（机械设计及理论专业论文）汽车变速箱在线性能检测及声振控制的应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着设备向着高速度、高功率、高可靠性、大型化的方向发展和人们物质 文化生活水平的不断提高，机器设各、交通运输工具和家用电器的数量日益增多， 噪声问题也越来越严重，噪声污染已成为当代世界性的问题。 诊断齿轮故障的方法较多，但普遍认为振动和噪声诊断是非常有前途的方 法。因为振动是齿轮传动的一种属性，当齿轮发生故障时，其振动和噪声的大小 及形态将会随之发生变化，因而齿轮的振动和噪声信号中含有丰富的故障信息， 借助于各种振动和噪声检测仪器，可较方便地采集分析其信号，提取故障特征信 息，在不停机、不解体的情况下，就能对变速箱的运行状态和故障的原因、部位 以及劣化程度比较清楚，从而提高了变速箱的出厂质量；改善了汽车的性能；为 设备的正常运行及视情维修提供较充分的依据；在生产和设各维修中获得显著的 经济效益。同时我国汽车行业也增强自身的竞争力；为打入国际市场提供了有力 的技术支持。 首先，本文阐述了声振的基本概念及其测量方法，并针对汽车变速箱分析 了噪声产生的机理及控制方法；以及研究了声振控制所用到的一些信号处理方 法；完善了以振动评价噪声的方法；并在“汽车变速箱性能检测系统中”进行了 应用；随后，以中国一汽变速箱厂生产的某型号变速箱为背景，融合声振诊断及 信号处理的相关方法，开发研制了“汽车变速箱性能检测系统”。该系统是集测 试、实时监测显示、报警、信号分析、诊断于一体的综合监测系统。本文介绍了 测试系统的设计方案，详细论述软件系统面向对象的分析和设计过程，并就软件 系统中存在的并发性问题提出了相应的解决方案。最后介绍了本系统在汽车变速 箱生产线上的应用。 关键词：故障诊断：噪声；振动；声压级；性能检测；面向对象 大连理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t l le q u i p m e n t sd e v e l o p m e n tt o w a r d sh i g h s p e e d h i g h p o w e r , h i g h s t a b i l i z a t i o na n dl a r g e - s c a l ea n di m p r o v e m e n to fm a t e r i a lc u l t u r el i v i n gs t a n d a r d , v e h i c l e s ，m o r ea n dm o r em a c h i n ee q u i p m e n t ，h o u s e h o l de l e c t r i ca p p l i a n c e sa r ep u t i n t ou s e m e a n w h i l et h en o i s eo f p r o b l e m i sg e e i n gm o r es e r i o u s n o i s ep o l l u t i o nh a s b e c o m e saw o r l d - w i d ep r o b l e m n o w a d a y s t h e r ea r em a n y w a y s t od i a g n o s ef a u l to f g e a r , b u tv i b r a t i o na n d n o i s e d i a g n o s i s a r eg e n e r a l l yc o n s i d e r e dm o s tp r o m i s i n gm e t h o d v i b r a t i o ni st h ea t t r i b u t eo f g e a r t r a n s m i s s i o n ，a n dw h e nf a u l to c c u r st og e a r , t h es i z ea n ds h a p eo f v i b r a t i o na n dn o i s e o fg e a rw i l lv a r y s ot h es i g n a lo fv i b r a t i o na n dn o i s eo fg e a ri n c l u d eo fl o t so f i n f o r m a t i o n u s i n gav a r i e t yo f m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t so fv i b r a t i o na n dn o i s e ，w e c a ne a s i l yg a t h e ra n da n a l y z et h es i g n a l ，a n de x t r a c tt h ef e a t u r eo ff a u l ti n f o r m a t i o n w i t h o u ts t o p p i n ga n dd i s a s s e m