動力總成振動噪聲性能分析主要包括以下四個方面：發(fā)動機振動噪聲、發(fā)動機輪系/帶系/閥系的振動噪聲、變速箱振動噪聲和離合器性能評價。

1. 發(fā)動機振動噪聲

對于動力總成而言，最基本的評價就是發(fā)動機的振動噪聲評價。跟整車一樣，需要對一些目標進行評價。如發(fā)動機振動噪聲主要的階次分量分布是什么樣的，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(guī)分析之外，發(fā)動機還有心理聲學(xué)指標，但它的心理聲學(xué)指標跟整車的心理聲學(xué)指標不一樣，整車主要考慮的是語言清晰度，而發(fā)動機主要考慮的是粗糙度。對于4缸4沖程發(fā)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。對于每一個缸而言，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(zhuǎn)速下，如怠速時，半階次與整數(shù)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，噪聲信號就有一個非常典型的現(xiàn)象是所謂的拍頻。拍頻狀態(tài)的噪聲表現(xiàn)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(xiàn)出來的就是所謂的粗糙度，而特別近時，表現(xiàn)出來的是聲音的波動，如下圖所示。而對于發(fā)動機而言，兩個聲音的頻率是屬于比較近這種情況，但又不會特別近。當兩個頻率相差15Hz以上表現(xiàn)為粗糙度，15Hz以內(nèi)時，表現(xiàn)為波動性。對于發(fā)動機而言，表現(xiàn)的是粗糙度。



發(fā)動機工作時，向外輻射的噪聲有多大，則需要通過測量發(fā)動機的聲功率來進行評價。由于輻射噪聲與發(fā)動機表面振動相關(guān)，與振動速度的平方成正比。因此，減少發(fā)動機表面振動是減少噪聲輻射的有效方法之一。而對于評價發(fā)動機輻射的聲功率通常按SAE推薦的發(fā)動機噪聲測量標準J1074進行。

對于發(fā)動機的振動噪聲而言，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(fā)動機特性的反映。對于一個4沖程發(fā)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(fā)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(guān)閉。進氣門關(guān)閉那個事件對應(yīng)的是進氣門氣閥落座，壓縮之后是點火，點火必然產(chǎn)生沖擊，沖擊引起缸壁振動，從而輻射燃燒噪聲，而氣閥落座產(chǎn)生的是機械噪聲。點火之后是排氣，排氣時排氣門打開，那么排氣時又將產(chǎn)生排氣噪聲。因此，在各個事件發(fā)生時，可以分離出來各個位置對應(yīng)的振動噪聲表現(xiàn)，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(fā)動機工作周期是相關(guān)的。

使用角度域分析可以分離出活塞撞擊聲?；钊矒?，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(fā)生，對應(yīng)的是活塞往上沖和往下抽，這兩個動作撞擊最明顯，那么使用角度域分析可以把它分離出來，來評價各個轉(zhuǎn)速、各個工況，不同發(fā)動機，不同缸之間活塞撞擊產(chǎn)生的振動噪聲。所以對于發(fā)動機而言，角度域分析是有別于常規(guī)的整車或進排氣的分析，它們都不做角度域分析，但對發(fā)動機而言，角度域分析是一個秘密武器。

對于發(fā)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于船用柴油機，船用柴油機需要進行扭振校核。扭轉(zhuǎn)振動反映的是動態(tài)應(yīng)變，產(chǎn)生了動態(tài)的剪切應(yīng)力，這種動態(tài)的扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力不同于靜態(tài)剪切應(yīng)力，動態(tài)剪切應(yīng)力時間長了之后，會使旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生疲勞損傷，因此，這是一個漸變的過程。如果曲軸產(chǎn)生了疲勞損傷，則會造成曲軸斷裂。曲軸斷裂是不可想象的，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(fā)生斷裂現(xiàn)象。

除了以上分析之外，發(fā)動機還需要做噪聲源識別。噪聲源識別主要通過內(nèi)場噪聲源識別方法來進行噪聲源識別。對于發(fā)動機的噪聲分析手段，其實前面已經(jīng)講過了有角度域、頻域和時域的方法。噪聲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(jīng)驗，有一定的輔助設(shè)備，而發(fā)動機噪聲源識別往發(fā)動機前“一照”，就可快速地獲得噪聲分布云圖，就清楚噪聲源是發(fā)動機什么部位了。二是發(fā)動機噪聲源識別對于異響判斷是有幫助的，異響是指目前這個產(chǎn)品出現(xiàn)了之前產(chǎn)品沒有出現(xiàn)的聲音。由于異響之前沒有出現(xiàn)過，只能借助經(jīng)驗去判斷，因為以前從來沒有遇到過這個問題。比如出現(xiàn)很高頻的噪聲，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。對于發(fā)動機而言，我們通常說的2，4，6，8階次，頻率都是比較低的，那么對于異響而言，發(fā)動機噪聲源識別提供了一個分析工具。

