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        行星變速器邊帶頻的特征與形成機理的分析*

        2013-02-27 08:35:22陳兵奎劉景亞李朝陽
        汽車工程 2013年5期
        關(guān)鍵詞:信號

        張 靖,陳兵奎,劉景亞,李朝陽,2

        (1.重慶大學(xué),機械傳動國家重點實驗室,重慶 400030;2.浙江大學(xué),流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室,杭州 310028)

        前言

        行星齒輪傳動因其結(jié)構(gòu)緊湊、傳動效率高、噪聲小,被廣泛應(yīng)用于汽車變速器中[1-2]。但因行星結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,其內(nèi)部存在多種調(diào)制現(xiàn)象,所以在實驗測試和實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)其振動噪聲信號中存在復(fù)雜的無法解釋的邊帶頻族,且這些邊頻往往是非對稱出現(xiàn),即能量集中在某一個邊頻上。這給改善變速器振動噪聲品質(zhì),提高故障診斷準確性,增加了難度。因此有必要對邊帶頻形成機理、特征及其與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系進行深入研究。

        文獻[3]和文獻[4]中最早指出非對稱邊帶頻的產(chǎn)生是因為行星輪到測點距離隨著行星架的轉(zhuǎn)動而變化,形成了對嚙合頻率的幅值調(diào)制。在此基礎(chǔ)上,文獻[5]中用連續(xù)傅里葉方法解釋了這些邊頻的幅值關(guān)系。文獻[6]中進一步利用模型和實驗驗證了邊帶頻的存在。文獻[7]和文獻[8]中則通過解析分析方法揭示了行星輪系嚙合相位與振動特性關(guān)系的規(guī)律性。文獻[9]中利用實驗證明了連續(xù)相位嚙合相比同相位嚙合更有利于降低噪聲。研究人員越來越多地關(guān)注行星輪系基本參數(shù)和結(jié)構(gòu)對振動特性的本質(zhì)影響[10]。

        本文中建立一個行星輪系邊帶頻的仿真模型,分析了行星輪個數(shù)、齒數(shù)、嚙合相位和激勵階次對邊帶頻特征的影響,獲得邊帶頻的通用預(yù)估方法,對5個不同的配齒方案進行仿真分析,同時通過實驗驗證了分析方法和結(jié)論的正確性,并有效地應(yīng)用于邊帶頻激勵產(chǎn)生的嘯叫噪聲的降噪分析中。

        1 行星輪系邊帶頻分析模型

        1.1 基本參數(shù)的關(guān)系

        單級行星傳動如圖1所示,行星輪個數(shù)為Q,太陽輪s輸入角速度為ωs,行星架c輸出角速度為ωc,外齒圈r固定,即ωr=0;太陽輪、行星輪和齒圈齒數(shù)分別為Zs、Zθ和Zr;行星輪q與第1個行星輪之間夾角為定位角ψq(q∈[1,Q])。

        假設(shè)行星輪與齒圈嚙合頻率fm和行星架轉(zhuǎn)動頻率fc對應(yīng)的階次為Ωm和Ωc,據(jù)傳動原理,存在如下關(guān)系:

        為確保行星輪能夠安裝,必須滿足如下裝配條件:

        式中:λ=2π/(Zr+Zs),n為正整數(shù)。

        自動變速器中,通常行星輪均勻分布在行星架上,即ψq+1-ψq=2π/Q,從齒數(shù)和行星輪數(shù)量關(guān)系上滿足條件:

        在行星輪其他領(lǐng)域的應(yīng)用中,不排除其他非均布的情況存在,例如“X”型布置等[11],但不在本文研究范圍內(nèi)。

        在均布條件下,行星輪q與第1個行星輪的嚙合相位差φq=Zrψq,根據(jù)嚙合相位差的異同,可以定義如下兩種嚙合狀態(tài)。

        (1)同相位嚙合 從齒數(shù)和行星輪數(shù)量關(guān)系上同相位嚙合滿足下式:

        (2)連續(xù)相位嚙合滿足下式:

        1.2 振動激勵和信號模型的建立

        傳動誤差是引起齒輪振動的主要激勵,它綜合了嚙合時變剛度和制造誤差的影響,能在一定程度上決定齒輪振動的特性。為便于描述,傳動誤差定義在嚙合作用線上,即線性傳動誤差(LTE)。模型中將采用LTE作為實際激勵。

        對第q個行星輪的傳動誤差,存在L階激勵,則總的激勵為

        式中:φl為第l階傳動誤差的相位。

        第q個行星輪的信號,須進行加窗處理:

