變速器狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷方法

黃森，強(qiáng)登科

(陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西 西安 710119)

0 引言

汽車變速箱是汽車的主要傳動(dòng)部件，擔(dān)負(fù)著將動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到車輪的重要使命。變速箱以其傳動(dòng)比固定，傳動(dòng)力矩大，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車的關(guān)鍵性傳動(dòng)部件之一，其操作性、傳動(dòng)性和安全性的好壞直接影響到汽車的整體性能，因此在變速箱總裝完成之后必須進(jìn)行嚴(yán)格的、全面的性能檢查，在量產(chǎn)前進(jìn)行大量試驗(yàn)，模擬車輛的特殊運(yùn)行條件和運(yùn)行環(huán)境。變速器在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)疲勞失效等故障，因此準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)變速器運(yùn)行狀態(tài)和提前預(yù)估試驗(yàn)中可能出現(xiàn)的故障(齒輪裂紋、斷齒、零部件敲擊與松動(dòng)、軸承局部剝落和損壞等)，對(duì)于產(chǎn)品改進(jìn)、試驗(yàn)設(shè)備及人員安全及其重要，有必要建立一套針對(duì)變速器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷分析的方法。

變速器在工作時(shí)箱體內(nèi)部齒輪、軸承、軸都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這些振動(dòng)通過(guò)各種傳遞路徑傳遞到箱體表面，當(dāng)零件產(chǎn)生磨損或故障時(shí)(如齒輪齒根疲勞裂紋、軸承局部剝落、軸不對(duì)中等)會(huì)導(dǎo)致箱體振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生不同形式的變化，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)這些信號(hào)來(lái)識(shí)別變速器各零部件的運(yùn)行狀態(tài)和已存在的故障模式，進(jìn)而辨識(shí)變速器在臺(tái)架試驗(yàn)或整車運(yùn)行中的實(shí)際狀態(tài)。獲取變速器運(yùn)行狀態(tài)的首要步驟是獲得監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)信息，對(duì)變速器而言監(jiān)測(cè)振動(dòng)和噪聲信號(hào)是對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的主要手段。本文作者分析了變速器各種零件振動(dòng)信號(hào)的特征，從復(fù)合振動(dòng)信號(hào)中分離出齒輪的振動(dòng)信號(hào)、軸不對(duì)中故障振動(dòng)信號(hào)和軸承故障振動(dòng)信號(hào)，有效地診斷了變速器內(nèi)部零件的典型故障。

1 變速器振動(dòng)信號(hào)特征分析

統(tǒng)計(jì)資料表明［1］，齒輪、軸承、軸的故障占變速器故障的90%。變速器工作的特征頻率大多為軸頻、齒輪的嚙合頻率以及軸承的內(nèi)外圈和滾動(dòng)體的頻率及其諧頻、邊頻的組合，這些特征頻率成為對(duì)變速器進(jìn)行狀態(tài)判定的依據(jù)［2－3］。變速器是一個(gè)復(fù)雜的齒輪系統(tǒng)，內(nèi)部有許多齒輪、軸承、軸，不同形式的靜載荷和動(dòng)載荷分別作用于這些齒輪、軸承、軸，為了滿足變速器狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的需要，避開(kāi)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模型而直接建立與狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障分析相關(guān)的變速器振動(dòng)信號(hào)特征。

1.1 齒輪嚙合的振動(dòng)特征分析

齒輪的振動(dòng)主要是齒輪嚙合激勵(lì)振動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)的主要成分是嚙合頻率及其諧波分量，可以用下式表示:

式中:x(t)為齒輪振動(dòng)信號(hào);Xm為第m階嚙合頻率諧波分量的幅值;φm為第m階嚙合頻率諧波分量的初相位;fs為軸的轉(zhuǎn)頻;z為齒輪的齒數(shù)。

當(dāng)齒輪存在磨損、疲勞裂紋等故障時(shí)齒輪嚙合的振動(dòng)信號(hào)的幅值和相位發(fā)生變化，產(chǎn)生幅值和相位調(diào)制，用am(t)和bm(t)分別表示第m階嚙合頻率諧波分量的幅值和相位調(diào)制函數(shù)，故障齒隨軸每轉(zhuǎn)一次嚙合一次，因此am(t)和bm(t)是軸轉(zhuǎn)頻fs的周期函數(shù)，可以用下式表示:

式中:Amn和Bmn分別是幅值和相位調(diào)制函數(shù)的第n階分量的幅值;αmn和βmn分別是幅值和相位調(diào)制函數(shù)的第n階分量的相位，經(jīng)調(diào)制的齒輪振動(dòng)信號(hào)為:

上式所描述的是嚙合齒輪本身的振動(dòng)，要直接測(cè)量這種振動(dòng)是非常困難的，只能用安裝在變速器箱體上的振動(dòng)傳感器來(lái)測(cè)量。然而齒輪的振動(dòng)信號(hào)必須經(jīng)過(guò)齒輪、軸、軸承和箱體才能到達(dá)傳感器，所以傳感器拾取的信號(hào)是經(jīng)過(guò)傳遞函數(shù)調(diào)制的齒輪振動(dòng)信號(hào)，并且沒(méi)有簡(jiǎn)單的方法來(lái)消除傳遞路徑對(duì)齒輪振動(dòng)信號(hào)的影響，因此要合理地選擇振動(dòng)傳感器的安裝位置。

對(duì)于恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪，經(jīng)過(guò)時(shí)序分析齒輪嚙合的頻率及其諧頻、幅值的變化，通過(guò)不同時(shí)序的振動(dòng)能量的變化趨勢(shì)來(lái)確定齒輪是正常狀態(tài)還是故障狀態(tài)，如圖1和圖2所示。對(duì)于存在多對(duì)齒輪副的變速器而言，可以采取在測(cè)量振動(dòng)信號(hào)的同時(shí)，跟蹤輸入軸的轉(zhuǎn)速信號(hào)，即所謂的轉(zhuǎn)速跟蹤。由于參與嚙合的齒輪副嚙合頻率和輸入軸的轉(zhuǎn)頻比值不變(即齒輪嚙合階次)，通過(guò)識(shí)別階次可以有效地判斷哪對(duì)齒輪副振動(dòng)或噪聲較大，從而識(shí)別故障齒輪。圖3為某型變速器9擋時(shí)采集到的階次云圖，可知主要發(fā)聲輪為階次12的輪，而該階次剛好為1擋輪重合，從而可將故障目標(biāo)鎖定為1擋輪。

變速器在臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖4所示的情況，即振動(dòng)在某轉(zhuǎn)速段非常劇烈，因此要避開(kāi)振動(dòng)劇烈的轉(zhuǎn)速段進(jìn)行試驗(yàn)。

另外，可從齒輪振動(dòng)中取出嚙合頻率成分，將它同齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率同步相加、平均，這種方法叫時(shí)域同步平均法。這種方法對(duì)診斷齒輪局部異常并確定其位置非常有效。因?yàn)楫惓Ш蠒r(shí)，沖擊振動(dòng)的振幅要比其他齒的大，所以曲線上幅值最大的峰值位置即是異常齒的位置，同步時(shí)域平均需要保證按特定整周期截取信號(hào)。對(duì)齒輪信號(hào)的特定周期，總是取齒輪的旋轉(zhuǎn)周期，即在測(cè)取齒輪箱振動(dòng)加速度的同時(shí)，記錄一個(gè)轉(zhuǎn)速同步脈沖信號(hào)，在做信號(hào)的時(shí)域平均時(shí)，以此脈沖信號(hào)來(lái)觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器，從而保證按齒輪軸的旋轉(zhuǎn)周期截取信號(hào)，且每段樣本的起點(diǎn)對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)軸的某一特定轉(zhuǎn)角。隨著平均次數(shù)的增加，齒輪旋轉(zhuǎn)頻率及其各階倍頻成分保留，而其他噪聲部分相互抵消趨于消失，由此可以得到僅與被檢齒輪振動(dòng)有關(guān)的信號(hào)。經(jīng)過(guò)時(shí)域平均后，比較明顯的故障可以從時(shí)域波形上反映出來(lái)，如圖5(a)所示。圖5(a)是正常齒輪的時(shí)域平均信號(hào)，信號(hào)由均勻的嚙合頻率分量組成，沒(méi)有明顯的高次諧波;圖3(b)是齒輪安裝對(duì)中不良的情形，信號(hào)的嚙合頻率分量受到幅值調(diào)制，但調(diào)制頻率較低，只包含轉(zhuǎn)頻及其低階諧頻;圖5(c)是齒輪的齒面嚴(yán)重磨損的情況，嚙合頻率分量嚴(yán)重偏離正弦信號(hào)的形狀，故其頻譜上必然出現(xiàn)較大的高次諧波分量，由于是均勻磨損，振動(dòng)的幅值在一轉(zhuǎn)內(nèi)沒(méi)有大的起伏;圖5(d)為齒輪有局部剝落或斷齒時(shí)的典型信號(hào)，振動(dòng)的幅值在某一位置有突跳現(xiàn)象。一般來(lái)講，觀察時(shí)域平均后的齒輪振動(dòng)波形對(duì)于識(shí)別故障類型是很有幫助，即使一時(shí)難以得出明確的結(jié)論，對(duì)后續(xù)分析和判斷也可以提供極具參考價(jià)值的信息。

1.2 軸承的振動(dòng)特征分析

軸承元件表面損傷故障的振動(dòng)信號(hào)是一連串瞬時(shí)高頻沖擊信號(hào)，正常工作的軸承都有其與轉(zhuǎn)速相關(guān)的工作頻率，可以通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算得出［1］，在正常工作頻率外出現(xiàn)其他一連串幅值較大的瞬時(shí)高頻信號(hào)。圖6(a)為正常狀態(tài)軸承頻譜圖，圖6(b)為故障狀態(tài)軸承頻譜圖，或者原有的正常工作頻率振動(dòng)能量增幅較大則意味著軸承處于故障狀態(tài)。

1.3 軸不對(duì)中故障特征分析

變速器軸不對(duì)中的故障，主要出現(xiàn)在變速器與其他部件相連接的聯(lián)軸器部位。當(dāng)聯(lián)軸器兩端的軸雖平行卻不對(duì)中時(shí)，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，軸受徑向交變力的作用，徑向交變力表達(dá)式為:

式中:e為兩軸偏心距;k1為連軸接徑向剛度。軸每轉(zhuǎn)一周，徑向力交變兩次，在徑向力的作用下，軸會(huì)在徑向產(chǎn)生振動(dòng)，其振動(dòng)頻率為軸轉(zhuǎn)頻fs的兩倍。因此，軸不對(duì)中故障振動(dòng)信號(hào)可以表示為:

軸不對(duì)中振動(dòng)信號(hào)是一個(gè)頻率非常低的振動(dòng)信號(hào)，加速度信號(hào)很難反映出來(lái)，速度信號(hào)和位移信號(hào)比較靈敏。

2 變速器狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案

變速器工作時(shí)，內(nèi)部有I個(gè)齒輪、J個(gè)滾動(dòng)軸承和K根軸在運(yùn)動(dòng)，則安裝在變速器的振動(dòng)傳感器拾取的振動(dòng)信號(hào)為:

式中:yi(t)第i個(gè)齒輪的振動(dòng)信號(hào);zj(t)為第j個(gè)軸承的故障振動(dòng)信號(hào);vk(t)為第k根軸不對(duì)中故障的振動(dòng)信號(hào);n(t)為干擾噪聲。

實(shí)際上在振動(dòng)傳感器拾取的振動(dòng)信號(hào)為齒輪、軸承、軸的復(fù)合信號(hào)，為了降低傳遞路徑的影響可將振動(dòng)傳感器盡可能安裝在離被測(cè)部件較近、振動(dòng)較大的地方，利用時(shí)域同步平均法和小波變換可將各種信號(hào)進(jìn)行分離，以便分析。如變速器進(jìn)行的是帶載荷的加載試驗(yàn)，可以在監(jiān)測(cè)振動(dòng)的同時(shí)，設(shè)置足夠的采樣率，同步監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速和扭矩信號(hào)，圖7為變速器臺(tái)架試驗(yàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案。扭矩信號(hào)中含有豐富的信息，特別是當(dāng)齒輪出現(xiàn)裂紋或斷齒時(shí)扭矩信號(hào)時(shí)最為敏感，同時(shí)獲取轉(zhuǎn)速、扭矩和振動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案對(duì)于準(zhǔn)確判斷變速器運(yùn)行狀態(tài)和振動(dòng)形式十分必要。圖8為某型減速機(jī)的扭矩特征信號(hào)，當(dāng)輸入扭矩和轉(zhuǎn)速周期性波動(dòng)時(shí)(圖8(a))，不但會(huì)加劇齒輪的嘯叫，增大變速器噪聲，還會(huì)破壞齒輪工作狀態(tài)，引起軸的彎扭耦合振動(dòng)，從而增加齒輪損壞概率;當(dāng)輸入扭矩轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)如果齒輪出現(xiàn)斷齒或者裂紋會(huì)引起扭矩轉(zhuǎn)速信號(hào)波動(dòng)(圖8(b))，同時(shí)增大扭矩放大系數(shù)。監(jiān)測(cè)到圖8所示的扭矩信號(hào)后，對(duì)該減速機(jī)進(jìn)行拆檢發(fā)現(xiàn)減速齒輪出現(xiàn)剝落和裂紋。

3 結(jié)論

通過(guò)分析變速器齒輪、軸、軸承的特征信號(hào)，給出了變速器內(nèi)部零件的典型故障特征，建立了基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的分析模型和狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案，對(duì)變速器臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷具有指導(dǎo)意義。

【1】崔寧博．設(shè)備診斷技術(shù)［M］．天津:南開(kāi)大學(xué)出版社，1988．

【2】郭文璜．機(jī)械工程中的噪聲測(cè)試與控制［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993．

【3】李潤(rùn)方，王建軍．齒輪傳動(dòng)系振動(dòng)沖擊噪聲［M］．北京:科學(xué)出版社，1997．