所以，綜合來說對于發(fā)動機振動噪聲，需要用到常規(guī)的頻域處理手段，心理聲學(xué)指標評價、扭振分析、角度域分析和噪聲源識別等手段，如下圖所示。



2. 發(fā)動機輪系/帶系/閥系振動噪聲

發(fā)動機還存在輪系、帶系和閥系，常規(guī)的NVH分析手段肯定是必須的。對于輪系而言，有皮帶輪減振器，對扭振起到減振的作用。對于帶系而言，需要評價發(fā)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。因為特別對于正時而言，精度差一點，正時就不準確了。所謂的正時，就是指各個部件該干什么的時候就干什么。如果正時不準確，當下達指令時，反應(yīng)不過來，那么發(fā)動機的性能肯定就不夠理想。所以，對于帶系而言，主要評價它的傳遞精度和傳動比。比方現(xiàn)在要求得到600RPM，但實際得到的是598或602RPM，在不在允許范圍之內(nèi)。這都有一個設(shè)計指標，要保證傳遞在允許范圍之內(nèi)。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(fā)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(yīng)氣門的開關(guān)。氣門什么時候開，什么時候關(guān)與發(fā)動機的工作要求是相關(guān)的。那么怎么通過機械的方式來控制工作要求對應(yīng)的氣閥的開與關(guān)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么時候開與關(guān)，對應(yīng)氣閥升溫曲線。氣閥升溫曲線在設(shè)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(guān)閉完全是正常的。配氣機構(gòu)轉(zhuǎn)起來以后，它不是完全剛性的，存在彈性變形，因而表現(xiàn)出來不像是理論曲線那么完美，所以，氣閥升溫曲線存在波動。那么這個波動需要控制在一定范圍之內(nèi)，如果波動太大，那么對于控制氣閥開啟與關(guān)閉的時刻與位置都不精確了，那么必將影響發(fā)動機的性能。所以，同樣地閥系也需要進行角度域分析。



3. 變速箱振動噪聲

對于變速箱分析而言，常規(guī)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(fā)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沖程發(fā)動機的2，4，6，8等階次。而階次跟蹤是要時刻跟蹤轉(zhuǎn)速，做角度域的重采樣，保證階次分析特性得到的結(jié)果不受變工況頻率混疊的影響。

對于變速箱而言，變速箱對應(yīng)的階次是比較高的，因為齒輪的齒數(shù)比較多。假如輸入軸上的齒輪有20個齒，那么，對應(yīng)的階次則是20階次（跟蹤輸入軸）。如果輸入軸的轉(zhuǎn)速是3000rpm，那么這個齒輪的嚙合頻率是1000Hz。在同樣時間長度內(nèi)，如果信號頻率很低，可以認為幅值變化不是太大，但對于一個高頻信號，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(shè)一秒之內(nèi)，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(nèi)，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里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(yīng)發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)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(fā)動機轉(zhuǎn)速的20倍頻。

那如何解決這個問題，使它符合實際的情況呢？這就是角度域重采樣的問題，什么是角度域重采樣呢？也就是所謂的等角度采樣，我們常規(guī)的采樣是等時間采樣，采兩點的時間間隔是相等的。但對于旋轉(zhuǎn)機械而言，如仍按等時間采樣，那么低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)一圈采樣點數(shù)很多，而在高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)一圈采樣點數(shù)會很少，有可能轉(zhuǎn)一圈都采不到一個點。那么這時就不能正確地描述信號了。如果采用等角度采樣，不管轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)一圈采集的點數(shù)始終是相同的。

對等角度采樣的時域信號作FFT得到的結(jié)果橫軸不再是Hz了，而是階次，也就是所謂的階次域。那么做完FFT之后得到的結(jié)果，假如信號只是20階次，那么就只有一條階次線，而不像頻域FFT，在1000~1020Hz以內(nèi)的頻率成分都有。因此，這就避免了頻域分析時，出現(xiàn)所謂的頻率混淆現(xiàn)象。

