金悅，范紅忠

（上海汽車變速器有限公司，上海 201807）

引言

變速箱是整車中一個主要噪聲輻射源，其 NVH性能是一個系統(tǒng)工程，不僅僅與設(shè)計相關(guān)，還與變速箱的生產(chǎn)制造過程息息相關(guān)。變速箱在生產(chǎn)制造過程中，存在著大量因零部件制造、運輸和裝配不良等因素引起的NVH質(zhì)量問題[1]。從過程管理和質(zhì)量控制角度看，變速箱 NVH下線校驗關(guān)系到變速箱產(chǎn)品的出廠質(zhì)量及早期故障的識別，可有效降低變速箱出廠后零公里問題總成和PDI問題總成比率，有時甚至關(guān)系到品牌的聲譽。時域分析能直觀地反映變速箱的運行狀態(tài)，故障信號的特征與產(chǎn)品的故障點有良好的對應(yīng)關(guān)系[2]；時域評價是產(chǎn)品下線校驗的重要組成部分。變速箱噪聲的表現(xiàn)具有相當?shù)膹?fù)雜性，受變速箱的工作檔位、轉(zhuǎn)速、載荷等因素影響很大；比如有些齒輪輪齒敲碰傷或毛刺在空載工況下表現(xiàn)出明顯的振動沖擊，而在受載工況下表現(xiàn)比較微弱；而有些則在受載時表現(xiàn)明顯；還有一些在低轉(zhuǎn)速下表現(xiàn)明顯，而在高轉(zhuǎn)速區(qū)間表現(xiàn)微弱，有些則相反。傳統(tǒng)方法中對變速箱振動或噪聲測試數(shù)據(jù)進行單一時域波形數(shù)據(jù)進行考核，無故障定位能力，無法判定是哪一檔位齒輪缺陷引起此異常振動或噪聲，具有相當大的局限性。為了能夠合理、準確的對變速箱的 NVH進行全面可靠的評價，保證出廠質(zhì)量，必須對變速箱下線校驗提出更高、更全面的、更匹配變速箱實際使用工況的評價體系及方法。針對這種現(xiàn)狀，本文闡述了一種針對DCT變速箱NVH下線校驗時域評價體系，采用了指標組合評價的方法；該時域評價體系包括考核工況設(shè)定、評價指標定義、故障特征向量提取、評價限值設(shè)定、故障齒輪定位以及故障碼矩陣的定義六大塊功能；實現(xiàn)了零件級別的故障定位；對變速箱質(zhì)量控制、噪聲問題分析具有重要意義，且具有很大的經(jīng)濟意義；對其它類型的變速箱同樣具有借鑒作用。

1 DCT變速箱結(jié)構(gòu)

本文中干式DCT變速箱為7速變速箱，主要由雙離合器模塊、動力模塊、變速箱本體以及連接線束組成；其中，動力模塊在TCU的控制下通過電液系統(tǒng)實現(xiàn)各檔位以及奇/偶離合器的控制；本文主要關(guān)注變速箱本體部分（傳動系統(tǒng)）的振動考核。

該款變速箱包含奇/偶數(shù)兩根輸入軸、上/下兩根輸出軸和差速器小總成等關(guān)鍵零部件，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示?？芍?/p>

1）兩根輸入軸嵌套在一起，分別與奇/偶離合器通過花鍵副相連接；其中輸入內(nèi)軸為奇數(shù)軸，與奇數(shù)離合器相連，控制奇數(shù)（1、3、5、7）檔位，輸入外軸為偶數(shù)軸，與偶數(shù)離合器相連接，控制偶數(shù)（2、4、6）檔位和倒（R）檔；內(nèi)外軸之間布置大、中、小三個滾針軸承，起到支撐、定心作用。

2）上輸出軸系包含3、5、4、R四個檔位從動齒，并通過軸端齒輪與主減速齒輪嚙合傳遞動力至兩半軸；下輸出軸系包含1、7、6、2四個檔位從動齒，并通過軸端齒輪與主減速齒輪嚙合傳遞動力至兩半軸。

3）差速器通過主減速齒輪與兩輸出軸軸端齒輪連接、同時通過行星軸系將動力傳遞至兩半軸。

圖1 某款 DCT變速箱結(jié)構(gòu)簡圖

2 臺架NVH下線測試原理

2.1 測試系統(tǒng)

圖2描述了EOL下線測試系統(tǒng)的組成以及各關(guān)鍵信息的傳遞方向與路徑。本文研究重點是振動信號與轉(zhuǎn)速信號融合后時域評價指標的組合運用，以提升故障識別率。

圖2 測試系統(tǒng)組成

2.2 傳感器布置點的選擇

在振動測試中，通過測量殼體振動反映變速箱內(nèi)部振動；振動信號測點應(yīng)盡可能布置在靠近軸承且剛性較好的部位[3,4]；且應(yīng)布置在距離軸承中心（振源）距離最短且振動波的縱向傳遞方向上[5]。在同時考慮到EOL臺架自動化及空間的布置，本文將振動信號測點布置在變速箱輸入軸底部軸承正上端平面上，如圖3所示。

