摘 要：綜述汽車變速箱振動和噪聲在線檢測技術(shù)原理和方法，并通過具體檢測工藝案例來說明變速箱振動噪聲的主要來源和分析方法及手段。

關(guān)鍵詞：變速箱臺架試驗 振動噪音測量 在線檢測 失效分析

1 前言

變速器作為整車動力傳遞，連接發(fā)動機(jī)和底盤的重要部件。而變速箱的振動與噪聲不僅是汽車總體噪聲的重要來源，也是衡量變速箱質(zhì)量好壞的主要性能指標(biāo)之一，其整體質(zhì)量的優(yōu)劣會直接影響用戶使用感受。在制造過程中需對變速箱進(jìn)行出廠振動與噪音檢測試驗，對進(jìn)一步驗證變速器零件加工符合性和裝配正確性，保證總成質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用。

正因如此，許多汽車生產(chǎn)商越來越重視變速箱振動和噪音的在線檢測，如果能在生產(chǎn)線就檢測出變速箱的問題并及時修正，對變速箱質(zhì)量保證而言意義非常重大。故在實際生產(chǎn)中對變速箱的振動與噪聲檢測應(yīng)科學(xué)合理。

2 振動和噪音在線檢測技術(shù)原理和方法

振動是噪音產(chǎn)生的機(jī)理，噪音是由許多頻率組成的并具有非周期性振動的復(fù)合音。具有聲波的一切特性。用聲壓級、聲強(qiáng)級、聲功率級度量噪聲強(qiáng)弱，用頻率和頻譜度量噪聲高低分析判斷聲能來源。當(dāng)噪聲輻射后，可以直接傳播到接收器，也可間接傳播到接收器。按照傳播過程中是否遇到阻礙又可分為一次空氣聲和二次空氣聲。

聲音在傳播的過程中，如果未受到任何阻礙直接被接收器接收到，那么這種聲音稱為一次空氣聲。而如果在傳播時如果遇到其他障礙，這些障礙會發(fā)生一定的振動，成為一個激勵的聲源，那么接收器接收到的聲音就不只是初始聲源發(fā)出的，同時還夾雜了障礙物由于振動而發(fā)出的聲音，這種聲音稱為二次空氣聲。在間接傳播的途徑中，可能出現(xiàn)固體聲、液體聲、空氣聲以及單個構(gòu)件之間共振的多次轉(zhuǎn)化。



變速箱噪聲的形式雖然比較復(fù)雜，但主要噪音來自于齒輪傳動和軸承運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的。變速箱箱體作為一個封閉的結(jié)構(gòu)，齒輪嚙合沖擊噪音和軸的振動一部分通過箱體傳播到空氣中形成一次空氣聲，還有一部分通過箱體壁的振動傳播到空氣中形成二次空氣聲。通常噪音接收面積相對越大，對噪聲輻射貢獻(xiàn)也會越大。

常見振動噪音的研究方法：

（1） 聲強(qiáng)法

聲強(qiáng)法測量方法很多，常見的方法是：用帶有兩個傳聲器組成探頭間接測量。在側(cè)頭距離△r遠(yuǎn)小于聲波波長時，其中點的聲壓值可近似表示兩測頭的算術(shù)平均值。

（2） 振速法

重要結(jié)論：對于固定的介質(zhì)，聲場中某固定點的聲壓與聲源結(jié)構(gòu)表面的平均均方振動速度成正比例關(guān)系。這一結(jié)論對于振速法的應(yīng)用有著十分重要的意義。也由此在變速箱振動與噪聲的檢測中振速法應(yīng)用較多。

3 振動和噪音在線檢測工藝案例

許多汽車生產(chǎn)商越來越重視變速箱振動和噪音的在線檢測，在生產(chǎn)過程中科學(xué)合理地設(shè)置變速箱的振動與噪聲檢測，及時發(fā)現(xiàn)變速箱的問題并修正?，F(xiàn)以某整車廠的五速手動變速箱的試驗臺架為例說明。

變速箱臺架由一臺驅(qū)動電機(jī)和兩臺加載電機(jī)組成電封閉系統(tǒng)，臺架試驗前對變速箱定量注油，試驗后抽掉變速箱內(nèi)的潤滑油，整個檢測過程由設(shè)備自動完成。

