王天利，張相坤，楊亮

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧錦州121001；2.錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧錦州121013）

用階次分析法識(shí)別起動(dòng)機(jī)的異常噪聲

王天利1，張相坤1，楊亮2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧錦州121001；2.錦州漢拿電機(jī)有限公司，遼寧錦州121013）

對(duì)汽車(chē)起動(dòng)機(jī)停機(jī)過(guò)程進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)其同時(shí)分別對(duì)驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速和起動(dòng)機(jī)噪聲進(jìn)行試驗(yàn)分析。采用階次分析方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，得到異常噪聲的特征分量以及對(duì)應(yīng)的階次。進(jìn)一步分析被測(cè)起動(dòng)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)，取得出被測(cè)起動(dòng)機(jī)停機(jī)過(guò)程的異常噪聲與其電樞槽數(shù)密切相關(guān)的結(jié)論。分析結(jié)果表明階次等于與電樞槽數(shù)與減速比乘積的特征分量相同時(shí)；對(duì)起動(dòng)機(jī)停機(jī)階段異常噪聲影響最大。其結(jié)論為減少或消除起動(dòng)機(jī)工作異常噪聲提供了理論依據(jù)，并提出了恰當(dāng)?shù)牟僮鞣椒ǖ慕ㄗh。

聲學(xué)；汽車(chē)；起動(dòng)機(jī)；異常噪聲；階次分析

近年來(lái)，由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)程度的激烈和用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品性能要求的提升，使得噪聲已經(jīng)成為起動(dòng)機(jī)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。雖然在起動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段已經(jīng)考慮到噪聲對(duì)起動(dòng)機(jī)性能的影響，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在異常噪聲問(wèn)題。因此，有效診斷分析起動(dòng)機(jī)異常噪聲并加以消除或減小，對(duì)判斷、提升起動(dòng)機(jī)品質(zhì)具有重要意義[1]。

傳統(tǒng)噪聲診斷分析方法有聲壓法、聲強(qiáng)法和頻譜分析法，并且各自適用于不同工況和場(chǎng)合[2]。由于起動(dòng)機(jī)在退出與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪嚙合過(guò)程中，其電樞旋轉(zhuǎn)速度并非處于穩(wěn)定狀態(tài)，使所測(cè)得振動(dòng)信號(hào)頻率成分在不斷變化，在進(jìn)行傳統(tǒng)的頻譜分析時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的“頻率模糊”現(xiàn)象[2，4]。而階次分析方法是一種有效的非穩(wěn)態(tài)信號(hào)分析方法，因此本文采用階次分析法對(duì)起動(dòng)機(jī)齒頭退出嚙合直至停止轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的異常噪聲進(jìn)行診斷，并重點(diǎn)分析異常噪聲產(chǎn)生的主要原因。

1 階次分析的基本原理

階次分析的實(shí)質(zhì)是將非穩(wěn)定的等時(shí)間間隔采樣，通過(guò)恒定角增量采樣轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的等角度間隔采樣信號(hào)。保證在信號(hào)的每一周期內(nèi)都保持相同的采樣點(diǎn)數(shù)，使其能更好地反映與轉(zhuǎn)速相關(guān)的噪聲信息。通過(guò)對(duì)獲取的轉(zhuǎn)速與噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到階次譜[5]，如圖5所示。在圖5中X軸代表起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，Y軸代表噪聲頻率；圖中的直線代表特征分量的階次；顏色代表噪聲聲壓級(jí)的大小，顏色越亮說(shuō)明噪聲聲壓級(jí)越大。利用噪聲的階次譜可以準(zhǔn)確跟蹤起動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍內(nèi)噪聲的各階次特征分量。

2 階次法分析起動(dòng)機(jī)異常噪聲

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)對(duì)起動(dòng)機(jī)噪聲信號(hào)進(jìn)行階次分析，確定噪聲信號(hào)的主要頻率成分及與異常噪聲的產(chǎn)生有密切關(guān)系的部件，為改善起動(dòng)機(jī)的噪聲情況提供參考依據(jù)。

