变速箱敲击噪声的调制分析方法

理论与算法2018-2
变速箱敲击噪声的调制分析方法
管文烨
(上海汽车变速器有限公司，上海，200072 )
摘要：齿轮敲击噪声是变速器噪声的一种类型，由于敲击噪声具有穿透力高的特点，容易被乘客察觉并影响乘坐舒适性。

常 规的齿轮敲击噪声主要采用时域考核指标来识别，本文提了一种新的分析方法，即调制分析方法。

本文首先对仿真的敲击信号 做调制分析，验证其方法的有效性，接着再对生产线上真实的油泵敲击信号作了调制分析。

结果证明该方法能够有效识别油泵 噪声信号。

关键词：调制分析；噪声；NVH
Modulation analysis for the detection of transmission gear rattle noise
Guan Wenye
(Shanghai Automobile Gear Works,Shanghai, 200072)
Abstract : Gear rattle noise is one type of transmission gear noise,and it is characterized by easy penetration,so it can be sensed and complained by the passengers.Conventional method is mainly based on time-domain evaluations.In this paper,we present a new method,L e.，modulation analysis. A simulated gear rattle noise is first analyzed with this method,to verify the effeteness of this method.The real gear rattle noise from the real-time measured oil pump is further analyzed.The results prove that the modulation analysis presents a powerful tool in detecting gear rattle noise.
K e y w o r d s： Modulation Analysis ;Noise ;NVH
〇引言
车辆的噪声来源于不同零件。

主要的噪声除了发动机，还包 括风，轮胎和其他零件。

它们影响车辆的整体N V H水平。

其中一 个来源于变速箱的噪声成分是齿轮敲击。

该噪声是由齿轮产生，并且可能仅在特定的工况下发生，齿轮敲击噪声能显著降低整体 N V H的评分，甚至被认为是质量缺陷。

针对此类噪声，时域分析是 主流和有效的方法。

但是，除了频谱,也可以根据敲击噪声的的成 分组成进行相关信息分析。

本文提出了一种新的方法来分析齿轮 敲击，即调制分析方法。

1齿轮敲击驗
齿轮敲击噪声是变速器噪声的一种类型，由于敲击噪声具 有穿透力高的特点，容易被乘客察觉并影响乘坐舒适性。

齿轮敲击噪声是发生在啮合非承载齿轮，承载齿轮对和换挡 组件(如同步器、滑套等)上的一种冲击现象。

啮合的齿轮,无论是 加载或非加载的，在某种条件下相互碰撞并产生敲击噪声。

一般 来说，变速器敲击噪声产生的主要原因是动力传递系统存在着较 明显的扭矩波动。

发动机在运行过程中因缸内气体的燃烧爆发、活塞的往复运动以及曲柄连杆机构的旋转运动，导致发动机输出 扭矩呈现周期性变化，从而使发动机输出转速不平衡，表现为一 定的转速波动。

这一转速波动通过弹性离合器系统传到变速器轴 系，传递到变速器动力流中的每一对齿轮，导致变速器内部非工 作部件在允许的工作间隙内可能产生不规则的来回敲打现象，传 递至车内表现为变速器敲击噪声。

齿轮敲击噪声是两种不同机械机构产生的一定带宽的空气 传播噪声。

其中的一部分噪声由轮齿直接进行噪声辐射：另一部分为齿轮振动通过变速器的结构导致变速器壳体振动从而进行 噪声辐射。

经过变速器壳体的“滤波”作用,轮齿敲击产生的噪声 的频谱将不同于变速器壳体振动的频率成分，正因为如此，传递 到变速器外部空气中的敲击噪声容易被乘客察觉。

虽然齿轮敲击 噪声不会影响变速器的正常工作，但它们却常常被乘客抱怨，因此有必要对齿轮敲击噪声系统的研宄，并使该类噪声得到最大的 抑制以提高乘坐舒适性。

2调制分析
首先对信号做窗口傅里叶变换(Windowed Fourier Transform)
；*AT*(l-o)+JV-l t.…
P(»,/) = — ^p i j c^e1N(1)
其中：
具有P (k)的：振动信号在k点的采样值
N: F F T长度。

n:频率指数（该下标代表的频率）。

〇:重叠系数，0表示相邻窗口无重叠，1表示完全重叠。

1 :窗口指数(第n个时间窗口）。

W:权重函数(Hamming)。

在频谱的每个频率点上表示了在相应的载波频率处的包络 信号(调制信号)。

我们通过P(n,1)序列的绝对值（模）的FFT 来得到调制频谱Pm (n,m)
(n>m)=w%\p^ *w(0|e ⑵其中：m为调制频率指数。

M为FF T长度。

调制频率的分辨率D f…S
2018.2理论与算法
图1模拟的敲击信号
在得到模拟的敲击信号后，我们先进行窗口傅里叶变换，得
到的分时频谱图P(n,l)为：
调制频谱P m(n,m)为
我们在对怂(》，w)所有的n取最大值，gp
P^{n) =vas^m Pm{n,m)(5)
图2模拟敲击信号的分时傅立叶变换
g g J l i i l
E L E C T R O N I C T E S T
图4模拟敲击信号的调制分析peak-ho 1d图
这样就可以明显看到，在2H z处，调制频率的幅值达到最大 值，其频率与仿真的敲击信号一致。

