動力總成NVH問題及分析手段概述

最新 06-08

動力總成振動雜訊性能分析主要包括以下四個方面：發動機振動雜訊、發動機輪系/帶系/閥系的振動雜訊、變速箱振動雜訊和離合器性能評價。

1. 發動機振動雜訊

對於動力總成而言，最基本的評價就是發動機的振動雜訊評價。跟整車一樣，需要對一些目標進行評價。如發動機振動雜訊主要的階次分量分布是什麼樣的，各階次是否正常等情況，分析手段也是基本的方法，如頻譜分析、階次分析和倍頻程分析等。

除了常規分析之外，發動機還有心理聲學指標，但它的心理聲學指標跟整車的心理聲學指標不一樣，整車主要考慮的是語言清晰度，而發動機主要考慮的是粗糙度。對於4缸4衝程發動機而言，主要的激勵階次是2，4，6，8等階次，除了這些階次之外，還存在半階次。對於每一個缸而言，它的點火階次是半階次，雖然半階次的能量沒有主要的激勵階次2，4，6，8等階次大，但它還是存在的。半階次的存在在某些特定轉速下，如怠速時，半階次與整數階次的頻率相差是比較小的，二者頻率挨的比較近。一旦頻率挨得很近時，雜訊信號就有一個非常典型的現象是所謂的拍頻。拍頻狀態的雜訊表現是聲音忽高忽低（幅值波動），但人耳是分辨不出來這種頻差的。當這兩個頻率挨得比較近時，又分到底是非常近，還是比較近，還是完全分開等情況。當完全分開時，聽起來是兩個完全不同的聲音（兩個純音），比較近時，表現出來的就是所謂的粗糙度，而特別近時，表現出來的是聲音的波動，如下圖所示。而對於發動機而言，兩個聲音的頻率是屬於比較近這種情況，但又不會特別近。當兩個頻率相差15Hz以上表現為粗糙度，15Hz以內時，表現為波動性。對於發動機而言，表現的是粗糙度。

發動機工作時，向外輻射的雜訊有多大，則需要通過測量發動機的聲功率來進行評價。由於輻射雜訊與發動機表面振動相關，與振動速度的平方成正比。因此，減少發動機表面振動是減少雜訊輻射的有效方法之一。而對於評價發動機輻射的聲功率通常按SAE推薦的發動機雜訊測量標準J1074進行。

對於發動機的振動雜訊而言，除了頻域的分析之外，還可能需要角度域分析，角度域分析是發動機特性的反映。對於一個4衝程發動機而言，它有進氣、壓縮、點火和排氣4個過程。在不同的過程中，發動機不同的零部件將工作，進氣的時候是進氣門開啟，開啟到一定程度，在壓縮之前，進氣門會關閉。進氣門關閉那個事件對應的是進氣門氣閥落座，壓縮之後是點火，點火必然產生衝擊，衝擊引起缸壁振動，從而輻射燃燒雜訊，而氣閥落座產生的是機械雜訊。點火之後是排氣，排氣時排氣門打開，那麼排氣時又將產生排氣雜訊。因此，在各個事件發生時，可以分離出來各個位置對應的振動雜訊表現，這個單單從時域信號上是分離不出來的。而這個分離工作就需要用到角度域分析，跟發動機工作周期是相關的。

使用角度域分析可以分離出活塞撞擊聲。活塞撞擊，敲打缸壁，主要是上行快到上止點時和下行上止點剛過的時候發生，對應的是活塞往上沖和往下抽，這兩個動作撞擊最明顯，那麼使用角度域分析可以把它分離出來，來評價各個轉速、各個工況，不同發動機，不同缸之間活塞撞擊產生的振動雜訊。所以對於發動機而言，角度域分析是有別於常規的整車或進排氣的分析，它們都不做角度域分析，但對發動機而言，角度域分析是一個秘密武器。

對於發動機分析而言，還需要考慮扭振，扭振會引起一系列的問題。扭振概念提出來是源自於船用柴油機，船用柴油機需要進行扭振校核。扭轉振動反映的是動態應變，產生了動態的剪切應力，這種動態的扭轉剪切應力不同於靜態剪切應力，動態剪切應力時間長了之後，會使旋轉軸產生疲勞損傷，因此，這是一個漸變的過程。如果曲軸產生了疲勞損傷，則會造成曲軸斷裂。曲軸斷裂是不可想像的，因此，為了防止曲軸斷裂，通常曲軸輸出端有個扭振減振器。它的作用是減輕曲軸的剪切疲勞損傷，不會發生斷裂現象。