當(dāng)變速箱到位后，電機(jī)通過花鍵套帶動一軸轉(zhuǎn)動，差速器左右花鍵軸給變速箱一定負(fù)載，模擬整車上的工況，由安裝在上表面的接觸式振動測頭收集整個測試循環(huán)的檢測數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由分析軟件對變速箱的品質(zhì)做出判別。整個過程分為正常測試和加載測試兩部分，正常測試是在不同轉(zhuǎn)速下對變速箱進(jìn)行常規(guī)的換擋試驗，加載測試的目的是對變速箱在加載工況下的品質(zhì)進(jìn)行檢測。正常測試和加載測試的區(qū)別在于評價標(biāo)準(zhǔn)有所區(qū)別，加載測試是對正常測試的補(bǔ)充和加嚴(yán)，即增加對變速箱一階振動、二階振動、三階振動的檢測。



正常測試是通過對變速箱進(jìn)行換擋試驗（5檔→4檔→3檔→2檔→1檔→N檔→R檔→N檔→1檔→2檔→3檔→4檔→5檔），對各檔位加/減速的振動曲線進(jìn)行檢測，和標(biāo)準(zhǔn)振動曲線進(jìn)行比照，判別的主要評價指標(biāo)為振動點數(shù)和振動密度?，F(xiàn)生產(chǎn)變速箱受零件批次、設(shè)備精度及穩(wěn)定度、裝配質(zhì)量等因素影響，其整體裝配品質(zhì)從細(xì)微角度來看都存在差異，而這種差異是不可避免的也是可以接受的，通過對比我們發(fā)現(xiàn)哪怕是同一臺變速箱經(jīng)過重復(fù)進(jìn)行臺架測試其每次的測量數(shù)值都是不同的。為甄別變速箱的試驗差異是否影響質(zhì)量，除了“標(biāo)準(zhǔn)曲線”外循環(huán)測試中引入了“報警曲線”和“停止曲線”。圖3為測試循環(huán)的曲線監(jiān)控。



加載測試是變速箱在較大扭矩下，完成2檔→3檔→4檔→5檔→N檔的換擋過程。負(fù)載檢測主要的目的是在有一定負(fù)載進(jìn)行加速減速循環(huán)，對變速箱的振動進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控項目主要為：各檔位齒輪和主減速齒的一階/二階/三階的振動頻率。每個速比下的測試，可以獲得H1/H2/H3頻率對應(yīng)的3個加速曲線和3個減速曲線。

4 振動和噪音的失效分析

機(jī)械中各種零件或構(gòu)件都具有一定的功能，如傳遞運動、力或能量，實現(xiàn)規(guī)定的動作，保持一定的幾何形狀等等。當(dāng)機(jī)件在載荷（包括機(jī)械載荷、熱載荷、腐蝕及綜合載荷等）作用下喪失最初規(guī)定的功能時，即稱為失效。

判斷機(jī)件失效與否的原則有三點：

(a)完全不能工作；

(b)不能按確定的規(guī)范完成規(guī)定功能；

(c)不能可靠和安全地繼續(xù)使用。對于變速箱在線檢測臺架，主要甄別的是第三種類型，即：不能可靠和安全地繼續(xù)使用。

變速箱的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，每個零部件的故障都有可能引起變速箱整體故障。通過實際生產(chǎn)統(tǒng)計，不同零件在變速箱總體故障失效中所占的比例見表1。



看出引起變速箱失效的主要有三類零件：齒輪，軸承以及軸。這三類零件失效比重之和占據(jù)了將近90%左右，其中齒輪的失效更是占了總失效比的將近60%。

一對齒輪在嚙合的過程中產(chǎn)生的噪聲和振動，主要是由于齒輪運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生節(jié)線沖力和嚙合沖力所產(chǎn)生的。一對齒輪再嚙合的過程中，由于齒輪的加工誤差，以及周期性和非周期性的負(fù)載變化等因素都會引起齒輪的節(jié)線沖力和嚙合沖力。

（1）節(jié)線沖力引起的振動噪聲

圖4對齒輪的嚙合模擬簡圖，一對齒輪在嚙合的過程中，嚙合點都處于嚙合線上，而齒輪在嚙合的過程中，兩個齒輪的齒面之間，不僅僅只存在滾動摩擦，兩個齒面之間還會存在一定的相對滑動，這樣在嚙合點處便會同時出現(xiàn)滾動摩擦和滑動摩擦，便會產(chǎn)生一個類似脈沖的動力，這就是節(jié)線沖力。

