论文部分内容阅读
[摘 要]本文以下线检测中发生敲击异响的某手动变速器为研究对象，为了探究其发生原因以解决该问题。使用Muller BBM振动噪声信号采集系统对变速器壳体的加速度信号进行采集，并利用包络解调方法对振动信号进行频谱分析，确定异响频率特征，并结合变速器结构特征，最终确定此异响是由6档主动齿轮单齿故障引起的。
[关键词]NVH；变速器；敲击音；包络调解分析；
中图分类号：TH132.41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）24-0119-02
0 前言
齿轮是最常用的机械传动部件，被广泛的应用于旋转机械传动系统，其中变速器也是其典型的应用之一。变速器是汽车传动系统的重要组成部分，变速器的振动噪声直接影响到汽车整体的工作性能和乘客的驾驶舒适性。对于变速器齿轮异响诊断，通常是采用NVH测试分析方法，在变速器壳体安装振动加速度传感器，采集特定工况下箱体表面振动信号，通过适当的信号处理技术，提取异响特征信息，常用的齿轮异响诊断方法有频谱分析、倒频谱分析、小波分析及包络解调分析等。本文以某下线检测中发生敲击异响变速器为研究对象，通过NVH测试，对异响测试信号进行分析，采用包络解调分析方法找出特征信号，并结合变速器结构特征，最终找到异响源。
1 包络解调分析
变速器在工作中发生敲击异响时，由其工作特性可知，其振动信号具有调制特征。齿轮敲击是一种冲击，冲击本身是一个低频信号，但是通过振动加速度传感器测量到的是系统的高频响应。包络解调分析方法是一种提取载附在高频信号上的低频信號的方法。能将与故障有关的信号从高频调制信号中解调出来，从而避免了与其它低频干扰信号混淆，通过对异响信号进行精密诊断，不但可以判断齿轮是否发生故障，同时判断故障齿轮位置。从而包络解调方法被广泛地应用于齿轮的特征提取。
Hilbert（希尔伯特）变换调节方法就是一种常用的包络解调方法。
如果以单一频率调制的余弦调幅信号作为窄带调幅信号的代表，说明常用的解调分析方法，即
（1.1）
其中，和分别是调制信号的幅值、调制系数、调制频率和載波频率，且满足。为简化推导令余弦信号的初始相位为零。
公式（1.1）的Hilbert变换结果为
结合（1.1）和（1.2）两式构成的解析函数式为
由此可得信号的包络为：
由于的傅里叶级数展开式中包含有调制频率的各次谐波分量，则上式（1.4）展开后表示为
对上式（1.5）选取合适的截止频率进行低通滤波，然后做傅氏谱分析，在所得包络谱中就会出现调制频率及其高次谐波频率成分的谱峰值，这即是Hilbert变换调节原理。
2 变速器异响的包络解调分析
2.1 变速器敲击异响问题描述
某在研六速变速器样机下线检测中，1000rpm工况时发现2、3、4、5、6档有明显敲击异响，且随档位或输入轴转速升高而敲击频次升高。空档、1档和倒档无此敲击异响。为了更好的分析异响特征，使用BBM振动噪声采集系统进行测试，通过PAK振动噪声分析软件对信号进行处理，分析异响特征。
测试时，输入转速1000rpm，利用光电传感器采集输入轴转速脉冲信号。利用传声器和三轴振动加速度传感器采集变速器近场噪声特征信号及变速器壳体（轴承座附近）的振动特征信号，采样频率设置为25600，每周期采样512点。
2.2 变速器异响特征分析
变速器台架测试中，交流电机等环境噪声对传声器信号影响较大，所以分析中以振动信号为主要分析对象。以4档1000rpm工况下的振动信号作为分析对象，通过对比分析振动信号中变速器Z向（上下方向）的振动特征最明显，且经过滤波回放，确定异响是主要分布在600-3000Hz范围内高频响应，如图1所示。
由于该异响为连续的敲击音，如图2对0-3000Hz范围内时域信号进行分析，发现变速器内存在规律性的敲击信号，且敲击频率为低频特征，所以适合用包络解调方法进行分析。
采用包络解调方法对振动信号做进一步分析，结果如图3所示，发现敲击异响的基频为11.13Hz，其它，分别为其2、3、4、5、6、7倍频。同理，可得到输入轴1000rpm时，2～6档的敲击异响频率，见表1所示。
通过以上分析，确认此敲击异响与档位相关，异响特征频率随档位的升高而升高，初步判断异响为某齿轮故障产生。
3 变速器异响原因分析及解决方案
通过以上分析，已经确认异响的特征频率，为了更准确的定位异响源，以变速器结构特征（如图4所示）为研究对象，分析输入轴1000rpm时，2～6档的主从动齿轮轴转频。
表2为2～6档的主从动齿轮轴转频分析结果，不难发现，6档主动齿轮的转频与异响频率特征吻合，所以确定此异响是由于6档主动齿轮故障导致。对异响变速器进行拆解发现，6档主动齿轮上有一个由于加工或者误操作导致的故障齿，如图5所示。将6档主动齿轮拆掉，重新组装变速器，并上台架进行验证，各档位下齿轮敲击异响消失。所以此异响是由于6档主动齿轮单齿故障导致的。
4 结论
本文阐述了变速器齿轮异响的一般性分析方法，通过对某异响变速器的振动信号进行滤波，包络检波等处理，然后进行解调，分离调幅和载波信息，根据频谱中异响特征频率来判断是否齿轮故障，并结合变速器结构特征判断其异响齿轮部位。结果表明，利用包络解调方法可以有效并准确可靠地对齿轮故障信息进行诊断。
参考文献
[1] 丁康，李巍华，朱小勇.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2] 孔家凡.振动信号的包络解调分析方法研究及应用[D].武汉：武汉理工大学.2008.
