基于阶次跟踪的变速箱啸叫噪声分析

    变速箱工作时不但会产生齿轮啮合噪声、轴及轴承的转动噪声，且会激起其它部件( 箱体等) 的共振噪声。啸叫声即为其主要表现形式。

    Kanda 等［1］用分析传递路径方法降低齿轮啸叫噪声; Curtis 等2］用数值方法对变速箱齿轮传递误差进行预测，通过实验验证该数学模型，并实验实现啸叫声降低; 龙月泉等［3］利用日本 Onosokki 公司 DS2000 数据采集系统对某变速箱分别在定转速、加速时所测声压信号进行功率谱、阶次跟踪分析，找出变速箱噪声的特征频率及声源; 陈恩伟等［4］利用三次多项式拟合等角度采样方法，通过阶次分析对减速箱算例进行研究表明，在变速箱输入轴非稳态转动下阶次分析方法能有效识别转轴及齿轮啮合的故障信息。

    由于变速箱输入轴的转速波动，采集的噪声信号属非平稳信号，若直接对其用传统傅里叶变换进行频谱分析，则会产生“频率模糊”现象［3 －6］。采用阶次跟踪分析对噪声信号进行等角度间隔重采样后信号变平稳，可用傅里叶变换分析，并计算变速箱各部件阶次，更有利于定位噪声源［5 －8］。但在阶次跟踪分析中，信号等角度间隔重采样多在小角度范围内用最小二乘法拟合转速多项式。当转速变化剧烈及需分析的角度范围较大时，转速拟合精度较差，影响阶次跟踪精度。为此，本文对等角度间隔重采样算法进行改进，用分段三次埃尔米特( Hermite) 多项式拟合变速箱输入轴转速曲线，分段积分获得变速箱输入轴转角表达式，提高了转速拟合与阶次跟踪分析精度，利用实车实验测量某手动变速箱二挡啸叫现象，并运用改进的等角度间隔重采样阶次跟踪分析方法对啸叫噪声进行定量分析、研究。

    1 阶次跟踪分析

    阶次跟踪是用于分析旋转运动部件故障的重要方法，用等角度间隔采样将非平稳信号转化为不受其影响的平稳信号［9］，并含阶次信息; 再用传统频谱分析完成对与旋转部件振动、噪声信号的分析与声源定位，并在阶次域上对某一阶次信号提取跟踪。

    阶次亦称阶比。研究旋转部件时，定义参考轴转频为基频( 1 阶) ，其它轴或部件频率为参考轴频率的倍数，称为阶次。阶次与频率、参考轴转速间转化公式为:

    式中: f 为频率，Hz; n 为参考轴转速，r/min。第 i 轴转动阶次为参考轴至第 i 轴速比的倒数，第 i 轴上齿轮啮合阶次为第 i 轴阶次乘以该齿轮齿数。

    阶次跟踪主要为硬件、软件等角度重采样。前者通过硬件脉冲计数，旋转部件转过一定角度接收一个脉冲采样一次，所得采样信号可直接进行阶次分析，但因采样设备成本高、复杂，阻碍其使用及发展; 软件等角度重采样则将传统的等时间间隔采样信号，通过软件的手段重采样，转化成等角度间隔采样信号。该方式因计算方法灵活、能大幅降低实验采样成本而得以广泛应用［4］。等角度重采样将由多项式拟合获得的转速表达式积分得到［3 －8］: