基于瀑布圖和階次曲線的客車后橋異響分析

馬德龍,高　超,石世宏

（1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院;2.蘇州大學(xué)激光加工與特種制造研究所,江蘇 蘇州 215021; 3.山東大學(xué),濟(jì)南 250013）

基于瀑布圖和階次曲線的客車后橋異響分析

馬德龍1,高超3,石世宏2

（1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院;2.蘇州大學(xué)激光加工與特種制造研究所,江蘇 蘇州 215021; 3.山東大學(xué),濟(jì)南 250013）

客車后橋異響是車內(nèi)主要噪聲源之一，直接會使駕駛員和乘客產(chǎn)生反感和疲勞，因此對后橋異響的分析顯得尤為重要。此篇論文介紹的分析方法是采集客車加速和勻速過程的車內(nèi)噪聲信號和后橋和變速箱上的振動信號進(jìn)行瀑布圖分析和階次曲線分析相結(jié)合，得出后橋異響是主被動錐齒輪非正常嚙合而產(chǎn)生。運(yùn)用此種方法對于快速定位車內(nèi)噪聲源提供很大的幫助，從而減少誤判，對于研究客車內(nèi)噪聲振動機(jī)理，改善整車噪聲振動水平有重要的意義。

異響；瀑布圖；階次曲線圖

1　引言

隨著交通技術(shù)的發(fā)展以及需求層次提升，人們對客車乘坐的舒適性提出了更高的要求，而客車車內(nèi)噪聲極易使乘客反感難受，而且容易使駕駛員疲勞，進(jìn)而影響乘客安全，再加上現(xiàn)在很多相應(yīng)噪聲標(biāo)準(zhǔn)出臺，所以良好的NVH水平是當(dāng)前客車重要的品質(zhì)指標(biāo)。目前轎車中NVH應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)廣泛深入，在客車方面應(yīng)用也日趨成熟，在客車整車異響種類里，后橋異響出現(xiàn)的概率很大，有頻譜分析、瀑布圖分析、階次分析、模態(tài)分析等相應(yīng)的信號分析方法，這里就結(jié)合客車現(xiàn)狀實(shí)際，提出一個快速確定異響源頭的一個實(shí)用方法，那就是先通過客車加速和勻速過程信號得出瀑布圖初步判斷異響出自哪里，然后結(jié)合階次曲線進(jìn)一步證明瀑布圖中得出的結(jié)論，由此可完全準(zhǔn)確斷定異響源頭，這樣方便快速定位與維護(hù)，節(jié)省工時，降低成本。

2　信號采集準(zhǔn)備工作

2.1 信號采集背景

市場反饋：某一批次公交在運(yùn)行時，大多是60KM/H開始出現(xiàn)異響，并且隨著車輛加速過程的進(jìn)行，嗡嗡的異響聲越大，帶檔滑行也是發(fā)出嗡嗡響聲。

2.2 信號采集儀器及傳感器

OROS數(shù)據(jù)采集器1臺（NVGate數(shù)據(jù)分析軟件）、單向加速度傳感器2個、麥克風(fēng)1個、光電轉(zhuǎn)速傳感器1個、導(dǎo)線若干。

2.3 信號采集環(huán)境

信號采集車輛應(yīng)為市場上返回的異響客車，采集數(shù)據(jù)是關(guān)閉車門窗，選擇天朗氣清無風(fēng)的日子和相對安靜無喧囂的城市瀝青路進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)采集，盡可能降低外界對采集信號的干擾。

2.4 傳感器布置及照片

（1）變速箱上粘一個單向加速度傳感器，測量變速箱上下方向的振動數(shù)據(jù)，見圖1。

圖1　變速箱數(shù)據(jù)采集點(diǎn)

（2）因?yàn)槭苘圀w空間限制，橋殼正上方粘一個單向加速度傳感器，見圖2。

圖2　車橋數(shù)據(jù)采集點(diǎn)

（3）轉(zhuǎn)速傳感器測量后橋輸入端傳動軸轉(zhuǎn)速，見圖3。

圖3　傳動軸數(shù)據(jù)采集點(diǎn)

