變速器旋轉(zhuǎn)部件激勵頻率計算及其在故障診斷中的應(yīng)用

陳曉利，張教超

（陜西法士特集團公司汽車傳動工程研究院，陜西西安710119）

變速器旋轉(zhuǎn)部件激勵頻率計算及其在故障診斷中的應(yīng)用

陳曉利，張教超

（陜西法士特集團公司汽車傳動工程研究院，陜西西安710119）

詳細介紹了機械變速器內(nèi)部外圓柱齒輪、行星齒輪組、滾動軸承等旋轉(zhuǎn)部件階次的計算方法，并結(jié)合實際測試，給出其在噪聲與振動分析、故障診斷中的應(yīng)用。

變速器；激勵頻率；噪聲與振動；故障診斷

0 引言

旋轉(zhuǎn)機械是工業(yè)應(yīng)用最多的一類機械，其噪聲與振動測試及故障診斷不僅關(guān)系到操作人員作業(yè)環(huán)境的改善，還可以提前預(yù)防故障的發(fā)生。階次分析技術(shù)［1］是一種將噪聲與振動信號和轉(zhuǎn)速信號相結(jié)合的分析技術(shù)，是旋轉(zhuǎn)機械噪聲與振動信號分析和故障診斷的重要技術(shù)之一。階次定義為參考旋轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)內(nèi)發(fā)生的振動頻率，可以用下式表示：

式中：fOrder代表階次，f為旋轉(zhuǎn)部件的振動頻率，f0＝n／60為參考軸的轉(zhuǎn)頻，n為參考軸轉(zhuǎn)速 （r／min）。文中給出的階次計算公式均為基頻的算法。

機械變速器屬于典型的旋轉(zhuǎn)機械，齒輪、軸、軸承組成了其旋轉(zhuǎn)部件，這3類結(jié)構(gòu)是變速器振動噪聲的重要激勵源。相對于一軸來說，在特定的擋位下，每個旋轉(zhuǎn)部件都有其唯一的特征標識 “階次”，是與輸入的轉(zhuǎn)速、扭矩等條件無關(guān)的量。文中將變速器一軸作為參考軸，詳細介紹了變速器內(nèi)部各旋轉(zhuǎn)部件階次的計算方法，并舉例介紹其在噪聲與振動分析及故障診斷中的應(yīng)用。

1 外圓柱齒輪

法士特雙中間軸變速器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示 （某9速變速器），根據(jù)式 （1）可以得到各個齒輪副的階如表1所示。一對嚙合齒輪副具有相同的階，在進行故障診斷時一般通過調(diào)頻頻率來區(qū)分哪個齒輪可能存在故障［2］。

表1 變速器內(nèi)部齒輪的階次

某9速變速器掛超速擋在超過1 250 r／min以后，會出現(xiàn)一種刺耳的嘯叫聲，測試的三維頻譜如圖2（a）所示?？梢园l(fā)現(xiàn)嘯叫聲以一軸齒輪的嚙合階次52階為主，并伴隨著一軸階次的調(diào)頻，初步判斷為一軸齒輪的問題。更換一軸和一軸齒輪以后，該現(xiàn)象明顯改善，測試的三維頻譜如圖2（b）所示。

2 變速器行星齒輪組

副箱行星齒輪組在機械變速器中也很常見，如ZF多款變速器的副箱均采用該結(jié)構(gòu)。太陽輪轉(zhuǎn)動時，行星齒輪組也在繞太陽輪公轉(zhuǎn)，可得太陽輪的階是其主軸階次的Zsun（1－1／i）倍。其中Zsun為太陽輪的齒數(shù)，i為行星齒輪架與輸入主軸的速比。

圖3即為ZF ECOSPLIT某變速器1擋加載時的三維頻譜圖，可以看出一擋齒輪的嚙合基階14、二次諧階28，副箱行星齒輪組的嚙合基階5.59、四次諧階22.36共同構(gòu)成了該變速器的主要噪聲源。

3 軸承

在理想的工作條件下，內(nèi)圈與傳動軸同速轉(zhuǎn)動，外圈不轉(zhuǎn)動，滾動體在內(nèi)圈與外圈之間進行純滾動，可見軸承階次計算可以類比行星齒輪組。圖4即為典型的軸承結(jié)構(gòu)示意圖，用O代表內(nèi)圈的階、r為接觸點內(nèi)滾道半徑、R為接觸點外滾道半徑、Z代表滾子的數(shù)量，α為接觸角。

行星輪在內(nèi)齒圈上純滾動的距離，就是行星輪自傳過的圓周長度。滾動體自傳運動產(chǎn)生的階次O2：

保持架運動的階次O1等于行星架旋轉(zhuǎn)的階次O行：

一個外圈溝道缺陷產(chǎn)生的階次O3等于保持架的階次乘滾子數(shù)目：

一個內(nèi)圈溝道缺陷產(chǎn)生的階次O4等于 （內(nèi)圈階次－保持架公轉(zhuǎn)階次）乘滾子數(shù)目：

球表面單個缺陷產(chǎn)生的階次O5等于2倍滾動體自轉(zhuǎn)階次：

內(nèi)外滾道的接觸點半徑r和R一般較難測量，將其轉(zhuǎn)化為容易測量的滾動體直徑 d及滾動體中心節(jié)圓直徑 D，r＝可得到文獻［3］所示的特征階次計算公式。

對于軸承來說，只有軸承發(fā)生故障時，才會導(dǎo)致相關(guān)特征頻率信號的出現(xiàn)［4］。與此同時，軸承故障會影響齒輪的嚙合，齒輪嚙合產(chǎn)生的能量要遠大于軸承故障產(chǎn)生的能量，由此在分析由于軸承故障引起的異常噪聲信號時，需要更多的實踐與經(jīng)驗。

4 總結(jié)

詳細講述了機械變速器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件特征階次的計算方法，并應(yīng)用頻譜分析和階次分析技術(shù)進行了變速器噪聲與振動源識別及故障診斷。對于工程實際來說，這種方法既簡單快捷，使用起來又十分有效，值得推廣應(yīng)用。

【1】劉馥清.LMS公司用戶培訓(xùn)資料－理論基礎(chǔ)［M］.

【2】丁康，李巍華，朱小勇.齒輪及齒輪箱故障診斷實用技術(shù)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005：91－108.

【3】夏新濤，頡潭成.滾動軸承噪聲理論與實踐［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005：93－94.

【4】許明忠，楊小勇.基于實時頻譜分析的變速箱耐久性試驗早期故障檢測和分析診斷［J］.法士特科技，2007（1）：35－40.

Excitation Frequencies Calculation of Transmission Rotational Parts and Its Application in Fault Diagnosis

CHEN Xiaoli，ZHANG Jiaochao
（Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Research Institute，Xi’an Shaanxi710119，China）

The order calculation methods for themanual transmission’s external cylindrical gears，planet gears，roller bearings were in?troduced in detail.The order’s application in NVH analysis and fault diagnosiswas given.

Transmission；Excitation frequency；Noise and Vibration；Fault Diagnosis

2015－03－25

陳曉利，女，碩士，工程師，研究方向為變速器噪聲與振動。E?mail：chenxiaoli＿npu＠163.com。