利用噪聲相對(duì)量辨識(shí)與優(yōu)化齒輪敲擊噪聲

廖 芳, 高衛(wèi)民, 李益南， 王 承

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804； 2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804；3.百利得安全氣囊上海公司，上海 201315)

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利用噪聲相對(duì)量辨識(shí)與優(yōu)化齒輪敲擊噪聲

廖 芳1，2, 高衛(wèi)民1, 李益南2， 王 承3

(1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804； 2.上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804；3.百利得安全氣囊上海公司，上海 201315)

以人耳聽(tīng)覺(jué)特性為基礎(chǔ)，提出運(yùn)用噪聲相對(duì)量辨識(shí)和優(yōu)化齒輪敲擊噪聲的方法.該方法首先對(duì)測(cè)量得到的噪聲信號(hào)進(jìn)行外耳、中耳和內(nèi)耳噪聲傳遞特性濾波，然后進(jìn)行回歸與平滑處理獲得穩(wěn)態(tài)噪聲信號(hào)，將濾波后的噪聲信號(hào)減去穩(wěn)態(tài)噪聲信號(hào)，得到的噪聲相對(duì)量即為非承載齒輪對(duì)的瞬態(tài)敲擊噪聲信號(hào)，最終辨識(shí)出齒輪敲擊噪聲的發(fā)生時(shí)刻、頻率范圍和水平.辨識(shí)結(jié)果與人的主觀感受一致，齒輪敲擊噪聲被準(zhǔn)確辨識(shí).利用該方法得到了各非承載擋的敲擊噪聲貢獻(xiàn)量，確定倒擋是齒輪敲擊噪聲的主要噪聲源.采用提高倒擋齒輪對(duì)加工精度使其最小間隙減小約50.0%后，齒輪敲擊噪聲水平降低了17.4%，齒輪敲擊噪聲性能得到有效改善.

齒輪敲擊； 敲擊噪聲辨識(shí)； 噪聲相對(duì)量； 齒輪對(duì)間隙

手動(dòng)變速器齒輪敲擊噪聲問(wèn)題復(fù)雜，影響因素較多，經(jīng)常出現(xiàn)在手動(dòng)擋家用轎車中，至今還未形成完善的控制手段[1-4].該噪聲由變速器中非承載齒輪對(duì)撞擊引起[5]，容易被乘客察覺(jué)，引起客戶抱怨，嚴(yán)重影響了汽車客戶感知質(zhì)量.因此該問(wèn)題在汽車振動(dòng)與噪聲性能開(kāi)發(fā)領(lǐng)域備受關(guān)注[6].

整車轉(zhuǎn)轂和變速器臺(tái)架試驗(yàn)是研究變速器齒輪敲擊噪聲的重要手段[7-10].整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)測(cè)量得到的駕駛員右耳噪聲信號(hào)是發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)轂、環(huán)境、承載與非承載齒輪對(duì)等多種噪聲信號(hào)的綜合體現(xiàn)；變速器臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量得到的變速器近場(chǎng)噪聲信號(hào)是變速器輸入和負(fù)載電機(jī)、同軸器、臺(tái)架、承載與非承載齒輪對(duì)等多種噪聲信號(hào)共同作用的結(jié)果.采用整車轉(zhuǎn)轂或變速器臺(tái)架試驗(yàn)，從測(cè)量得到的噪聲信號(hào)中不能直接獲取非承載齒輪對(duì)的敲擊噪聲信號(hào)，無(wú)法定量評(píng)價(jià)齒輪敲擊的噪聲水平，這是難以建立有效的齒輪敲擊控制措施的主要原因.因此，如何從整車或變速器臺(tái)架測(cè)試得到的噪聲信號(hào)中提取非承載齒輪對(duì)的敲擊噪聲信號(hào)，是解決齒輪敲擊噪聲問(wèn)題的瓶頸，也是齒輪敲擊噪聲研究的首要任務(wù)之一.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)齒輪敲擊噪聲的辨識(shí)與優(yōu)化已經(jīng)開(kāi)展了幾十年的研究，取得了豐碩的研究成果.目前有代表性的變速器齒輪敲擊噪聲信號(hào)獲取和評(píng)價(jià)方法有：主觀評(píng)價(jià)法[9，11,12-14]，利用駕駛員右耳或變速器近場(chǎng)噪聲信號(hào)的聲壓級(jí)[9]、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-頻率-變速器近場(chǎng)或乘員艙內(nèi)噪聲聲壓級(jí)彩圖中的亮線分布[9-10,15-16]等客觀評(píng)價(jià)方法.雖然齒輪敲擊的研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展，但是，仍然存在的齒輪敲擊現(xiàn)象表明，應(yīng)用現(xiàn)有的技術(shù)手段還不能很好地解決齒輪敲擊噪聲問(wèn)題.由于聲壓級(jí)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-頻率-變速器近場(chǎng)或乘員艙內(nèi)噪聲聲壓級(jí)彩圖中的噪聲信號(hào)均為變速器臺(tái)架或整車上所有噪聲源的綜合體現(xiàn)，受到臺(tái)架或整車上其他裝置或零部件噪聲信號(hào)的影響，聲壓級(jí)和彩圖無(wú)法體現(xiàn)出齒輪敲擊噪聲信號(hào)，主觀評(píng)價(jià)方法在齒輪敲擊噪聲信號(hào)的獲取與評(píng)價(jià)中占有重要地位；采用聲壓級(jí)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速-頻率-變速器近場(chǎng)或乘員艙內(nèi)噪聲聲壓級(jí)彩圖的亮線分布和多少來(lái)判斷齒輪敲擊噪聲的強(qiáng)弱，缺乏客觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)定量衡量非承載齒輪對(duì)的敲擊噪聲水平.因此，還需要進(jìn)一步開(kāi)展以定量評(píng)價(jià)齒輪敲擊噪聲水平為基礎(chǔ)的齒輪敲擊噪聲優(yōu)化措施與效果的研究.