（4）噪聲傳感器測量車后部前排座椅處噪聲，見圖4。

2.5 信號采集方案

（1）采集異響客車在30km/h-80km/h平時加速時的噪聲信號和變速箱、橋殼的振動數(shù)據(jù)信號。

（2）采集異響客車在平時帶檔滑行時的噪聲數(shù)據(jù)和變速箱、橋殼的振動數(shù)據(jù)。

（3）采集異響客車在平時60km/h左右勻速時的噪聲數(shù)據(jù)和變速箱、橋殼的振動數(shù)據(jù)。

圖4　座椅數(shù)據(jù)采集點(diǎn)

3　信號分析

3.1 信號分析理論依據(jù)

（1）瀑布圖。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)軸部件從啟動、升速到額定轉(zhuǎn)速的過程經(jīng)歷了全部轉(zhuǎn)速的變化，因此在各個轉(zhuǎn)動下的振動狀態(tài)可用來對機(jī)器的臨界轉(zhuǎn)速、固有頻率等參數(shù)進(jìn)行辨識。啟動和停止過程包含了豐富的信息，是常規(guī)狀態(tài)下無法獲得的，描述這種瞬態(tài)過程的一種方法是瀑布圖法，是將不同轉(zhuǎn)速下的頻譜圖按轉(zhuǎn)速逐漸增加或是逐漸較小順序排列得到的一組頻譜，能夠反應(yīng)加速/減速過程中信號頻率成份的變化，這種圖形的結(jié)構(gòu)類似瀑布，所以稱為瀑布圖[1]。對于共振，被激起的固有頻率是與轉(zhuǎn)速無關(guān)的，不管是在升速和降速情況下，頻率始終處在該位置上。

（2）階次曲線圖。我們已經(jīng)知道頻譜了，頻率與轉(zhuǎn)速之間有一個固定的關(guān)系定義為階次，如下舉例，600rpm=10rps=10HZ（轉(zhuǎn)/秒），階次=頻率（HZ）/轉(zhuǎn)速（rps）,直觀感覺就是輸入端每轉(zhuǎn)一圈引起階次數(shù)目個振動。以穩(wěn)態(tài)下的頻譜圖為例，將這個頻譜圖的頻率數(shù)值除以穩(wěn)態(tài)下的轉(zhuǎn)頻，得到的是階次譜，其背后的真正意義是角域采樣理論，對非穩(wěn)態(tài)的升速或降速信號，相對于轉(zhuǎn)軸進(jìn)行等角度采樣，那么時域的非穩(wěn)態(tài)信號在角度域中時穩(wěn)態(tài)信號，有了這個轉(zhuǎn)變過程在進(jìn)行傅里葉變換即可得到階次譜[2]。以當(dāng)前的測試手段，首先進(jìn)行在時間域內(nèi)以一定采樣率進(jìn)行采集振動數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，得到此數(shù)新信號后，然后針對采集的信號數(shù)據(jù)，針對轉(zhuǎn)速脈沖序列進(jìn)行轉(zhuǎn)速估計，然后根據(jù)此估計結(jié)果計算等角度采樣發(fā)生的時間，在整個計算出的時間段內(nèi)對剛才記得數(shù)據(jù)進(jìn)行插值重采樣，這樣就得到角度域中時穩(wěn)態(tài)信號進(jìn)行階次分析[2]。如果我們根據(jù)瀑布圖顯示的結(jié)果對某一階次感興趣的話，我們可以在保證一定階次寬度的基礎(chǔ)上單獨(dú)提取出某一階次對應(yīng)幅值隨時間變化的曲線，這個階次曲線對應(yīng)的能量大小占總能大小的多少能夠反映出這個階次的振動對整體振動的貢獻(xiàn)度，這對于我們分析采集的數(shù)據(jù)有重要的意義。

（3）其它信號分析方法。主要有自功率譜分析、互功率譜分析、倒頻譜分析、頻響函數(shù)分析、相關(guān)性分析、小波變換等分析方法，對各種類型現(xiàn)狀可針對性的采用不同的方法進(jìn)行分析。