b l i n g ，t h en m n i n gs t a t ea n dt h er e a s o n ，p o s i t i o n ，a n d d a m a g e dd i s a g r e eo ff a u l tc a nb ed i s c o v e r e dc l e a r l y a c c o r d i n g l y , t h eq u a l i t yo f g e a r b o x i sp r o m o t e d ；t h ep e r f o r m a n c eo fa u t o m o b i l ei si m p r o v e d ；r u n n i n g o r d e r l ya n d c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c eo f e q u i p m e n t sa r eg i v e np l e n t yo fc a u s e ，s 0r e m a r k a b l e e c o n o m i cb e n e f i t sa r eg a i n e di np r o d u c i n ga n de q u i p m e n tm a i n t e n a n c e a tt h es a m e t i m e ，t h ec o m p e t i t i v ea b i l i t y f o r t h en a t i o n a la u t o m o b i l e p r o d u c t s i s e n h a n c e d ； t e c h n i q u es u p p o r t i ss u p p l i e df o rn a t i o n a la u t o m o b i l e e n t e r i n g i n t e m a t i o n mm a r k e t f i r s t l y , t h e b a s i c c o n c e p t a n dm e a s u r e m e n tm e t h o do fv i b r a t i o n n o i s ea r e p r e s e n t e di nt h i sp a p e r m e c h a n i s ma n dc o n t r o lm e t h o do f t h en o i s ea b o u ta u t o m o b i l e g e a r b o x a r ca n a l y z e d s e v e r a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d si nv i b r a t i o n - n o i s ed i a g n o s i s a r ed i s c u s s e d a n dt h em e t h o do fe v a l u a t i n gs o u n dl e v e l b yv i b r a t i n gs i g n a l i s r e n o v a t e da n d p u t i n t ou s ei nt h e a u t o m o b i l eg e a r b o x sp e r f o r m a n c e t e s t i n g s y s t e m ”t h e n , t a k i n gxg e a r b o xm a d ei ng e a r b o xf a c t o r yo f c h i n a1 s ta u t o m o b i l e w o r ka sb a c k g r o u n d ，t h ea u t h o rd e v e l o p e d a u t o m o b i l eg e a r b o xp e r f o r m a n c e t e s t i n g s y s t e m w h i c h i sa i n t e g r a t e de x a m i n i n gs y s t e mi n c l u d i n ge x a m i n i n g ，o n - l i n e m o n i t o r i n g ，s i g n a la n a l y z i n ga n dd i a g n o s i s i nt h es y s t e m ，v i b r a t i o n - n o i s ed i a g n o s i s m e t h o d sa n dt h er e l a t e ds i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d sa r eu s e d i nt h i sp a p e r , t e s t i n g s y s t e ms c h e m ed e s i g n i n go fs o f t w a r es y