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1、课程设计论文DMAIC模型在降低变速器噪音的应用工业工程111班 刘洋 15号2014年6月摘 要汽车制造业是我国国民经济发展的支柱产业，随着汽车的普及，人们对汽车的认识越来越深，对汽车的使用性能也提出了越来越高的要求。作为评价汽车性能的重要指标之一的噪声也越来越多的成为人们关注的焦点。各大汽车厂商纷纷努力将噪音控制在最小状态，来为乘客提供一个舒适的乘坐环境。汽车变速箱作为汽车传动系统的主要部件，其承担着从发动机到整车的动力传输，但同时也在产生着噪音。如何降低变速器噪音便成为汽车制造商或是变速器企业首要考虑的问题之一。汽车变速器噪音一般是指变速器运行中产生的刺耳并且令人不愉快的齿轮啸叫。汽车变
2、速器异常声响是汽车的一个重要的质量问题，也是比较难以消除的汽车故障。虽然变速器噪音不会立即影响汽车的行驶，但会使汽车乘坐舒适性严重下降，造成司乘人员心情烦躁、注意力下降等不良症状出现，如不及时维修会引发其它汽车故障。我国汽车绝大多数是发动机前置后轮驱动布置传动系的，故本文重点分析的是同轴变速齿套式汽车变速器噪音异常声响问题。本文以某型汽车手动变速箱为研究对象，着重研究了汽车在行驶过程中因齿轮啸叫所产生的异常振动和声音信号。采用DMAIC模型对该型变速器进行定义、测量、分析、优化和控制，并着重介绍了MATLAB在齿轮振动中的优化，通过有限元分析发现故障原因，并进一步锁定故障零件，为降低汽车变速器
3、噪音确定了方向。关键词:齿轮啸叫；MATLAB；DMAICABSTRACTAutomobile manufacturing industry is the pillar industry of our national economy, with the popularization of cars, people of motor cognition more and more deeply, also put forward higher requirements on the performance of the vehicle. As one of the important inde
4、xes to evaluate the noise performance of vehicle are also increasingly become the focus of attention. The major automobile manufacturers have to be controlled in the minimum noise, to provide a comfortable riding environment for the passengers. Automobile gearbox as the main parts of automobile tran
5、smission system, the bear from the engine to the transmission of the vehicle, but also in the production of noise. How to reduce the transmission of noise becomes one of the car makers or transmission enterprises priority.Automobile transmission gear noise generally refers to Xiao generating transmi
6、ssion operation in harsh and unpleasant name. Abnormal sound of automobile transmission is an important quality problem of the automobile, automobile fault is more difficult to eliminate. Although the transmission noise will not immediately affect the vehicle, but the vehicle ride comfort serious de