这也说明所选取的算法参数 也是合理的。

4油泵敲击噪声信号的调制分析
在D C T总成中，油泵敲击噪声也时常发生。

目前生产线上主 要采用时域考核指标来识别该噪声，直接频谱考核或阶次考核并 不能有效识别；但是我们同样可以调制分析的方法来识别敲击 噪声信号。

图5给出了某一总成的油泵敲击信号的时域图，信号的采 样周期为20KHz，持续时间0.8s。

周期性冲击（敲击）周期为0.0396秒，对应的频率约为25. 25Hz。

考虑到该工况的转速为1500RPM，则对应的阶次为 1.015(=67/66)阶，实际对应油泵的噪声。

图6给出了该油栗冲击信号的分时Fourier变换，从图可 以看出在7200H z左右，周期性变化趋势最明显。

图7和图8分别给出了油泵敲击信号的调制分析图和对应 的peak h o l d图，由图可见，在25. 53H z处存在尖峰(该频率与时 域直观得到的25. 25H z相对应)，它们的值存在差异是由于调制
41 I
最高调制频率则为：
通过以上公式计算，可以得到敲击振动信号的调制频率。

3模拟敲击信号仿真与分析
在对真实的变速箱敲击振动信号运用该算法前，我们先
模拟敲击信号。

图1给出了模拟的敲击信号，它的采用频率为
10000Hz，持续10s,敲击频率为2Hz，傅里叶变换窗口取4096点，
重叠系数为0.9.
图3
模拟敲击信号的调制分析图
理论与算法
2018.2
图5
油泵敲击信号的时域图
分析的分辨率决定的。

图6油栗敲击信号的分时Fourier变换图
5总结
本文首先介绍了调制分析的基本算法，该算法首先对信号进 行分时Fourier变换，再对各时间窗口下相同的频率(载波频率)
再做一次Fourier变换，就可以得到调制频率。

本文还对仿真的图7油泵敲击信号的调制分析图
敲击信号和油泵敲击信号做了分析，我们 看到：（1)由于振动信号的时间长度有限， 再加上二次Fourier变换，所以载波信号 的频率分辨率较低，一般低于传统的阶次 分析或分时Fourier变换。

(2)虽然调制频 率能够准确识别，但是载波频率的变化较 大。

(3 )在调制分析图中，在0H z 附近仍有 较大的能量，如果敲击噪声的频率非常 低，那么该方法不能有效识别该类噪声。

因为敲击噪声本身的固有时域特性， 直接用频谱分析不能得到其发生频率，用 调制分析的方法来识别敲击噪声信号，是
对目前主流的时域方法（包括RMS，峰- 峰值，Kurtosis, Crest Factor 等考核
量）的有效补充方法。

图8油泵敲击信号的调制分析peak-hold图
参考文献
[1] 王连生.发动机与变速箱耦合系统非线性动力学及NVH 性
能研究[D ].浙江大学，2014.
[2] 邓雷.汽车齿轮变速箱的振动分析与优化设计[D ].重庆大
学，2013.
[3] 张丽霞，冯辅周，江鹏程，赵丰文.基于 模态分析的变速箱振动测点优化配置[J ].装 曱兵工程学院学报，2012,02:43-45+48.
[4] 江会仙.汽车手动变速箱啸叫的原因分 析与改进[D ].南京航空航天大学，2014.[5] 孙野，殷凤龙，杨丹，李颖•复杂激励 下变速箱箱体动态响应分析[J ].机床与液 压，2014,19:78-81+96.
[6] 孟凡龙，马维金，张纪平，王俊元，陈剑伟, 张征鹏.某型汽车变速器振动信号测试与分 析[J ].机械传动
陈强 ，李东 ，刘双 . 电动车减速箱 降噪优 化设计[J ]•工业设计,2016,06:73-74.[8]G . D * Elia , E . Mucchi , M . Cocconcelli ,
(下转第33页)
竺
甲碰
a
E L E C T R O N I C T E S T
c 5000
4000
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
-■111
(D p n }!l d E V
0 0 0 □ 0 0 0!0
o
D D D
o
o o D Q
O Q O O O
O O 0
9876543N H J &U 0)n b
3J S —J 31
jj e
o
2018.2理论与算法
增加，U P S容量会随之增加，可以设置容量触发机制，如果容量 百分比到达某一水平，那么就可以对新的冗余模块予以订购，但 U P S的容量大小和U P S电源模块安装难度大小呈正比关系，UPS 房间普遍会预留出大型模块的位置。

