王澤貴，周 益，周觀鵬，張 磊

(1.格特拉克(江西)傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，南昌 330013;2.浙江大學(xué) 能源工程系，杭州 310027)

汽車(chē)變速器嘯叫聲是一種中高頻率(頻率范圍大約為300～3 000 Hz)的純音，因此很容易被人耳識(shí)別[1]。隨著汽車(chē)的主要噪聲的降低和顧客對(duì)汽車(chē)聲品質(zhì)要求的提高，嘯叫聲的控制刻不容緩。

當(dāng)變速器制造裝配完成后，需要在其被傳遞至顧客之前有效識(shí)別其振動(dòng)和嘯叫品質(zhì)。當(dāng)今識(shí)別嘯叫聲的技術(shù)是在下線振動(dòng)檢測(cè)臺(tái)架上測(cè)量變速器的齒輪嚙合振動(dòng)特性以考察其嘯叫聲[2]，與傳統(tǒng)的靠人耳聽(tīng)覺(jué)的主觀檢測(cè)相比，這是較先進(jìn)和可靠的方法。此方法的難點(diǎn)在于如何確定振動(dòng)的測(cè)量位置和振動(dòng)的臨界值。

本文以某手動(dòng)前驅(qū)變速器為例，通過(guò)選取不同測(cè)量位置的齒輪嚙合振動(dòng)與整車(chē)上變速器嘯叫聲的相關(guān)性進(jìn)行研究，確定了臺(tái)架上的最佳測(cè)量位置和各檔位齒輪副振幅的臨界值。該方法應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)后有效地區(qū)分了合格變速器和不合格變速器，降低了顧客對(duì)嘯叫聲的抱怨率。

1 嘯叫聲檢測(cè)方法

1.1 齒輪副嚙合振動(dòng)與嘯叫的關(guān)系

汽車(chē)變速器受載齒輪副承受載荷后，由于各種誤差和嚙合剛度的變化等因素導(dǎo)致嚙合過(guò)程產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)激起變速器殼體類(lèi)零件的振動(dòng)而輻射出噪聲。要識(shí)別和控制變速器的嘯叫聲，就必須知曉齒輪副嚙合振動(dòng)的大小。

齒輪副的噪聲也可以應(yīng)用齒輪副的振動(dòng)強(qiáng)烈評(píng)判[3]。變速器齒輪嚙合故障的基頻計(jì)算公式如(1)[8－9]所示:式中:f為齒輪嚙合故障頻率，Hz;N為齒輪的齒數(shù);n為齒輪的轉(zhuǎn)速，r/min。

圖1 典型齒輪嚙合故障頻譜圖Fig.1 Fault frequency spectrum of typical gear mesh

典型齒輪嚙合故障頻譜如圖1，在嚙合基頻、2次諧頻、3次諧頻等處出現(xiàn)較大的振動(dòng)速度。當(dāng)這些頻率的噪聲過(guò)大時(shí)，表現(xiàn)為齒輪嘯叫聲。

1.2 齒輪嘯叫的階次分析法

階次分析方法(Order Analysis)，又稱(chēng)為序分析方法，是基于等角度重采樣技術(shù)的現(xiàn)代齒輪故障分析方法[4]，分析精度較高。齒輪嚙合的階次計(jì)算由式(1)得到[4]:

式中:order為齒輪副嚙合階次;z為主動(dòng)齒輪齒數(shù);n2為齒輪轉(zhuǎn)速，r/min;n1為參考軸轉(zhuǎn)速，r/min。

齒輪副嚙合階次的振動(dòng)超過(guò)一定限值時(shí)，輻射出嘯叫聲。這是采用嚙合階次的振動(dòng)大小來(lái)反映嘯叫水平的原理和方法。已有研究證明階次分析方法能夠準(zhǔn)確地識(shí)別變速器的嘯叫聲[5]。