7、cline, causing passengers irritable mood, attention and other adverse symptoms, will lead to other vehicle failure if not timely repair. The vast majority of Chinas automobile is rear wheel drive front engine layout of the transmission system, this paper focuses on the analysis of the coaxial transm
8、ission gear sleeve type automobile transmission noise abnormal sound problems.This paper takes a certain type of car manual gearbox as the research object, focuses on the research of the automobile in the running process of the gear howling the abnormal vibration and acoustic signals. DMAIC model wa
9、s used to define, for the transmission measurement, analysis, optimization and control, and introduces the optimization of MATLAB in gear vibration, through finite element analysis to find fault reason, and further the fault parts, in order to reduce the noise and the direction of automobile gearbox
10、.Key words: Gear howling; MATLAB; DMAIC目 录第一章 绪论11.1课题研究对象11.2齿轮噪音国内外研究现状11.2.1国外研究现状11.2.2国内研究现状11.3课题的主要研究内容及研究意义21.3.1主要研究内容21.3.2研究意义2 1.4论文的特点2第二章 定义32.1项目选题32.2改进对象32.3项目目标32.4项目分析步骤32.5项目意义3 第三章 测量4 3.1测量噪音时的注意事项4 3.2汽车变速器噪音异常声响故障的查找方法与步骤4 3.3检测4 3.4汽车变速器噪音的测量数据及处理4 第四章 分析8 4.1变速器结构8 4.2变速器振动
11、噪音机理8 4.2.1刚度激励8 4.2.2误差激励84.2.3啮合冲击激励9 4.3振动信号处理技术方法94.3.1同周期相加平均法9 4.3.2频谱分析技术10 4.3.3倒频谱分析104.3.4细化谱分析10 4.3.5解调分析10 4.4阶次分析与典型故障信号特征 114.4.1阶次分析11 4.4.2典型故障信号特征114.4.2.1不平衡机械转动11 4.4.2.2偏心的机械转动124.4.2.3齿轮啮合故障124.4.2.4齿轮啮合严重故障13 第五章 改进145.1汽车变速器噪音的优化模型 145.2关于汽车变速器噪音的优化方法145.3基于模态扩展技术的变速器箱体振动特性识别
12、的基本原理145.4变速器箱体振动加速度的识别及辐射噪声优化 165.4.1变速器箱体模态分析及验证175.4.2变速器箱体有限元模型中各点振动加速度的识别及验证185.4.3结论 20第六章 控制216.1面板辐射声功率分析及优化216.2基于MATLAB对齿轮振动的改进 22第七章 案例分析-变速箱拱板结构的降噪优化设计 237.1 引言237.2 拱板结构造价优化模型的建立 237.2.1 目标函数237.2.1.1 目标函数的确定237.2.1.2 目标函数表达式 237.2.2 设计变量247.2.3 约束条件247.2.3.1 振动加速度级约束函数 247.2.3.2 几何参数约束
