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基于阶比跟踪技术的叉车变速箱噪声源识别分析与应用 摘要 液力变运箱是大吨位内燃叉车的重要动力传递机构，萁曝声惶能是影响国 产大吨位内燃叉车产品质量的主要医素之一，开展丈吨位叉车液力变速箱自0 噪 声研究对于提升叉车茎车品质具有重要的工程意义。 阶比跟踪技术是旋转机械振动、曛声信号分析和故障诊断自重要技术适 用于变速箱噪声质量的诊断研究。自主开发出阶匕匕跟踪谱旦勺程亭。可为变速箱 的噪声研究提供一个有效自孽分析手段。 论文在对液力交逐箱自：结构和工仁原莲逆学研窆宦；基础上首先亳自霉设 计、搭建的叉车液力变速籍试验台上对液刀变运筵五不犀拦伫和不葡转运下的 振动、噪声信号逆行采集与分析得至! 鼍运箱亳吾和挡位i 暑j 噪声回归虚线。 进而选定了“前进二拦“作变运箱嗓声斫究醛重点。其次采用m a t l a b 编毒i 宦j 程序对变速箱噪声、振动进行阶比跟踪、频谱帮边频芳析。分析结果表躔渡力 变速箱的主要噪声是与液力变矩器同轴自卷轮啮台有关。通过变运箱拆截试验 验证了液力变速箱的主要噪声是由液力要矩器同轴自勺齿轮啮台不蠢造成。进而 又根据液力变矩器同轴的齿轮质量良好，最终得出液力变矩器和齿轮同轴的结 构问题导致的齿轮啮合不良。该分析结果对液力变矩器和齿轮同轴的结构改进 提供依据。 关键词：内燃叉车，液力变速箱，阶比跟踪谱，噪声源识别 i d e n t i n c a t i o n ，a n a l 、s i sa n da p p l i c a t i o no fn o i s es o u r c ei n f o r k l i f tg e a r b o xb a s e do no r d e rt r a c k i n g1 e c h n i q u e a b s t r a c t h y d r a u l j cg e a 南o xi sa ni m p o r t a md 小哇n gd e v i c e i t sn o i s eh a sa l w a 3 7 sb e e no n eo f m e m a i nf a c t o r st h a ta 氨：c tt h eq u a l i 哆o fd o m e s t i cl a 磐et o r m a 磐i n t e n l a lc o m b u s t i o nf o f 心谂 t r u c k t h e r e f 0 托i ti s 缸：p o r t a n t i m p r o v ot h eq u a l j 冬o ft 1 1 i sm a c h i n e o r d e rt r a c gt e c h n 0 1 0 婴i sn o to m 、 o n eo f h ei m p o t a n tt e c b n o j 。婴u s e di ni h e r o t a t i n gm a c 陆n e y 、7 i b r a 西o n n 。i s e s i 卯a la n 出y s i s a n df a u j ： d i a 9 1 1 0 s i s ? a l s o v e d 7 a p p r o p r i a t et o r e s e a r c ht h en o i s eo f 也。b y d r a u l i cg e a 而o x d e 、e j o p i n 呈2p 阳g 豫mt h a g e n e r a t e 。r d e r 仃a c k i n gs p e c 黝c a np r o v i d eae 菇c i e n ：a n a l 蜘c a jt 0 0 1f o r 。s e 2 - ：h i n g 也e n o i s eo ff o r 越浓g e 三内o x n l i sp a p e ! p r o 、。i d e sb o 也t h e o r e t i c a lb 2 s i s 南rn o i s 。a n a 】、r s i so f 由eh y d r a u l i cg e a r d 。