s t e m i se l a b o r a t e d a n dt h es c h e m eo f r e s o l v i n gt h es i m u l t a n e i t ye v e n ti s d i s c u s s e di nd e t a i l a tl a s t , a p p l i c a t i o no ft h e s y s t e m i na u t o m o b i l eg e a r b o x p r o d u c t l i n ei si n 廿o d u c e d k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ；n o i s e ；v i b r a t i o n ；s o u n dp r e s s u r el e v e l ；p e r f o 蝴 e x a m i n a t i o n ；o b j e c t - o r i e n t e d n 皇圭奎垄塑垄塑丝墼丝塑墨兰查篓塑堕壁望要塞一 第一章绪论 1 1 声振控制的研究意义及应用价值 大气污染、水污染、固体废弃物污染和噪声污染被认为是环境污染四个主要 领域【i 预防和治理这些污染，为人t f 1 0 0 造一个清洁、优美、安静的生活环境， 是环境保护工作者的基本任务。 噪声污染属于一种物理污染，和其他污染不同，它随着声源发声而开始出现， 停止发声而消失，不存在累积现象。但是，由于声源和声源暴露人群的广泛存在， 噪声污染一直是人们最严重的环境污染之一，因此控制各类噪声污染的任务十分 繁重。人类生活环境的噪声主要是有工业噪声、交通噪声和社会生活噪声三部分 组成。随着现代工业的发展和人们物质文化生活水平的不断提高，机器设备、交 通运输工具和家用电器的数量日益增多，噪声问题也越来越严重，噪声擂染已成 为当代世界性的闯题。在机械工程中，机械设各的噪声不仅是工业噪声的主要组 成部分，而且也是设备质量优劣的重要标志之一，并且直接影响其经济价值。而 振动与声是源与流的关系，：者紧密地联系在一起。声因振动而产生，有声必有 振动。这种振动和噪声古有极为丰富的信息，它间接地反映了设备的运行状态， 从而为诊断提供了有力的依据。 随着汽车工业的迅猛发展，变速箱以其传动比固定，传动力矩大，结构紧凑等 优点，使之成为汽车的关键性传动部件之一，其操作性、传动性和安全性的好坏 直接影响到汽车的整体性能。它的工作是否正常涉及到整个机器或机组的工作性 能。变速箱工作形式和结构的复杂性，又使得它容易引发故障。因此变速箱的检 测在动力机械工程中占有重要的地位。在动力机械工程中，获得诊断信息的常用 方法有直接观察法、振动噪声检飘4 法、磨损残留物检钡4 法和运行性能检测法。对 变速箱而言，振动和噪声信号是故障诊断的重要信息。当有故障存在时，其振动 强度增大，噪声水平超标。所以利用声振诊断的方法，在不停机、不解体的情况 下，就能对变速箱的运行状态和故障的原因、部位以及裂化程度了解得比较清楚， 从而诊断出故障。这可为设各的正常运行及视情维修提供较充分的依据，在生产 和设各维修中获得显著的经济效益。这些效益包括：降低维修费用、提高机器的 有效使用率、减少备件库存量、提高安全性和降低噪声辐射。 1 2 声振控制在状态监测及故障诊断中的研究现状及发展趋势 作为故障诊断一个分支的声振诊断法，包括声振的测霆和控制，它是伴随着 设各故障诊断一同成长起来的，由最初的简易诊断发展为现在的精密诊断、预知 维修；减振降噪也由无源控制向有源控制方向发展。 1 21 机械状态监测及故障诊断技术的研究现状 随着对代的发展，现代工业逐渐向生产设备大型化、连续化、高速化和自动 化方向发展【2 ，在提高生产率，降低成本，节约能源和人力，减少废品率，保证 汽车变速箱在线性能检最i 及声振控制的应用研究 产品质量等方面有很大的优势。但从另一方面来看，由于机械设备发生故障而停 工造成的损失却成比例的增加，维修费用也大幅度的上升。另外，某些现代尖端 设备或结构一旦发生故障还可能招致重大事故。如前苏联切尔诺贝利核电站爆 炸，美国“挑战者”号航天飞机失事等1 2 q 】，都是近代设备重大事故中的典型。 诚然，要求机械设备不出故障是不现实的，绝对安全可靠的机械设备也是根 本不存在的。因此，我们只能从预防故障和减少损失的角度出发，及时发现设备 的异常，掌握设备的运行状态，把握它的发展趋势；对已经形成的或正在形成的 故障进行分析诊断，判断故障的部位和产生的原因，并及早采取有效的措施，做 到防患于来然。设备状态监测与故障诊断技术就是为了适应这一需要而发展起来 的一门新兴的交叉学科，它的发展是从2 0 世纪6 0 年代中后期以后开始的 在理论研究及应用方面，美、日、欧洲的一些发达国家一直走在世界的前列。 美国在这方面开发的最早，由于1 9 6 1 年美国开始执行阿波罗计划后系统机械设 备出现了一系列故障，促使美国宇航局( n a s a ) 在1 9 6 7 年提出倡导，由海军 研究室主持成立了美国故障诊断预防小组( m f p g ) ，开始有组织有计划地对机 械故障诊断技术进行专题研究，开展了广泛的学术研究及频繁的学术交流活动， 其一些研究成果已成功地应用在航空、航天、军事等行业的机械设备运行监测中。 