盘点动力总成NVH问题及几种分析手段

动力总成振动噪声性能分析主要包括以下四个方面：发动机振动噪声、发动机轮系/带系/阀系的振动噪声、变速箱振动噪声和离合器性能评价。

1. 发动机振动噪声

对于动力总成而言，最基本的评价就是发动机的振动噪声评价。跟整车一样，需要对一些目标进行评价。如发动机振动噪声主要的阶次分量分布是什么样的，各阶次是否正常等情况，分析手段也是基本的方法，如频谱分析、阶次分析和倍频程分析等。

除了常规分析之外，发动机还有心理声学指标，但它的心理声学指标跟整车的心理声学指标不一样，整车主要考虑的是语言清晰度，而发动机主要考虑的是粗糙度。对于4缸4冲程发动机而言，主要的激励阶次是2，4，6，8等阶次，除了这些阶次之外，还存在半阶次。对于每一个缸而言，它的点火阶次是半阶次，虽然半阶次的能量没有主要的激励阶次2，4，6，8等阶次大，但它还是存在的。半阶次的存在在某些特定转速下，如怠速时，半阶次与整数阶次的频率相差是比较小的，二者频率挨的比较近。一旦频率挨得很近时，噪声信号就有一个非常典型的现象是所谓的拍频。拍频状态的噪声表现是声音忽高忽低（幅值波动），但人耳是分辨不出来这种频差的。当这两个频率挨得比较近时，又分到底是非常近，还是比较近，还是完全分开等情况。当完全分开时，听起来是两个完全不同的声音（两个纯音），比较近时，表现出来的就是所谓的粗糙度，而特别近时，表现出来的是声音的波动，如下图所示。而对于发动机而言，两个声音的频率是属于比较近这种情况，但又不会特别近。当两个频率相差15Hz以上表现为粗糙度，15Hz以内时，表现为波动性。对于发动机而言，表现的是粗糙度。



发动机工作时，向外辐射的噪声有多大，则需要通过测量发动机的声功率来进行评价。由于辐射噪声与发动机表面振动相关，与振动速度的平方成正比。因此，减少发动机表面振动是减少噪声辐射的有效方法之一。而对于评价发动机辐射的声功率通常按SAE推荐的发动机噪声测量标准J1074进行。

对于发动机的振动噪声而言，除了频域的分析之外，还可能需要角度域分析，角度域分析是发动机特性的反映。对于一个4冲程发动机而言，它有进气、压缩、点火和排气4个过程。在不同的过程中，发动机不同的零部件将工作，进气的时候是进气门开启，开启到一定程度，在压缩之前，进气门会关闭。进气门关闭那个事件对应的是进气门气阀落座，压缩之后是点火，点火必然产生冲击，冲击引起缸壁振动，从而辐射燃烧噪声，而气阀落座产生的是机械噪声。点火之后是排气，排气时排气门打开，那么排气时又将产生排气噪声。因此，在各个事件发生时，可以分离出来各个位置对应的振动噪声表现，这个单单从时域信号上是分离不出来的。而这个分离工作就需要用到角度域分析，跟发动机工作周期是相关的。

使用角度域分析可以分离出活塞撞击声。活塞撞击，敲打缸壁，主要是上行快到上止点时和下行上止点刚过的时候发生，对应的是活塞往上冲和往下抽，这两个动作撞击最明显，那么使用角度域分析可以把它分离出来，来评价各个转速、各个工况，不同发动机，不同缸之间活塞撞击产生的振动噪声。所以对于发动机而言，角度域分析是有别于常规的整车或进排气的分析，它们都不做角度域分析，但对发动机而言，角度域分析是一个秘密武器。

对于发动机分析而言，还需要考虑扭振，扭振会引起一系列的问题。扭振概念提出来是源自于船用柴油机，船用柴油机需要进行扭振校核。扭转振动反映的是动态应变，产生了动态的剪切应力，这种动态的扭转剪切应力不同于静态剪切应力，动态剪切应力时间长了之后，会使旋转轴产生疲劳损伤，因此，这是一个渐变的过程。如果曲轴产生了疲劳损伤，则会造成曲轴断裂。曲轴断裂是不可想象的，因此，为了防止曲轴断裂，通常曲轴输出端有个扭振减振器。它的作用是减轻曲轴的剪切疲劳损伤，不会发生断裂现象。

除了以上分析之外，发动机还需要做噪声源识别。噪声源识别主要通过内场噪声源识别方法来进行噪声源识别。对于发动机的噪声分析手段，其实前面已经讲过了有角度域、频域和时域的方法。噪声源识别的意义主要有两个方面：一是一种快速的识别方法，而前面所讲的分析方法则要求有一定的经验，有一定的辅助设备，而发动机噪声源识别往发动机前“一照”，就可快速地获得噪声分布云图，就清楚噪声源是发动机什么部位了。二是发动机噪声源识别对于异响判断是有帮助的，异响是指目前这个产品出现了之前产品没有出现的声音。由于异响之前没有出现过，只能借助经验去判断，因为以前从来没有遇到过这个问题。比如出现很高频的噪声，人的主观感受很难受，以前从来没有遇到过，所以很难判断。一般来说，异响频率都是比较高的。对于发动机而言，我们通常说的2，4，6，8阶次，频率都是比较低的，那么对于异响而言，发动机噪声源识别提供了一个分析工具。

所以，综合来说对于发动机振动噪声，需要用到常规的频域处理手段，心理声学指标评价、扭振分析、角度域分析和噪声源识别等手段，如下图所示。



2. 发动机轮系/带系/阀系振动噪声

发动机还存在轮系、带系和阀系，常规的NVH分析手段肯定是必须的。对于轮系而言，有皮带轮减振器，对扭振起到减振的作用。对于带系而言，需要评价发动机曲轴与凸轮轴之间有没有正时，通过皮带传递的时候，传递精度够不够。因为特别对于正时而言，精度差一点，正时就不准确了。所谓的正时，就是指各个部件该干什么的时候就干什么。如果正时不准确，当下达指令时，反应不过来，那么发动机的性能肯定就不够理想。所以，对于带系而言，主要评价它的传递精度和传动比。比方现在要求得到600RPM，但实际得到的是598或602RPM，在不在允许范围之内。这都有一个设计指标，要保证传递在允许范围之内。另外，皮带还存在跳动的可能性，如果皮带跳动很厉害，必然传递精度要下降，所以，要对带系进行这方面的评价。

前面讲到对发动机需要进行角度域分析，同样对阀系也需要用到角度域分析。阀系主要是气门，对应气门的开关。气门什么时候开，什么时候关与发动机的工作要求是相关的。那么怎么通过机械的方式来控制工作要求对应的气阀的开与关这个过程呢？这就是凸轮轴和凸轮要完成的工作，通过凸轮的修形来排查气阀什么时候开与关，对应气阀升温曲线。气阀升温曲线在设计的时候，凸轮的修形对气阀升温是有理论曲线的。达到这个理论曲线，可以保证气阀开启与关闭完全是正常的。配气机构转起来以后，它不是完全刚性的，存在弹性变形，因而表现出来不像是理论曲线那么完美，所以，气阀升温曲线存在波动。那么这个波动需要控制在一定范围之内，如果波动太大，那么对于控制气阀开启与关闭的时刻与位置都不精确了，那么必将影响发动机的性能。所以，同样地阀系也需要进行角度域分析。



3. 变速箱振动噪声

对于变速箱分析而言，常规的手段，如频谱分析，倍频程分析是不可少的。除此之外，还有阶次跟踪。之前一直没有讲阶次跟踪，发动机，整车NVH都不需要做阶次跟踪。但变速箱必须要做阶次跟踪，阶次跟踪与阶次分析完全是两个概念，阶次分析是频域的，阶次跟踪是阶次域的。阶次分析要把各个阶次单独拿出来分析，如4缸4冲程发动机的2，4，6，8等阶次。而阶次跟踪是要时刻跟踪转速，做角度域的重采样，保证阶次分析特性得到的结果不受变工况频率混叠的影响。