針對(duì)手動(dòng)變速器齒輪敲擊噪聲研究現(xiàn)狀，彌補(bǔ)齒輪敲擊噪聲以定性分析為主的不足，本文提出使用敲擊噪聲相對(duì)量辨識(shí)與優(yōu)化齒輪敲擊噪聲.

1 運(yùn)用噪聲相對(duì)量辨識(shí)敲擊噪聲的原理

Knabe等[16]指出，由于人耳的特殊性，齒輪敲擊噪聲才能被人從多種整車噪聲源中清晰的分辨出來(lái).因此，必須以人耳特性為基礎(chǔ)研究齒輪敲擊噪聲.人耳對(duì)噪聲信號(hào)的變化特別敏感，尤其是頻譜中的突變和尖峰噪聲信號(hào)，噪聲相對(duì)量則反映了人耳的這種適應(yīng)性，為所有噪聲信號(hào)與穩(wěn)定噪聲信號(hào)的差值，用于表征噪聲信號(hào)中的突變成分.利用整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)研究一擋爬行工況的齒輪敲擊噪聲時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)轂、環(huán)境和承載齒輪對(duì)等噪聲均處于穩(wěn)態(tài)，而非承載齒輪對(duì)撞擊而產(chǎn)生的敲擊噪聲屬于瞬態(tài)脈沖信號(hào)，從包含所有噪聲的測(cè)試信號(hào)中減去發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)轂、環(huán)境和承載齒輪對(duì)等穩(wěn)態(tài)噪聲信號(hào)，即可得到齒輪敲擊噪聲信號(hào).

為提取齒輪敲擊噪聲信號(hào)，本文將Sottek等[17]提出的噪聲相對(duì)量方法應(yīng)用到齒輪敲擊噪聲辨識(shí)中.噪聲相對(duì)量通過(guò)時(shí)頻圖表示，信號(hào)處理思路為分別確定突變信號(hào)的時(shí)域與頻域噪聲相對(duì)量，然后將兩者進(jìn)行合成，即得到噪聲相對(duì)量的時(shí)頻圖.

齒輪敲擊噪聲相對(duì)量的計(jì)算流程如圖1所示.圖1中各處理步驟的計(jì)算方法說(shuō)明如下：

(1)人耳包括外耳、中耳和內(nèi)耳，本文通過(guò)外耳、中耳和內(nèi)耳的聲音傳遞特性來(lái)實(shí)現(xiàn)人耳聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)對(duì)齒輪敲擊噪聲的影響.對(duì)駕駛員右耳噪聲時(shí)域信號(hào)進(jìn)行外耳和中耳特性濾波，得到信號(hào)A.外耳和中耳特性濾波曲線如圖2所示[17-18].

(2)為考慮人內(nèi)耳對(duì)齒輪敲擊噪聲感知的影響，對(duì)信號(hào)A進(jìn)行內(nèi)耳特性的帶通濾波處理.內(nèi)耳耳蝸基底膜位置與該處對(duì)應(yīng)的頻率關(guān)系如公式(1)所示，人耳的帶通濾波函數(shù)如公式(2)所示[17-18].

(1)

式中：z為耳蝸基底膜位置坐標(biāo)；f為z處對(duì)應(yīng)的耳蝸基底膜頻率.

(2)

式中：h(t)為帶通濾波函數(shù)；ε(t)為單位階躍函數(shù)；n為濾波階數(shù)；τ為采樣間隔.