1 9 7 1 年m f p o 划归美国国家标准局( n s b ) 领导，成为一个官方领导的组织， 下设故障机理研究、检测、诊断和预测技术，可靠性设计和材料耐久性评价四个 小组，平均每年召开两次会议，至今已召开4 0 次会议。美国机械工程师协会 ( a s m e ) 领导下的锅炉压力容器监测中心( n b b i ) 对锅炉压力容器和管道等 机械设备的诊断技术做了大量的研究，制定了一系列有关静态设备设计、制造、 试验和故障诊断及预防的标准规程，目前正在研究推行设备的声发射( a c o u s t i c e m i s s i o n ) 诊断技术。其他如j o h n sm i t c h e l 公司的超低温水泵和空压机监测技术， s p i r e 公司的用于军用机械的轴与轴承诊断技术，t e d e c o 公司的润滑油分析 诊断技术等都在国际上具有特色。在航空运输方面，美国在可靠性维修管理的基 础上，大规模得对飞机进行状态监测，发展了应用计算机的飞行器数据综合系统 ( a d s ) ，利用大量飞行中的信息来分析飞机各部位的故障原因并能发出消除故 障的命令。这些技术已普遍用于波音7 4 7 和d c 9 这一类巨型客机，大大提高了 飞行的安全性。在旋转机械故障诊断方面，首推美国西屋公司，从1 9 7 6 年开始 研制，到1 9 9 0 年已发展成网络化的汽轮发电机组智能化故障诊断专家系统，其 三套人工智能诊断软件( 汽轮机t u r b i n a i d ，发电机g e n a i d ，水化学c h e m a i d ) 共有诊断规则近一万条，已对西屋公司所产机组的安全运行发挥了巨大的作用， 取得了很大的经济效益。英国在2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，以r a c o l l a c o t t 为首的英国机械保健中心( u k m e c h a n i c a lh e a l t hm o n i t o r i n gc e n t e r ) 开始诊断 技术的开发研究。1 9 8 2 年曼彻斯特大学成立了沃福森工业维修公司( w m 【7 ) ， 还有m i c h a e ln e a l ea n da s s o c i t e 公司等几家公司，担任政府的顾问、协调和教育 工作，开展了信息咨询、制定计划、合作研究、业务诊断、研制诊断仪器、研制 检测装置、开发信号处理技术、故障分析等业务活动。在核发电方面，英国原子 能机构下设一个系统可靠性服务站( s r s ) 从事诊断技术的研究，包括利用噪声 对炉体进行监测，以及对锅炉、压力容器、管道的无损检测等，起到了英国故障 2 汽车变速箱在线性能检测及声振控制的应用研究 数据中心的作用。机械设备诊断技术在欧洲其他一些国家也有很大进展。它们在 广度上虽不大，但都在某一方面具有特色或占有领先地位，如瑞典的s p m 轴承 监测技术，挪威的船舶诊断技术，丹麦的振动和声发射技术。如果说美国在航空、 核工业以及军事部门中诊断技术占有领先地位，那么日本在钢铁、化工、铁路等 民用工业部门的诊断技术方面发展也很快，并有较高的水平。他们密切注视世界 性动向，积极引进并消化最新技术，努力发展自己的诊断技术，研制自己的诊断 仪器。日本设备工程师协会在1 9 7 1 年开始发展自己的t p m ( 全员生产维修) ， 并每年向欧美派遣“设备综合工程学调查团”了解诊断技术的发展研究工作，经 过6 年于1 9 7 6 年基本达到实用阶段。日本机械维修协会、计测自动控制学会、 电气学会、机械学会也相继设立了自己的专门研究机构。国立研究机构中，机械 技术研究所和船舶技术研究所重点研究机械基础件的诊断技术。东京大学、东京 工业大学、京都大学等高等学校着重基础性理论研究。其他民办企业，如三菱重 工、川崎重工、日立研究所等以企业内部工作为中心开展应用水平较高的实用项 目f l 7 。 故障诊断技术在我国的研究和应用相对起步较晚1 2 - - 6 1 。2 0 世纪7 0 年代末期 才开始着手组建故障诊断的研究机构。但由于国家政府部门的重视，发展较快。 1 9 8 6 年我国召开了第一次机械设备诊断技术方蔼的国际会议。1 9 8 7 年五月中国 振动工程学会故障诊断分会成立：从1 9 8 6 年起，每两年召开一次全国性的故障 诊断学术会议。目前，由中国设备管理协会设备诊断技术委员会、中国振动工程 学会机械故障诊断分会和中国机械工程协会设备维修分会组织的全国性故障诊 断学术会议已先后召开近2 0 次，极大地推动了我国机械故障诊断技术的发展。 全国已有数十个单位开展机械设备故障诊断技术的研究工作，如北京、上海、天 津和沈阳等地先后成立了机械设备诊断技术开发研究中心。全国各行业都很重视 在关键设备上装备故障诊断系统，特别是智能化的故障诊断专家系统，其中突出 的有电力系统、石化系统、冶金系统以及高科技产业中的核动力电站、航空部门 和载人航天工程等。工作比较集中的是大型旋转机械设备诊断系统，已经开发了 2 0 种以上的机组故障诊断系统和l o 余种可用来做现场简易诊断的便携式数据采 集仪。国内一些重点大学，如上海交通大学、西安交通大学、大连理工大学和北 京科技大学等成立了故障诊断研究所( 室) ，并已培养出这方面的高级专门人才。 