NVH检测技术在变速器下线过程中的应用

马维鹏 周强 郭龙

摘要：主要从NVH测试技术基础入手，对NVH的定义、变速器NVH检测的意义进行了简单地描述，对NVH下线台架、NVH分析仪的分析方式及NVH各种评价手段表征的意义等方面做出了剖析。旨在为后续变速器装配车间下线系统的变革提前做知识储备，更是为装配线无人化下线检测技术做出指引。

关键词：NVH；加载；时域；频域；阶次

NVH测试技术

NVH测试技术在汽车及其零部件产品质量检测及提升方面的作用日益显著。NVH测试系统能将变速器的振动信息可视化，杜绝测试员仅凭所听声音进行主观判断，为变速器的质量把控提供更多一重的保障。近年來，无论是质量提升、客户需求，还是数字化战略转型，无一不促使公司逐步告别老旧的空载试验台以及普通加载试验台，从而登上变速器质量把控的一个新的台阶。

NVH分别是Noise（噪声）、Vibration（振动）和Harshness（声振粗糙度）的缩写。

（1）噪声  是指引起人烦躁、令人不舒服或者由于音量过强而危害人体健康的声音。噪声是 NVH 问题中最主要的部分，常用声压级SPL（单位为dB）评价，主要通过频率、级别和噪声音质来描述。

SPL=20lgPms/p0ms                            （1）

式中 SPL——人们根据人耳对声音强弱变化响应的特

性，引出的一个表示声音大小的对数量；

Pms——待测声压的有效值；

p0ms——标准声压（参考声压），指空气中人听

到的最低声压。

（2）振动  描述的是系统状态的参量 （如位移 ）在其基准值上下交替变化的过程。变速器的振动主要包括变速器的不平衡往复惯性力产生的变速器传动系统的扭转摆动。一般来说，对人体舒适性影响较大的振动主要为齿轮、轴承的不正常啮合、金属摩擦产生的低频振动等。振动主要通过频率、振幅和方向来描述。

（3）声振粗糙度/舒适性  指的是振动和噪声的品质，它并不是一个与振动、噪声相并列的物理概念，而是描述人体对振动和噪声的主观感觉，不能用客观测量方法来直接度量。总的说来，舒适性描述的是振动和噪声共同产生的使人感到疲劳的程度，它有如下三个界限。

1）舒适界限：声振粗糙度不超过该界限，人体能感觉到振动，但对这种振动是能够忍受的，在心理上没有“不舒适”的感觉。

2）疲劳界限：声振粗糙度不超过该界限，驾驶人员大脑清醒、反应敏捷、动作精准，能正常进行驾驶操作。

3）暴露极限：声振粗糙度不超过该极限，不会发生严重影响健康和安全问题。

变速器NVH加载试验台

如图1所示，变速器NVH加载试验台的实质就是在普通加载试验台的基础上配置了一系列传感器和一套分析系统，而该系统最大的优点就是它几乎能同步将变速器产生的声音、振动进行转化，最终以图谱的形式展现出来。与此同时，台架的分析仪会将该图谱与最近100台合格变速器综合形成的一个基准图谱作对比，对比数据再结合人为限值进行一系列运算，最终得出变速器测试结果。

振动测量：加速度传感器，可以检测位移、速度或者加速度，一般测量加速度。因为在低频范围内，振动强度与位移成正比；中频范围内，振动强度与速度成正比；高频范围内，振动强度与加速度成正比。因为频率低意味着振动体在单位时间内振动的次数少、过程时间长，速度、加速度的数值相对较小且变化量更小，因此振动位移能够更清晰地反映出振动强度的大小；而频率高，意味着振动次数多、过程短，速度、尤其是加速度的数值及变化量大，因此振动强度与振动加速度成正比。

NVH的基本分析方式

一个挡位的测试过程如图2所示，黄线代表转速，蓝线代表扭矩，两个绿框代表NVH测试阶段。6～10s属于正拖阶段，该阶段输入端扭矩较大，转速持续增加；10～12s属于稳拖阶段，该阶段输入端和输出端达到平衡，转速保持不变；12～16s属于反拖阶段，该阶段输入端扭矩变成负值，转速持续下降。正拖跟反拖阶段齿轮啮合时接触的齿面不同。