2 下線臺(tái)架工作原理

根據(jù)1節(jié)內(nèi)容所述，利用齒輪副嚙合階次的振動(dòng)大小識(shí)別和判定齒輪嘯叫聲。變速器下線臺(tái)架檢測(cè)終端(EOL)是當(dāng)今變速器生產(chǎn)制造企業(yè)廣泛采用的變速器振動(dòng)客觀評(píng)價(jià)平臺(tái)。圖2描述了EOL如何利用振動(dòng)傳感器在殼體上測(cè)量變速器齒輪嚙合振動(dòng)的方法。

圖2 EOL測(cè)量齒輪副振動(dòng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of measuring gear mesh vibration

本研究中的EOL采用德國(guó)Reilhofer KG的專(zhuān)門(mén)用于汽車(chē)變速器裝配線中NVH檢測(cè)的eol-ANALYSER專(zhuān)家測(cè)量系統(tǒng)。

2.1 eol-ANALYSER系統(tǒng)介紹

eol-ANALYSER測(cè)量系統(tǒng)的主要工作是在變速器產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的終端進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，防止不合格品提供給用戶(hù)。它基于變速器結(jié)構(gòu)聲的不同特性，通過(guò)測(cè)量當(dāng)前產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)聲特性，判斷變速器的振動(dòng)質(zhì)量性能。它對(duì)變速器各檔位的加速與滑行工況進(jìn)行測(cè)量，以評(píng)判變速器的加速與滑行的振動(dòng)。圖3較好地說(shuō)明了典型的針對(duì)某檔位的測(cè)量程序和測(cè)量區(qū)域。

圖3 eol-ANALYSER測(cè)量程序與測(cè)量區(qū)域Fig.3 Measurement program and areas of eol-ANALYSER

2.2 eol-ANALYSER評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

eol-ANALYSER系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量某一批次產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，結(jié)合該批產(chǎn)品的整車(chē)路試主觀評(píng)價(jià)情況，確定合格與不合格變速器的振動(dòng)區(qū)別。后期生產(chǎn)的變速器的測(cè)量結(jié)果與該結(jié)果做比較，比較結(jié)果作為判定有無(wú)嘯叫聲的依據(jù)。某一變速器齒輪副21嚙合階次的振幅臨界值140和檢測(cè)合格的變速器如圖4所示。當(dāng)被測(cè)量的變速器齒輪副21階振動(dòng)幅值小于圖中的140時(shí)，該齒輪副嚙合產(chǎn)生的振動(dòng)在整車(chē)車(chē)內(nèi)將沒(méi)有噪聲產(chǎn)生。如果測(cè)量結(jié)果超過(guò)140，乘客在車(chē)內(nèi)將聽(tīng)到嘯叫聲。

圖4 某變速器齒輪副21階振幅臨界值及合格變速器檢測(cè)結(jié)果Fig.4 Vibration amplitude critical value of 21 order and measurement results of satisfied transmissions of one transmission

EOL上述的振動(dòng)判定標(biāo)準(zhǔn)是由人工建立得到的，如何得到變速器齒輪副正確的振動(dòng)測(cè)量位置和振動(dòng)參考值是EOL的關(guān)鍵工作。

3 相關(guān)性模型的建立

本文以匹配Ford Focus和Ford Fiesta的B5A手動(dòng)變速器為例研究如何在EOL上尋找到最佳的測(cè)量位置和嘯叫階次的振動(dòng)參考值。

B5A變速器各檔位在車(chē)內(nèi)均有一定嘯叫聲出現(xiàn)，為把車(chē)內(nèi)嘯叫聲與EOL臺(tái)架的振動(dòng)特性做相似性比較，引入相關(guān)性概念。嘯叫聲是靠人耳主觀評(píng)價(jià)的，因此用如下3個(gè)相關(guān)關(guān)系把人耳主觀感受的嘯叫與臺(tái)架的振動(dòng)聯(lián)系起來(lái):