2.4高压直流供电系统
高压直流供电系统在供电负载时，负载前端对每个负载都会 进行双路供电分配。

此种供电系统的所需成本和占地面积相对较 少，供电效率相对较高，在直流输出端，蓄电池可以直接并联，具 有良好的供电可靠性,且其整流模块可以由维护人员自行更换，具有良好的可维护性和扩容性。

其缺点是负载供电必须为高压直 流系统，交流供电系统存在一定局限。

整流器会利用晶闸管与二极管把交流电变为整流桥，把交流 电变换为直流电。

在电网中,大容量开关电源会产生较大量的电 流谐波，可能会让电网受到污染，现阶段，为让整流器谐波得到有 效抑制，其主要方法为无功功率补偿、无源滤波、有源无功功率补 偿、有源滤波与功率因数校正技术等。

高压直流供电系统直流输 出测电压相对较高，设备与人员的安全与其绝缘性息息相关，因此，还需要对直流侧绝缘性进行时刻检测[2]。

2.5两路高压直流供电系统
负载对于IDC机房来说十分重要，利用两路高压直流供电 系统具有良好的可靠性，此种供电系统没有在直流系统输出端直 接接入蓄电池,不需要利用逆变器来完成转换功能，维护人员可 以对故障整流模块进行自动更换，具有良好的可维护性和可扩容 性，同时，这种两路高压直流供电系统无论负载自身是何种电源 配置都可以得到灵活使用，但这种供电系统需要较大的占地面积 和初期投入。

以某个240V高压直流供电系统为例,该系统结构如 图2所示，
结合图2,该供电系统的输入输出端为双总线配电模式，对 双电源负载，在市电停电之后，蓄电池可以向负载供电，可以对因 逆变器故障造成的供电中断事故予以有效避免，在负载增加之 后，系统可以对直流供电柜予以扩容，也可以增加模块，整体较为简单。

在该供电系统的各级之间，控制通断的主体为空气开关和 熔断器，在负载发生故障时，可以让断电范围得到控制，让故障损 失得到减小。

图2高压直流供电系统结构图
3结论
一路市电一路UPS、2N双总线并联冗余UPS、N+1并联冗余 UPS、高压直流供电系统和两路高压直流供电系统是IDC机房供 电系统的几种主要组成形式，无论供电系统形式如何，不间断的能 源供应且满足负载需求都是供电系统的基本要求，结合实际情况，通过合理的选择与维护,可以让IDC机房的服务质量得到保障。

参考文献
[1] 王平.IDC机房供电系统组成形式探讨[J].电信技
术.2017,(01):75-78.
[2] 毛文杰.通信运营商政企客户机房供电系统优化设计[J].电
信工程技术与标准化.2014,27(09):34-39.
(上接第42页)
On the identification of the angular position of gears
for the diagnostics of planetary gearboxes,Mechanical
Systems and Signal Processing,Volume 83, 15 January
2017, Pages305-320
[9] Guolln He,Kang Ding,Huibin Lin,Gearbox coupling modulation
separation method based on match pursuit and correlation
filtering,Mechanical Systems and Signal Processing, Volumes66 - 67, January2016, Pages597-611,
[10] Xingxing Jiang,Shunming Li,Yong Wang,Study on nature
of crossover phenomena with application to gearbox fault
diagnosis,Mechanical Systems and Signal Processing, Volume83,15 January2017, Pages272-295
[1l]Faris Elasha,Matthew Greaves,David Mba,Duan Fang,A comparative study of the effectiveness of vibration and
acoustic emission in diagnosing a defective bearing in
a planetry gearbox,Applied Acoustics,Volume 115, 1
January2017, Pages 181-195,
[12】參芳，高卫民，顾彦，康飞，蔺磊，王承.基于振动相对量法的 齿轮敲击振动辨识[J].光学精密工程,2015,12:3430-3438. [13] 吴光强，吴虎威，李迪.汽车变速器齿轮敲击动力学问题研
究综述[J].同济大学学报（自然科学版),2016,02:276-285. [14] 张军锋.手动变速器齿轮敲击噪声的实验分析[D].上海交
通大学，2012.
[15】郭荣，裘剡，章桐，于钦林，朱伟伟.手动变速箱空挡齿轮 敲击问题的影响因素分析[J].江苏大学学报（自然科学
版2013,04:378-383.
[16] 朱敏如.变速器振动仿真分析与实验研究[D].华南理工大
学,2013.
[17] 牛祥栋.怠速工况下变速器齿轮敲击仿真研究[D].重庆大
学，2015.
m m m
33。