（2）嚙合沖力引起的振動噪聲

無誤差、無障礙的齒輪即是理想齒輪，在理想齒輪中，嚙合沖力是不存在的，但是絕對的理想齒輪是不存在的。齒輪在嚙合過程中難免會產(chǎn)生受力，產(chǎn)生變形，而且由于加工制造誤差和安裝誤差等因素，齒輪在嚙合過程中必然會由于碰撞而產(chǎn)生一定的沖擊力。



齒輪噪聲來源大致可以分為四個部分：設(shè)計方面﹑制造方面、安裝方面和使用維護(hù)。

設(shè)計方面影響因素有：

(a)精度等級的選擇不當(dāng)；

(b)齒輪參數(shù)的選擇不當(dāng)（譬如：對于適配乘用車的變速箱，通常采用較小系列的模數(shù)同時齒輪寬度較大，從而使齒輪嚙合噪音較小也保證了齒輪強(qiáng)度）；

(c)結(jié)構(gòu)的選擇（譬如：能使用腹板式結(jié)構(gòu)時盡量使用腹板式的結(jié)構(gòu)，以降低齒輪自身的固有頻率，從而減少齒輪嚙合過程中的噪聲）。

制造方面影響因素有：(a)齒輪誤差（如：齒形誤差、齒距誤差、齒向誤差）；

(b)齒輪粗糙度。安裝方面影響因素主要體現(xiàn)在裝配時齒輪的同心度和平衡性，特別是對高精度的齒輪嚙合，其平衡性的好壞直接影響了齒輪的傳動質(zhì)量的高低。

使用維護(hù)方面影響因素有：

(a)齒輪表面清潔度；

(b)齒輪適當(dāng)?shù)臐櫥］S承在變速箱總失效比中占了19%，它變速箱總噪聲的來源之一。據(jù)統(tǒng)計，在使用軸承的旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，大約有30％的故障都是由于軸承引起的，可見軸承的好壞對機(jī)器的工作狀況影響很大。



軸承的噪聲源主要來源有滾道、保持架和故障噪聲三個部分：

(a)滾道噪聲軸承的工作主要是軸承滾動體與滾道發(fā)生相對的滾動，而滾道與滾動體的接觸實際成了一個彈性的非線性振動系統(tǒng)。滾道在加工過程中難免會產(chǎn)生一些誤差，如：表面會存在一些類似波紋的粗糙度，由此，軸承在工作過程中便會產(chǎn)生一定的滾道噪聲。

(b)保持架噪聲滾動軸承在工作過程中，滾動體與保持架之間必然會存在一定的摩擦，特別是當(dāng)系統(tǒng)的潤滑條件不好時，保持架會發(fā)出一定的噪聲。

(c)故障噪聲當(dāng)軸承的質(zhì)量高，潤滑條件好的時候，軸承發(fā)出的噪聲能量會很小，然而當(dāng)軸承發(fā)生故障時，無論是滾動體與保持架還是滾動體與滾道之間發(fā)生故障都將直接會產(chǎn)生一些噪聲。

5 變速箱在線診斷技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的日益革新以及計算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，以車輛變速箱為對象的故障診斷技術(shù)也得到飛快的發(fā)展。在線檢測技術(shù)較傳統(tǒng)的振動與噪聲檢測手段已發(fā)生深刻的轉(zhuǎn)變：

(a)智能化 變速箱故障診斷系統(tǒng)智能化將是今后的主要發(fā)展趨勢；

(b)集成化 過去變速箱在線檢測只是單一的檢測診斷，目前變速箱在線檢測技術(shù)除了檢測和診斷，同時也向著管理和調(diào)度的集成化方向發(fā)展；

(c)功能分布式 由功能集中式轉(zhuǎn)向功能分布式，隨著單片機(jī)以及計算機(jī)系統(tǒng)的硬軟件的發(fā)展創(chuàng)新，未來故障診斷系統(tǒng)會更加可靠。

因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、設(shè)備結(jié)構(gòu)、零部件狀態(tài)、工藝參數(shù)甚至生產(chǎn)環(huán)境等因素的差異的影響，會給變速箱振動和噪音在線檢測的準(zhǔn)確度以較大挑戰(zhàn)。這就要求我們必須從工藝規(guī)劃、設(shè)備投資到調(diào)試和批量生產(chǎn)等各個環(huán)節(jié)對上述影響因素采取必要的技術(shù)手段和生產(chǎn)管理措施，使各個因素可控范圍 ，從而使診斷可靠有效保障變速箱總成質(zhì)量。