        其中:

        α=0.8,q=1,…,Q

        在固定測點實際測到的第q個行星輪通過時嚙合產(chǎn)生的信號為

        在某測點處測得完整周期內(nèi)的信號模型為

        其頻域信號則可通過傅里葉變換得到

        1.3 行星輪系邊頻特征預(yù)估

        根據(jù)式(1),定義任意階次Ωij:

        其中,i=l即諧波次數(shù),j=0,±1,…,即邊頻。

        實際信號為齒輪嚙合信號xm(t)被行星架旋轉(zhuǎn)信號xc(t)調(diào)制得到[1]:

        不失一般性,假設(shè)ψ1=0處第1個行星輪嚙合信號和調(diào)制信號相位角為零,經(jīng)過時間tq,行星架從第1個旋轉(zhuǎn)到第q個行星輪,有

        式中n為轉(zhuǎn)速,r/min。假設(shè)第1個行星輪嚙合信號與調(diào)制信號為xm1(t)與xc1(t),第q個行星輪則是在時間軸上平移tq,得

        在頻域的卷積為

        說明行星輪q調(diào)制后的信號在第1個行星輪頻域上平移了相位λq,因為Ω中只有Ωij幅值不為零,故有

        為便于描述,定義邊頻判定因子k為

        式中mod(·)為取余運算,當太陽輪固定時,用Zs替代Zr。

        下面討論行星輪系的齒數(shù)、行星輪數(shù)、諧波和邊頻等基本參數(shù)對邊頻的分布和幅值的影響。

        當k=0時,λ1=λ2=…=λQ=0,所有行星輪具有相同相位,Ωij被激勵;此時如果Zr/Q=整數(shù),即同相位嚙合,其主階次為嚙合階次,邊頻在j=0,±Q,±3Q,…處;當Zr/Q≠整數(shù),即連續(xù)相位嚙合時,主階次偏移嚙合階次Ωij-iΩm,邊頻在(iZr+j)Ωc處。

        當k≠0時,λ1≠λ2≠…≠λQ,且存在:

        故相位矢量封閉,見圖2,因而Ωij被抑制。

        分析發(fā)現(xiàn),在確定上述行星輪基本參數(shù)的條件下,即可預(yù)估其邊頻分布特征,如表1所示。

        表1 邊頻特征

        2 行星輪邊帶頻信號仿真

        2.1 配齒方案

        為具體分析齒數(shù)、行星輪數(shù)和嚙合相位對邊帶頻特征的影響,采用5種配齒方案,見表2。所有方案均以太陽輪為輸入,行星架為輸出。除方案Ⅳ滿足式(4)即同相位嚙合外,其余均為連續(xù)相位嚙合,其中方案Ⅱ齒圈齒數(shù)和行星輪個數(shù)具有公因數(shù)2。

        表2 配齒方案

        2.2 傳動誤差

        為盡可能體現(xiàn)傳動誤差激勵的影響,計算了各個方案中的傳遞誤差,提取前5階的傳動誤差的諧波幅值和相位,如表3所示。為便于比較,均采用直齒,齒輪齒寬b=20mm,模數(shù)Mn=1.5,輸入轉(zhuǎn)矩Tin=150N·m。

        表3 傳動誤差激勵

        2.3 仿真結(jié)果討論

        根據(jù)給定的各方案齒數(shù)、嚙合相位、傳動誤差的幅值和相位,設(shè)定行星架角速度ωc=2π/s,仿真得到時域信號和頻域信號,階次根據(jù)式(1)計算得到。

        圖3為方案Ⅰ時域信號中,行星輪傳動誤差時域信號間存在相位差,表明各行星輪在同一時刻處于不同的嚙合位置,其信號x(t)存在明顯調(diào)制現(xiàn)象。

        圖4為方案Ⅰ激勵幅值的階次分布,虛線箭頭表示前 3階嚙合階次 94)、188(2)、282(),前3階諧波的最大幅值出現(xiàn)在邊頻93()、189()、282(),在邊頻附近還存在間隔為的邊帶頻,且邊頻的幅值不對稱,而前兩階主嚙合階次的幅值被抑制。

        圖5為方案Ⅳ激勵幅值的階次分布,此方案為同相位嚙合,前3階諧波的最大幅值均出現(xiàn)在主嚙合階次處,同時存在間隔為的對稱邊頻(±3Ωc)。

        圖7、圖8分別為方案Ⅲ和方案Ⅴ激勵幅值的階次分布。兩種方案皆為連續(xù)相位嚙合,行星輪數(shù)均為5,而齒圈齒數(shù)差1。

        從圖7和圖8可見,前4階諧波的主嚙合階次的幅值均被抑制,非對稱邊頻間隔,兩方案第5階諧波的最大幅值在主嚙合階次處,且邊頻對稱。

        值得注意的是,方案Ⅲ與方案Ⅴ第1階諧波最大幅值分別為A(1.421μm)和B(1.387μm),出現(xiàn)在階次和處。從表3可見,實際1階激勵幅值方案Ⅴ高于方案Ⅲ,而調(diào)制后信號中,方案Ⅴ邊頻離主頻遠于方案Ⅲ,實際幅值反而更低。

        3 實驗分析

        3.1 實驗描述

        實驗主體為開發(fā)中的8擋自動變速器,實驗在半消聲室中進行,在離變速器上方1m處布置傳聲器,轉(zhuǎn)速信號提取了輸入軸即齒圈轉(zhuǎn)速,輸入轉(zhuǎn)矩100N·m,測試轉(zhuǎn)速為500~5 000r/min的升速過程,測試系統(tǒng)為B&K3560C。實驗中主觀感覺在使用第一級行星排(齒數(shù)選取與方案Ⅲ一致)的擋位上出現(xiàn)明顯的嘯叫噪聲。

        3.2 邊頻特性估計

        首先利用式(10)和表1對第一級行星排的階次分布和邊頻特征進行預(yù)測,考慮到實際的輸入為齒圈,太陽輪固定,此時行星架轉(zhuǎn)頻階次Ωc=94/(94 +61)=0.606,嚙合頻率階次 Ωm=ZsΩc=61× 0.606=36.99。圖9為嚙合階次的前兩階諧波附近的邊頻分布??梢钥吹剑?階諧波下邊頻(LSB= 36.99-0.606=36.384)被激勵,主頻和上邊頻(USB)被抑制,其他邊頻間隔5Ωc且不對稱。

        3.3 實驗結(jié)果比較

        利用階次跟蹤分析方法[12-13]得到第一級行星排的聲壓級瀑布圖,如圖10所示。

        圖10中幾個主要的階次36.4、72.8與圖9中仿真得到的1階和2階諧波的邊頻一致,而21階與油泵噪聲相關(guān)。為更細致觀察實際的邊頻分布,提取了2 500r/min時的階次圖,如圖11所示。圖中除兩個主邊頻36.4、72.8外,還可看到間隔為3.03的非對稱邊頻,與圖10中的分布情況基本一致。說明分析模型和邊頻估計方法是有效的,同時發(fā)現(xiàn)嘯叫噪聲與邊頻的激勵有直接關(guān)系,減小噪聲要從抑制邊頻著手。

        3.4 改進方案比較

        為使邊頻盡可能遠離主嚙合頻率,抑制邊頻的激勵,采用表1中方案Ⅴ的齒數(shù)配比替代原方案,兩方案速比相差0.016,通過變位可實現(xiàn)中心距相同,滿足設(shè)計要求??梢怨烙嬓碌呐潺X方案最近邊頻階次為。因為篇幅所限,不再詳述改進方案的其他邊頻特征。

        圖12比較了兩方案的總聲壓級(Overall SPL)和1階諧波處主邊頻對應(yīng)的聲壓級。從圖12可見,原方案中,36.4階邊頻(Order 36.4th)是嘯叫噪聲的主要貢獻,特別是轉(zhuǎn)速2 200r/min以后最為明顯。而新方案中,36.6階邊頻(Order 36.6th)相對原方案明顯降低,使總的聲壓級在轉(zhuǎn)速2 200r/min之后整體下降了5dB多,可見降噪效果明顯。

        4 結(jié)論

        (1)建立了行星輪系邊帶頻的分布模型,該模型主要考慮了齒數(shù)、行星輪數(shù)和嚙合相位關(guān)系,以及傳動誤差激勵等因素。

        (2)分析了基本參數(shù)、嚙合相位和激勵階次對邊帶頻分布規(guī)律的影響,并得到邊帶頻特征的判定方法。

        (3)多種方案的仿真分析表明,在不考慮其他制造誤差和外界激勵的影響時,行星輪系的邊頻分布是確定的,邊頻的幅值與離主嚙合頻率的間距有關(guān),與預(yù)判結(jié)果吻合。

        (4)實驗驗證了邊帶頻分布規(guī)律預(yù)估的正確性,在實際的工程應(yīng)用中,通過改變配齒方案來控制邊頻的分布,可有效達到降噪的目的。

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