x a n dt h en o i s er e 蓼e s s o rb i 曲ta td i f j f 色r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sv i as m d yt b es 1 l c t u ro f h y d r a u l i cg e 衲o x0 ra n a i y s i sm en o i s es i g i l a l c o l l e c t e di nt h eg e a r b o xt e s tb e n c h f u r t h e n n o r e ? c o n f i 工m i n gt h es e c o n dg e a rs p e e dm a r c hi so fm a g n i t u 出o fh y d r a u l i cg e a r b o x n o i s e a p p l i c a t i o n 也ep r o 笋a mg e n e r a t i n go m e rt r a c 醢n gs p e c m _ l mw h i c hw a sd e 、e l o p e db y m a t l a b ，a n a i y s i so r d e r 仃a c k i n 参靠e q u e n c ys p e c t m ma n ds i d e - 疔e q u e n c y d i a g n o s i n gt h a tt h e 醇a rm e s l l i n gi st h ep r i m a r yr e a s o na n dt h eg e a u ri so n 也ec o m m o na x i sw i t ht h et o r q u e c o n v e r t e r t h r o u 曲t h ed i s m o u m i n gh y d r a u l i cg e a r b o xt e s t ，i t sv e r i 矗e d 也a tt h eg e a r m e s b j n g ，w 场c hi s o nt h ec o m m o na x i s 谢t ht h et o r q u ec o n v e r t e r - i sr e s p o n s i b l ef o rt h e p r i m a 巧n o i s eo fh y d r a u 】i cg e a r b o x a n dt h eq u a l j t ) ，o ft h eg e a ri s i 1 1 g o o dc o n d i t i o n f i n a l l 弘i t sd e d u c e dt h a tt h ec o a x j a ls t n 】c n n eo ft o r q u ec o n v e r t e ra n d t h eg e a r1 e a d st ob a d g e a rm e s k n g i tp r o 访d e sa b a s i sf 研i m p r o v i n gt h ec 。a x i a 】s m 】c t u 陀。ft o r q u ec o n v e r t e r a n d t h eg e a r k e y w o r d s ：i i l t e n l a lc o 瑚【b u s t i o nf o r k l i 最t r u c k ，h y d r a u i i cg e a r b o x ， o r d e rt r a c n g s p e c t n n ：n ， n o i s es o u r c ei d e r l t i f i c a t i o n 表卜1 表2 1 表4 1 表5 一! 表5 2 表5 3 表5 4 表。一。 表6 1 表6 2 表格清单 欧盟噪声标准e n i s o 3 7 4 4 车外噪声限值3 变速箱内部各齿轮齿数、模数表6 非周期信号相关功能特性频谱窗口2 7 测量设各表3 1 传感器测点布置表3 】 变运箱兰侧冬工况嗓声有效筐3 2 全速；2 3 5 0 r d m ) 时前逆二拦各齿车二啮合龋辜和轴皂皇转频4 1 输入转速芫二37 3 r p m 前连二挡各齿轮啮台频率帮鞋自：转频 2 交运筹拆舒试验过程歹i 爱。4 4 溅点布置及通道之4 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图4 一l 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 一l o 图4 1 l 图4 1 2 图4 13 图4 1 4 图5 一l 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 7 插图清单 完整的变速箱5 液力变矩器安装图5 液力变速箱箱体内部齿轮传动机构5 液力变矩器和补油泵之间的齿轮传动机构6 安装摩擦片和齿轮轴6 齿轮轴在箱体内的布置6 齿轮嘘台的振动模型9 液力变运箱振弓：噪声传j 差路径。：3 液力要运箱试验鲁结构衙夔1 6 首次搭建自0 液力娈速笔试验皂：j6 改进后力三装隔振垫悬置的试验台16 新i e 试验台上变运箱侧璧振动比较。1 7 新旧试验台上变速箱噪声比较1 7 采用光电脉冲角度编码盘的硬件式阶比跟踪2 0 采用转速脉冲的硬件式阶比跟踪2 1 阶比跟踪重采样实现原理2 2 经典的计算阶比跟踪2 3 软硬件组合计算阶比跟踪实现原理2 3 基于d s p 方式实现的计算阶比跟踪2 4 可变曲线拟合的计算阶比蹂踪2 4 时域信号采集过程2 5 傅立叶变换测量流程2 6 自功率谱分析流程2 6 转速为7 5 0 r p m 时变速箱的自功率谱图2 8 转速为7 5 0 r p m 时变速箱的阶比谱图2 8 变速箱转速三维谱阵图2 9 变速箱阶比跟踪谱3 0 两路噪声信号频谱对比3 2 空挡变速箱噪声回归曲线3 5 前进一挡变速箱噪声回归蓝线3 5 前进二挡变速箱噪声回归曲线3 5 后退一挡变速箱噪声回归曲线3 6 后退二挡变速箱噪声回归曲线3 6 前进二挡测点3 谱阵图3 7 图5 8 图5 9 图5 1o 图5 一1 1 图5 一1 2 图5 13 图5 一1 4 图5 一! - 5 图5 1 6 图5 17 匿5 1 8 臣5 一19 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 一1 0 图6 1 1 图6 12 图6 一1 3 图6 1 4 图6 1 5 图6 16 图6 17 图6 1 8 图6 1 9 图6 2 0 图6 2 l 前进二挡测点3 阶比跟踪图3 7 前进二挡测点4 谱阵图3 7 前进二挡测点4 阶比跟踪图3 7 前进二挡溅点5 谱阵图3 7 前逛二挡测点5 阶比跟踩图。3 7 前进二挡测点6 谱阵图3 8 前进二挡测点6 阶比跟踪图。3 8 前进二挡测点7 谱阵图3 8 前进二挡测点7 阶匕跟踪图3 8 前进二挡测喜8 谱阵匿，3 q 前进二挡流点8 髟? 比跟踪蜜；3 前进二挡测点l 噪声普阵图4 0 前进二挡测点1 噪声趼比鼹躁谱4 0 全速前进二拦测点1 噪声与测点了振动频谱图4 1 全速前进二挡测点l 噪声l4 6 3 38 h z 的边频图4 2 仪器设备连线简图4 5 测试i 、测点1 转速三维谱阵4 5 测试i 、测点l 阶比跟踪谱4 5 测试i 、测点2 转速三维谱阵4 5 测试i 、测点2 阶比跟踪谱4 5 测试i 、测点3 转速三维谱阵4 6 测试i 、测点3 阶比跟踪谱4 6 测试i 、测点4 转速三维谱阵4 6 测试i 、测点4 阶比跟踪谱，4 6 测试i i 、测点1 转速三维谱阵4 6 测试i i 、测点1 阶比跟踪谱4 6 测试、测点2 转速三维谱阵4 6 测试i i 、测点2 阶比跟踪谱4 6 测试i i 、测点3 转速三维谱阵4 7 测试i i 、测点3 阶比跟踪谱4 7 测试i i 、测点4 转速三维谱阵4 7 测试i i 、测点4 阶比跟踪谱4 7 测试、测点l 转速三维谱阵4 7 测试、测点1 阶比跟踪谱4 7 测试、测点2 转速三维谱阵4 7 测试i 、测点2 阶比跟踪谱4 7 图6 2 2测试、 图6 2 3测试i i i 、 图6 2 4测试、 图6 2 5测试m 、 图6 2 6测试i 、 图6 2 7测试i 、 图6 2 8测试i 、 图6 2 9测试i i 、 图6 3 0沈试1 i 、 图6 3 l测试i i 、 图6 3 2测试、 匿6 3 3测试、 图6 3 4测试i 、 测点3 转速三维谱阵4 8 测点3 阶比跟踪谱4 8 测点4 转速三维谱阵4 8 测点4 阶比跟踪谱4 8 测点3 全速时振动测点频谱图4 9 测点1 全速时噪声频谱图4 9 测点1 全速时主要频率噪声边频分析图4 9 测点3 振动测点频谱图5 0 测点1 嗓吉频谱蜜5 0 测点l 主要频率噪声边频分析垦5 0 测点3 振动测点频谱图5 ( 测点：嗓声频谨匡5 1 测点! 主要频霉噪声边频绔析图5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得盒目曼王些盔堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 一螽曲亍 签字日期：2 djo 科月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金墼王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 金! 墨王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 豸曲季 j 签字吕期：2 0 加年7 月z 矿日 签字吕期：z o 胁年叶月z 矿日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师虢手乏之3 之么兰 签字日期：幽，哞z 月箝 ， 电话： 邮编： 致谢 本论文的研究和撰写，是在导师李忘远教援的悉，c 、才旨导和热情帮助下完成 的。从论文的选题、思路皂勺确定直至论文的完成，无不倾注着导师的一己、血。 三年来，李老师不仅以萁渊博的学识、严谨的治学态变、敏锐的学术洞察力平口 兢兢业业的工作精神使我在学术上受茎匪浅而呈言传身教，以其高尚的人格 教导学生做人的道理。筐此论文完成之际，谨向李老师三年来的辛勤培养和无 微不至的关怀表示最衷心的感谢和最崇高的敬惹。 这星还要特别感谢陆益民副羲援陆老9 雨勇于开拓龟i 新对予专业研烹有 着很深自：见解。陆老师左我碜研z 生学习期间绘予丁敦绍一、自j 指昙和帮助。 在此向陆老孵裹示衷心的感谢。 论天的竞成过程中还得型台肥工业万掌噪声与振动二程研究所酌许浜高 工、陈品老师、杨义老师、黄匿兴老师、阮掌云老师、石鸽娅老师等岛蒸心帮 助和指导在此也向他亿表示最诚挚的谢惹。 感谢师兄魏浩征博士、田红周硕士的指导和帮助还要感谢李静、汪家慰、 胡修稳、徐磊、叶华华、吴成业等同学及师弟师妹们对本论文研究工作所给予 的大力支持。 感谢叉车厂诸位工程师在科研工作中的真诚配合。感谢所有关，山、帮助我 的各位老师、同学和朋友。 最后感谢父母对我多年来孜孜不倦的教诲和养育之恩，感谢亲人对我的无 私关怀和付出。在此向他们深深鞠躬，他们的付出将激励我在人生的道路上不 断奋进! 岳峥 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论夕阿早目二 l 。】变速箱发展现状 变速箱是工程机械最重要的核心部件之一，在工程机械整机中的技术含量 也非常爵。交速箱的技术目前世界上主要有两大流派：一种是以德国采埃孚股 份公司和美国德纳公司为代表的定轾式箱。另一种是行星式变速箱。行星式变 运箱又务为我国目前广泛应用的箴单行至式知必卡特、小松为代表的复杂行星 式。我国目前使用的简单行星式只有两个行星排制造和维护相对窑易些，但 是存在着效军低、能耗高色；最点不符台节能薛琵自专要求。同时结构上也存在 着引起可靠佳差夏寿务短宫勺缺陷。篱苤于星式变这箱已经无注从根本二消除这 些链陷，丽复杂行星麦交蘧智素! 造难夏太大兀天运台我国的技术现状。采渗孚 箱不仅是世界一流水平自0 变运箱雨量适台我匡自三技术发展理状。垂庆有杭 前j 兰齿轮箱集匦段份有限。司引j 苎采埃孚蓑东基础，柳工机械股份有限幺毒与 采埃孚股份公司台资的技术基础同时又有广；：；三的使用、维护及配件基础。医 此中国目前新型变速箱技术主流方向，己经正在向采埃孚型方向发展。这个方 向发展电控箱的关键技术是微电脑控制的电液控制系统。其中最关键自；核心部 分是微处理器及电液控制阀。微处理器的研究经过最近几年我国主要传动部件 企业及主要主机企业与相关的大专院校、科研院所及相关微电子元件企业共同 努力，基本上获得了成功。中国自己的微处理器将会很快用于中国的高性能变 速箱上。电液控制阀关键在两个地方，一个是阀的本身，另一个是该阀所用的 高水平、高可靠性的电磁铁，目前也己基本攻关成功。不久的将来，我国新一 代变速箱将会诞生。 叉车作为工业车辆的典型代表，在工程机械中占有重要地位1 1 j 。变速箱是 叉车的核心部件，其性能的优劣对于叉车的整车性能有很大的影响。 目前国产叉车变速箱基本上都是在七八十年代引进日本t c 叉车技术的基 础上，开发成功的叉车变速箱。5 t 以下的小吨位叉车大多使用带同步器的机械 变速箱，5 t 以上的叉车基本上全是液力机械变速箱。目前国产小吨位叉车的市 场竞争力较强，但是大吨位叉车与国外的差距仍然较大。限制国产大吨位叉车 整车性能提高的一个重要原因就是，国产叉车液力交速箱性能不佳。 安徽合力5 1 0 t 内燃叉车配置的是合力自制带液力变矩器的液力变速箱。 这种液力变速箱也是在八十年代引进日本叉车的技术，经过自己消化吸收改进 而形成的产品。在对合力5 1o t 内燃叉车整车噪声分析后，发现合力自制的液 力变速箱对于内燃叉车的整车噪声贡献较大。因此需要对合力自制的液力变速 箱进行改进。 1 2 阶比跟踪分析技术发展现状f j 阶比跟踪分析技术是分析旋转机械非平稳振动中和转速相关的种育觳的 故障诊断技术，这种j 雯术通过在旋转机械升、降速的过程中振动、噪声信号的 变化来分析处理出机械设备的故障信唐、【3 。 国外对于阶比跟踪技术的酽究起步较早许多从事机械振动研究的大公司 和研究院旱已经研制成功了带有阶比跟踪分析技术的振动噪声分析仪。丹麦 b k 公司的0 r d e ra n a l y s i s t j p e7 7 0 2 是专用的旋转机械分析仪，它能区 分旋转振动昕产生的噪害、结构噪声和振动理象，可以确定临乒转运和共振， 可以兮板旋转机械的皇稳性，荠可：二i 恳时对嗓声和振动信号进行分析，实现高 转运跟踪的阶比分析。夏为普遗皂拿是善有阶比跟踪分析功能自：逗用动冬信号分 析f 之如荛虿a g i1 一：( 安捷伦) 公置宣三3 5 6 7 0 点型动态信号分析仪 j 美星迪 飞幺司( d a t ap h y s is ) 宣0a c e 动态信号分析仪。：塞些动态分析仪自：特点是： 除了具有传统信号分栌仪的时频j 析等功能，还包活了瀑布图、阶 l 二跟踪哥析 功能。另外美国n i ：垦家仪器) 公司的乙a t i ? i e w 有专用的的阶次分析的工具包 i5 | ，用户可以在l a b v i e w 这个平台上使黾这种阶次分析工具包来实现阶比跟踪 分析的功能。虽然国外自匀阶比跟踪分析仪器已经非常成熟的应用在工程实践中， 但是其价格较为昂贵。 国内对阶比跟踪分析相关技术的研究起步较晚，但是也取得了一些显著的 成绩。北京东方振动和噪声技术研究所成功开发出了含阶比分析功能的旋转机 械分析系统，该系统可以确定临界转速和共振，研究旋转机械的失稳性，可用 来辨别旋转机械振动所产生的噪声，结构噪声和振动现象。西交大、南京汽轮 机公司研制并开发出了含阶比分析的旋转机械分析系统。重庆大学测试中心设 计并研发了旋转机械的虚拟式阶比跟踪分析仪。源自浙江大学的杭州亿恒有限 公司也研制出了包含阶比跟踪分析功能的数据采集与信号分析仪。目前国内阶 比跟踪分析仪器的精度、准确性和实用性与国外的相比还有一定的差距，但是 差距在缩小。 作为旋转机械非稳态情况下振动、噪声信号分析的有效手段，阶比跟踪分 析技术被广泛的应用在发动机、齿轮箱、减速器等重要部件的振动、噪声研究 上。对于液力变速箱噪声源的诊断，阶比跟踪分析显然是一种非常适用的分析 手段。 1 3 本论文选题意义及主要的研究内容 1 3 1 课题来源及选题的意义 n v h ( n o i s e 、v i b r a t i o n 、h a r s h n e s s ) 性能指标，是指影响车辆乘坐和使 用环境舒适度的性能指标。在日益激烈的车辆产品竞争中，n v h 性能指标显得十 分重要。工业车辆在人类社会的经济生活中和工业发展中有着重要的作用，其 ， 中叉车是场地物流搬运作业自暑重要工具。它在实现场地物流机械化作业、减轻 工人搬运劳动强度、提高作业效窒等方面发挥着十分重要的作用。睫着工业车 辆的应用越来越普愿和人们对生活周边环境嗓声污染的愈来愈重视，世乒各国 对工业车辆的振动、嗓声排放提出了更高的要求。国外对内燃叉车正在积极推 行环保治理并且针对操作者健康专门颁布丁许多指令和标准，明确量化了叉 车的低噪声、低振动指标。如欧盟发布的欧盟噪声标准e n 工s 0 3 7 4 4 ( 成员国 关于户外机械设备环境噪声排放的一致性指令) 限制了终端配套设各( 三f ；道路 黾室外设备) 的噪声排於水平并于2 0 c ：年7 ，焉3 日起强制执亍其旨的是为协 调统一吾成员匿有关户外芎设各谗放皂：噪声标准、合格评定理事、收集有关环 境排放噪苣鼗携垒勺规定：指令中关子车外噪声隈僮的兵体趣定9 二表卜j 笋呈要 求各成员匡分再阶段实旋 引。 表卜1星；= 盟曝亩 示准三、j s o 3 ：乏 耋夕、嗪言隈崖 耋功至级水平 功率( k w ) 第一f ? 、段i2o | = 2 1 3 趁)第二阶段? 0 0 6 j 3 起j p 5 51 0 4d b f a )1 0 1d b ( a ) p 5 58 5 _ 1l1 9p 1 0 gd bf a )8 2 二ll 1gp 1 0 3d bi a ， 安徽台力集团公司紧跟国际叉车技术的最新进展，积极应对上述指令、法 规的挑战，在国内叉车行业中首开先河，率先开展叉车n v h 技术研究。合肥工业 大学机械与汽车工程学院受安徽合力股份有限公司( 以下简称合力) 的委托， 与其合作开展“内燃叉车n v h 研究”项目的研究工作。经过试验和样机整改， 使小吨位内燃叉车的整车声功率级较项目实施前大大减少，整车振动值和驾驶 员耳边噪声值等其它叉车n v h 性能也得到提高，较大地提高了合力小吨位内燃叉 车的n v h 品质。在对大吨位内燃车n v h 的研究过程中，经过对整车情况摸底、噪 声源分析、进气噪声分析、排气噪声分析、发动机隔振分析、方向盘振动分析、 人体振动分析后，发现合力大吨位内燃叉车中的自制液力变速箱的噪声是影响 整车噪声指标的重要因素。 小吨位内燃叉车变速箱多是带同步器的机械变速箱，而大吨位内燃叉车变 速箱基本上全是带液力变矩器的液力变速箱。安徽合力5 1 0 t 内燃叉车液力变速 箱是在八十年代引进日本t c m 叉车变速箱技术的基础上经过消化吸收而形成的 自主产品。目前国外大吨位叉车比国内大吨位叉车性能优良的最主要原因就是 其变速箱技术先进，而欧盟严格的振动噪声指令颁布实施所形成的技术壁垒又 要打破，因此合力自制液力变速箱改进对提高其大吨位内燃叉车的竞争力有重 要意义。 为了更好地测试分析液力变速箱的振动噪声产生机理，必须排除发动机、 抬升液压系统以及轮胎等其它振动与噪声的干扰。为此，需要设计专门用于液 力变速箱振动与噪声的试验台系统。以便于在液力变速箱试验台上对液力变速 箱各种工况下的振动嗓声信号进行采集。然后透过对采集到的液力变运箱振动 噪声信号进行分析来确定液力变速箱的主要噪声源。 在对液力变速箱不同工况下的振动噪声信号进行采集分析时必需要有信号 采集仪器。现有的信号处理采集仪器平孛类很多如有：美旨追飞公司( d a a p h y s i s ) 的4 遁道2 4 位d p f o t e n i i 的数据采集卡、杭州亿恒a v a n tm i 一7 0 0 8 、通 道信号采集器等。与d p f o t e 一i i 的数据采集卡相配套的r t p r o f h o t o n 信号务析 处理软件和杭州亿恒a v a n tm i 一7 0 0 8 自勺信号处理软件可以得至i 采集信号的频谱、 功率谱、互谱、相干分析等。但是对于变速箱的信号分析除了需要上述信号分 析功能外，还需要非常重要自0 转速三维谱阵分析莉阶比跟踪分析。r t p r o 孙o to j - ： 信号分析处理软_ 宇没有处理生成转速三缝谱阵和吖? 比跟踪谱的琏能。杭州亿惶 立v a n tm 工一7 0 ( 8 信号处理软件的阶比跟踪分扩功能需要势萎转运信苍嚣芝存信 号的同步采样。转速传感器的配置和专门进行的阶e i 二跟踪信号采集土i = 吾堰抓了 试验成本。那么针对变这箱试验台的吴位情况在现有设备条件自专羞础上如 果能够编制出不需要转速传愍器和其它硬件投入的阶比跟踪分析程序将对项目 进行有重要意义。 1 3 2 课题研究目的 本课题来源于安徽合力股份有限公司委托的“5 1o 吨位内燃叉车液力变速 箱噪声研究”项目。 液力变速箱是典型的旋转机械。对于液力变速箱噪声研究，阶比跟踪分析 是非常适用的分析手段。然而实验室现有的信号分析仪器不具备阶比分析的功 能，为了“5 1 0 吨位内燃叉车液力变速箱噪声研究”项目的进行，需要开发出 生成阶比跟踪谱的程序。最后运用阶比跟踪分析和已有的设备、手段识别液力 变速箱的噪声源。 课题研究目的归纳为以下两个主要方面： 1 、开发出阶比跟踪谱和转速三维谱阵程序，完善现有试验设备分析功能。 2 、应用阶比跟踪分析和已有的设备、手段识别液力变速箱的噪声源。 1 3 3 主要研究工作 阶比跟踪谱的程序编写和对大吨位内燃叉车液力变速箱噪声源的诊断是本 课题的主要研究工作，具体可按以下几点进行： 1 设计和搭建液力变速箱试验台。 2 研究阶比跟踪分析技术，编制出生成阶比跟踪谱的程序。 3 在液力变速箱试验台上对液力变速箱不同工况下的振动噪声信号进行采 集。运用分析软件和编制好的阶比跟踪谱、三维转速谱阵程序对液力变速箱 的振动、噪声信号进行分析，查找出液力变速箱的主要噪声源。 4 进行液力变速箱的拆卸试验，对液力变速箱的噪声源进行确认。 4 第二章液力变速箱结构分析 2 1 引言 本章首先对大吨位冈燃叉车的液力变速箱进行丁整体结构的分析。然后对 液力变速箱的工作原理和其内部齿轮的啮台传动情况连= f 亍了舟析。最后对液力 变速箱内部的齿轮、轴和轴荤振动、噪声的机理和特征进行了解并对液力变 速箱的振动噪声可能存在的传递路径进行了分析。 22 澉力变速箱的结构 叉车液力变速箱在结构上包括了液勺变j 毫籍筢体、渡力变笔器和 h 亡泵。 图2 一l 所示为完整的叉主液力变速箱圉! _ n 为液力变矩嚣肋实悻置装匣。 圈2 1 完整的变速箱图2 2 涟力变矩器安装图 液力变速辖内的齿轮传动结构实际上主要有两大部分： 一部分是液力变速箱箱体内部的齿轮传动机构，如图2 3 所示。它由固结在 一起的齿轮z l 和摩攘片组f 2 、齿轮z 2 和摩擦片组f l 、齿轮z j 和摩擦片组r 1 、齿 轮z 6 和摩擦片组r 2 以及定轴齿轮z 3 、z 4 、z 7 、z 8 组成。这部分的齿轮传动机构 的作用主要是实现变速箱空挡、前进一挡、前进二挡、后退一挡、后退二挡j 种挡位的变速功能。 另 连差矗! # 女 e 图2 3液力变速箱箱体内部齿轮传动机构 部分是液力变矩器和补油泵之间的齿轮传动机构，如图：；所示。它由 与变矩器同轴的齿轮z 9 、情轮z 1 0 、补油泵内的齿轮z 1 】、朴油泵由疃旨齿轮z 1 二 和z 1 3 组成。这部分齿轮传动机构的主要作用是实现对补油泵的动力输入。 图! 一；j e 刃巫缶三器私 l ；0 聂之曰日_ 齿轮传动棍构 正图：一3 、图2 4 甲显示出了液力变速箱固音仁所有的齿轮，表：一j 中歹l 出 了液z 变遮箱内部齿轮的齿数和攘数。 衰! 一i渡力变遮藉内部善齿轮齿数、模磐表 2 3 液力变速箱的工作原理及变速箱箱体内齿轮啮合情况 液力变速箱的变速功能是通过改变变速箱内部齿轮的传递路线来实现的。 齿轮传递路线的改变是通过控制油压来改变液力变速箱内部摩擦片的摩擦力来 实现。换挡的过程可以归纳如下：首先是油路的改变导致了油压的降低或者升 高，油压的变化将使摩擦片的摩擦力产生变化，摩拣力升高或者降低到一定程 度就改变了齿轮的传动路线，进而实现了变速。 圈2 5安装摩擦片和齿轮轴囤2 6齿轮轴在箱体内的布置 课题研究的液力变速箱换挡原理如下： 油路改燹 0 油压改变 毒 摩擦片间的摩擦力改变 齿轮系改变 传动比改变 液力变速箱一共有5 个挡位，则液力变速箱箱体内部齿轮的传递路线也有5 种。大吨位内燃叉车液力变速箱变速箱齿轮传动如图2 3 。 现在根据图2 3 ，对空挡、前进一挡、前进二挡、后退一挡、后退二挡5 种 二况下液力变速箱籍体内韶齿轮的传动路线进行阐述。 空挡时：油压很低，所有摩擦片缰摩擦力很低只有定轴齿轮z 3 与z 4 啮合， 动力只有输入没有没有输出。 前进一挡时：只有摩擦片组f 1 处油压无高，与摩擦片组f 1 对应自：莹轮z 2 变 成定轴齿轮。z 2 与z 8 啮合。则动力逶过z 2 一z 8 输出。 前进二挡时：只有摩擦片组f 2 处油压升高，与摩擦片组f 2 对应的齿轮z 1 变 成定轴齿轮，z l 与z 7 啮合。则动力通过z 卜z 7 输出。 后退一挡时：只有摩擦片组r 1 处油压升高，与摩擦片组r 1 对应的齿轮z 5 变 成定轴齿轮，z 5 与z 8 啮合。则动力通过z 3 一z 4 一z 5 一z 8 输出。 后退二挡时：只有摩擦片组r 2 处油压升高，与摩擦片组r 2 对应的齿轮z 6 变 成定轴齿轮，z 6 与z 7 啮合。则动力通过z 3 一z 4 一z 6 一z 7 输出。 对液力变速箱5 种工况下，变速箱箱体内齿轮啮合和动力传递路路线可归纳 如下： 1 、空挡啮合齿轮：z 3 一z 4动力传递路线：无动力输出 2 、前进一挡啮合齿轮：z 3 一z 4 、z 2 一z 8 动力传递路线：z 2 一z 8 3 、前进二挡啮合齿轮：z 3 一z 4 、z 卜z 7 动力传递路线：z 卜z 7 4 、后退一挡啮合齿轮：z 3 一z 4 、z 5 一z 8 动力传递路线：z 3 一z 4 一z 5 一z 8 5 、后退二挡啮合齿轮：z 3 一z 4 、z 6 一z 7 动力传递路线：z 3 一z 4 一z 6 2 7 2 4 液力变矩器和补油泵之间齿轮啮合情况及其功用 液力变矩器不仅在发动机和变速箱之间起着耦合作用，还具有变矩的作用。 它靠液体与叶片相互作用产生动量矩的变化来传递扭矩。液力变矩器具有固定 的导轮，导轮对液体的导流作用使液力变矩器输出的扭矩产生变化，起到变矩 的作用。另外液力变矩器还为液力变速箱外接的补油泵提供动力输入。 在液力变矩器与补油泵之间存在着一个齿轮系，液力变矩器的一部分动力 则是通过这个齿轮传递路线给补油泵提供了动力输入。根据图2 4 ，补油泵的动 力传递路线如下： 变矩器齿轮z 9 ， 惰车2 2 1 0 补油泵传动齿轮z l1 补油泵内啮合主动齿轮z 1 2 l ， 补油泵内啮台被动齿轮z 1 3 其中z 9 与z 1o 啮合、z 1o 与z n 啮合、z 12 与z 】3 内啮合。 2 5 液力变速箱主要零件的振动、噪声分析 派力变运箱内专：自：主要零件皂括齿轮、轴、轴承、箱体、紧固件、；三羹。 变速箱晓都零件的嗓声主要有齿辜2 噪声、轴承噪声和派压系统噪声。对液力变 速箱嗓声源的诊断就是要分鸷出在不同工况下其内部导致主要噪言自冬结构和零 件。由于在我国叉车生产中，液压系统都是赡买其它企业生产的成品组件，因 此在本文的工作中对液压系统的噪声不进行深入的研究。于是齿轮和轴承的 噪声是变速箱噪声源查找的重要关注点。对齿轮和轴承的振动、噪声杌理与特 征分析是进行液力变运箱噪声源诊断的重要工作。 2 5 1 齿轮的振动、噪声分析 2 5 1 1 齿轮的振动、噪声机理 一对齿轮在啮合过程中，当齿轮的重合度小于2 时，在啮合过程中啮合的齿 数由一对变成两对，又由两对变成一对，形成单双齿啮合交替变化。单双齿的 交替变化也就形成了周期性冲击，这就是齿轮啮合振动。齿轮在加工、安装和 使用过程中难免会产生各种缺陷，如轮齿出现裂纹、齿面疲劳、磨损、划痕， 以及齿轮分度不均、质量不平衡、安装不对中等，这些缺陷会导致轮齿接触面 的负荷发生变化，齿轮啮合冲击所引起的激振力发生变化。例如，当一个轮齿 表面出现剥落，齿轮每旋转一周，缺陷齿在啮合时就会产生一个振动激励。这 个振动激励对齿轮的啮合有不良的影响，会使齿轮啮合振幅发生变化，这种现 象称为调幅。另外，齿轮缺陷还可能会导致轮齿的刚度变化，例如当齿轮有裂 纹时，除了会导致振动的幅度变大外，还会导致相位产生变化，发生调频现象。 大部分的齿轮缺陷既产生调频又产生调幅，调频与调幅统称为调制汨3 。 根据单双齿啮合交替变化形成的周期性冲击以及齿轮加工、安装及使用过 程中不可避免地会产生各种缺陷的因素，可以将一对正常啮合传动的齿轮副当 成这样的物理模型：主动齿面为一个存在误差的刚性凸轮，从动齿轮为一个质 量、弹簧、阻尼振动系统，如图2 7 所示。根据动力学分析可以得到如下的数学 模型2 钉： 图：7 齿轮啮合的振动模型 沁一 一k t t 、x = k l 、) e i 又i f ) e 2 ( t ) 式中：x 一沿啮台绫上齿轮e j 相对位移 m 一齿轮携算质量 c 一齿轮曦台隰尼 k ( f ) 一齿轮噬台同4 度 e 一齿轮受载后的平均变形 ，f f ) 一齿轮误差或故障造成的两轮间的相对位移； 啮合齿轮件的相对位移，也称为故障函数。 