某收获机械手动变速箱的啸叫分析

贾秋霜，韩世河，冷 峻，张友宝

（1. 潍坊职业学院，山东 潍坊 262737；2. 雷沃重工股份有限公司，山东 潍坊 261206；3. 潍坊百利拖拉机有限公司，山东 潍坊 261100）

随着科学技术的不断发展，农业机械化已逐渐向高速度、大功率、高效率等方向发展，但是，由于农业机械作业季节性强，工作环境恶劣，因此故障率相对较高。其中，动力传动系统的NVH（Noise,Vibration，Harshness）问题是影响整车NVH性能的主要因素之一，而变速箱啸叫噪声对整车动态环境噪声及声品质的影响尤其显著[1]。变速箱是农业机械的关键部件，其主要作用是传递扭矩和调节行驶速度。变速箱发生啸叫故障时，将严重影响驾驶人员的舒适度，对周围环境也会带来一定的影响。因此，当啸叫发生时，我们必须及时找出故障发生的根本原因，并想办法消除或者降低变速器的啸叫噪声。

农业机械尤其是收获机械的转动部件较多，结构复杂，因此采集到的振动加速度信号非常复杂，传统的振动信号分析技术已满足不了分析要求。传统振动分析技术对变速箱中有多对啮合齿轮时分析不准确，并且当信号中有多种转动件信号时,不能对齿轮信号进行有效提取，采用倒频谱技术也不能有效的表达出调频和调幅的差异。而且，因为发动机传递到变速箱输入轴的转速波动导致采集到的信号构成非平稳信号，如果直接对该信号进行简单的傅里叶变换，会产生所谓的“频率模糊”现象[2]。采用阶次跟踪法，可以使信号转换为平稳信号，通过计算变速箱各部件的阶次从而准确定位噪声源[3]。而Romax软件是分析变速箱的常用软件，被广泛应用于各种变速箱噪声的仿真计算中。因此，本文结合阶次分析方法和Romax仿真计算来分析农业机械手动变速箱的啸叫问题。

1 阶次跟踪分析

阶次跟踪分析主要应用于旋转部件的故障诊断，采用等角度间隔采样的方法把非平稳的振动信号转换为平稳信号，进而通过对平稳信号的频谱分析和阶次分析，定位噪声源。当变速箱内部齿轮传动关系确定以后，各个齿轮的阶次就已确定[4]。阶次跟踪法可以准确的反映各齿轮之间的啮合关系，并可以克服“频率模糊”现象[5]。当变速箱某一级的啮合齿轮或者某个传动轴出现故障时，对变速箱壳体上振动传感器采集到的振动信号或者变速箱近场用声传感器采集的噪声信号进行阶次分析；该故障齿轮或者传动轴所对应的阶次处振动或噪声幅值会异常增大，从而根据这种故障特征定位故障源[6]。

对于旋转系统而言，测得的旋转部件的振动频率与转速成正比，而且阶次可以通过下式计算：

式中，Order为旋转部件的阶次， 为旋转部件的振动频率，n为旋转部件的输入转速。

2 变速箱啸叫

常见的变速箱噪声问题主要包括齿轮敲击噪声、齿轮啸叫噪声、轰鸣声等，而且不同的变速箱噪声问题有不同的表现形式和频率特征。一般而言，变速箱啸叫噪声为单阶的高频噪声。一般主要由齿轮系统啮合过程中齿轮对的啮合误差引起[7]。

变速箱啸叫噪声的大小一般与齿轮对之间传递误差有关，齿轮对之间的传递误差主要受啮合齿轮对重合度影响，因此，齿轮的设计和加工制造因素都可能对噪声产生影响。而且，在某些情况下，变速箱啸叫噪声的产生可能意味着齿轮的设计及制造过程可能存在问题，从而会影响整个变速箱的使用寿命及可靠性，造成巨大的损失。因此，变速箱啸叫问题应该引起高度重视。

一般地，理想状态下，齿轮对啮合过程中，2个齿轮的线速度相等，即：

式中，W1和W2分别代表小齿轮和大齿轮的角速度，R1和R2分别代表小齿轮和大齿轮半径。

由于设计、制造及安装过程中的误差，以及啮合齿面的刚度变化导致的传递误差计算如下：

变速箱啸叫的特点是：1)由工作齿轮产生；2)明显的阶次特征，与齿数、发动机转速等有关；3)当变速箱箱体的固有模态被激励共振后啸叫表现的更加明显。

变速箱啸叫噪声可以通过各种传递路径以结构噪声和空气噪声的形式传递到车厢内和环境中，从而引起噪声的增大。

3 测试结果及分析

3.1 测试仪器

本文中测试设备采用32通道比利时LMS振动噪声测试系统；采用PCB声传感器对某收获机械动态环境噪声及变速箱近场噪声进行测试，其采样频率设为8192Hz，采样分辨率为1Hz。动态环境噪声测试方法依据国家收获机动态环境噪声测试标准GB/T 3785.1-2010。本研究采用PCB振动加速度传感器采集变速箱箱体表面及相关齿轮轴轴承座振动加速度，采样频率设置为2048Hz。

3.2 测试结果分析

某机型收获机械的耳旁噪声满足国标要求，但是动态环境噪声较大，超出国标要求。为找出动态环境噪声超标的原因，笔者首先对定置状态下近场噪声以及高速三档行驶时动态环境噪声进行了NVH测试。测试结果如下：