2.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

試驗(yàn)在半消音室中進(jìn)行，采用比利時(shí)LMS公司LMS Test.Lab 11B分析儀系統(tǒng)，系統(tǒng)是高速多通道采集系統(tǒng)，并集成試驗(yàn)、分析以及電子報(bào)告工具的完美結(jié)合。其試驗(yàn)所用轉(zhuǎn)速傳感器與噪聲傳感器及其試驗(yàn)平臺(tái)都是基于某起動(dòng)機(jī)公司測(cè)試起動(dòng)機(jī)噪聲的測(cè)試平臺(tái)。

2.3 試驗(yàn)方法與過(guò)程

根據(jù)《旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)定方法及限值》（GB 10069.1-2006）等有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在半消音室中進(jìn)行測(cè)試起動(dòng)機(jī)電樞為25槽和29槽的起動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)過(guò)程與條件：在12 V直流電壓下，起動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)并加速至穩(wěn)定的工作轉(zhuǎn)速并持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間；而后斷電，起動(dòng)機(jī)電樞減速直至停止。將轉(zhuǎn)速傳感器安裝在距離起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪3～5 mm處并測(cè)量其轉(zhuǎn)速；而噪聲傳感器位于起動(dòng)機(jī)外殼130 mm處，并與起動(dòng)機(jī)中心軸線處于同一平面。采樣帶寬51 kHz，采樣頻率為120 kHz。

2.4 測(cè)試結(jié)果分析

首先分析起動(dòng)機(jī)噪聲總聲壓級(jí)隨時(shí)間的變化[6,7]。圖1所示曲線是起動(dòng)機(jī)由起動(dòng)、工作到停機(jī)過(guò)程中噪聲總聲壓級(jí)隨時(shí)間變化的曲線，其橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)軸為A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)。由圖1可見(jiàn)，在4.2～8.8 s的時(shí)間段內(nèi)起動(dòng)機(jī)完成了起動(dòng)、工作到停止的全過(guò)程。其中4.2～4.3 s區(qū)間為起動(dòng)時(shí)段；4.3～7.7 s區(qū)間為工作時(shí)段；7.7～8.8 s區(qū)間為停機(jī)時(shí)段。顯然，起動(dòng)時(shí)段起動(dòng)機(jī)噪聲總聲壓級(jí)發(fā)生突變并且最大；工作時(shí)段起動(dòng)機(jī)噪聲總聲壓級(jí)雖有波動(dòng)，但基本穩(wěn)定在83.3 dB附近；停機(jī)時(shí)段起動(dòng)機(jī)噪聲總聲壓級(jí)按突變、抖動(dòng)、迅速衰減的規(guī)律下降。理論分析和工程實(shí)踐表明：起動(dòng)機(jī)噪聲總聲壓級(jí)在起動(dòng)時(shí)段的突變、工作時(shí)段的波動(dòng)以及停機(jī)時(shí)段開(kāi)始區(qū)間的突變和最后的迅速衰減屬于正?，F(xiàn)象，而在停機(jī)過(guò)程的中間時(shí)段出現(xiàn)的起動(dòng)機(jī)噪聲總聲壓級(jí)的劇烈抖動(dòng)是異常現(xiàn)象，屬于異常噪聲，并表現(xiàn)為衰減緩慢而且波動(dòng)大。同時(shí)由圖1可見(jiàn)，在8.42 s時(shí)噪聲波動(dòng)量最大，此時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)為83.3 dB。

顯然，圖1無(wú)法判斷起動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異常噪聲的轉(zhuǎn)速區(qū)間，為此提取起動(dòng)機(jī)由起動(dòng)、工作到停機(jī)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化的曲線，如圖2所示。比較圖1和圖2可見(jiàn)，異常噪聲出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)齒輪為600～2 800 r/m in的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，且在噪聲波動(dòng)量最大的8.42 s時(shí)，驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速約為968 r/min，頻率為16.13 Hz。由于被測(cè)起動(dòng)機(jī)為29槽永磁減速起動(dòng)機(jī)，且減速傳動(dòng)比為4.9，因此可以推論出起動(dòng)機(jī)電樞轉(zhuǎn)速約為4 740 r/m in，頻率為79 Hz。