我国机械设备故障诊断的发展经历了从简易诊断到精密诊断，从一般诊断到智能 诊断，从单机诊断到网络诊断的过程，发展速度愈来愈快。同国外发达国家相比， 我国虽然在理论上跟踪较紧，但总体而言，在机械设备诊断的可靠性等方面仍有 一定差距。 在应用方面，1 9 8 3 年冶金部将宝钢和太钢作为开展机械故障诊断技术研究的 试点单位；石化系统从2 0 世纪7 0 年代组织无损检测到8 0 年代开展机械设备状 态监测，已投资6 0 0 万元以上；水电行业以大机组为重点，开展机械设备故障诊 断的研究。此外，机械工业在现场简易诊断和精确诊断方面，航空工业在研制诊 断仪器方面，核工业在进行反应堆故障诊断和寿命预测方面以及交通部门在实施 汽车不解体检测等方面都是卓有成效的。总的说来，自2 0 世纪6 0 年代末至今， 国内外在机械故障诊断领域的研究与应用取得了几大的进展，主要体现在一下方 汽车变速籍在线性能检测及声振控制的应用研究 回： 数据采集器和信号分析处理高效软、硬件的开发应用，使得多机组、大规 模的信号采集与即时处理成为可能，进而能方便地实现机器与机组的在线监测 与实时诊断。 振动诊断技术从初期简单的时域波形和振动频谱分析发展到了时间序列 分析、倒频谱分析、共振解调技术、全息谱分析、小波分析、局域波分析等多种 新方法，有效地提高了机械故障的诊断水平。 在振动诊断方法日益成熟并获得巨大效益的同时，声诊断、热象诊断、涡 流诊断等技术也逐步应用于实践，从而拓广了机械故障诊断技术的应用范围，为 故障诊断的发展注入了新的活力。 国内外对故障模式的统计识别和模糊识别理论与方法、灰色聚类分析、故 障诊断神经网络尤其是诊断专家系统作了大量基础研究与应用技术开发，并己 在工程实际中得到逐步应用。 1 2 2 机械故障诊断技术的发展趋势 近几年来，机械故障诊断学科在国内外都得到了前所未有的发展，在生产 中的应用已深入到各个领域。诊断理论和方法己有多种。但尽管如此，无论在 技术上还是在理论和方法上都有待进一步发展与完善。故障机理及故障特性的 研究不仅应适应学科发展，而且应领先一步；新理论和新方法的应用不仅要快， 还应更深入：各种理论和技术的相互渗透应不断深化：应用范围不仅更广，而 且内容也应更丰富；监测诊断应与维护保养管理结合得更紧密。从近年来发表 的论文和著作来看，该领域近期的研究热点及其发展趋势如下： l 、小型多功能便携式检测、诊断仪器的研制及软件硬化 长期以来，研究者们编制了许多高效的信息处理、模式识别等软件，把这些 软件转化为硬件，从而便于非专业技术人员进行实时诊断，无疑是一项极有意义 的工作。并且随着计算机技术的发展，采用可编程的数字信号处理器d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s ) 来进行仪表的开发与设计，可加快开发周期，提高分析的速度， 增加分折仪的实时性。制作同时具备信号采集、分析与处理、进而对机械运转状 态进行准确识别等功能的小型仪表，一直是人们感兴趣的方向之一【3 l 。由于制造 商和用户均可从中获得显著的经济效益，可以预料，将会有更多功能更齐全的 小型诊断仪器面世。 2 、基于新理论的新方法研究【2 呻8 】 由于机械运转过程中所产生的信息和信息处理方法的复杂性与多样性以及 诊断信息和推理的不确定性，机械故障诊断理论与技术涉及到许多传统学科( 如 热学、光学、声学、化学、数理统计等) 和现代学科及其分支( 如计算机及软件、 信号分析与处理、信息论、控制论、图论、模糊数学、可靠性理论、人工智能等) 。 近年来，各国学者对与故障诊断技术密切相关的其他领域中的新成果保持了高度 的敏感，先后引进了大量的理论与方法来丰富机械故障诊断学科。 3 、机械故障诊断专家系统的研究与开发 机械故障诊断专家系统的出现与逐渐成熟是机械故障诊断领域最显著的成 4 汽车变速箱在线性能检测覆声振控制的应用研究 就之一。因为人类关于机械故障诊断与维修的科学知识往往落后于专家的实践和 经验知识，从而为专家系统提供了广阔的应用前景。自1 9 8 1 年第一个非医疗专 家系统d a r t 刀在斯坦福大学问世以来，各类诊断与维护专家系统如雨后春笋般 地出现。至今，专家系统己度过其在研究所的“孵化期”( i n c u b a t i o n p r o c e s s ) 6 j 逐渐在工程中得以较广泛的应用。然而，咀碍故障诊断专家系统进一步发展的困 境依然存在，引起了众多学者的深入研究。 4 、机械效障诊断人工神经网络的研究、开发与应用 近五年来，机械故障诊断人工神经网络的研究一直非常活跃。尽管人们己经 获得了一些较为成熟的诊断理论与技术，并已在工程中得以广泛应用。然而，这 些理论与技术对工程实际中大量存在着的多故障、多过程、突发性故障以及在大 规模工程系统进行监测诊断等方面表现出了一定的局限性，从而使机械故障诊断 陷入了某些困难。由于神经网络在处理上述问题时具有独特的优势，即对于多故 障、多过程的大规模工程系统，可以应用大规模并行处理网络进行诊断；对干突 发性故障或其他异常现象，可以利用神经网络的联想、推测及记忆功能进行诊断， 从而使故障诊断走出当前的困境成为可能。 5 、网络化 随着计算机网络化的飞速发展，人们共享资源和远程交换数据成为可能。