由图1可知，定置状态下收获机械近场噪声值较小，而且没有明显的阶次信号。从图2可以看出，在高速三档行驶过程中噪声值较大，有明显的异常阶次信号，而且在转速较高时噪声更大，最高速特征频率为620Hz左右。图3中绿色柱状图为驾驶员右侧动态环境噪声，蓝色柱状图为驾驶员左动态环境噪声。由图3最高速下噪声的1/3倍频程可知，630Hz频段对动态环境噪声的贡献量最大，因此应重点关注最高速时620Hz这个特征信号。对比两种工况可以发现，定置时噪声较小，车辆行驶中噪声出现异常增大，并有明显的异常阶次信号，因此，初步判断噪声增大由变速箱异响引起。

图1 定置状态下噪声colormap图

图3 高速三档动态环境噪声1/3 倍频程

为了进一步确定动态环境噪声增大的原因，笔者对行驶过程中变速箱中间轴轴承座振动进行了测试，如图4所示，变速箱振动colormap有明显的阶次信息。由图5可知，变速箱振动特征阶次为16.28阶，而且最高速时特征频率为625Hz，与动态环境噪声信号特征一致。因此，可以确定动态环境噪声异常增大主要由变速箱异响引起。

图4 高速三档工况下变速箱测点Z向振动colormap图

图5 高速三档工况下变速箱测点Z向振动Waterfall图

在现实应用中，变速箱敲击噪声和啸叫噪声是最常见的两种异响，而且啸叫噪声通常对整车的噪声影响较大。一般地，对于敲击噪声而言，齿轮传动并不是一直处于理想的啮合状态，而是处于时而啮合、时而脱离的反复碰撞状态。因此反应到噪声信号上的表现为：没有明显的阶次特征，而且在某个转速区间下全频段的噪声异常。对于变速箱啸叫来说，是由于动态啮合力激励而产生的稳态噪声，一般是由传递误差引起的。反应到噪声信号上表现为：有明显的阶次特征，而且只在某个频率段发生。因此，通过以上分析可以得出，引起动态环境噪声异常增大的原因是变速箱啸叫。

对于变速箱齿轮而言，在某一转速下测得的转动频率等于主动齿轮的齿数乘以该齿轮的输入转速，结合公式（1）可知，主动轮齿数与噪声或振动的阶次相等。需要指出的是，三档主动齿轮齿数为37，从动齿轮齿数为25，中央输出齿轮组的主动齿轮齿数为11。因此可得到在三档工况下中央齿轮组主动齿轮的阶次为37/25*11=16.28阶，最高速振动频率为38.5*16.28=626.78Hz，与测试结果相吻合。因此可以确定变速箱中央输出齿轮组是变速箱啸叫的故障源，具体原因还需进一步分析。

3.3 变速箱啸叫原因分析

变速箱啸叫噪声一般与齿轮对之间传递误差有关，主要由负载引起的变速箱内部的弹性变形以及加工误差、装配误差等因素所致。传递误差越大，说明在传动过程中，从动齿轮实际位置与理论位置之间的差值越大，从而导致传动过程更加不平稳，啸叫噪声也就越大。

Romax是一款专业分析变速箱问题的软件，其实用性和可靠性已得到相关专业领域的验证和认可。因此，本文采用Romax软件进行变速箱的啸叫分析，为了研究变速箱啸叫的原因，并验证上述试验测试分析的正确性，根据传动系的结构以及相关载荷建立变速箱的模型，如图6所示。

图6 高速三档最大转速工况下中央齿轮组传递误差激励下第26阶模态分布(616.8Hz)

为了确定变速箱啸叫的原因，笔者将前进二档、三档和中央齿轮组的转速以及载荷信息输入到变速箱模型，计算得到二档齿轮、三档齿轮和中央齿轮组的传递误差分别为7.4、9.2和14.6 ，因此齿轮箱啸叫是由中央齿轮组传递误差引起，与阶次分析结果相吻合。

在三档最高速工况下，由中央传递齿轮组传递误差激励引起的模态分布如图6所示。可以得出，在中央传递齿轮组传递误差激励下，最高速工况下存在616.8Hz的模态，与测试结果625Hz较为接近，很有可能会引起共振。在变速箱壳体表面建立虚拟振动加速度传感器，测得变速箱壳体表面X、Y和Z方向的振动加速度频谱图如图7所示。由图7可知，变速箱壳体表面Z方向在622Hz处有较大的峰值，与模态分析一致。

图7 高速三档最大转速工况下中央齿轮组传递误差激励下动态分析结果

本研究运用Hypermesh软件对变速箱壳体进行自由模态分析，结果如图8所示。可以看出变速箱一阶模态频率为638Hz，与三档最高速工况下啸叫特征频率625Hz较为接近，因此应该考虑存在变速箱壳体共振的可能性。

综上所述，解决变速箱啸叫问题应考虑从以下几个方面入手：1）改善中央齿轮组的传递误差（如齿轮修形）；2）解决相关轴在最高速工况下的共振问题；3）解决变速箱壳体的共振问题。

图8 变速箱一阶自由模态 (638.5Hz)

4 结论

本研究利用阶次分析理论对变速箱振动以及动态环境噪声测试结果进行分析，确定引起某型收获机械动态环境噪声较大的原因是变速箱啸叫，并定位中央齿轮组是变速箱啸叫产生的故障源；利用Romax软件进行变速箱各工况下齿轮的传递误差和模态分析，并对变速箱壳体进行了模态分析，验证了测试结论，并发现三档最高速工况下可能存在相关轴和变速箱壳体的共振现象；根据测试和分析结果，明确动态环境噪声较大的原因，并为解决问题提供了方向。