变速箱敲击噪声的调制分析方法

管文烨

（上海汽车变速器有限公司，上海，200072）

0 引言

车辆的噪声来源于不同零件。主要的噪声除了发动机，还包括风，轮胎和其他零件。它们影响车辆的整体NVH水平。其中一个来源于变速箱的噪声成分是齿轮敲击。该噪声是由齿轮产生，并且可能仅在特定的工况下发生，齿轮敲击噪声能显著降低整体NVH的评分，甚至被认为是质量缺陷。针对此类噪声，时域分析是主流和有效的方法。但是，除了频谱，也可以根据敲击噪声的的成分组成进行相关信息分析。本文提出了一种新的方法来分析齿轮敲击，即调制分析方法。

1 齿轮敲击噪声

齿轮敲击噪声是变速器噪声的一种类型,由于敲击噪声具有穿透力高的特点,容易被乘客察觉并影响乘坐舒适性。

齿轮敲击噪声是发生在啮合非承载齿轮，承载齿轮对和换挡组件（如同步器、滑套等）上的一种冲击现象。啮合的齿轮，无论是加载或非加载的，在某种条件下相互碰撞并产生敲击噪声。一般来说，变速器敲击噪声产生的主要原因是动力传递系统存在着较明显的扭矩波动。发动机在运行过程中因缸内气体的燃烧爆发、活塞的往复运动以及曲柄连杆机构的旋转运动，导致发动机输出扭矩呈现周期性变化，从而使发动机输出转速不平衡，表现为一定的转速波动。这一转速波动通过弹性离合器系统传到变速器轴系，传递到变速器动力流中的每一对齿轮，导致变速器内部非工作部件在允许的工作间隙内可能产生不规则的来回敲打现象，传递至车内表现为变速器敲击噪声。

齿轮敲击噪声是两种不同机械机构产生的一定带宽的空气传播噪声。其中的一部分噪声由轮齿直接进行噪声辐射；另一部分为齿轮振动通过变速器的结构导致变速器壳体振动从而进行噪声辐射。经过变速器壳体的“滤波”作用，轮齿敲击产生的噪声的频谱将不同于变速器壳体振动的频率成分，正因为如此，传递到变速器外部空气中的敲击噪声容易被乘客察觉。虽然齿轮敲击噪声不会影响变速器的正常工作，但它们却常常被乘客抱怨，因此有必要对齿轮敲击噪声系统的研究，并使该类噪声得到最大的抑制以提高乘坐舒适性。

2 调制分析

首先对信号做窗口傅里叶变换（Windowed Fourier Transform）

其中：

具有p(k)的：振动信号在k点的采样值

N：FFT长度n：频率指数(该下标代表的频率)。：重叠系数，0表示相邻窗口无重叠，1表示完全重叠。l：窗口指数（第n个时间窗口）W：权重函数（Hamming）

在频谱的每个频率点上表示了在相应的载波频率处的包络信号（调制信号）。我们通过P(n,l) 序列的绝对值(模)的FFT来得到调制频谱Pm (n, m)

其中： m为调制频率指数

M为FFT长度。

调制频率的分辨率Dfm为

最高调制频率则为：

通过以上公式计算，可以得到敲击振动信号的调制频率。

3 模拟敲击信号仿真与分析

在对真实的变速箱敲击振动信号运用该算法前，我们先模拟敲击信号。图1给出了模拟的敲击信号，它的采用频率为10000Hz，持续10s，敲击频率为2Hz，傅里叶变换窗口取4096点，重叠系数为0.9.

图1 模拟的敲击信号

在得到模拟的敲击信号后，我们先进行窗口傅里叶变换，得到的分时频谱图P(n,l)为：

调制频谱Pm (n, m)为

图2 模拟敲击信号的分时傅立叶变换

图3 模拟敲击信号的调制分析图

图4 模拟敲击信号的调制分析peak-hold图

这样就可以明显看到，在2Hz处，调制频率的幅值达到最大值，其频率与仿真的敲击信号一致。这也说明所选取的算法参数也是合理的。

4 油泵敲击噪声信号的调制分析

在DCT总成中，油泵敲击噪声也时常发生。目前生产线上主要采用时域考核指标来识别该噪声，直接频谱考核或阶次考核并不能有效识别；但是我们同样可以调制分析的方法来识别敲击噪声信号。

图5给出了某一总成的油泵敲击信号的时域图,信号的采样周期为20KHz,持续时间0.8s。

周期性冲击(敲击)周期为0.0396秒，对应的频率约为25.25Hz。考虑到该工况的转速为1500RPM，则对应的阶次为1.015（=67/66）阶，实际对应油泵的噪声。

图6给出了该油泵冲击信号的分时Fourier变换,从图可以看出在7200Hz左右，周期性变化趋势最明显。

图7和图8分别给出了油泵敲击信号的调制分析图和对应的peak hold图，由图可见，在25.53Hz处存在尖峰（该频率与时域直观得到的25.25Hz相对应），它们的值存在差异是由于调制分析的分辨率决定的。

图5 油泵敲击信号的时域图

图6 油泵敲击信号的分时Fourier变换图

5 总结

图7 油泵敲击信号的调制分析图

本文首先介绍了调制分析的基本算法，该算法首先对信号进行分时Fourier变换，再对各时间窗口下相同的频率（载波频率）再做一次Fourier变换，就可以得到调制频率。本文还对仿真的敲击信号和油泵敲击信号做了分析，我们看到：（1）由于振动信号的时间长度有限，再加上二次Fourier变换，所以载波信号的频率分辨率较低，一般低于传统的阶次分析或分时Fourier变换。（2）虽然调制频率能够准确识别，但是载波频率的变化较大。（3）在调制分析图中，在0Hz附近仍有较大的能量,如果敲击噪声的频率非常低，那么该方法不能有效识别该类噪声。

因为敲击噪声本身的固有时域特性，直接用频谱分析不能得到其发生频率，用调制分析的方法来识别敲击噪声信号，是对目前主流的时域方法(包括RMS,峰-峰值,Kurtosis,Crest Factor等考核量)的有效补充方法。

图8 油泵敲击信号的调制分析peak-hold图

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