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LMS QTV通道在变速箱rattle测试中的应用
潘甫生 常辉 邓晓龙
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摘要：本文介绍了变速箱rattle噪声的产生机理和影响因素，使用离合器从动盘式扭转减震器和双质量飞轮对传动系统的影响。详细介绍了LMS_QTV通道的原理，通过实际案例测试对比了扭转减震器和双质量飞轮对传动系统扭振的衰减效果。
概述
随着客户对整车舒适性的要求越来越高，汽车生产商在整车NVH性能方面正面临着严峻的挑战。近年来，发动机的动力性能不断提高，缸内平均有效压力持续增大，发动机输出扭矩波动和转速波动也随之增大，而对于手动变速箱来说，由于离合器式扭转减震器的衰减能力限制，导致发动机输入到变速箱的扭矩波动也变得越来越大，变速箱往往会产生明显的齿轮敲击噪声（gear rattle），变速箱噪声逐渐凸显出来并引起客户的抱怨。采用双质量飞轮在很多情况下是必须考虑的选择。
要解决变速箱rattle噪声问题，需要匹配合适的离合器刚度、阻尼，或者对双质量飞轮的转动惯量、刚度、阻尼等特性进行全面测试和评价。采用LMS QTV测试通道，可准确地测试和分析离合器或双质量飞轮对发动机扭振衰减效果，并根据测试结果提供优化的方向。
1 传动系统介绍
乘用车多采用前置前驱的驱动方式，由于整个动力传动链相对于前置后驱短，所以产生的NVH问题也相对较少，主要是变速箱的gear rattle噪声。在车辆行驶过程中，加速和滑行过程较宽的转速范围内都可能产生rattle噪声，严重影响了车内声品质和乘坐舒适性。
发动机的输出的扭矩波动和转速波动越来越大，尤其对于燃烧粗暴的柴油机，扭矩波动的产生的激励会更大。对于手动变速箱来说，由于自由运转的齿轮对之间存在的背隙，受主动轴的转速波动的激励，当从动齿轮的角加速度大到产生的惯性力大于驱动力矩时，就产生了冲击，从而产生宽频打齿噪声，频率范围一般在500Hz～8000Hz。由于一般带离合器的传动系统的共振转速范围在1000rpm～2000rpm内，加速时当发动机转速经过传动系统的固有频率对应的转速范围时，车内便会听到变速箱的打齿噪声。变速箱rattle噪声的主要影响参数有：激励力大小、背隙、自由齿轮惯量大小等。
为了控制汽车动力传动系统的扭振和由此而产生的扭振噪声，广泛采用的是离合器从动盘式扭振减振器。离合器从动盘式扭振减振器是在发动机与传动系的接合部引入一个低刚度环节，从而调节动力传动系统的扭振固有特性，减震器的阻尼器增加了传动系统的扭振阻尼，可减小扭振共振响应振幅。由于离合器从动盘式扭振减振器的工作扭角小(一般10度～20度)，故其扭转刚度大，致使减振器隔振效果差，尤其在发动机低速共振转速范围时隔离效果差，共振主要依靠采用合适的阻尼来衰减。
双质量飞轮的使用可大大改善这一现象，双质量飞轮相当于一个机械式低通滤波器，能够将发动机曲轴输出端的扭转振动滤掉，以消除对传动系的扭振激励，在发动机工作转速范围内，不再出现扭转共振。双质量飞轮将轴系振动幅度的峰值转速从1000rpm～2000rpm降到怠速以下300～500rpm左右。另外，飞轮第二质量使变速箱输入轴工作更稳定，齿轮敲击声(gear rattle)一般不再出现。
2 QTV结构原理
与LMS SCADAS III的其它模块相同，LMS QTV通道由两个模块组成。其电压输入调理模块，确保100kHz的模拟信号带宽，用于对输入转速信号的调理、放大或衰减，以保证其SP 90模数转换模块正确地采集数据。过零检测和rpm变化量的计算，则是通过一个高性能的数字信号处理器（DSP）在数字域内实现。QTV的结构原理图如图1所示。它说明了QTV如何将模拟式转速信号转换为高精度、宽频带的rpm变化量。图中只给出一个通道的框图，实际上，一个QTV模块有四个通道，能同时对旋转件四个不同部位的扭振信号进行测量分析。