1.时域分析

图3反映了变速器实际的振动情况，可以分析出一些瞬时性的敲击及磕碰。可以看出，NVH测试过程中转速是变化的，因此，相对于时间而言，振动的规律性就不是很强。如果分析仪等时间对曲线进行采样（见图4），随着变速器转速加快，传感器采集到的点会越来越少，一个循环内得到的离散点就会越来越少，特别不均匀，频谱分析后得到的曲线就会特别不规则（失真）。比如一轴某个齿有问题，那么它转一圈这个问题齿就会啮合一次，但由于测试过程中转速的变化，这个问题齿啮合一次所用的时间都不一样，采样后得到的结果就会出现上述失真现象。

鉴于以上情形，实际上分析仪取点并非以时间为单位，分析仪能检测到一轴恰好转动一圈的点，然后传感器在该点处不断取样，如图5所示，得到的曲线就很规则。利用该采样方式得到的加速度-转数谱线如图6所示，其横坐标是输入轴的转数。该谱线是分析仪直接通过传感器读取到的信号，未经过过多的数字化换算，分析过程中通常把该信号称作原始信号。当图谱上下两侧出现这种比较均匀的突起，就可以通过测量两组高峰之间的距离，来确定一轴转多少转这个能量较高的振动发生一次。该图像中测试结果为1.34r，说明一轴每转动1.34r，这个现象发生一次，如果是齿轮的敲击问题，就可以通过确定传动比1.34来确定问题齿轮。

2.频域分析

分析仪通过一种数学方式——快速傅里叶变换（FFT），就可以将时域信号转换成频域信号。如图7所示，比较复杂的时域信号被分解为多组特定振幅和频率的正玄信号，而这些正玄信号的幅值和频率就组成了频域信号。也就是说，当把图3所示的加速度-时间谱线经过快速傅里叶变换后，就可以得到如图8所示的加速度-频率谱线，它能更好地揭示整个测试过程中综合信号的所有成分。

引入公式（2），就可以将频率转化成阶次，得到如图9所示的加速度-阶次谱线。

Order=60f/w输入轴                                              （2）

式中 Order——轴转动一周某事件发生的次数，单位

为阶次；

f——频率，1s内某事件发生的次数，单位

为Hz；

w输入轴——转速，单位为r/min。

圖9谱线如果用上述方法直接进行分析，任意阶次都将代表一轴转动一周对应能量的发生的次数，那么只需要找到加速度较大点，通过它的横坐标就能直接看出一轴转动一周能发生多少次，然后通过速比锁定问题齿所在的齿轮。实际上却不是这样的，这里引入一个新的概念——调制。

调制是将能量低的消息信号与能量高的载波信号进行混合，产生一个新的高能量信号的过程，该信号具有更强的抗干扰能力，可以减小失真，而且该信号便于处理和解析。信号都有幅度、频率和相位等关键参数，一般可以根据消息信号选择改变载波信号的幅度、频率和相位，也就是所谓的调幅、调频和调相。在调制过程中，载波信号的特性会根据调制方式发生变化，但是调制波的特性一般不会发生改变。

变速器齿轮的轮齿在进入和脱离啮合时，载荷突变、碰撞加剧，瞬时的高频冲击振幅与周期性变化的转频振幅相互叠加而产生幅值调制；制造时的轮齿分度不均匀，即周节误差使旋转速率发生变化则产生了频率调制，调制过程如图10所示。通过傅里叶变换及其他一系列运算，表现在频谱图上，是以载波为中心，调制波为边带（边频带）的曲线，如图11所示，可以通过测量边带与中心的距离去判断啮合故障发生的频率，然后通过速比关系确定故障在变速器的具体位置。如果缺陷分布较均匀（如磨损），频谱图上的边频带则显现为窄、高、起伏大；如果发生断齿或大的局部性缺陷，边带则宽、低、平。