圖3 振動傳感器布置點

2.3 測試工況

EOL下線校驗臺架NVH測試工況一般包括兩種類型，一種類型為考核對象轉(zhuǎn)速為勻速；另一種類型為考核對象為非勻速（主要為斜坡升、降速）。測試時，考慮到整車的實際使用情況，怠速工況考核和電液驅(qū)動模塊（電子泵）考核適用于第一種類型；各傳動檔位承載工況適用于第二種類型。考慮到第一種類別可以看作第二種類別的一種特殊情況，故本文重點研究第二種類型。

圖4 各檔位承載工況NVH測試程序及評價區(qū)間

圖4描述了承載工況下各檔位的典型測試循環(huán)；其中，轉(zhuǎn)速斜坡上升區(qū)間為正向驅(qū)動階段，轉(zhuǎn)速斜坡下降區(qū)間為反拖滑行階段。在考核區(qū)間內(nèi)分別完成對變速箱正向驅(qū)動和反向滑行的受載NVH考核。圖5描述了某一檔位下的詳細測試評價區(qū)間。

圖5 某檔位詳細測試工況及評價區(qū)間

3 時域指標組合評價

3.1 時域評價指標與特征向量定義

時域分析能直觀地反映機器的運行狀態(tài)，故障信號的特征與設(shè)備的故障點有良好的對應(yīng)關(guān)系[6]。時域分析方法主要包括時差分析和統(tǒng)計指標分析兩種；其中，時域統(tǒng)計特征評價是變速箱下線校驗的主要評價方法之一，本文主要使用時域統(tǒng)計特征評價方法。

統(tǒng)計指標分析是指采用統(tǒng)計學(xué)的方法，完成統(tǒng)計指標評價。其評價指標一般包括有量綱和無量綱指標兩大類，其中有量綱指標及其物理含義如表 1所示，無量綱指標及其對NVH問題的敏感性和穩(wěn)定性，如表2所示?，F(xiàn)有研究成果表明，針對變速箱初期故障問題，有量綱指標RMS、無量綱指標脈沖因數(shù)I、峰值因數(shù)C、峭度系數(shù)K，具有良好的辨識性、敏感性[7]；同時參照現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)驗，本文確定評價指標特征向量Fv包含了有量綱指標RMS，和表2中所示的無量綱指標，如式（1）所示；其中RMS、峭度系數(shù)K和峰值因數(shù)C為關(guān)鍵評價指標，限值設(shè)定嚴格；其余指標為參考評價指標，限值可以設(shè)定稍寬松些。同時，評價系統(tǒng)中采用指標參數(shù)最大化原則，即同一信號通道同一評價指標隨轉(zhuǎn)速變化而求得的值取最大值與考核限值進行比較，進一步判斷是否超差報故障碼。

3.2 特征向量提取與故障碼設(shè)定規(guī)則

NVH考核區(qū)間測得振動為非平穩(wěn)時域信號，可以通過轉(zhuǎn)速同步技術(shù)[8,9]將信號轉(zhuǎn)化成角度域平穩(wěn)信號，然后采用同步平均處理方法，完成某一轉(zhuǎn)子級別的振動信號提取，為時域評價做好準備并實現(xiàn)故障定位。圖6描述了特征向量提取和故障碼生產(chǎn)過程。可知，經(jīng)逐步分解后，振動信號的類型有三大類，分別為固定通道信號、混合通道信號和同步通道信號；其中，固定通道（fix）信號指經(jīng)硬件設(shè)備按照固定采樣頻率 Fs采集得到經(jīng)過初級后的原始振動信號；混合通道（mix）信號為固定通道信號經(jīng)過以某一基準軸轉(zhuǎn)頻進行重采樣后的角度域振動信號；同步通道（syn）信號為混合通道信號以基準軸的轉(zhuǎn)頻進行同步平均處理后的振動信號，通過此通道信號分析，可實現(xiàn)最終故障位置的確定；三類的通道表示如式（2）。

值得注意的是，一般時域考核與階次域或頻域考核同時進行，在完成振動信號的轉(zhuǎn)化過程中也必須考慮階次域的計算；故，針對變速箱一般階次控制在256ord就足以表征其可能的故障范圍，本文中重采樣后角域采樣點數(shù)為512點/轉(zhuǎn)；經(jīng)過此步處理的信號稱之為混合通道（mix）信號，一般 8轉(zhuǎn)完成一次FFT變換和時域指標考核，得到此刻的階次譜圖；此外考慮到數(shù)據(jù)計算量、診斷的實時性以及盡可能提高SNR，針對混合通道信號，一般4-5轉(zhuǎn)做一次同步平均，形成同步通道（syn）信號，然后進行時域統(tǒng)計以及FFT分析；本文選取4轉(zhuǎn)完成一次同步平均。