Fig.1 Relative approach signal processing steps of gear rattle noise

圖2 外耳和中耳特性濾波函數(shù)

經(jīng)過(guò)公式(1)和(2)的帶通濾波處理后得到考慮內(nèi)耳聽(tīng)覺(jué)特性的信號(hào)B，其表達(dá)式為

(3)

式中：F為階躍函數(shù)的頻率；H[t,(f-F)]為h[t,(f-F)]的傅里葉變換，表達(dá)式為[18]

(3)為體現(xiàn)人對(duì)齒輪敲擊噪聲的寬頻帶特性和持續(xù)性的主觀感知，從心理聲學(xué)角度分析齒輪敲擊噪聲[16]，對(duì)信號(hào)B進(jìn)行非線線數(shù)據(jù)處理，通過(guò)聲壓級(jí)向響度級(jí)的變換，獲得信號(hào)B的響度.響度的變化與聲壓的變化成非線性比例[19]，聲壓級(jí)向響度級(jí)的非線性轉(zhuǎn)化通過(guò)公式(4)實(shí)現(xiàn)[18-20].

(4)

式中：Ni為第i(i=1,2,…,24)個(gè)聽(tīng)覺(jué)臨界頻帶[18-20]的響度，每個(gè)聽(tīng)覺(jué)臨界頻帶如表1所示；ETQ為實(shí)測(cè)的純音激勵(lì)；E為人耳受到的激勵(lì)，即為信號(hào)B對(duì)應(yīng)的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)；E0為參考聲強(qiáng)I0(I0=10-12W·m-2)所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)；v為響度變化與噪聲信號(hào)強(qiáng)度變化間的比例，取值范圍為0.20～0.25，其體現(xiàn)了聲壓級(jí)向響度級(jí)變換的非線性.利用公式(4)計(jì)算得到信號(hào)B的響度pf，其值為發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)轂、承載與非承載齒輪對(duì)等噪聲信號(hào)共同作用得到的響度.

表1 聽(tīng)覺(jué)臨界頻帶

(4)利用圖1中虛線框內(nèi)部分提取齒輪敲擊的頻域突變?cè)肼曅盘?hào).提取過(guò)程中，為獲得頻域上發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)轂、環(huán)境與承載齒輪對(duì)等穩(wěn)態(tài)噪聲信號(hào)的時(shí)刻，在每個(gè)聽(tīng)覺(jué)臨界頻帶上每隔200 ms對(duì)信號(hào)B進(jìn)行回歸處理，獲得穩(wěn)定噪聲信號(hào)C的時(shí)刻.為獲信號(hào)C的頻率和水平，對(duì)其進(jìn)行在1/24倍頻程內(nèi)的頻域平滑處理，得到穩(wěn)定信號(hào)D的頻率和水平.

(5)穩(wěn)定信號(hào)D按公式(4)進(jìn)行響度變換，得到穩(wěn)定信號(hào)qf，其值為發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)轂、環(huán)境與承載齒輪對(duì)等穩(wěn)態(tài)噪聲信號(hào)共同作用得到的響度.

(6)將信號(hào)pf減去信號(hào)qf，其絕對(duì)值即為噪聲信號(hào)頻域中所包含的突變信號(hào)|pf-qf|.

(7)nf為人耳感受到pf與qf不同時(shí)|pf-qf|的閥值：當(dāng)|pf-qf|小于nf時(shí)，認(rèn)為pf與qf相同，即|pf-qf|等于0，并輸出；當(dāng)|pf-qf|大于等于nf時(shí)，認(rèn)為pf與qf不同，輸出|pf-qf|值.

(8)采用圖1中雙點(diǎn)劃線框內(nèi)部分提取齒輪敲擊的時(shí)域突變?cè)肼曅盘?hào).其信號(hào)處理方法與頻域噪聲信號(hào)提取時(shí)的處理方法相同.為在頻域和時(shí)域突變?cè)肼曅盘?hào)合成時(shí)不重復(fù)考慮頻域突變信號(hào)對(duì)齒輪敲擊噪聲信號(hào)辨識(shí)的影響，將去除頻域突變成分的信號(hào)J進(jìn)行非線性處理，得到信號(hào)pt.

(9)對(duì)時(shí)域與頻域的突變?cè)肼曅盘?hào)進(jìn)行合成即得到敲擊噪聲相對(duì)量的時(shí)頻圖.對(duì)輸出間隔內(nèi)每一采樣點(diǎn)的敲擊噪聲相對(duì)量計(jì)算均方根值，即可得到該間隔中心時(shí)刻對(duì)應(yīng)的敲擊噪聲相對(duì)量，表征齒輪敲擊噪聲的水平，單位為CP(compressed pascal).

根據(jù)圖1所示的計(jì)算流程可獲取噪聲測(cè)試信號(hào)與穩(wěn)態(tài)噪聲信號(hào)的噪聲相對(duì)量，識(shí)別出齒輪敲擊的瞬態(tài)噪聲信號(hào).由噪聲相對(duì)量法的齒輪敲擊噪聲信號(hào)辨識(shí)原理可分析出該辨識(shí)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)噪聲相對(duì)量法的齒輪敲擊噪聲信號(hào)的辨識(shí)方法通過(guò)外耳、中耳和內(nèi)耳的傳遞特性體現(xiàn)了人耳聽(tīng)覺(jué)特性對(duì)齒輪敲擊噪聲信號(hào)的影響.