13、 257.2.4 拱板结构造价优化模型 257.3 优化模型的转换257.4 振动加速度级约束函数的显式化 267.4.1 一次响应面拟合约束函数 267.4.2 响应面拟合精度检验 277.5 优化结果317.6 优化流程图31第八章 总结和展望328.1总结328.2展望32 致谢33 参考文献34江西理工大学2015届本科生课程设计（论文）第一章 绪论1.1课题研究对象某型汽车手动变速箱在行驶过程中产生啸叫。返回的变速箱经过再次测试依然能明显听到啸叫，测试时检测到异常振动和声音信号特征。1.2齿轮噪音国内外研究现状1.2.1国外研究现状 20世纪90年代以来，国内外学者对齿轮传动系统的振
14、动特性进行了广泛和深入的研究。Mr.Ao Kahamna等人对齿轮振动特性做了大量的研究工作，分析了轴向振动对斜齿轮传动特性的影响，以及多对斜齿轮和行星齿轮在啮合条件下的动力学特性，还通过动态试验的方法分析了齿轮渐开线重合度、齿顶修缘和齿轮受迫响应特征对齿轮动态性能的影响。T.Tsuta通过将齿轮激励力描述为齿轮啮合刚度和齿轮误差的乘积，给出了齿轮啮合冲击力的计算方法。Haruo.Houjoh等通过对弹性齿轴上的斜齿轮进行振动分析，发现了轴承阻尼特性、啮合面特性和齿轮啮合刚度的变化对斜齿轮的啮合特性的影响。2000年，R.CzParker通过CAE方法建立的齿轮啮合的动力学模型，其计算结果和试
15、验数据吻合。通过齿轮啮合过程的分布计算，研究了齿轮的误差激励和刚度激励。2002年，P.Velex通过齿轮模型，分析了齿轮的摩擦性质，并给出了FFT函数的形式的齿轮激励的等值线，得出了齿轮的几何参数的变化对齿轮啮合激励结果的影响。2003年，L.Vedmar发现了齿轮的动力载荷计算的新方法，通过对起支撑作用的轴承和齿轮的变形进行分析，来计算齿轮在运转过程中的齿轮的啮合特性。从计算结果发现，齿形变化是对齿轮的啮合接触有较大影响。E.Riud等学者认为齿轮参数的制造公差是齿轮系统的啮合振动和传动噪声主要因素。通过研究轴承的刚度变化以及齿轮设计参数由于制造公差的影响对变速器振动的影响，指出轴承的刚度
16、变化会对齿轮的啮合刚度产生影响，进而影响到变速器壳体的振动。并通过计算，得出了轴承的刚度变化对变速箱振动和噪声的影响。2004年，Yuan H.G等学者对齿轮传动系统的传递误差激励进行了模拟。通过齿轮传动系统的CAE模型，计算了齿轮传动系统在不同误差参数的激励影响下的振动响应，结果表明，齿轮啮合传动系统的振动主要方向是横向振动。在设备和软件研制方面，国外企业对噪声的研究相比国内企业走在前面。如英国的变速器虚拟原型仿真软件Romax，德国的HEADacoustics股份有限公司，Mueller BBM公司，比利时的LMSVirtual.lab公司等。1.2.2国内研究现状2000年以来，国内许多
17、高校学者对齿轮啮合特性进行了深入细致的研究。唐进元等学者通过多年的分析和研究，推导出来齿轮线外啮合的刚度计算方法。并利用Ansys有限元法分析得出了冲击速度，齿宽与冲击力的数值关系和冲击时间。周长江等学者通过对线外啮合的进一步研究，得出了摩擦力的特性关系，得出了在线外啮合阶段的准确结果，为修行、降噪提供了很好的理论工具。吉林大学的梁杰等教授在对齿轮箱振动噪声的分析研究中认为齿轮的制造误差，装配误差是齿轮振动噪声的主要原因，同时也指出了通过振动分析，相干函数分析是找到齿轮振动噪声故障问题的有力工具。1.3课题的主要研究内容及研究意义1.3.1主要研究内容通过对故障变速器振动信号的检测和分析，找到
18、产生噪音的异常部件，通过对制造数据和传递误差计算结果的分析，进一步优化齿轮参数，达到降低变速器噪音的目的。在整个课题的调查和分析中，主要完成以下几方面的工作：l 故障变速器在台架下线检测系统中的振动信号的分析和诊断；l 齿轮变速器在台架下线检测系统中的振动历史数据分析；l 齿轮加工历史数据分析；l Romax的变速器系统建模及传动误差分析；l 变速器整车Head Acoustic测试分析和对比验证。1.3.2研究意义通过对变速器齿轮噪声的问题分析，以及齿轮优化，进一步降低了变速器的齿轮噪音，提高了产品合格率，为企业创造了可观的经济效益.同时也为今后的变速器齿轮噪音的改善，奠定了良好的基础。1.