对于变速箱而言，变速箱对应的阶次是比较高的，因为齿轮的齿数比较多。假如输入轴上的齿轮有20个齿，那么，对应的阶次则是20阶次（跟踪输入轴）。如果输入轴的转速是3000rpm，那么这个齿轮的啮合频率是1000Hz。在同样时间长度内，如果信号频率很低，可以认为幅值变化不是太大，但对于一个高频信号，幅值变化是很明显的。除了幅值变化之外，还有频率变化，假设一秒之内，低频2阶100Hz可能变化到102Hz，只有2Hz的差别；假如高频1000Hz可能变化到1020Hz，这个时候变化的频率有20Hz。但在这个时间之内，除了这两个频率成分之外，还有1000~1020之间的频率成分，因为信号一直在变化，是从1000变化到1020Hz，也就是说一秒钟的时域信号里面包含了很多频率成分，而实际上这个信号变化过程中任一时刻永远只有一个频率，这个频率对应发动机曲轴转速频率的20倍频。在这个过程中，永远是它的20倍频，只不过从频率上看是变化的，但实际上在任何时候只有一个频率，就是发动机转速的20倍频。

那如何解决这个问题，使它符合实际的情况呢？这就是角度域重采样的问题，什么是角度域重采样呢？也就是所谓的等角度采样，我们常规的采样是等时间采样，采两点的时间间隔是相等的。但对于旋转机械而言，如仍按等时间采样，那么低转速转一圈采样点数很多，而在高转速下转一圈采样点数会很少，有可能转一圈都采不到一个点。那么这时就不能正确地描述信号了。如果采用等角度采样，不管转速高低，转一圈采集的点数始终是相同的。

对等角度采样的时域信号作FFT得到的结果横轴不再是Hz了，而是阶次，也就是所谓的阶次域。那么做完FFT之后得到的结果，假如信号只是20阶次，那么就只有一条阶次线，而不像频域FFT，在1000~1020Hz以内的频率成分都有。因此，这就避免了频域分析时，出现所谓的频率混淆现象。

通过角度域的数字重采样解决了频率混淆问题，这其实就是所谓的阶次跟踪。因为时刻跟踪转速，那么它的目的是什么呢？我们知道，阶次分析时，存在一个阶次带宽，假如想关心到100阶次，那么一圈要采200个数据点，假设转速为600rpm，对应的转速为10Hz，如果分析到100阶次，那么对应的频率为1000Hz，这时要求采样频率为2000Hz，在600转时采样率为2000Hz，那么到6000转时，采样率则变成了20000Hz。因此，跟踪转速是为了时刻调整采样频率。但实质上原始还是等时间采样的，但后处理是抽样以实现等角度采样。原始采样率是很高的，在低转速时采样点过多，需要抽点。一旦固定采样的带宽确定以后，那么最大的分析阶次带宽也随之确定了，这两个是相关联的。最高转速除以60，也就是你的最大带宽，因此，最大的分析阶次带宽也就知道了。要保证最高转速时，前面设置的固定采样的带宽还够，那么低转速下采样点肯定会更多，因此，重采样时只需抽样即可，因为对于低转速不需要那么多数据点。抽样完成之后，就变成了等角度采样，得到角度域的数据，再做FFT得到阶次域的结果，这也就是阶次跟踪。对于变速箱而言，一般是需要阶次跟踪的，否则，变速箱里面的倍频，特别是高频段是很模糊的。在三维频谱图里面，转速越高，频率混淆越明显，即变速箱高阶次是谱带，不是谱线，相当于能量泄漏到旁边的谱线上了，如下图所示，在高频段阶次线很模糊，但在阶次域中高阶次还是一条条垂直横轴的阶次线。