(2)噪聲相對(duì)量法的齒輪敲擊噪聲信號(hào)的辨識(shí)方法采用噪聲測(cè)試信號(hào)與穩(wěn)態(tài)噪聲信號(hào)的差值有效剔除一擋爬行工況下發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)轂和承載齒輪對(duì)等穩(wěn)態(tài)噪聲信號(hào)對(duì)齒輪敲擊信號(hào)的干擾，避免誤判.

2 齒輪敲擊噪聲試驗(yàn)

在車輛開(kāi)發(fā)最后驗(yàn)證階段對(duì)某批次試驗(yàn)樣車進(jìn)行噪聲評(píng)估時(shí)，發(fā)現(xiàn)該批次車輛的變速器在整車一擋爬行工況下產(chǎn)生了嚴(yán)重的齒輪敲擊噪聲，因此本文以該工況為對(duì)象，進(jìn)行齒輪敲擊噪聲研究.該批次車輛配置了五擋手動(dòng)變速器，當(dāng)變速器在一擋工作時(shí)，二擋至五擋、輸入軸倒擋和輸出軸倒擋為非承載擋，其中倒擋中間惰輪同時(shí)與輸入軸倒擋齒輪和輸出軸倒擋齒輪相嚙合.

根據(jù)現(xiàn)有的試驗(yàn)條件，齒輪敲擊噪聲試驗(yàn)在半消聲室的轉(zhuǎn)轂上開(kāi)展，采用整車道路模式研究齒輪敲擊噪聲現(xiàn)象.試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)轂對(duì)車輛施加行駛阻力，模擬整車室外道路試驗(yàn)；車門和車窗正常關(guān)閉，安排1位試驗(yàn)人員駕車，變速器掛一擋，駕駛員不踩油門，車輛(編號(hào)01)模擬爬行工況.通過(guò)LMS公司的Testlab系統(tǒng)記錄該工況下駕駛員右耳處的噪聲信號(hào)，測(cè)量時(shí)長(zhǎng)為3.5 s，試驗(yàn)如圖3所示.

a 實(shí)車轉(zhuǎn)轂道路試驗(yàn)

b 傳感器位置示意

Fig.3 Gear rattle noise test on chassis dynamometer

獲得駕駛員右耳處噪聲信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行主觀評(píng)價(jià).主觀評(píng)價(jià)人員由30位長(zhǎng)期從事變速器齒輪敲擊噪聲開(kāi)發(fā)的工程師、4位高校教授和7位變速器振動(dòng)與噪聲專家組成.齒輪敲擊發(fā)生時(shí)，車內(nèi)駕駛員能聽(tīng)到“咔嗒咔嗒”的齒輪敲擊噪聲[21-23]；此噪聲現(xiàn)象在汽車中獨(dú)特存在，并已經(jīng)被廣大科研人員和汽車制造廠商達(dá)成一致共識(shí).在齒輪敲擊噪聲主觀評(píng)價(jià)時(shí)，將Testlab軟件測(cè)得的噪聲信號(hào)導(dǎo)入到朗德公司的Artemis軟件中，多次回放該噪聲信號(hào)，統(tǒng)計(jì)41位主觀評(píng)價(jià)人員聽(tīng)到“咔嗒咔嗒”聲的相同時(shí)刻，此時(shí)刻即為敲擊噪聲的發(fā)生時(shí)刻；“咔嗒咔嗒”聲越大，則認(rèn)為齒輪敲擊噪聲越顯著.

41位主觀評(píng)價(jià)人員對(duì)一擋爬行工況下0～3.5 s的噪聲信號(hào)的聲音回放發(fā)現(xiàn)：1.25，1.33，2.28，2.41，2.53，2.65，2.89，3.00，3.34和3.41 s等10個(gè)時(shí)刻，噪聲信號(hào)的聲音回放出現(xiàn)了令人不舒適的“咔嗒咔嗒”聲，因此判定在上述時(shí)刻存在強(qiáng)烈的齒輪敲擊噪聲；其中2.41 s的噪聲信號(hào)回放出現(xiàn)的“咔嗒咔嗒”聲最響，此時(shí)的齒輪敲擊噪聲最嚴(yán)重.

3 齒輪敲擊噪聲辨識(shí)

3.1 運(yùn)用傳統(tǒng)方法辨識(shí)齒輪敲擊噪聲

聲壓級(jí)與短時(shí)傅里葉變換的時(shí)頻數(shù)據(jù)是傳統(tǒng)的噪聲辨識(shí)方法，為獲得齒輪敲擊噪聲特性，首先用上述兩種傳統(tǒng)方法對(duì)齒輪敲擊噪聲進(jìn)行辨識(shí).