19、4论文的特点该课题研究将虚拟仿真、故障信号分析与生产制造紧密联系，有效地实现了齿轮分析和优化，主要有以下几方面的特点:l 通过Reilhofer系统的变速器台架测试，提取故障变速器的振动信号，通过对故障振动信号的阶次分析，快速识别出故障部位;l 通过Reilhofer系统的客观测试，获取了该型号变速器在台架检测的所有振动数据，为下一步的故障分析、评价改进效果和故障监控起到了重要作用:l 通过采用Romax的虚拟建模将齿轮的微几何参数融入计算，通过对目标微几何参数的随机抽样组合，对传动误差进行分析，完全模拟了在实际制造误差条件下的实际装配过程，为大批量制造条件下的齿轮优化提供重要的参考信息。第二
20、章 定义2.1项目选题项目小组经过讨论及分析，从国内所生产变速器的齿轮啸叫问题出发，确定选题.项目小组拟通过优化某型变速器的设计要求和改善变速器制造过程从而达到减少齿轮啸叫的目的,从而提升国内变速器的质量，减少汽车变速器的噪音，支撑国内变速器产品进入全球市场。2.2改进对象某型汽车手动变速箱。2.3项目目标通过本项目团队的对该型变速器的齿轮啸叫进行分析，测量。三个月之内找出齿轮啸叫的原因并改进该变速器的性能和质量。以期达到国际先进水平。2.4项目分析步骤首先分析变速器的结构，找出噪音产生的机理，并搞清楚齿轮啮合的动态激励方式。一共有三种，分别是刚度激励，误差激励，齿轮冲击激励。接下来对变速器的
21、振动信号进行分析处理，通过对噪音这一故障产生的原因进行分析，并采用适当的方法进行处理，处理的方法有五种，分别是，同周期相加平均法，频谱分析技术，到频谱分析，细化谱分析，解调分析法。最后对变速器齿轮的频率进行介次分析，并找出变速器的典型故障特征。2.5项目意义：在城市中，交通噪声约占各种声源的70%左右。长期生活在这样的噪音环境中，就会得“噪音病”。噪声会损伤听力。人短期处于噪声环境时，即使离开噪声环境，耳朵也会发生短期的听力下降，但当回到安静环境时，经过较短的时间即可以恢复。一般情况下，85分贝以下的噪声不至于危害听觉，而85分贝以上则可能发生危险。统计表明，长期工作在90分贝以上的噪声环境中
22、，耳聋发病率明显增加。专家指出：“汽车对环保造成的最大危害之一是噪音污染，这一问题必须引起特殊关注。”汽车的噪声源有多种，例如发动机、变速器、驱动桥、传动轴、车厢、玻璃窗、轮胎、继电器、喇叭、音响等等都会产生噪声。其中，变速器的齿轮啸叫噪声是最主要的。因此，用DMAIC模型来减少汽车变速器的噪音意义重大，将会很大程度的减少城市汽车噪音污染，改善人类的生存环境，提升人类的健康水平。第三章 测量3.1测量噪音时的注意事项首先不要轻易将汽车变速器拆离整车再去查找噪音异常声响故障原因。因为汽车变速器的噪音异常声响故障与发动机、传动轴及变速器内部的机械部分都有关系，出现噪音异常声响故障的可能原因和部位很
23、多，采用排除法查找比较快速高效。因此要把变速器放在整车上进行测试，弄清是哪一方面产生的故障和故障的大致部位。3.2汽车变速器噪音异常声响故障的查找方法与步骤1) 检查润滑油加入量和牌号是否符合标准，润滑油清洁度是否符合要求，如合格则排除润滑油原因。2) 用千斤顶支起汽车后轮离地，将汽车变速器置于空档，分离开离合器，发动机转动，如果没有噪音异常声响故障则可排除汽车发动机原因。3) 挂上汽车前进档正常运行一段时间后突然紧急制动。没有噪音异常声响和强烈振动，则排除汽车传动器的原因。4) 汽车离合器结合后汽车噪音异常声响，到此可判定原因在汽车变速器上，然后通过挂脱档试验判断汽车变速器是空档还是前进档噪
24、音异常声响，或者二者兼而有之，至此可拆卸下汽车变速器进一步检测。3.3检测1) 首先检测齿轮副装配质量包括齿轮副的轴向或径向间隙是否合格，有无卡滞、咬死等情况；同步器是否异常磨损，有无卡滞、咬死等情况。 2) 排除这些原因以后，再检测各配合齿轮的制造质量，包括如齿形误差、齿向误差等，若有条件，最好能采用双啮仪进行综合检测。 3) 判断如能排除，汽车变速器空档噪音异常声响可能、且绝大多数是变速器壳体制造质量超差引起的。4) 如是汽车变速器前进档噪音异常声响，只需检测该前进档配对的齿轮副的装配质量和齿轮制造质量，如非齿轮问题，绝大多数汽车变速器前进档噪音异常声响是轴承磨损超差引起的，更换相应轴承一