圖1 噪聲總聲壓級(jí)隨時(shí)間變化圖

圖2 起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化圖

為分析異常噪聲的頻率成分，提取起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速為968 r/m in時(shí)的噪聲頻譜，如圖3.所示。顯然，此時(shí)起動(dòng)機(jī)異常噪聲主要分布在2 291 Hz、4 582 Hz、6 873 Hz這幾個(gè)頻率點(diǎn)附近，其中2 291 Hz頻率成分最為突出，而該頻率成分恰好是起動(dòng)機(jī)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的29倍。同理，如果把起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率看作是基頻，則其它幾個(gè)頻率點(diǎn)基本上也是起動(dòng)機(jī)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的倍數(shù)，因此可認(rèn)為此時(shí)的異常噪聲均是起動(dòng)機(jī)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的高次諧波分量。即把起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率作1階，則其電樞的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為4.9階，因此起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪在退出嚙合階段主要異常噪聲階次分別為142.1階、284.2階、426.3階。

圖3 968 r/min噪聲頻譜

為進(jìn)一步分析異常噪聲階次與總聲壓級(jí)的關(guān)系，繪制起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速為968 r/m in時(shí)異常噪聲的階次分析譜，如圖4所示。圖中可見(jiàn)，異常噪聲總聲壓級(jí)主要集中在142.1階、284.2階、426.3階這幾個(gè)特征分量上，其中142.1階的特征分量最為突出。如前所述，由于起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速為968 r/ min時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)基頻為16.13 Hz，因此，主要特征分量所對(duì)應(yīng)的頻率成分分別約為2 292 Hz、4 584 Hz、6 876 Hz，所以分析結(jié)果與圖3的噪聲頻譜分析結(jié)果基本相同。

圖4 異常噪聲階次圖

圖3、圖4分別顯示了異常噪聲總聲壓級(jí)與頻率和階次的變化，為確認(rèn)三者的關(guān)系，可以采用如圖5所示的階次分析譜。圖5為起動(dòng)機(jī)工作全過(guò)程噪聲的階次分析譜，其中橫坐標(biāo)代表轉(zhuǎn)速；縱坐標(biāo)代表頻率；圖片中的亮度代表聲壓級(jí)大小，亮度越大，聲壓級(jí)越大。由圖5可見(jiàn)，在整個(gè)工作過(guò)程中，異常噪聲主要集中在142.1階、284.2階、426.3階這幾個(gè)特征分量，且?guī)讉€(gè)特征分量的聲壓級(jí)隨著轉(zhuǎn)速升高而增大。同時(shí)幾個(gè)特征分量基本是起動(dòng)機(jī)電樞的槽數(shù)與減速比乘積的1倍、2倍、3倍，因此可以判定異常噪聲與起動(dòng)機(jī)電樞的槽數(shù)有關(guān)。

圖5 29槽起動(dòng)機(jī)工作全過(guò)程階次譜

為確認(rèn)上述“異常噪聲與起動(dòng)機(jī)電樞的槽數(shù)有關(guān)”的判斷，使用前述試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)25槽電樞的同規(guī)格起動(dòng)機(jī)進(jìn)行相同試驗(yàn)，并得到如圖6所示的階次譜。由圖6可見(jiàn)，異常噪聲總聲壓級(jí)特征分量對(duì)應(yīng)的是122.5階、245階、367.5階，而這三個(gè)階次也是電樞槽數(shù)與減速比乘積的1倍、2倍、3倍。因此，可以斷定起動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)段的異常噪聲與起動(dòng)機(jī)電樞的槽數(shù)密切相關(guān)。

圖6 25槽起動(dòng)機(jī)工作全過(guò)程階次譜

如上所述，起動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)段的異常噪聲與起動(dòng)機(jī)電樞的槽數(shù)密切相關(guān)，且異常噪聲總聲壓級(jí)特征分量對(duì)應(yīng)的階次是電樞槽數(shù)與減速比乘積的1倍、2倍、3倍。為分析上述三個(gè)階次對(duì)異常噪聲的“貢獻(xiàn)”，繪制如圖7所示的29槽起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與聲壓級(jí)曲線圖，即三個(gè)階次“貢獻(xiàn)”的異常噪聲聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系。由圖7可見(jiàn)，在起動(dòng)機(jī)停機(jī)過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的降低，噪聲聲壓級(jí)逐漸降低，而且在600～2 800 r/m in內(nèi)，除個(gè)別區(qū)域外，階次為電樞槽數(shù)與減速比乘積的特征分量的聲壓級(jí)一直高于其它特征分量的聲壓級(jí)。因此在三個(gè)階次中，該階次對(duì)異常噪聲的“貢獻(xiàn)”最大。