(1)嘯叫聲主觀量級(jí)與車(chē)內(nèi)嘯叫客觀測(cè)量聲壓級(jí)的相關(guān)關(guān)系。主觀量級(jí)用汽車(chē)工程等級(jí)(Vehicle Engineering Rating，VER)表示;用“齒輪噪聲”代表嘯叫客觀測(cè)量的A記權(quán)聲壓級(jí)(Sound Pressure Level，SPL)，單位為dB(A)。

(2)整車(chē)車(chē)內(nèi)嘯叫客觀測(cè)量聲壓級(jí)與變速器殼體上相應(yīng)階次振動(dòng)的相關(guān)關(guān)系。用“齒輪振動(dòng)”代表嘯叫階次振動(dòng)的測(cè)量結(jié)果，單位為dB。

(3)整車(chē)變速器上階次振動(dòng)與EOL臺(tái)架上傳感器安裝處變速器振動(dòng)的相關(guān)關(guān)系。EOL振動(dòng)用振幅來(lái)衡量。

以上相關(guān)關(guān)系中的齒輪嘯叫噪聲與振動(dòng)數(shù)值大小均由階次分析方法得到。整車(chē)變速器振動(dòng)測(cè)量位置與EOL上位置保持一致。以B5A變速器3檔加速為例說(shuō)明EOL上和整車(chē)變速器NVH測(cè)量的階次分析結(jié)果圖譜。如圖5所示，29階為該變速器3檔齒輪副的嚙合階次。

工程上，當(dāng)某一相關(guān)關(guān)系的相關(guān)系數(shù)R2滿(mǎn)足關(guān)系式(3)時(shí)，表示兩者具有強(qiáng)相關(guān)，可以用來(lái)做某些研究和應(yīng)用于工程實(shí)際。

4 試驗(yàn)研究

4.1 EOL測(cè)量點(diǎn)的選擇

EOL 上振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)的選擇應(yīng)便于傳感器的簡(jiǎn)單、方便和正確的安裝，并滿(mǎn)足最大生產(chǎn)效率的要求。根據(jù)變速器振動(dòng)傳遞路徑理論[6]，變速器產(chǎn)生的振動(dòng)經(jīng)過(guò)動(dòng)力總成懸置系統(tǒng)傳遞至車(chē)身、車(chē)身面板等零部件的振動(dòng)輻射出嘯叫聲。因此測(cè)量點(diǎn)應(yīng)位于變速器與外部連接部位，而且易于安裝和拆卸傳感器。

綜合以上因素，選擇變速器殼體支承位置安裝平面(測(cè)量位置1)和與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的離合器殼體端面位置(測(cè)量位置2)為兩個(gè)振動(dòng)測(cè)量點(diǎn)，這些位置的振動(dòng)同時(shí)也是考察變速器輻射噪聲的代表性測(cè)量點(diǎn)[10－11]。傳感器位置如圖6所示。

4.2 試驗(yàn)內(nèi)容

選擇20臺(tái)B5A變速器為研究對(duì)象，根據(jù)相關(guān)性模型，對(duì)每臺(tái)變速器開(kāi)展如下試驗(yàn)內(nèi)容:

在EOL上測(cè)量各前進(jìn)檔加速與減速工況的振動(dòng)，提取各檔位齒輪副嚙合階次的振幅值。本研究的臺(tái)架測(cè)量程序如圖7。5個(gè)前進(jìn)檔位的總測(cè)試時(shí)間只有15 s。

圖6 EOL上測(cè)量變速器振動(dòng)的兩測(cè)量位置Fig.6 Two measurement positions for measuring the vibration of transmissions on EOL

圖7 EOL測(cè)量變速器各檔位振動(dòng)程序圖Fig.7 Program to measure the speeds vibrations of transmissions on EOL

變速器完成EOL測(cè)試后，裝配于整車(chē)上，在平整柏油路面主觀評(píng)價(jià)和客觀測(cè)量變速器各檔的嘯叫及其振動(dòng)。整車(chē)變速器各檔的NVH測(cè)量工況與圖7保持一致。主觀評(píng)價(jià)由專(zhuān)業(yè) NVH工程師完成，采用 Ford CETP 00.00－R－201規(guī)范，并規(guī)定6分為可接受標(biāo)準(zhǔn)[7]。嘯叫及相應(yīng)振動(dòng)信號(hào)分別由雙耳人工頭BHM.Ⅲ.3和Kistler三向振動(dòng)傳感器測(cè)得。噪聲取自駕駛員右耳處，振動(dòng)結(jié)果為三方向振動(dòng)平方和的均方根。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

在研究嘯叫聲與下線臺(tái)架所測(cè)振動(dòng)之間的相關(guān)性之前，首先需對(duì)相關(guān)關(guān)系Ⅰ和Ⅱ作分析，以確認(rèn)主觀評(píng)價(jià)與測(cè)量?jī)x器之間的一致性和階次分析方法在本研究中的準(zhǔn)確性。在20臺(tái)被測(cè)變速器中，剔除5臺(tái)較差的測(cè)量數(shù)據(jù)，以15臺(tái)變速器的數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析。

根據(jù)齒輪傳遞誤差理論，傳遞誤差與齒輪副嚙合振動(dòng)和齒輪嘯叫聲之間呈正比例關(guān)系[2，6]。所以本文中的相關(guān)性均為線性相關(guān)。

以低速檔2檔加速為例，說(shuō)明相關(guān)性Ⅰ和Ⅱ。

圖8的相關(guān)性結(jié)果表明，2檔加速時(shí)相關(guān)性Ⅰ和Ⅱ的相關(guān)系數(shù)分別為0.874 6和0.911 1，具有強(qiáng)相關(guān)性。表1列出了變速器各檔加速時(shí)相關(guān)性Ⅰ和Ⅱ的結(jié)果。

表1中相關(guān)系數(shù)表明，NVH工程師主觀評(píng)價(jià)與客觀測(cè)量保持了很好的一致性，階次分析方法可應(yīng)用于本研究中以測(cè)量嘯叫及其振動(dòng)大小。

圖8 2檔加速時(shí)相關(guān)性Ⅰ和Ⅱ的相關(guān)結(jié)果Fig.8 CorrelationⅠand Ⅱresults of 2nddrive

表1 B5A變速器各檔減速時(shí)相關(guān)性Ⅰ和Ⅱ的結(jié)果Tab.1 Coast correlationⅠand Ⅱ results of all speeds coast condition of B5A transmissions

完成相關(guān)性Ⅰ和Ⅱ后，對(duì)EOL上位置1和2的結(jié)果作相關(guān)性Ⅲ分析。由相關(guān)性結(jié)果決定采用哪個(gè)測(cè)量位置來(lái)評(píng)價(jià)齒輪嘯叫聲。

表2是圖6中B5A變速器EOL上位置1和2的相關(guān)性Ⅲ測(cè)量的分析對(duì)比結(jié)果，該結(jié)果表明:位置1上測(cè)量的EOL振幅與整車(chē)變速器上相應(yīng)位置的振動(dòng)具有強(qiáng)的正相關(guān)，適合于評(píng)價(jià)和識(shí)別變速器齒輪嘯叫聲。位置2不宜用于嘯叫識(shí)別的測(cè)量。

表2 B5A變速器各檔相關(guān)性Ⅲ的測(cè)量結(jié)果Tab.2 Correlation Ⅲ measurement results of all speeds of B5A transmissions

圖9分別以1檔減速、2檔加速和5檔加速為例詳細(xì)說(shuō)明了相關(guān)性Ⅲ在位置1和2上測(cè)量結(jié)果的相關(guān)系數(shù)。

4.4 EOL振動(dòng)臨界值的確定

當(dāng)測(cè)量完并選擇出EOL上測(cè)量變速器嘯叫階次振動(dòng)的最佳位置后，判別有無(wú)嘯叫的振幅臨界值便可以由相關(guān)性結(jié)果確定。仍以2檔加速工況為例說(shuō)明如何確定該臨界值。