25、般可解决。3.4汽车变速器噪音的测量数据及处理为表述方便，把有异响的汽车变速器编为A，无异响的汽车变速器编为B。首先，A、B两台汽车变速器先后装在同一辆试验车上并置于空档中，在距离汽车变速器总成前部的左、右、下3个方向和后部的左、右、下3个方向各300mm处使用HS5633数字声级计并以A计权频特性测量结合和分离离合器时噪声(表3-1、表3-2)，环境噪声A声级值为 595dB。表3-1 编号为A的汽车变速器噪声（A声级）变速器A分离结合结合相对于分离前部左69.6无异响70.9有异响1.3右71.1无异响72有异响0.9下70无异响71有异响1后步左70.3无异响70有异响-0.3右70.2
26、无异响71有异响0.8下68.7无异响69.8有异响0.1表3-2 编号为B的汽车变速器噪声（B声级）变速器A分离结合结合相对于分离前部左69.6无异响70有异响0.9右71.6无异响71.9有异响0.3下69.6无异响70有异响0.4后步左68.7无异响69.2有异响0.8右70.7无异响71.3有异响0.6下68.7无异响69.5有异响0.8汽车变速器置于空档，离合器接合后汽车变速器输入轴带动汽车变速器中的4个前进档齿轮副旋转，也即带动8个常啮合齿轮一起旋转，如其中某一齿轮精度超差，都会造成齿轮传动不平稳，在高速转动中产生冲击，出现噪声和震动，因此，测量了汽车变速器A、B的 8个齿轮的径向
27、综合误差、齿形误差、齿向误差、公法线平均长度及齿轮副装配间隙(表 3-3、3-4、3-5)。表3-3 齿轮的径向综合误差 mm齿轮名称技术要求变速器A变速器B配合名称技术要求变速器A变速器B档齿0.050.0430.04档齿0.050.0410.037档齿0.050.0420.037档齿0.050.0480.045档齿0.050.0470.048档齿0.050.0420.047一轴齿轮0.050.0510.043档齿0.050.0430.041表3-4 各档齿轮的齿形、齿向误差和公法线平均长度 mm齿轮名测量项目技术要求变速器A变速器B档齿公法线平均长度41.16641.20141.17041
28、.18041.17041.190齿形公差0.011 0.012 0.010 齿向公差0.011 0.010 0.011 档齿公法线平均长度37.03837.07337.04137.05137.05237.065齿形公差0.011 0.008 0.012 齿向公差0.011 0.010 0.013 档齿公法线平均长度27.46127.49627.46327.48227.47527.490齿形公差0.011 0.009 0.010 齿向公差0.011 0.007 0.012 中间值上配对齿轮副档齿齿形公差0.011 0.005 0.009 齿向公差0.011 0.010 0.010 档齿齿形公差0
29、.011 0.009 0.011 齿向公差0.011 0.010 0.010 档齿齿形公差0.011 0.011 0.011 齿向公差0.011 0.008 0.011 档齿齿形公差0.011 0.015 0.011 齿向公差0.011 0.011 0.010 表3-5 汽车变速器A和B装配间隙 mm测量项目技术要求变速器A变速器B档齿轮轴向间隙0.100.200.05 0.16 档齿轮副侧隙0.070.240.11 0.15 档齿轮轴向间隙0.100.200.18 0.16 档齿副侧隙0.070.220.09 0.17 档齿轮轴向间隙0.100.200.18 0.11 档齿副侧隙0.070.
30、240.20 0.18 输入轴侧隙0.040.150.10 0.11 从表3-3、3-4、3-5中可知汽车变速器总成中的各档齿轮轴向间隙和齿轮副侧隙均符合技术要求，说明间隙装配合理，无卡滞、磨擦和咬死等情况出现；齿轮径向综合误差符合技术要求，说明齿轮在一周期内运动平稳无冲击；齿形和齿向误差基本符合技术要求，说明齿轮副之间接触良好。汽车变速器壳体前端与发动机联接，汽车变速器的一轴通过轴承支承于发动机曲轴的中心孔内。汽车变速器壳体前端面对轴心线垂直度超差会造成一轴轴承孔与曲轴中心孔轴心线以及一、二轴轴心线不 同轴，造成在传动过程中变速器啮合齿轮及支承轴承受力不均，破坏各齿轮副的配合精度，从而导致汽