一般情况，较高的频率会形成载频，较低的频率会形成边带。齿轮啮合时，载频一般是齿轮啮合频率，边带对应轴转动的频率，边带与载频具有相当于轴频的距离。对于轴承而言，载频是滚子的旋转频率，而边带宽度相应于轴频。另外非正弦调制会引起多个等距离的边带，如图12所示，此时等距边带之间的距离即为故障发生的阶次。

基于上述两大分析方式的几种评价手段如下：

1.质量品质QI

如图9（加速度-阶次谱线）所示，红线外侧包裹的两条蓝色曲线为台架通过最近100台合格变速器自学习后形成的一个上、下容限带，而质量品质表征的就是测试过程中超出容限带范围的能量总和所处的一个水平。

QI=（超过限值的能量总和/绝对阀值） ×100%     （3）

阶次分析阀值是一个具体数值，可以结合厂内出厂标准以及顾客的质量要求验证后进行调节（见图13），以此来改变QI值的大小。

如图14所示，一般当QI值为0～79%，表格显示为绿色，表示该种评价方式下测试变速器合格；当QI值在79%～99%，表格显示为黄色，表示测试变速器在该种评价方式下处于临界范围；当QI值≥100%，表格显示为红色，表示测试不合格。

2.相对质量品质QI/R

QI/R=[（超过限值的能量/其对应限值）的总和/阶次分析仪中的相对阀值]×100%             （4）

跟QI评价方式类似，同样是拿超出部分的总能量进行运算，该种方式的优势在于能够发现一些超出总能量本身不是太大，但比限值高出幅度较大的情况。图15反馈的就是一个高频的金属摩擦，测试谱线超出限值的部分不多，且超出的总能量明显不是很高，也就是QI值不是很大。但其225阶附近能量高出限值相对较大，也就是该位置处超过限值的能量与其对应限值的比值较大，那么计算后的相对质量品质就比较大。QI/R的阀值调节方式与QI调节方式相同，而且最终测试结果评判标准也一致，绿色表格的QI/R=0～79%，相对质量品质合格、黄色表格的QI/R=80%～99%，相对质量品质处于临界水平、红色表格QI/R≥100%，相对质量品质不合格。

3.峰态Kurtosis

峰态又叫峰度、峰度系数，它主要针对时域信号（见图16）。峰度是描述总体中所有取值分布形态陡缓程度的统计量，若峰度值比较低的话，时域信号中就不会有加速度较大的那些尖锐部分。此评价方式中，分析仪针对变速器时域信号中多组数据分别计算峰度系数值，每组数据容量为n。然后分析仪统计峰度值超出分析仪给定限值范围的数据组数，通过跟分析仪允许的最大溢出个数比较后得出结论。该种评价方式对瞬时性的敲击及磕碰等比较敏感。

峰度以K表示，正态分布的峰度为3，计算峰度时以正态分布为参照，峰度数值越大，信号越不平缓。如图所示，一般时域信号有一些比较尖锐的峰出现时，峰态不合格的可能性就越大。

峰值图像（见图17）中的横坐标与时域信号中的横坐标一致，都是转数，但它的纵坐标为峰度值K。该图像中每组计算条数n设置的是256，最大溢出15个点，峰值K的限值设置的是4.5。该折线中的每个点都表示：在时域信号中转数与折线中的每个点对应的这一小段，它的256个点通过上面的峰度计算公式计算后的结果就是折线图中的纵坐标K值。下图中的“每组计算条数n”可以设置。在分析仪收集信号时点的总个数不变的情况下，n越大，折线图中点的个数越小。在其他设置不变的情况下，限值越小合格率越小、最大溢出量越小合格率越低，这两个值的设置也需要结合厂内出厂标准以及主机厂质量要求验证后进行调节。

结语

NVH下线一般还包括阶次自动计算模块及数据统计模块，要想让NVH检测仪器充分发挥它的价值，就需要多关注测试数据的准确性，另外需要对应不同箱型、不同客户需求以及售后数据等实时维护检测阀值。目前数字化转型已成为所有企业的共同使命，客户的认可度及工厂的自动化水平提高是我们应该努力的方向，汽车关键零部件甚至汽车总成下线检测技术也不得不迈上新的台阶。NVH下线检测技术终将全面替代传统检测方式，NVH下线检测技术的深入研究也是迫在眉睫。

参考资料

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