圖9 1檔減速、2檔加速和5檔加速位置1和2的相關(guān)性Ⅲ的相關(guān)結(jié)果比較Fig.9 Comparison correlation Ⅲ results of 1stcoast，2nddrive and 5thdrive of position 1 and position 2

圖10 描述了如何利用已有的相關(guān)性結(jié)果得到該相關(guān)性中的臨界值，y0代表臨界值。根據(jù)線性插值原理和相關(guān)性趨勢(shì)線，得到y(tǒng)0計(jì)算公式:

式中:k為相關(guān)性趨勢(shì)線的斜率。

圖10 臨界值確定原理圖Fig.10 Principal diagram to determine the critical value

表3 B5A變速器各檔EOL振幅臨界值結(jié)果Tab.3 Vibration amplitudes critical results of all speeds of B5A transmissions

齒輪嘯叫聲主觀可接受標(biāo)準(zhǔn)為6，根據(jù)三個(gè)相關(guān)性結(jié)果，與其對(duì)應(yīng)的齒輪噪聲值、齒輪振動(dòng)值和EOL振幅臨界值分別為53.5dB(A)，22.3dB和791。如果某臺(tái)變速器2檔加速時(shí)在EOL上測(cè)量的振幅大于791，表明該變速器2檔齒輪裝于整車(chē)時(shí)，將產(chǎn)生嘯叫;若振幅值小于791，在車(chē)內(nèi)將無(wú)嘯叫聲。

B5A變速器所有檔位的EOL振幅臨界值計(jì)算結(jié)果列于表3。

變速器下線臺(tái)架EOL上程序中各檔位的振幅臨界值根據(jù)表3進(jìn)行設(shè)定，以此判斷和識(shí)別B5A變速器各檔位有無(wú)嘯叫聲。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果的正確性進(jìn)行檢驗(yàn)，分別抽取一臺(tái)不合格變速器和一臺(tái)合格變速器，如圖11所示。不合格變速器的原因?yàn)?檔加速時(shí)的41階EOL振幅達(dá)7 400，兩臺(tái)變速器分別裝車(chē)、路試和NVH主客觀評(píng)價(jià)。不合格變速器的5檔有明顯嘯叫，VER為5.5，合格變速器5檔加速無(wú)嘯叫，VER為7.5。圖12是兩臺(tái)變速器5檔加速的客觀測(cè)量結(jié)果。

圖11 2臺(tái)變速器5檔加速齒輪副振動(dòng)EOL測(cè)量結(jié)果Fig.11 Gear pair vibration measurement results of 5thspeed drive of two transmissions

圖12 2臺(tái)變速器5檔加速齒輪副噪聲測(cè)量結(jié)果Fig12 Gear pair measurement noise of 5thspeed drive of two transmissions

整車(chē)噪聲的主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果驗(yàn)證了本試驗(yàn)研究結(jié)果能夠在EOL上利用其振幅有效地識(shí)別齒輪嘯叫聲。

6 結(jié)論

根據(jù)齒輪副振動(dòng)反應(yīng)齒輪副噪聲的原理和齒輪副的階次分析方法，在變速器下線臺(tái)架EOL上以變速器殼體表面的振幅來(lái)識(shí)別變速器有無(wú)嘯叫聲產(chǎn)生。

采取相關(guān)性分析把EOL與齒輪嘯叫的主客觀評(píng)價(jià)聯(lián)系起來(lái)，以確定EOL上用來(lái)測(cè)量齒輪副振動(dòng)的最佳位置和判定有無(wú)嘯叫的振幅臨界值。試驗(yàn)確定了變速器各檔位加速和減速工況下各齒輪副的振幅臨界值。利用該振幅臨界值可以識(shí)別變速器各檔位在整車(chē)上有無(wú)嘯叫聲產(chǎn)生。

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