表1 有量綱指標及其物理含義

圖6 特征向量提取和故障碼生產(chǎn)過程

表2 無量綱指標及其敏感性與穩(wěn)定性

一臺總成校驗故障信息應(yīng)該是指示明確、判斷準確、簡潔明了；針對本文，其應(yīng)該包含故障位置、故障類型、測試檔位、驅(qū)動模式、超差指標等信息；故針對DCT變速箱定義以下內(nèi)容：

編碼格式如下：

故障碼 ID 位置：has故障類型 in 測試檔位 驅(qū)動模式@評價指標。

示例：

20040 Upper Shaft：has nick in 4thGear Drive mode@CREST(在4檔Drive工況下上中間軸 旋轉(zhuǎn)件有局部損傷)。

20041 Gout4：has nick in 4thGear Coast mode（在4檔Coast工況下4檔從動齒輪輪齒有局部損傷）。

故障碼類型顯示優(yōu)先級：syn通道〉mix通道〉fix通道。

3.3 評價指標限值設(shè)定方法

評價指標的限值設(shè)定方法，1、由行業(yè)專家依據(jù)其經(jīng)驗直接給定，主要為時域的單項指標等；2、采集一定樣本量的正常測試數(shù)據(jù)，依據(jù)這些數(shù)據(jù)完成評價限值的設(shè)定，設(shè)定方法如下：

其中，Vlimit：評價指標限值；

MEAN：均值，可由參考樣本的求得；

Vsta：標準偏差，可由參考樣本求得；

α：標準偏差系數(shù)，一般選取值為3；

Voffset：偏移量，可以通過修改此參數(shù)改變評價的極限值；

偏移量的設(shè)定，關(guān)系到評價指標的有效率，過大，易造成不合格總成溢出至客戶端；過小，則造成合格總成不合理的返修或報廢；故須謹慎設(shè)定。

4 案例分析

在DCT產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，有部分檔位齒輪齒頂?shù)估馓幋嬗星门鰝染植抗收希辉谧兯傧涔ぷ鲿r，會發(fā)出“噠噠”聲，極大的降低了變速箱的NVH品質(zhì)；本文以4檔從動齒敲碰傷（如圖 7）為例，說明時域指標組合評價方法的有效性和優(yōu)越性。

圖7 4檔從動齒敲碰傷

4.1 故障總成各通道間圖譜對比

表3 4檔工況基本參數(shù)

圖8 各通道振動信號

表3為4檔Drive mode模式下參與動力傳遞的齒輪副基本參數(shù)，可知，通過選取不同旋轉(zhuǎn)件作為基準參考軸，進行角域同步分析，可分別得到各自基準軸的syn通道振動信號。圖 8(a)為 fix通道原始振動信號，為典型的時變沖擊衰減振動；圖8(b)為mix通道振動信號，為重采樣得到的角度域周期性沖擊衰減振動。圖8(c)～(f)分別為GIN4、GOUT4 GFDIn Up、GFDOut 和GFDInLow四個轉(zhuǎn)子的 syn通道振動信號；可以看出，經(jīng)過同步平均后， GOUT4 GFDInUp syn通道振動信號明顯比其余轉(zhuǎn)子syn通道振動幅值大，這說明fix通道和mix通道的沖擊振動主要來自于GOUT4 GFDIn Up轉(zhuǎn)子，即故障子零件為GOUT4 GFDInUp轉(zhuǎn)子，實現(xiàn)了故障件的定位。圖9為各通道的評價指標追跡圖，通過此圖可觀察出各指標的隨著轉(zhuǎn)速變化的情況，可以看出，GOUT4GFDInUp轉(zhuǎn)子的kurtosis指標一直處于較高水平，大于25，也可反映出問題所在。

圖9 各通道指標的峭度指標追跡圖

4.2 故障件與正常件對比

表4 故障件各通道實測值

表5 參考件各通道評價指標實測值

表6 該工況下各通道評價指標限值

表4 為評價指標的最終獲得值；表5為正?？偝桑▍⒖加茫┰谠摴r下的評價指標值；圖6為以經(jīng)驗和統(tǒng)計分析法設(shè)定的指標限值；可知，表4至表6數(shù)據(jù)表示，指標I、C、L、K均能反映出故障；其中，以峭度指標K的的敏感性、辨識性最好，可以有效識別并定位故障件位置。

程序報故障碼（主碼）：

20042 Upper Shaft：has nick in 4thGear Drive mode@KURTOSIS（在4檔Drive工況下上中間軸 旋轉(zhuǎn)件有局部損傷）。

5 結(jié)論

利用時域指標對變速箱進行組合評價，并詳述評價方法的實施，實現(xiàn)了變速箱故障齒輪的定位；并通過案例驗證，證實了方法的有效性。目前該方法已應(yīng)用于我廠變速器產(chǎn)品的下線校驗中，有效地降低了生產(chǎn)成本，具有可觀的經(jīng)濟意義。

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