通過角度域的數(shù)字重采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(zhuǎn)速，那么它的目的是什么呢？我們知道，階次分析時，存在一個階次帶寬，假如想關(guān)心到100階次，那么一圈要采200個數(shù)據(jù)點，假設(shè)轉(zhuǎn)速為600rpm，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為10Hz，如果分析到100階次，那么對應(yīng)的頻率為1000Hz，這時要求采樣頻率為2000Hz，在600轉(zhuǎn)時采樣率為2000Hz，那么到6000轉(zhuǎn)時，采樣率則變成了20000Hz。因此，跟蹤轉(zhuǎn)速是為了時刻調(diào)整采樣頻率。但實質(zhì)上原始還是等時間采樣的，但后處理是抽樣以實現(xiàn)等角度采樣。原始采樣率是很高的，在低轉(zhuǎn)速時采樣點過多，需要抽點。一旦固定采樣的帶寬確定以后，那么最大的分析階次帶寬也隨之確定了，這兩個是相關(guān)聯(lián)的。最高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速時，前面設(shè)置的固定采樣的帶寬還夠，那么低轉(zhuǎn)速下采樣點肯定會更多，因此，重采樣時只需抽樣即可，因為對于低轉(zhuǎn)速不需要那么多數(shù)據(jù)點。抽樣完成之后，就變成了等角度采樣，得到角度域的數(shù)據(jù)，再做FFT得到階次域的結(jié)果，這也就是階次跟蹤。對于變速箱而言，一般是需要階次跟蹤的，否則，變速箱里面的倍頻，特別是高頻段是很模糊的。在三維頻譜圖里面，轉(zhuǎn)速越高，頻率混淆越明顯，即變速箱高階次是譜帶，不是譜線，相當于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(jīng)常還要用的分析手段是包絡(luò)解調(diào)和倒譜分析。包絡(luò)解調(diào)和倒譜的概念其實跟我們前面講的發(fā)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(shù)不等，那么兩根軸的轉(zhuǎn)頻必然不等。但它們的嚙合頻率是相等的，等于各自的齒數(shù)乘以各自的轉(zhuǎn)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(wěn)態(tài)定速旋轉(zhuǎn)，而之前轉(zhuǎn)速是瞬變的。

在這種情況下產(chǎn)生產(chǎn)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(chǎn)生偏心，從而產(chǎn)生一倍頻。這個一倍頻會出現(xiàn)在中心嚙合頻率的邊頻帶上。假如中心頻率為20階，那么這時會出現(xiàn)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(xiàn)所謂的包絡(luò)現(xiàn)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，那么將出現(xiàn)2倍頻的邊頻帶。在信號里面除了基頻，2倍頻之外還存在調(diào)制頻率。這個調(diào)制頻率對應(yīng)的就是軸的轉(zhuǎn)頻，如果知道了調(diào)制頻率，就清楚地知道了這個齒輪幅里面是哪個齒輪出現(xiàn)了故障（不對中，缺齒或剝落等故障）。由于兩根軸的轉(zhuǎn)頻不一樣，因此，調(diào)制頻率為其中一根軸的轉(zhuǎn)頻，也就確定了故障所在的齒輪。這種現(xiàn)象叫調(diào)制，對幅值進行調(diào)節(jié)，時大時小，即調(diào)幅。這個現(xiàn)象是調(diào)制，測量的信號發(fā)現(xiàn)是有這個問題，但包絡(luò)解調(diào)又是什么呢？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(luò)解調(diào)。也就是把幅值的包絡(luò)曲線提取出來，對這個包絡(luò)曲線進行FFT分析，得到調(diào)制頻率，也就是對應(yīng)哪個軸的轉(zhuǎn)頻。

那倒譜又是干什么用的呢？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(guī)律的，因為存在邊頻帶。假設(shè)仍然是上次那個信號，那么存在的邊頻帶間隔為1階次，對這個頻譜再做頻譜分析，那么橫軸便變成了時間，通常單位為毫秒，假如在20ms處有峰值，那么對應(yīng)的頻率為50Hz，50Hz對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為3000，看哪個軸是這個轉(zhuǎn)速，那就說明那個軸存在故障。



4. 離合器性能評價

扭振對應(yīng)的載荷是扭矩，發(fā)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(tài)波動變小，因此，離合器有一定的阻尼效應(yīng)。比方對于常規(guī)的線振動，為了減輕發(fā)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。對于扭轉(zhuǎn)振動，扭振減振器通過離合器剛度和阻尼等參數(shù)的調(diào)整，使得扭轉(zhuǎn)方向的振動比較少地傳遞到后面的變速箱，驅(qū)動軸等。因此，離合器能降低曲軸產(chǎn)生的扭振傳遞到后面的動力系統(tǒng)中去。在一些高級車上，不只是通過一個簡單的離合器，會用具有一些特征的離合器，如濕-濕離合器或雙質(zhì)量飛輪，這些特殊的離合器的作用就是保證曲軸產(chǎn)生的扭振逝去的更多，輸出的扭矩更平穩(wěn)，后面產(chǎn)生的NVH問題更少。



發(fā)動機扭振的評價通常是在皮帶輪位置和發(fā)動機輸出端（飛輪位置）位置。對于離合器而言，則需要評價離合器前與離合器后，也就是一邊是飛輪端，一邊是變速器端，看兩邊轉(zhuǎn)速的波動、扭矩的變化，通過前后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(zhì)上又相矛盾，如果離合器單純?yōu)榱藴p少扭轉(zhuǎn)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，那么扭振又會是個麻煩事。因此，對于離合器設(shè)計而言，也是一個妥協(xié)的過程，調(diào)節(jié)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(nèi)。因此，這是離合器要做的測試。