31、车变速器噪音异常声响。表3-6是对AB两车变速器壳体的检测结果，从表3-6中可知有噪音异常声响的汽车变速器A垂直度超差0.16ram，垂直度合格的汽车变速器B则无噪音异常声响。表3-6 汽车变速器壳体检测结果 mm序号测量项目技术要求变速器A变速器B1 前端面对轴心线的垂直度0.10 0.26 0.09 2 前后端面平面度0.05 0.04 0.03 3 前端两定位稍孔中心距268.470.05268.43 268.43 4 前端面两定位稍孔对轴心距的距离1550.025155.01 155.01 5 一、二轴孔与中间轴孔轴心线平行度0.06 0.05 0.01 结合多次解体汽车变速器检测发现
32、：汽车变速器壳体的一、二轴轴心线对前端面的垂直度只要达到 015mm 以上就会引起汽车变速器噪音异常声响。第四章 分析4.1变速器结构图4-1变速器结构4.2变速器振动噪音机理从图4-1中可以看出，变速器由于不可避免的制造和安装误差，必然会引起齿轮啮合过程中的振动和冲击，再通过固定在输入和输出轴上的轴承传递到箱体上。变速箱噪声主要由齿轮、箱体，轴承等组成。齿轮啮合过程中的所产生的摩擦和冲击是齿轮产生振动噪声的主要方面。齿轮噪声可分为结构噪声和空气及液体动力性噪声。结构噪声是由齿轮啮合过程时产生的冲击和振动引起的；空气动力性噪声则是由于齿轮和齿轴在旋转过程中，引起周围空气振动而产生的。一般在高速
33、旋转中才会考虑空气噪声的影响，在低速传动时，可不予考虑。液体运动噪声是由于齿轮啮合过程中的齿面间的挤压导致润滑油向外喷射，而引起的冲击波。它与齿轮的旋转速度、齿轮侧隙、齿轮顶隙、变速器的润滑油、润滑油量大小以及润滑的方式等有直接关系，通常它不是齿轮啮合传动系统噪声的主要来源。齿轮副啮合的动态激励主要是内部激励，其包含三种形式：刚度激励、误差激励和啮合冲击激励。4.2.1刚度激励刚度激励是由于在齿轮的啮合过程中，承担负载的齿数不断变化，而导致的啮合刚度不断变化。4.2.2误差激励在实际的生产制造中，齿轮的制造误差和装配误差是不可避免的。这两种误差统称为误差激励。由于这些误差的存在，在齿轮的运转过
34、程中导致了齿轮啮合位置偏离了理论位置，导致了瞬时传动比不断变化和齿轮碰撞冲击，产生了齿轮啮合冲击力。制造误差的种类很多，其中包括:齿向倾斜偏差、齿向凸度、齿廓倾斜偏差、齿廓凸度、挠度、一齿径向总偏差、径向综合总偏差、齿向倾斜偏差变动量和齿廓倾斜偏差变动量等等。其中齿形和齿距误差影响最大。4.2.3啮合冲击激励由于齿轮误差的存在，在一对齿轮的啮合过程中，存在啮入冲击和啮出冲击两种。啮入冲击是指:在齿轮开始啮合过程中，由于齿轮开始的啮合位置偏离了理论的啮合位置，由于啮合位置偏差，导致了齿轮的啮合冲击，称之为啮入冲击。啮出冲击是指:在一对齿轮结束啮合的过程中，由于齿轮结束啮合的位置偏离了理论的结束啮
35、合位置，而产生了由于啮合位置偏差而导致的齿轮啮合冲击，称之为啮出冲击。齿轮的啮入冲击和啮出冲击统称为啮合冲击。啮合冲击激励与啮合刚度变化直接相关，啮合刚度变化越大，冲击激励越大，并由于齿轮的旋转运动而呈现周期性啮合刚度变化和啮合冲击激励变化。图4-2中所示为直齿轮啮合刚度曲线，图4-3为斜齿轮啮合刚度曲线。从两个谱线的对比可以看出直齿轮的变化很快，易引发冲击而产生除啮合频率之外的高次谐波。相比较斜齿轮的啮合刚度变化较为平缓，主要产生啮合频率的基波成份。在旋转部件的故障诊断中齿轮的啮合阶次具有非常重要的诊断价值。 K（t）tK（t）t图4-2 直齿轮啮合刚度曲线 图4-3 斜齿轮啮合刚度曲线4.
36、3振动信号处理技术方法随着信号诊断技术、处理方法以及计算机技术的发展，人们已经对设备的故障机理、类型和特征有了深刻的认识。基于振动的信号处理技术也得到了长足的发展，然而对于旋转机械来说，不同的运转特点，不同的故障部位，不同的故障机理都有着不同的故障表现和处理方法。4.3.1同周期相加平均法对于时域信号来说，不同时刻采集的时域信号由于相位不同的原因是不能平均的。但对于稳定转速的齿轮箱，如果可以确保对某个轴不同时刻采集的振动信号在起始点的相位一致，采样频率和采样数一样，对于这样的时域信号可以通过平均大大提高信噪比，减少和抑制掉干扰信号，从而提取与该轴相关的振动信号，这种方法被称为同步时域平均，此时