3.1.1 利用聲壓級(jí)辨識(shí)齒輪敲擊噪聲

聲壓級(jí)主要考察噪聲信號(hào)的平穩(wěn)性和周期性，其幅值大小體現(xiàn)了噪聲的強(qiáng)弱.計(jì)算聲壓級(jí)時(shí)，聲壓級(jí)輸出的時(shí)間間隔為0.05 s，采樣率為5.12 kHz，計(jì)算得到駕駛員右耳噪聲聲壓級(jí)的時(shí)間歷程如圖4所示.由圖4可看出，駕駛員右耳噪聲的聲壓級(jí)變化基本平穩(wěn).由于0～3.5 s內(nèi)駕駛員右耳噪聲信號(hào)是發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)轂、環(huán)境、承載與非承載齒輪對(duì)等的噪聲信號(hào)共同作用的結(jié)果，因此，通過(guò)圖4無(wú)法辨別出主觀感受到的齒輪敲擊噪聲信號(hào)，無(wú)法顯示其水平，表明聲壓級(jí)不能體現(xiàn)出齒輪敲擊噪聲的特征，不適合用來(lái)分析一擋爬行工況的齒輪敲擊噪聲特性.

圖4 駕駛員右耳噪聲聲壓級(jí)的時(shí)間歷程

Fig.4 Time history of sound power at driver’s right ear

3.1.2 短時(shí)傅里葉變換時(shí)頻數(shù)據(jù)的齒輪敲擊噪聲辨識(shí)

采用短時(shí)傅里葉變換方法可得到噪聲信號(hào)的時(shí)頻圖，該圖可表征噪聲信號(hào)的時(shí)域與頻域特征、幅值大小及其變化特點(diǎn).運(yùn)用短時(shí)傅里葉變換方法計(jì)算駕駛員右耳噪聲信號(hào)的時(shí)頻圖時(shí)，譜線數(shù)為1 024，計(jì)算得到的時(shí)頻圖如圖5所示.由圖5可知,在50～15 000 Hz范圍內(nèi)，駕駛員右耳處存在明顯的寬頻噪聲，且在0～3.5 s內(nèi)間歇性存在；從圖5的數(shù)據(jù)中無(wú)法清晰得到齒輪敲擊噪聲的發(fā)生時(shí)刻、頻率范圍和水平.由于短時(shí)傅里葉變換得到的駕駛員右耳噪聲信號(hào)的時(shí)頻數(shù)據(jù)是所有噪聲信號(hào)共同作用下的綜合體現(xiàn)，因此未經(jīng)過(guò)對(duì)噪聲信號(hào)回放的時(shí)頻圖無(wú)法反映出齒輪敲擊噪聲信號(hào).

對(duì)駕駛員右耳噪聲信號(hào)進(jìn)行聲音回放，得到齒輪敲擊發(fā)生的時(shí)刻.在齒輪敲擊時(shí)刻，圖5上有對(duì)應(yīng)的沖擊信號(hào)出現(xiàn).敲擊發(fā)生時(shí)刻對(duì)應(yīng)的頻率為整車上所有噪聲源頻率的體現(xiàn)，若要獲得敲擊噪聲的頻率范圍，需要有齒輪敲擊噪聲數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)的工作人員進(jìn)行復(fù)雜的濾波處理.由于數(shù)字濾波器的連續(xù)性和齒輪敲擊信號(hào)的寬頻帶特征，得到的敲擊噪聲頻率范圍誤差較大.圖5的時(shí)頻數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確反映出齒輪敲擊噪聲的水平.

圖5 短時(shí)傅里葉變換的駕駛員右耳噪聲時(shí)頻圖

Fig.5 Time-frequency picture of diver’s right ear noise by the short time Fourier transformation method

聲壓級(jí)與短時(shí)傅里葉變換的時(shí)頻數(shù)據(jù)無(wú)法精確獲得齒輪敲擊噪聲的頻率范圍和水平，因此本文將進(jìn)一步采用噪聲相對(duì)量方法辨識(shí)齒輪敲擊噪聲.

3.2 采用敲擊噪聲相對(duì)量辨識(shí)敲擊噪聲

3.2.1 敲擊噪聲相對(duì)量的計(jì)算與分析

依據(jù)圖1所示的敲擊噪聲相對(duì)量計(jì)算方法，在朗德公司的Artemis軟件中對(duì)駕駛員右耳噪聲信號(hào)進(jìn)行噪聲相對(duì)量計(jì)算，取3階濾波函數(shù)，采樣時(shí)間間隔為1.95×10-5s，公式(4)中的v取0.23，nf和nt設(shè)為0，計(jì)算結(jié)果如圖6所示.