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含有扭振信息的转速信号，先馈入一个带宽很宽的模拟式调理电路，该电路可选择适当的放大或衰减因子。必要时，还可插入一高通滤波电路，但一般情况下，不推荐这样做，因为会引起相位失真和不希望的瞬态响应。抗混滤波器和24bit、204.8kHz 采样率的模数转换器，可保证精确采集原始的转速数据。对原始信号作精确的数字化处理后，再由DSP作进一步的运算处理。首先，对ADC输出数据进行二倍升采样。这个过程相对简单，利用FIR（有限冲激响应）插值滤波器，保证运算过程非常精确。然后，对升采样后的数据（此时的采样间隔为2.5μs）进行零位检测。

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达到上述采样间隔后，利用可靠、精确的拉格朗日多项式插值法（16阶），再进行32倍插值。此时，对原始转速信号的估计，达到76ns的时间分辨率。而最初的ADC采样率为204.8KHz（4.9ms的时间分辨率）。最后，对拉格朗日插值后的采样信号再进行检测，查找其“＋”、“－”值的转换点，并用线性插值法确定精确的过零时刻。由于最后一步的线性插值是在超高的过采样后进行的，可以认为输入数据具有极好的线性度，它有效地保证了最佳的RPM精度。仿真处理表明，理论上QTV处理的时间分辨率等效于工作在几个GHz的计数器。
3 测试过程
传动系统测试主要关注发动机输出的转速波动和经过离合器或双质量飞轮衰减后输入到变速箱的转速波动，综合来考察减震器对传动系统扭振的衰减能力。同时可监测变速箱输入轴轴承壳体处的振动、变速箱近场的噪声和车内噪声。
两个转速的测试需在离合器壳体和变速箱壳体上分别打孔，放入转速传感器测取飞轮启动齿和变速箱输入轴齿轮的转速信号，通过LMS系统QTV通道对信号进行处理分析，在软件系统中计算出瞬时转速，并进行所需的后处理。评价变速箱gear rattle的主要工况包括：怠速，离合器结合过程，爬坡，各档位加速、滑行，短加速工况等。

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4 案例
采用LMS QTV通道，分别测试了同一款直列四缸柴油机搭载单质量飞轮（SMF）配离合器从动盘式扭转减震器和双质量飞轮（DMF）的传动系统的扭振。图5为刚度曲线对比，可以看出离合器扭转减震器和双质量飞轮的扭转角度范围和刚度有很大差别。

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图5 扭转减震器和双质量飞轮刚度曲线对比

单质量飞轮匹配离合器从动盘式扭转减震器方案在1700rpm左右产生共振，导致在三档加速经过共振转速时，变速箱输入轴的转速波动出现明显共振峰值，见图6。变速箱壳体振动和变速箱近场噪声也有明显宽频带的振动和噪声，见图7和图8；而双质量飞轮方案加速时未发生共振。单质量飞轮匹配离合器式扭转减震器方案在2000rpm以下衰减较差，而双质量飞轮方案在整个转速范围内都有良好的衰减效果，见图9。

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5 结论
测试的转速波动数据来看，加速时单质量飞轮搭载离合器从动盘式扭转减震器在常用转速范围传动系统产生共振，对乘坐舒适性和变速箱齿轮寿命都会有严重的影响。双质量飞轮的使用大大提高了传动系统的隔振效果，降低了输入到变速箱的扭振，从而减小了变速箱的打齿噪声。在车内主观评价没有发现变速箱有明显的NVH问题，主观评价可以接受。
LMS QTV通道是高采样率的转速通道，能精确的采集测试对象的瞬时转速，结合LMS Testlab的其他模块和强大的后处理功能，能够快速准确的确定问题的特征。 2/27/2012

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