或是其e 故障引起的 由式( 2 一1 ) 可知，齿轮的振动为自激振动，公式左端代表齿轮副本身的振 动特征，右端为激振函数。由激振函数可以看出，齿轮的振源来源于两部分： 一部分为常规振动部分k ( ，) 丘，是由正常的交变载荷引起的振动， 与齿轮误差和故障无关；另一部分k ( f ) e ，( f ) ，它取决于齿轮齿形加工误差的综 合刚度k ( f ) 和故障函数e ( r ) 。这一部分可以较好的解释齿轮信号中边频存在及 它们与故障的关系。 设】，( 丁) = k g ( 厂) 三g ( 丁) = 世( 丁) 丘( r ) ，则船( ，) 为载波信号，它包含了齿轮啮 合频率及其高次谐波；g ( 丁) 为调制信号，反映了齿轮本身的误差和故障情况 以及其它零部件故障引起的齿轮传动误差情况，由于齿轮周而复始地运转，所 以齿轮每转一周变化一次，e 6 ( 丁) 包含齿轮所在轴的转频及其高次谐波。 在时域上 y ( ，) = k g ( 丁) 三g ( 丁) ( 2 2 ) 在频域上 s ( f ) = s 。( f ) 宰s ( f ) ( 2 3 ) 式中s ，( f ) 、又( f ) 和畦( f ) 分别为y ( 丁) 、k g ( r ) 和g 叮) 的频谱，车表 示卷积。由于在时域上载波信号足g ( r ) 和调制信号e 6 ( ，) 相乘，在频谱上调制 的效果相当于它们幅值频谱的卷积。即近似于一组频率间隔较大的咏冲函数和 一组频率间隔较小的脉冲函数的卷积，从而在频谱上形成若干个以啮合频率及 其倍频成分为中心，间隔为转频及其倍频的边频带，调制频率和载波频率都与 转速有关们。 9 兰争足 2 5 1 2 齿轮自勺振动、噪声频率的计算川 根据对齿轮噪声形成原茵的分析和实际齿轮噪声频谱的分析。发现齿轮振 动与噪声通常包括以下几种频率成份。 1 轴的回转频率 ，= 云f ( h z j 4 j 式中，”一轴的转速，r m i n ； f 一频率皂皇谐波，f = 1 ，2 ，3 。 当轴或齿轮有偏心时，都可能弓；趋与此频塞有关的固豢性噪声。呈大多鼗 属亍低频噪声。 2 啮台频率。 定轱系中。齿轮自勺啮台频率计算公式为： 厂7 ：尘堡， ( h zj ( 二一5 ) ，= 一，l n z l 二一0j 。 6 0 式中，z 一齿轮齿数。 对于有固定齿圈的行星轮系，箕啮合频率的计算公式： 厶：三! ! ：兰型f( h z )( 2 6 ) ，7 一一 、j j 厶、二u - 6 0 式中，：，一一任一参考齿轮的齿数； 玎，一一参考齿轮的转速( 转分，r 珈i n ) ； 力。一一转臂的回转速度( 转分，r m in ) ，方向相反时取正号。 由式( 2 5 ) 可知，在相互啮合的齿轮对中，两个齿轮的啮合频率是相同的。 当齿轮的转速变化时，啮合频率也随之改变，并随着转速的升高，啮合频率频 率增加，齿轮噪声增大。此外，齿轮的啮合频率还往往呈二次、三次等高次谐 波出现在频谱上。值得注意的是，齿轮噪声随着转速增加而增加，但不是普通 的线性关系。转速越高，噪声随着转速升高而上升的越缓慢。齿轮的线速度从 变化到材：，而相应的转速从码变化到，7 ：，所产生的声压级从厶变化到厶，两者 的差值为： 址= 厶一厶= 2 0 1 9 堡= 2 0 1 9 旦 ( 分贝) ( 2 7 ) l，z l 从式( 2 7 ) 可以看出转速越高，齿轮噪声的声压级越大。 齿轮噪声的频率以中高频为主，一般集中在频率5 0 0 5 0 0 0 h z 范围内。由 于齿轮轮齿不可避免地存在着基节误差与齿轮误差，而不能平稳地运转，产生 1 0 齿面冲击故引起与啮合频率相对应的齿轮噪声圜此大多数齿轮嗓声频谱在 齿轮啮合频率厂；附近会出现嗓声尖峰。 当齿轮安装有较大偏心量时，噬合频率还往往伴有上、下边频带。这些边 频是由子轴的回转频率f 与齿轮啮台频壅厂，相互调制而产生的。 上边频带= f c ( 2 8 ) 下边频带疋= f f i 2 9 ) 有时在频谱上还会出现二次边频( f 2f ) 甚至更高的边频带。 2 5 2 辖承的振动、嗓声分析 不同类型的轻承产生的振动零= ! 噪声大小不同污动辖云比滚动鞋毒：宴专冈i 性 好阻尼大，产生噪害较0 、。对于争p 径车二孑。径相同、制造精安一样宦之滚动轻承 在理论上，滚珠个势越多，越接芒亍淆动鞠承：僵滑动耋璺季蘸乏润滑时就成 为摩擦噪声源。 ( 一)复合材料滚动轴霞自冬噪声j 墨。耀。钆 滚动轴承的嗓声是由亍各个零件( 内圈、外圈、滚动体和保持架) 的振动 相互碰撞所产生的。轴承受到载荷作用时，由子各零件的弹性发生周期性的变 化，其弹性变形也周期性变化，由此弓；起结构自专振动。轴承零件振动引起的噪 声可分为两类：由空气激励产生的噪声及结构