除了以上分析之外，發動機還需要做雜訊源識別。主要通過內場雜訊源識別方法來進行雜訊源識別。對於發動機的雜訊分析手段，其實前面已經講過了有角度域、頻域和時域的方法。雜訊源識別的意義主要有兩個方面：一是一種快速的識別方法，而前面所講的分析方法則要求有一定的經驗，有一定的輔助設備，而發動機雜訊源識別往發動機前「一照」，就可快速地獲得雜訊分布雲圖，就清楚雜訊源是發動機什麼部位了。二是發動機雜訊源識別對於異響判斷是有幫助的，異響是指目前這個產品出現了之前產品沒有出現的聲音。由於異響之前沒有出現過，只能藉助經驗去判斷，因為以前從來沒有遇到過這個問題。比如出現很高頻的雜訊，人的主觀感受很難受，以前從來沒有遇到過，所以很難判斷。一般來說，異響頻率都是比較高的。對於發動機而言，我們通常說的2，4，6，8階次，頻率都是比較低的，那麼對於異響而言，發動機雜訊源識別提供了一個分析工具。

因此，綜合來說對於發動機振動雜訊，需要用到常規的頻域處理手段，心理聲學指標評價、扭振分析、角度域分析和雜訊源識別等手段，如下圖所示。

2. 發動機輪系/帶系/閥系振動雜訊

發動機還存在輪系、帶系和閥系，常規的NVH分析手段肯定是必須的。對於輪系而言，有皮帶輪減振器，對扭振起到減振的作用。對於帶系而言，需要評價發動機曲軸與凸輪軸之間有沒有正時，通過皮帶傳遞的時候，傳遞精度夠不夠。因為特別對於正時而言，精度差一點，正時就不準確了。所謂的正時，就是指各個部件該幹什麼的時候就幹什麼。如果正時不準確，當下達指令時，反應不過來，那麼發動機的性能肯定就不夠理想。所以，對於帶系而言，主要評價它的傳遞精度和傳動比。比方現在要求得到600RPM，但實際得到的是598或602RPM，在不在允許範圍之內。這都有一個設計指標，要保證傳遞在允許範圍之內。另外，皮帶還存在跳動的可能性，如果皮帶跳動很厲害，必然傳遞精度要下降，所以，要對帶系進行這方面的評價。

前面講到對發動機需要進行角度域分析，同樣對閥系也需要用到角度域分析。閥系主要是氣門，對應氣門的開關。氣門什麼時候開，什麼時候關與發動機的工作要求是相關的。那麼怎麼通過機械的方式來控制工作要求對應的氣閥的開與關這個過程呢？這就是凸輪軸和凸輪要完成的工作，通過凸輪的修形來排查氣閥什麼時候開與關，對應氣閥升溫曲線。氣閥升溫曲線在設計的時候，凸輪的修形對氣閥升溫是有理論曲線的。達到這個理論曲線，可以保證氣閥開啟與關閉完全是正常的。配氣機構轉起來以後，它不是完全剛性的，存在彈性變形，因而表現出來不像是理論曲線那麼完美，所以，氣閥升溫曲線存在波動。那麼這個波動需要控制在一定範圍之內，如果波動太大，那麼對於控制氣閥開啟與關閉的時刻與位置都不精確了，那麼必將影響發動機的性能。所以，同樣地閥系也需要進行角度域分析。

3. 變速箱振動雜訊

對於變速箱分析而言，常規的手段，如頻譜分析，倍頻程分析是不可少的。除此之外，還有階次跟蹤。之前一直沒有講階次跟蹤，發動機，整車NVH都不需要做階次跟蹤。但變速箱必須要做階次跟蹤，階次跟蹤與階次分析完全是兩個概念，階次分析是頻域的，階次跟蹤是階次域的。階次分析要把各個階次單獨拿出來分析，如4缸4衝程發動機的2，4，6，8等階次。而階次跟蹤是要時刻跟蹤轉速，做角度域的重採樣，保證階次分析特性得到的結果不受變工況頻率混疊的影響。