由圖6可以分析出：在0～3.50 s內(nèi)辨識(shí)出10次強(qiáng)烈的齒輪敲擊噪聲，敲擊時(shí)刻與駕駛員右耳噪聲信號(hào)回放得到的10個(gè)敲擊噪聲時(shí)刻相對(duì)應(yīng)，每一噪聲相對(duì)量的極大值處對(duì)應(yīng)一次齒輪敲擊.在2.41 s，噪聲相對(duì)量為16.76 CP，達(dá)到最大值，此刻對(duì)噪聲信號(hào)回放得到的敲擊噪聲的主觀感受也最明顯；噪聲相對(duì)量越大齒輪敲擊噪聲越明顯.將各敲擊時(shí)刻的噪聲相對(duì)量相加，得到駕駛員右耳的總噪聲相對(duì)量為69.98 CP，該量體現(xiàn)了齒輪敲擊噪聲的總體水平.齒輪敲擊噪聲的頻帶分布范圍廣，為500～5 000 Hz，主要的敲擊能量集中在700～1 200 Hz；敲擊噪聲的強(qiáng)度和頻率在各時(shí)刻均不相同.本文發(fā)現(xiàn)的齒輪敲擊噪聲具有寬頻帶、間歇性和脈沖性特征.這些齒輪敲擊噪聲的特點(diǎn)與文獻(xiàn)[7,16,21-22,26-27]中提到的齒輪敲擊噪聲特征完全一致，表明本文的提取到的齒輪敲擊噪聲信號(hào)正確.噪聲相對(duì)量數(shù)據(jù)客觀地反映了人主觀的齒輪敲擊噪聲感受，準(zhǔn)確體現(xiàn)出齒輪敲擊噪聲的發(fā)生時(shí)刻、頻率范圍和噪聲水平.

圖6 齒輪敲擊噪聲的噪聲相對(duì)量(01號(hào)車)

Fig.6 Results of relative approach of gear rattle noise(NO.1 vehicle)

3.2.2 敲擊噪聲相對(duì)量的普適性分析

為對(duì)噪聲相對(duì)量的齒輪敲擊噪聲識(shí)別方法進(jìn)行普適性分析，運(yùn)用噪聲相對(duì)量方法，對(duì)20輛同種配置、同樣階段的樣車分別進(jìn)行一擋、二擋和三擋發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下共計(jì)100次齒輪敲擊噪聲辨識(shí)，得到100組駕駛員右耳處的齒輪敲擊噪聲相對(duì)量時(shí)頻圖.與圖6類似，以編號(hào)為02的車輛二擋爬行工況時(shí)駕駛員右耳處敲擊噪聲辨識(shí)為例，來(lái)證明噪聲相對(duì)量的齒輪敲擊噪聲識(shí)別方法的普適性.

在02號(hào)車輛的駕駛員右耳敲擊噪聲辨識(shí)中，通過(guò)對(duì)測(cè)量得到的噪聲信號(hào)的聲音回放發(fā)現(xiàn)噪聲信號(hào)在1.81，1.89，2.63，2.66和2.74 s等時(shí)刻共出現(xiàn)5次令人不舒適的“咔嗒咔嗒”聲，因此判定在上述時(shí)刻存在齒輪敲擊噪聲.同時(shí)對(duì)該車的駕駛員右耳噪聲信號(hào)進(jìn)行噪聲相對(duì)量計(jì)算，計(jì)算得到的敲擊噪聲相對(duì)量如圖7所示.由圖7可知，駕駛員右耳出現(xiàn)了5次齒輪敲擊噪聲，且與噪聲信號(hào)聲音回放得到的5次敲擊噪聲特征相對(duì)應(yīng)，因此，本文提出的噪聲相對(duì)量的齒輪敲擊噪聲識(shí)別方法具有普遍性與工況適用性，能用來(lái)辨識(shí)與分析齒輪敲擊噪聲.

41位主觀評(píng)價(jià)人員通過(guò)對(duì)駕駛員右耳的100組噪聲相對(duì)量信號(hào)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)此變速器中大于2.5 CP的齒輪敲擊噪聲信號(hào)將引起乘員的不舒適感，造成抱怨，為不可接受的齒輪敲擊噪聲信號(hào).

圖7 齒輪敲擊噪聲的噪聲相對(duì)量(02號(hào)車)

Fig.7 Results of relative approach of gear rattle noise(NO.2 vehicle)

3.3 敲擊噪聲相對(duì)量法與傳統(tǒng)方法的比較

駕駛員右耳噪聲信號(hào)的聲壓級(jí)、短時(shí)傅里葉變換得到的時(shí)頻圖和噪聲相對(duì)量數(shù)據(jù)在齒輪敲擊噪聲的發(fā)生時(shí)刻、頻率范圍和水平辨識(shí)三方面的對(duì)比如表2所示.由表2可以看出，基于人耳聽(tīng)覺(jué)特性的噪聲相對(duì)量法能簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確地得到齒輪敲擊噪聲的發(fā)生時(shí)刻、頻率范圍和水平，是一種較優(yōu)的齒輪敲擊噪聲辨識(shí)方法，且該方法對(duì)使用人員要求不高，結(jié)果一致性好.