变速箱NVH问题分析经常还要用的分析手段是包络解调和倒谱分析。包络解调和倒谱的概念其实跟我们前面讲的发动机粗糙度的原理基本上是一样的。在一对齿轮上，如果这两个啮合的齿轮齿数不等，那么两根轴的转频必然不等。但它们的啮合频率是相等的，等于各自的齿数乘以各自的转频。如果正常的话，在频谱图上只有啮合频率，但是通常除了啮合频率之外，在啮合频率附近还存在很多边频带。这跟我们之前所讲的频率混淆是两个不同的概念。在这齿轮是稳态定速旋转，而之前转速是瞬变的。

在这种情况下产生产生边频带主要有两种原因。一种是由安装不对中引起的。不对中将产生偏心，从而产生一倍频。这个一倍频会出现在中心啮合频率的边频带上。假如中心频率为20阶，那么这时会出现16，17，18，19以及21，22，23，24等间隔为1阶的边频带（可能还会存在更多边频带）。在时域信号上，会出现所谓的包络现象。另一种原因是齿轮变形，理想的齿轮是圆形的，但如果齿轮变成了随圆，那么将出现2倍频的边频带。在信号里面除了基频，2倍频之外还存在调制频率。这个调制频率对应的就是轴的转频，如果知道了调制频率，就清楚地知道了这个齿轮幅里面是哪个齿轮出现了故障（不对中，缺齿或剥落等故障）。由于两根轴的转频不一样，因此，调制频率为其中一根轴的转频，也就确定了故障所在的齿轮。这种现象叫调制，对幅值进行调节，时大时小，即调幅。这个现象是调制，测量的信号发现是有这个问题，但包络解调又是什么呢？通过对测量信号进行分析，确定到底是哪个轴上的齿轮存在故障，这个过程叫包络解调。也就是把幅值的包络曲线提取出来，对这个包络曲线进行FFT分析，得到调制频率，也就是对应哪个轴的转频。

那倒谱又是干什么用的呢？倒谱很简单，将时域信号得到的频谱再做一次频谱，第一次得到的频谱是有规律的，因为存在边频带。假设仍然是上次那个信号，那么存在的边频带间隔为1阶次，对这个频谱再做频谱分析，那么横轴便变成了时间，通常单位为毫秒，假如在20ms处有峰值，那么对应的频率为50Hz，50Hz对应的转速为3000，看哪个轴是这个转速，那就说明那个轴存在故障。



4. 离合器性能评价

扭振对应的载荷是扭矩，发动机扭矩输出到离合器、再到变速箱。在离合器这个地方，它要把扭矩动态波动变小，因此，离合器有一定的阻尼效应。比方对于常规的线振动，为了减轻发动机引起的振动，通常是通过悬置来降低传递到车身的线振动。对于扭转振动，扭振减振器通过离合器刚度和阻尼等参数的调整，使得扭转方向的振动比较少地传递到后面的变速箱，驱动轴等。因此，离合器能降低曲轴产生的扭振传递到后面的动力系统中去。在一些高级车上，不只是通过一个简单的离合器，会用具有一些特征的离合器，如湿-湿离合器或双质量飞轮，这些特殊的离合器的作用就是保证曲轴产生的扭振逝去的更多，输出的扭矩更平稳，后面产生的NVH问题更少。



发动机扭振的评价通常是在皮带轮位置和发动机输出端（飞轮位置）位置。对于离合器而言，则需要评价离合器前与离合器后，也就是一边是飞轮端，一边是变速器端，看两边转速的波动、扭矩的变化，通过前后两端的变化来评价离合器的减振，刚度和阻尼是否合适。但本质上又相矛盾，如果离合器单纯为了减少扭转振动，会造成扭矩输出能量变小。但如果扭矩不作改动地输出，那么扭振又会是个麻烦事。因此，对于离合器设计而言，也是一个妥协的过程，调节刚度和阻尼，既要保证扭矩输出能量没有太多的衰减，又要保证扭振控制在一定水平之内。因此，这是离合器要做的测试。