2011005646_噪音振动分析系统在变速器校验台上的应用

噪音振动分析在变速器校验台上的应用
摘要：传统的变速器校验台使用声级计测量变速器的噪音并通过校验人员人工判别变速器校验是否合格，由于环境噪音的客观存在和操作人员的主观因素导致校验结果可靠性不高。

在江铃变速器校验台使用噪音振动分析系统，此系统通过加速度传感器将变速器表面的振动信号通过一系列数学变换转换为噪音能量，并使用阶次分析和频谱图直观的反映出各特征频率能量大小，从而可有效判断各运动部件的状态。

噪音振动分析系统的引入大幅提高了变速器校验的科学性和可靠性。

关键词：噪音振动系统阶次分析频谱图变速器校验
1.概述
现代工程信号处理技术的高速发展，使得采用信号分析在变速器乃至汽车整车NVH（振动、噪音及舒适性）测试方面的应用也越来越广泛，其中频谱分析便是其中最常用的方法之一。

频谱分析的数学基础是离散傅里叶变换（DFT）。

该方法的一般过程是通过传感器以固定的采样频率采集时域信号，然后通过傅里叶变换得到频域信号，或者说频谱。

由于平稳旋转机械中相关部件如齿轮、电动机等它们的工作频率（即特征频率）相对稳定，因此在频谱图可以很直观的反映出各特征频率能量大小，从而可有效判断各运动部件的状态。

然而，当旋转机械的转速不平稳时则难以在频谱上判断出各运动部件的状态。

例如在变速器总成加载校验中，就存在加载的过程同时转速也在不断变化的校验过程，这就需要新的处理方法。

阶次分析就是近些年发展起来的，针对非稳态旋转机械状态检测和故障分析有效方法之一。

在江铃变速器校验台上使用的是德国Discom公司的Rotas噪音振动分析系统，通过加速度传感器将变速器的振动信号通过一系列数学变换转换为噪音能量并使用阶次分析将变速器输入轴、中间轴、输出轴的噪音信号分离，便于变速器的诊断。

2.阶次分析的基本原理
2.1.阶次的概念
阶次概念的提出，是为区别于传统频谱分析概念。

阶次分析的本质上是基于参考轴转速的频率分析。

阶次O、频率f与参考轴转速n1之间的关系为：
O =f/ n1 (1)
齿轮啮合频率的计算公式为：
f=Z*n2 (2)
式中：Z为齿数；n2为齿轮转速。

由上述两式可得：
O= Z*n2/ n1=Z （n1= n2） (3)
显然对齿轮而言，齿数就是阶次（1阶）。

2.2.阶次分析
如上所述，得到阶次信号后，就可以采用传统的信号时-频分析方法对阶次信号进行分析，即所谓阶次分析。

相对于传统频谱分析，通过对阶次信号进行DFT变化，即可得到所谓的阶次谱。

对于非平稳旋转机械，阶次谱因为与转速无关，因此可以在阶次谱上观测到不同阶次的旋转部件能量分布，从而判断部件的状态。

3.噪音振动系统在变速器校验台上的应用
在江铃变速器总成校验中，采用加速度传感器对变速器的噪音和振动进行检测，如图1所示。

RPM Speed
图1：变速器振动与噪声测试方案
3.1.噪音振动分析系统基本结构
Rotas噪音振动分析系统通过BKS03加速度传感器将变速器表面的振动信号以线性频率的方式采集，同时利用校验台控制系统中的西门子FM350高速计数模块采集变速器的
输入转速。

整个系统以串口通讯的形式与S7-300控制系统进行命令交互。

TasAlyser 测量软件将对采集的数据进行阶次分析，以阶次谱图的形式显示，找出噪音源为诊断变速器提供数据依据。

3.2.相关参数设置
进行噪音振动分析之前先需要对所校验的变速器相关参数设置，即各档位的齿轮的齿数及各档速比，如图2所示。

通过后期的阶次分析可以根据齿数找到噪音源的具体位置。

图2：变速器各档齿数设置
3.3.阶次谱图分析及变速器诊断
TasAlyser测量软件可以通过对变速箱样机的数据进行自学习，在用户可接受的范围内设置极值曲线以提供判断变速器的参数依据，如图3所示。

图3：时域-阶次谱图（1）
图4：时域-阶次谱图（2）
从图4中我们可以清晰的看到存在问题的齿轮与合格齿轮在频谱图上的差异，并能够通过不同缺陷所表现出的固有频谱来判断缺陷的类型为缺口、表面光洁度、偏心等。

由于使用阶次分析可以确定故障齿轮的齿数从而对噪音源进行定位，诊断是哪个档位的齿轮或轴承存在缺陷，如图5所示。

图5：变速器分析结果
4.总结
通过在江铃变速器校验台上加装Discom噪音振动分析系统，运用阶次分析的方法对阶次进行跟踪，通过一定数量的样机实验，可得出特定型号变速器各档位齿轮的对应的阶次振动能量大小的统计均值、峰值等，并以此为参考基准，便可用于判断变速器各档位齿乃至轴承的状态。

噪音振动分析系统引入变速器校验中可以大幅提高校验台的诊断能力，为公司各系列变速器总成生产研制提供了技术保障。

5.参考资料
[1] “阶次跟踪技术及其在汽车NVH 中的应用”，张守元等，《轻型汽车技术》，2009-4
[2] “基于阶次跟踪的变速箱噪声源识别”，龙月泉，《噪声与振动控制》，2009-2
[3] “时—频分析方法在齿轮故障诊断中的应用”，安婧等，《信息技术》2010-3
[4] Rotas Noise Analysis System Manual and Introduction。