利 用光纤光缆、微波、天线通信及计算机网络等通信方式，将机械故障诊断系统与 数字信号系统结合起来组成网络，从而实现对多台机组的有效管理，减少检测设 备的投资，提高系统的利用率，因而网络化将是发展趋势之一。 随着知识经济的来临，世界经济的全球化和一体化，人类对环境的要求越 来越高。这对机械设备状态监测和故障诊断技术的要求也越来越高。不仅要满 足实现诊断性能的要求，还要满足有利于保护环境、节约能源、节省资源、使 用简单可靠的要求，这使得机械设备状态监测和故障诊断技术将朝着与环境相 协调的方向发展。 1 2 3 声振控制技术的研究现状及发展趋势p ”1 噪声与振动控制技术在5 0 年代初就已引起了学者们的注意并开展了研究， 近2 0 年来，我国噪声与振动控制技术得到了迅速的发展，但因起步较晚，基础 薄弱，目前仍处于发展的初级阶段。8 0 年代有关资料统计，全国从事噪声与振 动控制生产、科研、设计单位有4 0 0 余家，产品千余种，年产值约5 亿元。改革 开放1 0 年来，国家制定和颁布的噪声与振动控制方面的标准1 5 7 个，其中环境 质量标准6 项，排放标准3 0 项，测量方法标准7 7 项，相关标准4 4 项，基本做 到有法可依，有标准可循；全国从事教学、研究、设计、监测、计重的单位两百 多家，人数5 0 0 0 人，基本队伍已经形成：治理所需材料、设备、装置基本可满 足要求；解放以来出版发行的专著计1 5 0 余本，其中8 0 年代以来出版的有1 2 0 余本：目前公开发行的有噪声与振动控制栏目的杂志有2 0 余家。 噪声的测量已由声级的测量发展到声强的测量，有效地避免了背景噪声地影 响，这样就扩大了测量环境的范围，使噪声评价更容易。传统噪声与振动控制技 术，包括吸声、隔声、消声和阻尼减振，也称为无源控制技术。这方面技术国内 汽车变速箱在线性能检测及声振控制的应用研究 外发展的比较成熟，以成为目前解决噪声和振动控制问题的重要手段，而且相应 的控制产品的生产是噪声和振动控制产业的主要组成部分。有源噪声与振动控制 ( a c t i v en o i s ea n dv i b r a t i o nc o n t r o l ，a n v c ) 源于2 0 世纪3 0 年代e l e n g 提出 的“源消声”专利，经过几十年的发展，已正式确立了它在噪声与振动控制领域 中的地位，成为多学科交叉、渗透及延伸的一个典范和国内外竟相研究的热点。 此外目前比较有效控制噪声的办法还有声源降噪技术，即从噪声源本身着手，设 法降低噪声源本身噪声，研究开发低噪声设备或产品。 1 、无源噪声控制技术 无源噪声控制是一种传统的、有效的、最常用的技术，包括消声、吸声、隔 声、隔振、阻尼减振等。 ( 1 ) 消声 安装不同型式、不同结构的消声器，以降低各类空气动力性噪声。据统计， 目前我国已能生产8 大类、1 0 0 多种型号、4 0 0 多种规格的各类消声器，基本上 可满足治理气流噪声的要求。据著名声学专家马大猷教授微孔板吸声结构理论【8 】 而研制和发展起来的微穿孔板消声器是我国独创的，其特点是消声频带宽、耐高 温、抗潮湿、压力损失小、气流再生噪声低、洁净、抗气流冲击等，适合于医药、 卫生、食品、净化、电子等行业的气流噪声消声。另外，我国小孔喷注消声器适 用于高速、高温、大流量排气放空，其消声效果奸，结构新颖、紧凑，在国际上 也处于领先地位。 当前，消声器的发展趋势，正向结构紧凑、简单、消声量适中的方向发展， 多数是采用片式或管式消声结构。需进一步完善开发的消声器有螺旋式、多功能 消声器、汽车尾气净化消声嚣、空压机油浴式滤清消声器等。急待研究开发的是 含有粉尘、油污、水汽、i 哿温、腐蚀等恶劣环境条件所用的消声器。 ( 2 ) 吸声 近年来，我国在吸声机理、吸声结构、吸声材料以及吸声降噪设计的研究中 做了不少工作，开发了许多新品神，在这方面与国外先进水平基本相当。 吸声材料、吸声结构的发展趋势为，品种多样化，外观装饰化，吸声高效化， 旆工装配化。且往防火、防潮、防老化、抗恶劣环境，室内外均可使用的方向上 发展。 ( 3 ) 隅声 在噪声传播途径上设置隔声门、隔声窗、隔声罩、隔声室、隔声屏、隔声棚 等来控制噪声，国内外水平相差不大，差距在于国内隔声结构工艺设计水平还较 低，加工制造精度不高，外观不挺刮，接缝处密封性差，装配化程度低。 隔声扳应质轻，隔声置高，尤其要提高低频隔声效果，隔声结构配套，便于 加工拼接，多次拆装不变形接缝处密封牢靠，外观漂亮，价格适中成为隔声材 料和隔声结构发展的趋势。 ( 4 ) 隔振 振动产生噪声。无论是消极隔扳还是积极隔振，利用隔振器件减小振动传递、 抑制噪声和减小固体传声是基本方法。我国隔振技术和产品与国外相比还有一定 差距。国外多数设备均安装在隔振器上，既可以减小振动传递，又可以简化设备 6 汽车变速箱在线性能检测及声振控制的应用研究 安装，被称为“设备安装革命”，而国内还没有认识到这一点。 ( 5 ) 阻尼减振 阻尼减振主要是利用阻尼材料高损耗因子使物体振动能量转化为热能而散 发悼，从而达到降低结构噪声辐射的目的。阻尼技术在我国起步较晚，和国外差 距较大，但近年来发展较快，已能提供多种阻尼板材和阻尼涂料，一般成本较 高使用受到限制。同时，在防火、防水、防油及燃烧、毒性等方面的性能向侍 进一步改进。 