 Hz，915 Hz，1054.4 Hz，1577 Hz。其中 1054.4 Hz處噪聲值最大。該變速器為中間軸式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，2檔傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

軸的轉(zhuǎn)頻公式:

圖6 2擋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)Fig.6 2nd gear structure

嚙合頻率計(jì)算公式:

其中:n為軸轉(zhuǎn)速(r/min)，Z為齒數(shù):

根據(jù)頻率公式計(jì)算出在3000 r/min下2檔頻率成分如表1所示:

表1 頻率成分Tab.1 Mesh frequency

由表1可知，齒輪對(duì)的嚙合頻率與臺(tái)架試驗(yàn)得到的特征頻率一致(誤差范圍內(nèi))。但2檔的嚙合頻率基頻為主減齒輪對(duì)的嚙合頻率的2倍頻，出現(xiàn)不同傳動(dòng)部件特征頻率一致的情況。由于邊頻等其他識(shí)別特征不明顯，噪聲源不確定。同時(shí)912 Hz未確定來(lái)源，故難以通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)確定噪聲源。

3 聲學(xué)照相機(jī)

3.1 基本原理

聲學(xué)照相機(jī)是一種聲場(chǎng)可視化工具，即將聲源的實(shí)景視頻圖像與聲場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果相結(jié)合［7］，確定聲源位置。聲場(chǎng)的測(cè)量多采用應(yīng)用廣泛的麥克風(fēng)陣列［8－10］方式。該定位方法分波束成形法、高分辨率方法及波達(dá)時(shí)延差方法。其中波束成形法是利用聲陣列進(jìn)行聲場(chǎng)信號(hào)采樣，基于“延時(shí)＆累加”波束成型原理對(duì)信號(hào)進(jìn)行疊加。波束成形基本原理如圖(7)所示。

聲源平面上有一點(diǎn)聲源q在時(shí)刻t的位置為(xq，yq，zq)，傳聲器陣列中第 i個(gè)傳聲器 mi的位置為(xi，yi，zi)Diq是時(shí)刻t點(diǎn)聲源q到mi的距離。各傳聲器測(cè)量到的來(lái)自聲源點(diǎn)q的信號(hào)的相位關(guān)系是確定的。用延遲累加波束形成方法對(duì)各傳聲器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理，可得到q點(diǎn)聲源的聲場(chǎng)值。使用相同的處理方法遍歷整個(gè)聲源表面，即可得到整個(gè)面的聲場(chǎng)分布從而識(shí)別出聲源位置。

圖7 波束成形基本原理Fig.7 Theory of beamforming

聲源點(diǎn)q在t時(shí)刻發(fā)射的聲波到達(dá)傳聲器mi的時(shí)刻是t+Diq/c。根據(jù)“延遲－累加”波束形成原理，平面陣列聚焦的聲源點(diǎn)q的波束形成輸出為:

其中:Dmin為參考距離;c為聲速;公式(4)中的ωi為陣列的空間窗函數(shù);M為傳聲器的總數(shù)。

3.2 聲源識(shí)別試驗(yàn)

按照聲學(xué)照相機(jī)測(cè)試要求在半消聲室中布置安裝傳感器，盡量保證麥克風(fēng)陣列平面與箱體輻射平面平行。采用與臺(tái)架試驗(yàn)相同的試驗(yàn)規(guī)范，對(duì)變速器的左面、右面、上面進(jìn)行了大量的測(cè)量。一種布置位置如圖8所示。

圖8 聲學(xué)照相機(jī)布置位置Fig.8 Layout of the acoustic camera

圖9 1050 Hz照片F(xiàn)ig.9 Photo of1050 Hz

通過(guò)綜合分析各個(gè)測(cè)量位置的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)麥克風(fēng)陣列測(cè)量得到的特征頻率與臺(tái)架試驗(yàn)基本一致。各個(gè)特征頻率對(duì)應(yīng)的聲源位置是確定的。典型的1050 Hz數(shù)據(jù)如圖9所示。

綜合分析1050 Hz時(shí)變速器左面、上面、右面的聲學(xué)照片發(fā)現(xiàn)，噪聲是通過(guò)主減齒輪對(duì)所對(duì)應(yīng)的位置處發(fā)出的?；究梢源_定主減齒輪對(duì)為主要的噪聲激勵(lì)源。915 Hz處的聲學(xué)照片如圖(10)所示。從圖中可知，噪聲源覆蓋了變速器較大的面積，不能通過(guò)聲學(xué)照相機(jī)確定該頻率來(lái)源。

圖10 915 Hz照片F(xiàn)ig.10 Photo of 915 Hz

4 箱體模態(tài)分析

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)基本確定了噪聲源的特征頻率，通過(guò)聲學(xué)照相機(jī)基本確定了噪聲的激勵(lì)源?？紤]到幾個(gè)特征頻率所處的頻帶范圍與變速器箱體的模態(tài)范圍較為接近，不排除箱體引發(fā)共振的可能，及915 Hz未確定。因此，需要確定變速器箱體的模態(tài)。采用有限元法計(jì)算箱體的模態(tài)。根據(jù)箱體實(shí)際的裝配條件，在箱體與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接面上各個(gè)螺栓孔處施加固定約束，左右箱體的結(jié)合面利用剛性單元來(lái)模擬螺栓連接。箱體的有限元模型見(jiàn)圖11，前十階模態(tài)見(jiàn)表2。

表2 箱體模態(tài)頻率Tab.2 Nature frequency of housing

圖11 箱體有限元模型Fig.11 FEM model of housing

由箱體模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，箱體的第三、四階模態(tài)頻率與噪聲的特征頻率基本一致。說(shuō)明箱體發(fā)生共振，加大了該變速器的噪聲。針對(duì)共振問(wèn)題，需要修改箱體的固有特性以避開(kāi)共振區(qū)域:做輕量化設(shè)計(jì)，修改結(jié)構(gòu)剛度。由于結(jié)構(gòu)噪聲是通過(guò)變速器箱體表面輻射出的，因此修改的重點(diǎn)為變速器箱體上大的輻射面。對(duì)該變速器左右箱體大輻射面增加加強(qiáng)筋的密度及強(qiáng)度，從而提高了結(jié)構(gòu)的剛度，避開(kāi)了共振區(qū)域。

5 結(jié)論

本文研究了一款變速器存在的嘯叫問(wèn)題。分析了變速器噪聲的產(chǎn)生過(guò)程。對(duì)該變速器進(jìn)行了半消聲室臺(tái)架試驗(yàn)，聲學(xué)照相機(jī)試驗(yàn)，通過(guò)頻譜分析、貢獻(xiàn)量分析、對(duì)比聲學(xué)照片等方法找到噪聲的激勵(lì)源。該變速器嘯叫為設(shè)計(jì)參數(shù)不當(dāng)導(dǎo)致出現(xiàn)不同傳動(dòng)部件特征頻率一致引起變速器箱體的共振。研究為以降低噪聲為目的，修改傳動(dòng)部件參數(shù)、變速器箱體結(jié)構(gòu)提供了參考依據(jù)。

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