37、的时域信号做出的谱称为同步谱。在实际的测试分析中，同周期相加平均对单轴上只有一对齿轮啮合的状况下较为有效，如果轴上有多对啮合齿轮，通过采用时域平均技术是难以分析故障类型和特点的。4.3.2频谱分析技术频谱分析是现代信号处理技术的最基本和常用的方法之一，在生产和科研中获得了日益广泛的应用。在齿轮箱状态监视和故障诊断中，通过频谱分析可以从信号中获得各轴的旋转频率和各个齿轮的啮合频率以及故障轴承的通过频率，针对于分析和判断变速箱故障位置，故障种类和产生机理提供了十分有效的工具与手段。在检测过程中，通过相同频率下的振幅变化情况以及是否有新频率产生，可以分析变速箱的运行状况，是变速箱故障诊断中最重要的信
38、号处理方法之一。为了提高频谱的分析精度，常用的措施有多段平均，加窗和离散频谱校正技术。多段平均是降噪和求谱均值的一种技术，对于稳态信号，是为了降低信号中随机噪声的影响，而对于随机信号，为了求取平均功率谱，需要平均化处理测试信号中的多个测试段落。加窗，为了能使计算机对有限的样本进行计算，同时又可以避免由于截断而引起的能量泄露，频率分辨率降低或振幅降低，一种窗函数营运而生，常用的窗函数种类有以下几种：矩形窗(无窗)，主要应用于区分频域与振动幅值相近的信号或瞬时信号宽度小于窗;指数形窗，应用于瞬时信号宽度大于窗； 海宁窗，瞬时信号宽度大于窗的普通目的的应用；海明窗，用于声音处理；平顶窗，分析无精确参
39、照物且要求精确测量的信号；Kaiser-Bessel窗，用于区分频率相近而形状不同的信号。离散频谱校正是针对幅值谱或功率谱的校正方法，目前常用的有四种方法:离散频谱能量重心校正法，对幅值谱进行校正的比值法，FFT+DFT谱连续细化分析傅里叶变换法和相位差法。4.3.3倒频谱分析倒频谱分析又称为二次频谱分析，其实质是对功率谱取对数，然后再进行频谱分析，得到频谱中的周期成分。针对齿轮箱中的齿轮和滚动轴承出现的调制边频带，利用倒频谱可以分析出反应故障特征的调制频率，从而诊断故障。当对多段平均的功率谱取对数后，功率谱中与调制变频带无关的噪声和其他信号也得到较大的权系数而放大，所以当调制边频的幅值不大或
40、信号中含有较大噪声时，倒频谱中得到的调制频率的幅值并不明显，这种方法在实际工程运用中有较大的局限性。4.3.4细化谱分析在语音、振动、噪声等工程信号分析中，为了获得更高的频率分辨率，又要有较宽的范围，就需要有细化谱分析技术以实现这种分析目的。工程中应用最为广泛的是选带频谱细化复调制分析方法，又称为频带可选的频率分析方法，是一种高频率分辨率的傅里叶算法，一般简称为ZFFT方法。4.3.5解调分析在齿轮箱的故障诊断中，齿轮，滚动轴承或轴发生集中或分析性故障，对其振动信号进行频谱分析时，频谱图上一般都会出现以齿轮的啮合频率、齿轮的固有频率或滚动轴承内、外环的固有频率为中心频率，以齿轮所在轴的转频或滚
41、动轴承通过频率为调制频率的调制边频带。从信号中提取调制信息，分析其强度和频次就可以判断齿轮箱产生故障的部位和损伤程度，这一分析过程称为解调。它是齿轮箱故障诊断中广泛使用的一种方法。4.4阶次分析与典型故障信号特征4.4.1阶次分析变速器是汽车动力传输的重要部件，其齿轮的啮合频率，轴的旋转频率以及轴承的通过频率均与输入轴的转速有着直接的关系，随着发动机转速的不断变化，其变速器的相关频率也在不断的变化，如果采用传统的频谱分析技术，势必会产生频率模糊的现象。为了解决这个问题，一种基于等角度间隔采样的阶次分析方法应运而生。它可以获得不随转速变化的平稳的振动或噪音信号，以便利用傅里叶变换进行分析。阶次分析方法由于是等角度采样，所以非常适用于转速不断变化的旋转机械的信号诊断，其分析方法主要有两种：第一种是Digital Order-tracking(数字阶次跟踪)，根据转速同步重采样，较适合于转速变化缓慢的采样;另一种是Kalman Filter(卡尔曼滤波器)，它是直接由采集得到的时域信号求解各个阶次的值。其基本原理是:根据转速定义一个正弦比较信号，与真实测量信号中对应的该频率信号做比较，使用梯度迭代的方法，使两者之间的差别最小化.其优点是相比数字阶次跟踪法分析时间快，适合于转速快速变化，信号幅值波动较快，较