3.2 信號分析處理過程

本次采集數(shù)據(jù)主要是針對兩輛典型的異響車輛進(jìn)行采集振動噪聲轉(zhuǎn)速信號分別記為客車I和客車II，首先通過瀑布圖主要異響階次結(jié)合車內(nèi)各動力總成內(nèi)的齒輪結(jié)構(gòu)狀態(tài)初步判斷異響源頭，然后得出這個階次的階次曲線與總極值曲線進(jìn)行比較，從而確定人耳聽到的聲音確實(shí)從這里發(fā)出的。

客車后橋基本參數(shù)如表1所示。

（1）對客車I采集的信號進(jìn)行瀑布圖分析：圖5可以看出：A計權(quán)后的噪音瀑布圖上顯示8階較16階24階斜線亮，因?yàn)橹鲃渝F齒輪有8個齒，傳動軸每轉(zhuǎn)一圈主被動齒輪會嚙合8次，按前面階次定義的介紹，那么傳動軸轉(zhuǎn)頻為1階，主動錐齒輪就會產(chǎn)生8階噪聲，圖5中的16階、24階是主被動齒輪嚙合產(chǎn)生的二次諧波噪聲和三次諧波噪聲，正常狀態(tài)是8階對應(yīng)的能量比16階大，16階對應(yīng)的能量比24階大，即圖5中斜線亮度表示能量的大小，此時圖中不能反映齒輪嚙合不正常，但是齒輪嚙合占據(jù)的能量在相比客車其它動力總成產(chǎn)生的噪音最大。

表1　客車后橋參數(shù)

圖5 　客車I在加速過程的噪聲瀑布圖和相應(yīng)傳動軸轉(zhuǎn)速信號

圖6中可以看出：橋殼振動瀑布圖中顯示24階振動的能量比16階大，16階振動的能量比8階大，這顯然不正常，正常是8階最亮，其它依次變暗，充分說明齒輪嚙合異常，產(chǎn)生的振動通過軸承傳遞到橋殼上顯示出這樣的瀑布圖。

圖6　客車I在加速過程中橋殼振動瀑布圖

圖7可以看出：變速箱的階次比較密集，1、1.5、2、2.5…….10階都有，與噪聲的瀑布圖對應(yīng)不上，因此可斷定異響噪聲不是出自變速箱。

（2）對客車I采集的信號進(jìn)行階次曲線分析。圖8圖9中的上半幅圖中頂端的深紅色曲線為overall噪聲曲線，淺紅色曲線是8階噪聲曲線，綠色曲線是16階噪聲曲線，藍(lán)色曲線是24階噪聲曲線。

圖8可以看出：剛開始加速的時候，16階噪聲曲線幾乎與overall噪聲曲線重合，到1500rpm以后，8階噪聲曲線與overall噪聲曲線重合，它們的差值幾乎為0，此時客車I中的噪聲幾乎全部是后橋主被動齒輪嚙合產(chǎn)生的，這種異響狀態(tài)必須進(jìn)行改善。

圖7　客車I在加速過程變速箱振動瀑布圖

圖8　客車I加速過程噪音階次數(shù)值隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖9　客車I勻速狀態(tài)下噪音階次數(shù)值大小變化曲線

圖9可以看出：60km/h勻速下（12s～18s部分），此時overall曲線和8階曲線之間差值約5dBA,可以認(rèn)定噪音幾乎是大小輪嚙合貢獻(xiàn),人耳已經(jīng)分辨不出其它動力總成發(fā)出的聲音。

（3）對客車II采集的信號進(jìn)行瀑布圖分析。圖10中可以看出：噪音瀑布圖上顯示8階較16階24階斜線亮，圖中這三個階次亮線發(fā)生轉(zhuǎn)折，這是因?yàn)樾盘柌杉思铀俸蛶n滑行過程，轉(zhuǎn)折的階次線是帶檔減速滑行過程，以下類同。此時不能反映齒輪嚙合不正常，還是齒輪嚙合占據(jù)的能量在相比客車其它動力總成產(chǎn)生的噪音最大。

圖11中可以看出：不論是加速過程還是帶檔滑行過程，16階或24階比8階斜線亮，正常是8階最亮，其它依次變暗，充分說明齒輪嚙合異常，產(chǎn)生的振動通過軸承傳遞到橋殼上顯示出這樣的瀑布圖，那么至此可以得出此異響車齒輪嚙合不正常。

