传动装置NVH分析实例

这个实例为某型号箱式综合传动装置的台架试验，输入端由电机带动，另外两端带负载输出。试验分别考虑稳定转速和升速两种工况。测量输入端的转速、箱体上的振动、以及距箱体一米处的噪声信号。分析两种工况下的振动噪声信号，为故障诊断提供依据。

1理论频率与阶次计算
现场测试时，选择某挡转速为1800rpm进行稳态工况测量。该工况下各级传动齿轮的啮合频率如表1，2所示。主传动路前三级为定轴齿轮传动，后三级为行星齿轮传动，第三级定轴齿轮输出作为第一级行星齿轮的输入。通过测试分析中得到的频率成分与表中理论计算得到的频率进行对比，以确定问题来源于哪一级齿轮。

表1 各级定轴齿轮传动比与啮合频率



表2 三级行星齿轮传动比与啮合频率



当测量是升速工况时，对数据进行瀑布图分析时，瀑布图中会出现明显的阶次成分，因此，需要在实际测量前，确定这一挡的特征阶次，理论计算得到的特征阶次如表3和4所示。

表3 各级定轴齿轮传动的啮合阶次



表4 三级行星齿轮传动比与啮合阶次



2数据采集
对于齿轮结构的传动装置，建议采样频率涵盖啮合频率的5倍频。对于第一级定轴齿轮来讲，啮合频率为930Hz，因而确定最终的振动采样频率为10.24KHz，频率分辨率0.2Hz。由于人耳的听觉范围为20-20KHz，因此，噪声的分析带宽为20.48KHz，频率分辨率为1Hz。另一方面，用20.48KHz的带宽分析噪声信号时，得到的噪声频谱如图1所示，从图中可以看出，噪声的频率成分主要位于5KHz以内，因而，振动的采样频率为10.24KHz是合适的。



图1 噪声的频谱

振动测点位于输入、输出端的轴承座位置，变速支撑带位置和某传动齿轮支撑输入端位置，分别测量这些位置三个方向的振动加速度。噪声测点距传动装置表面1米处，高度为1.2米。转速测量输入端位置。

在传动系统工作前，测试实验场地的背景噪声，其A计权声压级为41.56dBA，对应的1/3倍频程如图2所示。传动装置实际工作时，噪声测量位置的A计权声压级超过90dB，二者的差值远超过15dB，因此，对于噪声测量来说，无需进行修正。



图2 背景噪声信号1/3倍频程谱

3稳态工况分析
对噪声测点P1的噪声信号进行1/3倍频程分析，其A计权的倍频程如图3所示，测点P1的A计权声压级为95.68dBA。



图3 噪声测点P1的1/3倍频程谱

进一步对噪声时域信号进行FFT分析，得到对应的线性自功率频谱图，从而确定纯音（单频音）的具体频率成分。对噪声信号进行频谱分析，其A计权线性自功率如图4所示。从这个图中可以看出，这个测点对应的3个主要频率成分分别为930Hz，1550Hz和3068Hz。这三个频率成分也就是纯音对应的频率。由表1中可知，930Hz为主传动路第一级定轴齿轮的啮合频率，1550Hz为主传动路第二、三级定轴齿轮啮合频率；3068Hz为传动路3的第三、四级定轴齿轮啮合频率的2倍频。由这个噪声的频谱成分还不能确定后两个频率为哪一级定轴齿轮的啮合频率，但可由调制特性分析确定。



图4 噪声测点P1的频谱

对振动加速度信号进行频谱分析，得到的线性自功率谱所图5所示（仅给出了P3测点Z向的频谱图）。这个频谱图给出了信号中能量较大的几个频率，在这些主要频率处，还存在边频带，这是由于信号受到了调制作用。从图中可以看出，主要的频率成分分别为930Hz、1550Hz、3069Hz和4255.4Hz。而930Hz为主传动路第一级定轴齿轮啮合频率。1550Hz为主传动路第二、三级传动齿轮啮合频率。3069Hz为传动路3的第三、四级齿轮啮合频率1534Hz的2倍频。后续通过调制特性分析，可确定这两个频率成分具体是哪一级齿轮的啮合频率。



图5 P3-Z的频谱图

分析P3-Z的调制特性，由图6(a)可知，930Hz作为载波频率，存在的边频带调制频率为输入轴转频30Hz（930±i*30Hz，i=1，2）。同时在930±i*30Hz(i=0，1，2)作为载波频率，又存在单边调制频率为4.6Hz的边频带，如图中6(a)中的红圈所示。这说明存在多重调制，4.6Hz为输入轴与输出轴的差频。在图6(b)中的载波频率为1550Hz，调制频率为30Hz和34.4Hz（1550±30Hz，1550±34.4Hz）。对比表1可以判定，1550Hz为主传动路第二级定轴齿轮啮合频率。从图6(c)中可以看出，3069Hz受到37.4Hz的调制。对比表1可以判定，3069Hz为传动路3第四级定轴啮合频率。



图6(a) P3-Z的调制特性(@930Hz)



图6(b) P3-Z的调制特性(@1550Hz)



图6(c) P3-Z的调制特性(@3069Hz)

通过上面的分析，可以验证，在实际测试之前对相应挡位理论上的轴频、啮合频率计算是非常有帮助的：可以帮助我们确定实际振动噪声的来源。

4升速工况分析
升速工况时，用了另一挡（无相应的理论特征阶次计算结果），因此，将导致相应瀑布图中的阶次与之前理论计算的阶次（表3和4）对应不上，在这仅示意性表示这个过程。

实际测量时转速从795rpm升速到2588rpm，用时100s，因而，转速改变速率为17.93rpm/s。由于转速改变速率较慢，因此，瀑布图分析时频率分辨率可以更精确（更小）。仍然对P3点Z方向进行分析，得到的瀑布图结果如图7所示。对这个信号进行回放，可以听到明显的啸叫声，这一挡中产生啸叫的阶次分别为30.31、50.93和101.88（50.93阶次的2倍）。除了这些啸叫阶次之外，1.43阶次也很明显，这是某个转轴的阶次（如图8所示）。同时做阶次切片处理，提取到这些主要的阶次成分，以确定其对Overall Level的贡献，如图9所示。

得到瀑布图之后，可将瀑布图中的阶次成分与理论阶次计算进行对比，以确定是哪对齿轮存在啸叫。重点对这些产生啸叫的齿轮作进一步的处理，以改善啸叫声。



图7 P3-Z的colormap图



图8 局部放大前600Hz以突出显示1.43阶次



图9 Overall level与主要的阶次成分