表2 噪聲相對(duì)量法與傳統(tǒng)方法的對(duì)比

Tab.2 Comparison of gear rattle noise of relative approach and traditional methods

方法齒輪敲擊噪聲發(fā)生時(shí)刻齒輪敲擊噪聲頻率范圍敲擊水平聲壓級(jí)無(wú)法反映其發(fā)生時(shí)刻無(wú)法反映其頻率范圍無(wú)法反映其水平短時(shí)傅里葉變換的時(shí)頻圖通過(guò)繁瑣的聲音回放獲得其發(fā)生時(shí)刻有齒輪敲擊噪聲數(shù)據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)的人員通過(guò)復(fù)雜數(shù)字濾波處理可獲取其頻率范圍,但誤差較大、結(jié)果一致性差無(wú)法反映其水平噪聲相對(duì)量直接獲取其發(fā)生時(shí)刻直接獲取其頻率范圍,對(duì)工作人員要求不高,結(jié)果一致性好噪聲相對(duì)量越大敲擊噪聲越明顯,可反映其水平

4 齒輪敲擊噪聲優(yōu)化

4．1 各非承載齒輪對(duì)的敲擊噪聲貢獻(xiàn)量分析

為了確認(rèn)齒輪敲擊的主要噪聲源，將分析各非承載齒輪對(duì)的敲擊噪聲貢獻(xiàn)量.在所有擋位齒輪嚙合的基礎(chǔ)上，按安裝順序依次將倒擋中間惰輪、五擋、二擋、四擋、三擋從動(dòng)齒輪磨齒到齒根的變速器樣件安裝到整車上，在半消聲室中進(jìn)行整車一擋爬行工況的駕駛員右耳的噪聲信號(hào)測(cè)量.從動(dòng)齒輪磨齒后的樣件如圖8所示.對(duì)測(cè)得的噪聲信號(hào)進(jìn)行噪聲相對(duì)量計(jì)算，得到駕駛員右耳處的噪聲相對(duì)量與圖6類似.為獲得各非承載齒輪對(duì)的敲擊噪聲貢獻(xiàn)量，將其中某一非承載從動(dòng)齒輪磨齒前的總噪聲相對(duì)量減去此從動(dòng)齒輪磨齒后的總噪聲相對(duì)量，即可得到該擋齒輪對(duì)的齒輪敲擊噪聲貢獻(xiàn)量.通過(guò)改變嚙合擋位，得到所有非承載齒輪對(duì)的敲擊噪聲貢獻(xiàn)量.試驗(yàn)樣件次序與結(jié)果如表3所示.表3中，R表示倒擋.由表3可以看出，倒擋齒輪對(duì)的敲擊噪聲貢獻(xiàn)量最大，為30.87 CP，四擋的貢獻(xiàn)量最小，為7.03 CP.各非承載齒輪對(duì)的敲擊噪聲貢獻(xiàn)量排序?yàn)榈箵?二擋>五擋>三擋>四擋.

Fig.8 Grinding gears samples of unloaded gear pairs

表3 各非承載擋對(duì)齒輪敲擊噪聲的貢獻(xiàn)量

Tab.3 Contribution to gear rattle noise of unloaded gear pairs

試驗(yàn)序號(hào)保持嚙合擋位總噪聲相對(duì)量/CP貢獻(xiàn)量的擋位擋位貢獻(xiàn)量/CP1一,二,三,四,五,R69.982一,二,三,四,五39.11R30.873一,二,三,四28.02五11.094一,三,四16.27二11.755一,三9.24四7.036一0三9.24

4.2 齒輪敲擊噪聲優(yōu)化

通過(guò)減小嚙合齒輪對(duì)最小間隙可以有效改善齒輪敲擊噪聲[5,24,26]，且在整車開(kāi)發(fā)的最后驗(yàn)證階段該方法的成本較低；倒擋齒輪對(duì)的敲擊噪聲貢獻(xiàn)量最大，因此本文采用減小倒擋齒輪對(duì)最小間隙的方案優(yōu)化齒輪敲擊噪聲.

嚴(yán)格控制齒輪對(duì)基節(jié)偏差、齒向公差、中心距極限偏差、齒距極限偏差和齒圈徑向跳動(dòng)公差等加工參數(shù)是目前最經(jīng)濟(jì)的減小倒擋齒輪對(duì)最小間隙的方法[29]，因此本文通過(guò)提高齒輪制造精度，優(yōu)化上述5個(gè)加工參數(shù)來(lái)減小倒擋齒輪對(duì)間隙.優(yōu)化前后的齒輪加工參數(shù)如表4所示.由表4可知，基節(jié)偏差、齒向公差、中心距極限偏差、齒距極限偏差和齒圈徑向跳動(dòng)公差等加工參數(shù)精度提高后，根據(jù)文獻(xiàn)[29]中齒輪最小間隙的計(jì)算公式，計(jì)算得到輸入軸倒擋齒輪對(duì)最小間隙由119 μm減少為59 μm，減少比率為50.4%；輸出軸倒擋齒輪對(duì)最小間隙由114 μm減少為56 μm，減少了50.8%.優(yōu)化后輸入和輸出軸倒擋齒輪、倒擋中間惰輪樣件如圖9所示.