圖10　客車II在加速和帶檔滑行階段的噪聲瀑布圖和傳動軸轉(zhuǎn)速信號

圖11　客車II在加速和帶檔滑行階段的后橋殼振動信號的瀑布圖

圖12　客車II在加速和帶檔滑行階段的變速箱振動信號的瀑布圖

圖12以看出：變速箱的階次比較密集，1、1.5、2、2.5…….10階都有，與噪聲的瀑布圖對應(yīng)不上，因此可斷定異響噪聲不是出自變速箱。

（4）對客車II采集的信號進(jìn)行階次曲線分析。圖13圖14中的上半幅圖中頂端的深紅色曲線為overall噪聲曲線，淺紅色曲線是8階噪聲曲線，綠色曲線是16階噪聲曲線，藍(lán)色曲線是24階噪聲曲線。

圖13可以看出：剛開始加速的時候，16階噪聲曲線與overall噪聲曲線差值小于5dBA，此時客車內(nèi)的噪音主要為后橋貢獻(xiàn)，聽不到其它動力總成的聲音。到1800rpm至剛開始帶檔滑行階段，8階噪聲曲線與overall噪聲曲線重合，它們的差值幾乎為0，此時客車II中的噪聲幾乎全部是后橋主被動齒輪嚙合產(chǎn)生的。在帶檔滑行階段1700rpm-1400rpm,8階曲線與overall曲線差值約為5dBA，帶檔滑行階段是從動錐齒輪帶動主動錐齒輪工作的，這說明齒輪反齒面嚙合不正常，此時客車II中的噪聲幾乎全部是后橋主被動齒輪嚙合產(chǎn)生的。

圖13　客車II加速過程和帶檔滑行過程噪音階次數(shù)值隨轉(zhuǎn)速變化曲線

圖14可以看出：60km/h勻速下，（20s～30s）此時overall曲線和8階曲線之間差值約10dBA,如果僅僅這樣，此時后橋主被動齒輪嚙合產(chǎn)生的噪音對客車內(nèi)整體噪音有一定影響，人耳還是能稍微分辨出其它動力部分發(fā)出的聲音，但是24階噪音曲線與overall曲線差值約為5dBA，可以認(rèn)定噪音幾乎是大小輪嚙合貢獻(xiàn),人耳已經(jīng)分辨不出其它動力總成發(fā)出的聲音。

另外，可以看到圖13中的8階噪聲曲線數(shù)值在達(dá)到一定高轉(zhuǎn)速后突然迅速接近overall曲線，此時再結(jié)合圖10的加速過程噪音瀑布圖，很明顯的看到剛好大于200HZ處有一個共振帶，階次穿越共振帶對應(yīng)的能量會迅速增大，這是后橋被主被動齒輪嚙合等激勵產(chǎn)生的產(chǎn)生的共振。

圖14　客車II勻速過程噪音階次數(shù)值隨轉(zhuǎn)速變化曲線

3　信號分析結(jié)論

本文介紹主要是采集異響客車在加速過程和帶檔滑行過程異響噪聲信號和橋殼變速箱的振動信號，在信號理論基礎(chǔ)上通過異響噪聲信號的瀑布圖分析和同時對應(yīng)的橋殼振動信號、變速箱振動信號的瀑布圖分析，再結(jié)合各動力部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定齒輪嚙合不正常，然后再通過overall曲線、8階曲線、16階曲線、24階曲線具體數(shù)值的大小比較，還原到人耳聽覺現(xiàn)場環(huán)境，指出人耳聽到的噪音確實(shí)是后橋齒輪嚙合產(chǎn)生的異響噪音，這樣可以迅速斷定客車異響源頭在于主從動錐齒輪。這次采集信號和分析信號數(shù)據(jù)的方法，對于以后分析客車整車和后橋部件的噪聲振動具有重要的意義。

[1]王伯雄,王雪,陳非凡.工程測試技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社,2006(01):86,91.

[2]康海英,欒軍英,田燕,鄭海起,曹進(jìn)華.階次跟蹤在齒輪磨損中的應(yīng)用[J].振動與沖擊,2006(04):113.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.226

馬德龍(1978-)，男，碩士研究生。