對於變速箱而言，變速箱對應的階次是比較高的，因為齒輪的齒數比較多。假如輸入軸上的齒輪有20個齒，那麼，對應的階次則是20階次（跟蹤輸入軸）。如果輸入軸的轉速是3000rpm，那麼這個齒輪的嚙合頻率是1000Hz。在同樣時間長度內，如果信號頻率很低，可以認為幅值變化不是太大，但對於一個高頻信號，幅值變化是很明顯的。除了幅值變化之外，還有頻率變化，假設一秒之內，低頻2階100Hz可能變化到102Hz，只有2Hz的差別；假如高頻1000Hz可能變化到1020Hz，這個時候變化的頻率有20Hz。但在這個時間之內，除了這兩個頻率成分之外，還有1000~1020之間的頻率成分，因為信號一直在變化，是從1000變化到1020Hz，也就是說一秒鐘的時域信號裡面包含了很多頻率成分，而實際上這個信號變化過程中任一時刻永遠只有一個頻率，這個頻率對應發動機曲軸轉速頻率的20倍頻。在這個過程中，永遠是它的20倍頻，只不過從頻率上看是變化的，但實際上在任何時候只有一個頻率，就是發動機轉速的20倍頻。

那如何解決這個問題，使它符合實際的情況呢？這就是角度域重採樣的問題，什麼是角度域重採樣呢？也就是所謂的等角度採樣，我們常規的採樣是等時間採樣，采兩點的時間間隔是相等的。但對於旋轉機械而言，如仍按等時間採樣，那麼低轉速轉一圈採樣點數很多，而在高轉速下轉一圈採樣點數會很少，有可能轉一圈都采不到一個點。那麼這時就不能正確地描述信號了。如果採用等角度採樣，不管轉速高低，轉一圈採集的點數始終是相同的。

對等角度採樣的時域信號作FFT得到的結果橫軸不再是Hz了，而是階次，也就是所謂的階次域。那麼做完FFT之後得到的結果，假如信號只是20階次，那麼就只有一條階次線，而不像頻域FFT，在1000~1020Hz以內的頻率成分都有。因此，這就避免了頻域分析時，出現所謂的頻率混淆現象。

通過角度域的數字重採樣解決了頻率混淆問題，這其實就是所謂的階次跟蹤。因為時刻跟蹤轉速，那麼它的目的是什麼呢？我們知道，階次分析時，存在一個階次帶寬，假如想關心到100階次，那麼一圈要采200個數據點，假設轉速為600rpm，對應的轉速為10Hz，如果分析到100階次，那麼對應的頻率為1000Hz，這時要求採樣頻率為2000Hz，在600轉時採樣率為2000Hz，那麼到6000轉時，採樣率則變成了20000Hz。因此，跟蹤轉速是為了時刻調整採樣頻率。但實質上原始還是等時間採樣的，但後處理是抽樣以實現等角度採樣。原始採樣率是很高的，在低轉速時採樣點過多，需要抽點。一旦固定採樣的帶寬確定以後，那麼最大的分析階次帶寬也隨之確定了，這兩個是相關聯的。最高轉速除以60，也就是你的最大帶寬，因此，最大的分析階次帶寬也就知道了。要保證最高轉速時，前面設置的固定採樣的帶寬還夠，那麼低轉速下採樣點肯定會更多，因此，重採樣時只需抽樣即可，因為對於低轉速不需要那麼多數據點。抽樣完成之後，就變成了等角度採樣，得到角度域的數據，再做FFT得到階次域的結果，這也就是階次跟蹤。對於變速箱而言，一般是需要階次跟蹤的，否則，變速箱裡面的倍頻，特別是高頻段是很模糊的。在三維頻譜圖裡面，轉速越高，頻率混淆越明顯，即變速箱高階次是譜帶，不是譜線，相當於能量泄漏到旁邊的譜線上了，如下圖所示，在高頻段階次線很模糊，但在階次域中高階次還是一條條垂直橫軸的階次線。