表4 優(yōu)化前后的倒擋齒輪對(duì)參數(shù)對(duì)比

圖9 優(yōu)化后的倒擋齒輪樣件

對(duì)倒擋齒輪對(duì)最小間隙減小后的車輛進(jìn)行駕駛員右耳的噪聲信號(hào)測(cè)量，并計(jì)算噪聲相對(duì)量，結(jié)果如圖10所示.將圖10與優(yōu)化前的圖6進(jìn)行對(duì)比可知,倒擋齒輪對(duì)加工精度提高后，最大敲擊噪聲相對(duì)量降低為9.94 CP，降低比率為40.7%；總敲擊噪聲相對(duì)量減少為57.78 CP，減少比率為17.4%；對(duì)優(yōu)化后的駕駛員右耳噪聲信號(hào)進(jìn)行回放發(fā)現(xiàn)“咔嗒咔嗒”變輕，不舒適感明顯減弱，表明倒擋齒輪對(duì)最小間隙減小有效改善了齒輪敲擊噪聲問(wèn)題.

圖10 倒擋齒輪優(yōu)化后敲擊噪聲的噪聲相對(duì)量

Fig.10 Results of relative approach of gear rattle noise of the vehicle with optimized revers gears

5 結(jié)論

(1)整車轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)測(cè)得的駕駛員右耳噪聲信號(hào)中包含發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)轂、環(huán)境、承載與非承載齒輪對(duì)等噪聲信號(hào)，該信號(hào)的聲壓級(jí)與短時(shí)傅里葉變換的時(shí)頻數(shù)據(jù)無(wú)法獲取非承載齒輪對(duì)敲擊噪聲信號(hào).

(2)本文提出的噪聲相對(duì)量法能辨識(shí)出非承載齒輪對(duì)敲擊噪聲信號(hào)，并客觀反映出齒輪敲擊噪聲的發(fā)生時(shí)刻、頻率范圍和噪聲水平.數(shù)據(jù)處理過(guò)程簡(jiǎn)單，結(jié)果一致性好.

(3)依據(jù)噪聲相對(duì)量的齒輪敲擊噪聲分析結(jié)果，對(duì)所有非承載齒輪對(duì)進(jìn)行齒輪敲擊噪聲貢獻(xiàn)量分析，確定倒擋為齒輪敲擊的主要噪聲源.

(4)采用控制齒輪制造精度使輸入和輸出軸倒擋齒輪對(duì)最小間隙分別減少50.4%和50.8%后，齒輪敲擊噪聲水平降低了17.4%，齒輪敲擊噪聲得到有效改善.

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Identification and Optimization of Gear Rattle Noise Using Rattle Noise Relative Approach

LIAO Fang1，2, GAO Weimin1, LI Yinan2, WANG Cheng3

(1. School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2. Technical Center, SAIC Motor, Shanghai 201804, China; 3. Key Safety System China Operation, Shanghai 201315, China)

In this paper, an attempt was made to identify and optimize the rattle noise signals by relative approach based on the hearing characteristics of human ear. In the first step, the noise signals at the driver’s right ear were filtered by the transfer functions of the outer, middle and inner ear, and the steady noise signals were extracted by the regression and smoothing processes. In the second step, the gear rattle noise relative approaches were obtained by subtracting the steady noise signals from all of the filtered noise signals. The gear rattle noise relative approaches were the transient noise signals of the unloaded gear pairs which caused the gear rattle noise. In the last step, the occurrence time, frequency and level of the gear rattle noise were obtained from the relative approaches. The result of the gear rattle noise identification was consistent with that of the subjective perception and identified accurately. The rattle noise contribution of all the unloaded gear pairs was obtained by using the gear rattle noise relative approaches. The results show that the reverse gear pairs were the main source of the gear rattle noise. The rattle noise level was decreased by 17.4% with the backlash of the reverse gear pairs being reduced by about 50.0% by enhancing the gears process precision, and the rattle performance was effectively improved.

gear rattle; rattle noise identification; relative approaches of gear rattle noise; backlash of gear pairs

2015-08-17

廖 芳(1977—),女,高級(jí)工程師,工學(xué)博士,主要研究方向?yàn)檎囋O(shè)計(jì)與集成技術(shù).E-mail:fragrantking78@126.com

高衛(wèi)民(1958—),男,教授,博士生導(dǎo)師,工學(xué)博士,主要研究方向?yàn)檎囋O(shè)計(jì)與集成技術(shù).E-mail: gaoweimin79@163.com

TH132

A