圖7 轉(zhuǎn)速與聲壓級(jí)曲線圖

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)同時(shí)測(cè)量停機(jī)過(guò)程起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速和起動(dòng)機(jī)噪聲，并采取階次分析的方法分析測(cè)量結(jié)果可以得到異常噪聲的特征分量以及對(duì)應(yīng)的階次。進(jìn)一步分析起動(dòng)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)，可以判斷異常噪聲與起動(dòng)機(jī)的某個(gè)部件密切相關(guān)，并為減少或消除異常噪聲，提升起動(dòng)機(jī)品質(zhì)奠定基礎(chǔ)；

(2)起動(dòng)機(jī)停機(jī)階段的異常噪聲與電樞槽數(shù)密切相關(guān)，而且噪聲總聲壓級(jí)特征分量對(duì)應(yīng)的階次是電樞槽數(shù)與減速比乘積的1倍、2倍、3倍；

(3)階次為電樞槽數(shù)與減速比乘積的特征分量對(duì)起動(dòng)機(jī)停機(jī)階段異常噪聲的“貢獻(xiàn)”最大。

[1]周海亭，陳光冶.汽車(chē)起動(dòng)機(jī)異常噪聲診斷與分析[J]．振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2004，17：1110-1112.

[2]曹永晟，王遠(yuǎn)，朱會(huì)田.汽車(chē)起動(dòng)機(jī)幾種典型故障的診斷方法[J].汽車(chē)電器，2009，1：30-32．

[3]欒軍英，康海英，鄭海起.基于階次跟蹤的旋轉(zhuǎn)機(jī)械啟動(dòng)過(guò)程振動(dòng)分析[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，17（2）：23-25.

[4]陳恩偉，劉正士，王勇.齒輪箱故障診斷的階次分析方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29（4）：239-242.

[5]郭瑜，秦樹(shù)人.旋轉(zhuǎn)機(jī)械非穩(wěn)定信號(hào)的偽轉(zhuǎn)速跟蹤階比分析[J].振動(dòng)與沖擊，2004，23（1）：61-64.

[6]徐紅梅，郝志勇，郭磊.階次分析在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲研究中的應(yīng)用[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，2008，37（1）：83-86.

[7]劉代瑞.階次分析在變速器診斷中的應(yīng)用[J].汽齒科技，2011，1：31-35.

Application of OrderAnalysis Method to Diagnosis of Abnormal Noise of Starters

WANG Tian-li1,ZHANG Xiangkun1,YANG Liang2

（1.Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,Liaoning China; 2.Jinzhou Halla Electrical Equipment Co.Ltd.,Jinzhou 121013,Liaoning China)

The automobile starter’s stopping process is observed,and the driving gear’s rotational speed and the starter’s noise are analyzed experimentally.Measurement results are processed using order analysis method so that the characteristics of abnormal noise and the corresponding order are thus obtained.Furthermore,the measured starter’s structure is studied.It is concluded that the abnormal noise is closely related to the armature slot number.Analysis indicates that when the order is equal to the product of the armature slot number and the speed reduction ratio,the armature slot number has the largest influence on the abnormal noise in the stopping process of the starter.Finally,a pertinent suggestion for starter operation is proposed.This work has offered a reference for reducing or elim inating starter’s abnormal noise.

acoustics;car;starter;abnormal noise;order analysis

TB5；U464.337+.1

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.038

1006-1355(2014)01-0169-04

2012-03-06

王天利（1957-），男，遼寧錦州人，碩士，教授，研究方向汽車(chē)測(cè)試技術(shù)、汽車(chē)動(dòng)力學(xué)。

E-mail:936028679@qq.com