[3] 蔡龙生.基于角域采样和包络解调的手动变速器齿轮敲击试验研究[D].上海：上海交通大学.2013.
[关键词]NVH；变速器；敲击音；包络调解分析；
中图分类号：TH132.41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）24-0119-02
0 前言
齿轮是最常用的机械传动部件，被广泛的应用于旋转机械传动系统，其中变速器也是其典型的应用之一。变速器是汽车传动系统的重要组成部分，变速器的振动噪声直接影响到汽车整体的工作性能和乘客的驾驶舒适性。对于变速器齿轮异响诊断，通常是采用NVH测试分析方法，在变速器壳体安装振动加速度传感器，采集特定工况下箱体表面振动信号，通过适当的信号处理技术，提取异响特征信息，常用的齿轮异响诊断方法有频谱分析、倒频谱分析、小波分析及包络解调分析等。本文以某下线检测中发生敲击异响变速器为研究对象，通过NVH测试，对异响测试信号进行分析，采用包络解调分析方法找出特征信号，并结合变速器结构特征，最终找到异响源。
1 包络解调分析
变速器在工作中发生敲击异响时，由其工作特性可知，其振动信号具有调制特征。齿轮敲击是一种冲击，冲击本身是一个低频信号，但是通过振动加速度传感器测量到的是系统的高频响应。包络解调分析方法是一种提取载附在高频信号上的低频信號的方法。能将与故障有关的信号从高频调制信号中解调出来，从而避免了与其它低频干扰信号混淆，通过对异响信号进行精密诊断，不但可以判断齿轮是否发生故障，同时判断故障齿轮位置。从而包络解调方法被广泛地应用于齿轮的特征提取。
Hilbert（希尔伯特）变换调节方法就是一种常用的包络解调方法。
如果以单一频率调制的余弦调幅信号作为窄带调幅信号的代表，说明常用的解调分析方法，即
（1.1）
其中，和分别是调制信号的幅值、调制系数、调制频率和載波频率，且满足。为简化推导令余弦信号的初始相位为零。
公式（1.1）的Hilbert变换结果为
结合（1.1）和（1.2）两式构成的解析函数式为
由此可得信号的包络为：
由于的傅里叶级数展开式中包含有调制频率的各次谐波分量，则上式（1.4）展开后表示为
对上式（1.5）选取合适的截止频率进行低通滤波，然后做傅氏谱分析，在所得包络谱中就会出现调制频率及其高次谐波频率成分的谱峰值，这即是Hilbert变换调节原理。
2 变速器异响的包络解调分析
2.1 变速器敲击异响问题描述
某在研六速变速器样机下线检测中，1000rpm工况时发现2、3、4、5、6档有明显敲击异响，且随档位或输入轴转速升高而敲击频次升高。空档、1档和倒档无此敲击异响。为了更好的分析异响特征，使用BBM振动噪声采集系统进行测试，通过PAK振动噪声分析软件对信号进行处理，分析异响特征。
测试时，输入转速1000rpm，利用光电传感器采集输入轴转速脉冲信号。利用传声器和三轴振动加速度传感器采集变速器近场噪声特征信号及变速器壳体（轴承座附近）的振动特征信号，采样频率设置为25600，每周期采样512点。
2.2 变速器异响特征分析
变速器台架测试中，交流电机等环境噪声对传声器信号影响较大，所以分析中以振动信号为主要分析对象。以4档1000rpm工况下的振动信号作为分析对象，通过对比分析振动信号中变速器Z向（上下方向）的振动特征最明显，且经过滤波回放，确定异响是主要分布在600-3000Hz范围内高频响应，如图1所示。
由于该异响为连续的敲击音，如图2对0-3000Hz范围内时域信号进行分析，发现变速器内存在规律性的敲击信号，且敲击频率为低频特征，所以适合用包络解调方法进行分析。
采用包络解调方法对振动信号做进一步分析，结果如图3所示，发现敲击异响的基频为11.13Hz，其它，分别为其2、3、4、5、6、7倍频。同理，可得到输入轴1000rpm时，2～6档的敲击异响频率，见表1所示。
通过以上分析，确认此敲击异响与档位相关，异响特征频率随档位的升高而升高，初步判断异响为某齿轮故障产生。
3 变速器异响原因分析及解决方案
通过以上分析，已经确认异响的特征频率，为了更准确的定位异响源，以变速器结构特征（如图4所示）为研究对象，分析输入轴1000rpm时，2～6档的主从动齿轮轴转频。
表2为2～6档的主从动齿轮轴转频分析结果，不难发现，6档主动齿轮的转频与异响频率特征吻合，所以确定此异响是由于6档主动齿轮故障导致。对异响变速器进行拆解发现，6档主动齿轮上有一个由于加工或者误操作导致的故障齿，如图5所示。将6档主动齿轮拆掉，重新组装变速器，并上台架进行验证，各档位下齿轮敲击异响消失。所以此异响是由于6档主动齿轮单齿故障导致的。
4 结论
本文阐述了变速器齿轮异响的一般性分析方法，通过对某异响变速器的振动信号进行滤波，包络检波等处理，然后进行解调，分离调幅和载波信息，根据频谱中异响特征频率来判断是否齿轮故障，并结合变速器结构特征判断其异响齿轮部位。结果表明，利用包络解调方法可以有效并准确可靠地对齿轮故障信息进行诊断。
参考文献
[1] 丁康，李巍华，朱小勇.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2] 孔家凡.振动信号的包络解调分析方法研究及应用[D].武汉：武汉理工大学.2008.
[3] 蔡龙生.基于角域采样和包络解调的手动变速器齿轮敲击试验研究[D].上海：上海交通大学.2013.