2 、有源噪声控制技术 随着电子计算机和信号处理技术的发展，声抵消技术已应用于管道和局部区 域，而在大空间还难以实现。8 0 年代中期，有源噪声控卷又提出了新的概念， 用个与原声源极性相反、强度相等的新声源，使其与原声源组成一个复合声源， 此复合声源将辐射小得多的声功率。其优点为，针对性强、低频效果好，在降噪 的同时可保证语言信号的传输，所需设备体积小，重量轻。这一技术在发达国家 发展很快，而我国虽有一些单位在进行研究，但目前还停留在实验室阶段，在一 维管道上有试验结果，还无实际应用，差距较大。 有源嗓声控制技术国外研究的趋势分两大部分，一为理论研究，如有限空间 声场的薄板弯曲振动有源控制，流体力学过程中的非稳定性有源控制和分布声场 的有源控制等：二为实际应用，如将比较成熟的管道有源消声器应用于空调系统 送排风管道和发动机的进出气管口，提供有源护耳器产品，它能消除噪声，同时 还可以传输语言信号。 3 、声源降噪技术 最积极最有效的控制噪声的办法是从噪声源本身着手，设法降低噪声源本体 噪声，研究开发低噪声设备或产品。8 0 年代以来，国内外在这方面的研究非常 活跃，研制成功近百余种低噪音设备，国内有2 0 余种。如，低噪音的风机和冷 却塔，低噪音的空调，冰箱等。从声源上控制噪声的发展趋势为，提供更多的低 噪声产品，因为噪声的高低已成为评价机电设备和家用电器产品质量好坏的标准 之一。 随着电子计算机技术的迅猛发展，计算机在噪声与振动控制领域的应用越来 越广泛。其一，有源噪声控制和声源识别技术的发展，关键是借助了计算机技术。 在这方面，我国与发达国家的差距很大：其二，利用计算杌建立噪声源数据库和 环境噪声数据库，国外己有相当大的进展，国内正在起步：其三，噪声预测和评 价，国外7 0 年代开始就利用计算机对城市道路交通噪声和飞机噪声进行预测， 8 0 年代又开始了工业噪声预测。我国某些城市刚开始用计算机进行交通噪声 及机场噪声预测；其四，噪声控制工程和噪声控制产品的计算机辅助设计( c a d ) ， 发达国家已有较为成熟的计算机软件系统。由于受财力、物力和技术水平的限制， 国内在应用计算机于噪声控制技术及产品优化设计等方面才刚刚起步。可以预 计，在未来的几年中，随着整个国民经济技术水平的提高，计算机在噪声控制技 术方面的应用将会有一个大发展。 1 3 阿题的提出和本文的主要工作 汽车变速箱在线性能检测及声振控制的应用研究 1 3 1 问题的提出 作为汽车重要传动部件的变速箱，其性能的好坏直接影响到整个汽车的质 量，因此变速箱性能检测环节是必不可少的。正是基于此考虑，研究和开发用于 生产线的“汽车变速箱性能检测系统”，为检测变速箱的性能提供一个有力的工 具，已成为目前亟待解决的一个课题。 本硕士学位论文来源于大连理工大学振动工程研究所为长春一汽集团变速 箱厂所作的实际工程项目“汽车变速箱性能检测系统”，该系统通过采集变速箱 各种性能参数，对其进行分析和评价，以判断其是否符合出厂标准。本课题的主 要工作是利用振动信号来评价变速箱的噪声，来满足在流水线上检测变速箱噪声 值是否超标的需要，同时也可以进行离线的故障检测。 1 3 2 本文的主要工作 针对本课题，本人共完成了以下工作 通过对机械振动与声学的理论学习，并进行了大量的实验，完善了以振动评 价噪声( “以振代噪”) 的方法，该方法的实施，在生产线上取得了良好的效 果。 深入汽车变速箱生产车间，研究变速箱噪声产生机理，对在线检测的具体对 象进行分析，获得具体的检测参数，以实旌在线检测系统的开发与研究。 升级了p d m 2 0 0 0 软件系统的倍频程分析部分，使其提供的信息更加丰富，色 彩更加宜人，更具有w i n d o w s 风格，并为此后的变速箱状态检测和噪声治理 方面的软件开发奠定了基础。 深入学习面向对象的程序设计方法，编制了“汽车变速箱性能检测系统”软 件，并在中国一汽长春汽车变速箱厂得到了应用。 “汽车变速箱性能检测系统”的现场调试工作。由于汽车变速箱的复杂性及 在线检测的实际情况，决定了现场调试工作量大，改动频繁，要跟据工厂的 实际需要尽快得做出反映。 汽车变速箱在线性能检测及声握控制的应用研究 第二章声振在状态监测中的理论基础 2 1 机械振动的基本概念及分类比吲 各种机器设备是由许多零部件和各种各样的安装基础所组成，这些都可认为 是一个弹性系统。某些条件或因素可能引起这些物体在其平衡位置附近做微小的 往复运动，这种每隔一定时间的往复性机械运动，称为机械振动。 研究振动问题时，一般将研究对象( 如一部机器、一种结构) 称为系统：把 外界对系统的作用或机器自身运动产生的力，称为激励或输入；把机器或结构在 激励作用下产生的动态行为，称为响应或输出。振动分析( 理论或实验分析) 就 是研究这三者之间的相互关系。 按照机械振动时物体变形的形态可将机械振动分为横向振动、纵向振动和扭 转振动。 按照振动系统能量的输入方式，可将机械振动分为：仅在运动开始时对振动 系统给以能量输入的自由振动；在外界周期性干扰力的作用下，不断地或反复地 给振动系统补充能量的强迫振动。此外，还有一种振动称为自激振动，维持这种 振动的能量是由振动系统本身从固定能源中获得并加以调节的，如切削自激振动 就是这样。 