變速箱NVH問題分析經常還要用的分析手段是包絡解調和倒譜分析。包絡解調和倒譜的概念其實跟我們前面講的發動機粗糙度的原理基本上是一樣的。在一對齒輪上，如果這兩個嚙合的齒輪齒數不等，那麼兩根軸的轉頻必然不等。但它們的嚙合頻率是相等的，等於各自的齒數乘以各自的轉頻。如果正常的話，在頻譜圖上只有嚙合頻率，但是通常除了嚙合頻率之外，在嚙合頻率附近還存在很多邊頻帶。這跟我們之前所講的頻率混淆是兩個不同的概念。在這齒輪是穩態定速旋轉，而之前轉速是瞬變的。

在這種情況下產生產生邊頻帶主要有兩種原因。一種是由安裝不對中引起的。不對中將產生偏心，從而產生一倍頻。這個一倍頻會出現在中心嚙合頻率的邊頻帶上。假如中心頻率為20階，那麼這時會出現16，17，18，19以及21，22，23，24等間隔為1階的邊頻帶（可能還會存在更多邊頻帶）。在時域信號上，會出現所謂的包絡現象。另一種原因是齒輪變形，理想的齒輪是圓形的，但如果齒輪變成了隨圓，那麼將出現2倍頻的邊頻帶。在信號裡面除了基頻，2倍頻之外還存在調製頻率。這個調製頻率對應的就是軸的轉頻，如果知道了調製頻率，就清楚地知道了這個齒輪幅裡面是哪個齒輪出現了故障（不對中，缺齒或剝落等故障）。由於兩根軸的轉頻不一樣，因此，調製頻率為其中一根軸的轉頻，也就確定了故障所在的齒輪。這種現象叫調製，對幅值進行調節，時大時小，即調幅。這個現象是調製，測量的信號發現是有這個問題，但包絡解調又是什麼呢？通過對測量信號進行分析，確定到底是哪個軸上的齒輪存在故障，這個過程叫包絡解調。也就是把幅值的包絡曲線提取出來，對這個包絡曲線進行FFT分析，得到調製頻率，也就是對應哪個軸的轉頻。

那倒譜又是幹什麼用的呢？倒譜很簡單，將時域信號得到的頻譜再做一次頻譜，第一次得到的頻譜是有規律的，因為存在邊頻帶。假設仍然是上次那個信號，那麼存在的邊頻帶間隔為1階次，對這個頻譜再做頻譜分析，那麼橫軸便變成了時間，通常單位為毫秒，假如在20ms處有峰值，那麼對應的頻率為50Hz，50Hz對應的轉速為3000，看哪個軸是這個轉速，那就說明那個軸存在故障。

4. 離合器性能評價

扭振對應的載荷是扭矩，發動機扭矩輸出到離合器、再到變速箱。在離合器這個地方，它要把扭矩動態波動變小，因此，離合器有一定的阻尼效應。比方對於常規的線振動，為了減輕發動機引起的振動，通常是通過懸置來降低傳遞到車身的線振動。對於扭轉振動，扭振減振器通過離合器剛度和阻尼等參數的調整，使得扭轉方向的振動比較少地傳遞到後面的變速箱，驅動軸等。因此，離合器能降低曲軸產生的扭振傳遞到後面的動力系統中去。在一些高級車上，不只是通過一個簡單的離合器，會用具有一些特徵的離合器，如濕-濕離合器或雙質量飛輪，這些特殊的離合器的作用就是保證曲軸產生的扭振逝去的更多，輸出的扭矩更平穩，後面產生的NVH問題更少。

發動機扭振的評價通常是在皮帶輪位置和發動機輸出端（飛輪位置）位置。對於離合器而言，則需要評價離合器前與離合器後，也就是一邊是飛輪端，一邊是變速器端，看兩邊轉速的波動、扭矩的變化，通過前後兩端的變化來評價離合器的減振，剛度和阻尼是否合適。但本質上又相矛盾，如果離合器單純為了減少扭轉振動，會造成扭矩輸出能量變小。但如果扭矩不作改動地輸出，那麼扭振又會是個麻煩事。因此，對於離合器設計而言，也是一個妥協的過程，調節剛度和阻尼，既要保證扭矩輸出能量沒有太多的衰減，又要保證扭振控制在一定水平之內。因此，這是離合器要做的測試。