按照振动的自由度数目，可将机械振动分为一个自由度系统的振动、两个自 由度系统的振动、多个自由度系统的振动和连续弹性体的振动，后者相当于无限 多个自由度的振动系统。 按照振动系统的结构，又可将机械振动分为线性振动系统和非线性振动系 统。工程上绝大多数振动系统均可简化为线性振动系统。 振动问题广泛地存在于各种机械、各种结构及各种机械加工过程中，故只有 弄清产生这些振动的原因，掌握它们发生发展的规律，才能有效地控制和消除这 些振动的影响。 2 2 声波的概念与性质“”川 2 2 1 声波的概念 1 、波的概念 在弹性介质中，当振源频率在2 0 2 0 0 0 0 h z 之间时，振源引起的波动叫声波， 人的耳朵可以感受到它。当振源频率低于2 0 h z 或高于2 0 0 0 0 h z 时，人耳无法听 到。低于2 0 h z 的波动叫次声波，高于2 0 0 0 0 h z 的波动叫超声波。 2 、波的分类 波的类型，按介质质点的振动方向、波的传播方向、波的形状，有不同的划 分，分述如下。 ( 1 ) 纵波和横波 机械波可以是纵波，也可以是横波，或二者的组合。所谓纵波，是指介质质 点的振动方向与波的传播方向相同。所谓横波，是指介质质点的振动方向与波的 9 汽车变速箱在线性能检测及声振控制的应用研究 传播方向垂直。例如拨动一根琴弦或将- 4 , 块石子投入水中在水面所产生的波都 是横波。 声波可在气体中传播，这是常见的现象。此外，声波也可在液体或固体中传 播。波在气体和液体中传播时，一般为纵波。在有限尺寸的固体中传播时，波的 传播将受固体界面的制约，使固体本身成为一种机械制导，而形成许多简单的和 复杂的制导波。 制导波也分纵波、横波以及二者合成的各种复杂的波。 ( 2 ) 连续波和脉冲波 波在介质中传播时，介质的各质点均作连续不断地振动的波称为连续波。 介质的各质点均作单个的或简谐的脉冲运动的波称为脉冲波。脉冲波是非连 续波，这种波的振动时间极短，间歇的时间相对很长，其波形在某一瞬时常出现 很高的峰值。 不论脉冲波或非简谐的连续波，均可按照傅里叶级数展开，看成是许多不同 频率的简谐波的合成。因此，简谐波是各种波中最基本的波形。 ( 3 ) 平面波、球面波和柱面波 波传播到的面称为波阵面。波阵面可能是平面、球面、柱形面或它们的组合。 如果振动的声源是一个平面，振动时波的传播方向又垂直于该平面则波阵面也 是平面，且平面的面积不因波的传播距离而改变，这种波就称为平面波。 如果振动的声源是在无限空间中的一个点，则声波同时向所有方向传播，其 波阵面为球面，这种波称为球面波。 如果振动的声源是一根无限长的圆柱，则当圆柱作纯横向振动时，声波将向 与圆柱轴线相垂直的四周传播，其波阵面为柱形面，这种波称为柱面波。 3 、振动和波的区别和联系 振动在介质中引起波动，但振动和波动有重大区别。振动是指质点在一定位 置的附近，做来回往复的运动；波动是振动的传播过程，即振动状态的传播。 振动是指单一质点或者可以看作集中参数系统物体的振动。所谓集中参数系 统是指可将系统内的质量、弹力、阻力集中于一点的系统。在自然界，质量、弹 力、阻力集中于一点的物体严格地说是不存在的，仅当物体变形时间与振动周期 相比要小的多时，或者物体长度与波长( 振动导致波动的波长) 相比要小得多时， 才可将物体视为集中参数系统。 波动发生在分散参数系统之中，所谓分散参数系统是指质量、弹力、阻力在 空间连续分布。 振动是在封闭系统中进行的。当不考虑损耗时，作为振动的单一质点能量是 守恒的。波动是在开放系统中进行的。当不考虑损耗时，波动是能量的传播过程， 作为某一个特定质点，输入能量等于输出能量，即合能量为零。 2 2 2 声波的陛质 l 、声波的物理性质 声音是一种波动，声波就必然具有波的所有特性，可以用通常描述波的物理 量进行描述。因此，描述声波的基本物理参数有频率、波长、相位、声速和声压。 1 0 汽车变速箱在线性能检测及声振控制的应用研究 从波动的角度来看，声和光具有许多类似之处，不过光是一种电磁波，而声则是 一种弹性波。一般而言，凡是弹性媒质，无论气体、液体或固体，都能够传播声 波，但对于人接受声波来说，主要通过空气作用于人耳，所以噪声的研究偏重于 空气中的传播。当声波在空气中传播时，空气质点产生振动，空气密度因此而发 生稠密与稀疏的变化。空气变密，压强增高，空气变稀，则压强变低，声波是媒 质中密度变化的波，即“疏密波”，声波在空气中传播的只是这种疏密波的波动 形式，空气质点并不宏观迁移，而只在原位置作振动，故声波在弹性介质中传播 的过程，也就是压力传播的过程；由于空气质点振动的方向与声波传播的方向一 致，所以空气中的声波是纵波。 频率、周期、波长和声速之间的关系为 旯：_ = c ：f t( 2 1 ) l 若将c = 3 4 0 r r d s ，f = 2 0 h z 和f = 2 0 0 0 0 h z 代入上式，则常温下空气中可听声 的声波波长约为o 0 1 7 1 7 m 。 空气中的声速由下式计算 c 一愕 式中 ，空气的比热比，即空气的定压比热容与定容比热容 对空气，= 1 4 ； p 空气的密度( g m3 ) ，对于干空气为 p ：1 2 9 3 塑坐鱼： i1 0 1 3 6 + 1 0 。 np o ：2 8 7 4 3 t p r 空气的热力学温度( k ) ； p 。大气静压强( p a ) 。 ( 2 - 2 ) 之比，