由軸承損傷引起的驅(qū)動(dòng)橋異響分析

章文忠，姜致強(qiáng)，徐勇，徐國祥

(江西江鈴底盤股份有限公司，江西撫州 344000)

0 引言

滾動(dòng)軸承是廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)部件，同時(shí)也是導(dǎo)致機(jī)器故障頻繁發(fā)生的重要原因[1]。在支持軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，軸承承受著軸傳遞給機(jī)架的載荷。它的噪聲表現(xiàn)形式多種多樣，包括滾子掉落音、滾道傷音、保持架音、鋼球傷音、共振音等等，無論是外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體和保持架都可能成為噪聲的源頭[2]。

軸承本身零件的質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、潤滑不良、載荷異常和裝配不當(dāng)?shù)榷紩?huì)引起軸承噪聲。軸承噪聲可分為頻率隨轉(zhuǎn)速變化和不隨轉(zhuǎn)速變化兩種。隨轉(zhuǎn)速變化的軸承故障可通過階次分析尋找故障源[3]；不隨轉(zhuǎn)速變化的軸承故障一般通過測試振動(dòng)加速度和振動(dòng)速度，利用共振解調(diào)技術(shù)尋找故障特征頻率[4]，來判斷噪聲源頭。

文中噪聲不隨轉(zhuǎn)速變化，但在振動(dòng)上未找到特征，直接通過聲音特征識(shí)別故障源。

1 背景介紹

某皮卡加速和減速工況存在“呲呲”異響，主觀上分貝值不高，隨轉(zhuǎn)速升高略有增加。減速到低速時(shí)，因背景噪聲較低，噪聲尤其明顯。主觀上乘客位置比駕駛員位置噪聲嚴(yán)重。

空擋滑行時(shí)聲音依舊存在。使用密封墊堵住后排乘客座椅和車身縫隙，主觀感覺聲音變小，但依舊會(huì)引起抱怨。

2 整車故障識(shí)別

為識(shí)別故障，對整車進(jìn)行噪聲測試。使用西門子LMS測試設(shè)備，在駕駛員位置、后排乘客位置布置聲音采集器，在后橋殼體上布置三向振動(dòng)加速度傳感器，分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 駕駛員右耳

圖2 后排乘客右耳 圖3 后橋振動(dòng)加速度測試

對采集的聲音信號(hào)進(jìn)行濾波回放處理，發(fā)現(xiàn)“呲呲”聲由2 470 Hz共振頻率引起，強(qiáng)度30 dB(A)。駕駛員右耳位置聲音信號(hào)測試結(jié)果見圖4，后排乘客右耳位置聲音信號(hào)測試結(jié)果見圖5。在振動(dòng)瀑布圖上沒有明顯階次特征和共振特征。

圖4 駕駛員右耳位置聲音信號(hào)

圖5 后排乘客右耳位置聲音信號(hào)

3 固有頻率計(jì)算

按照《NSK滾動(dòng)軸承技術(shù)手冊》[2]，計(jì)算的主齒內(nèi)軸承外圈徑向振動(dòng)固有頻率，和測試結(jié)果吻合。

使用UG軟件的有限元分析功能，計(jì)算軸承外圈固有頻率和理論計(jì)算較接近。

所以判斷后橋“呲呲”聲產(chǎn)生的直接原因是主齒內(nèi)軸承外圈共振。

3.1 理論計(jì)算

滾動(dòng)軸承套圈的固有振動(dòng)，有徑向和軸向振動(dòng)。徑向固有振動(dòng)模式如圖6所示。

單個(gè)套圈的徑向頻率，可按照薄壁圓弧棒理論計(jì)算，見式(1)：

(1)

式中：fi為單個(gè)套圈的徑向i次固有頻率(Hz)；E為彈性模量(MPa)；ρ為比重(N/mm3)；g為重力加速度(mm/s2)；n為各模式的變形波數(shù)(i+1)；Ix為中軸線上套圈截面2次力矩(mm4)；A為套圈的截面積(mm2)；R為套圈中軸線半徑(mm)。

圖6 徑向1～3次振動(dòng)模式

按照式(1)計(jì)算時(shí)，需要截面二次力矩，計(jì)算較繁瑣。為大致了解外圈徑向固有頻率可按照式(2)計(jì)算。由內(nèi)外徑和截面形狀系數(shù)求固有頻率。

(2)

式中：d為軸承內(nèi)徑，mm；D為軸承外徑，mm；k為由截面形狀決定的常數(shù)，k=0.125(帶密封槽的外圈)，k=0.150(開式外圈)；n為各振動(dòng)模式的變形波數(shù)(i+1)。

該主齒內(nèi)軸承型號(hào)為32308，內(nèi)徑40 mm，外徑90 mm，開式外圈k=0.15，計(jì)算得到：

f′1=2 782 Hz，f′2=7 869 Hz，f′3=15 088.9 Hz

徑向1次振動(dòng)頻率和實(shí)測值接近，說明后橋“呲呲聲”主要由主齒內(nèi)軸承外圈徑向1次共振引起。

3.2 有限元計(jì)算

使用UG的高級(jí)分析功能計(jì)算軸承外圈固有頻率，采用3D六面體實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，材料選取steel，單元大小0.5～1 mm，單元數(shù)256 410個(gè)。UG計(jì)算結(jié)果和理論計(jì)算值較接近。計(jì)算結(jié)果截圖如圖7所示。

圖7 有限元計(jì)算結(jié)果

4 臺(tái)架測試

為了驗(yàn)證以上對故障源的判斷，查找故障根本原因，對后橋進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。因?yàn)檎囌駝?dòng)上沒有明顯特征，在臺(tái)架上除了布置振動(dòng)傳感器(見圖8)外，還布置了一個(gè)聲音采集器(見圖9)。另外通過光電轉(zhuǎn)速傳感器(見圖10)跟蹤后橋輸入轉(zhuǎn)速。

圖8 振動(dòng)測點(diǎn)位置

圖9 傳聲器測點(diǎn)位置

測試時(shí)，注意臺(tái)架工裝緊固牢靠。工裝如果松動(dòng)的話，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)引起工裝共振，影響測試結(jié)果。

4.1 測試工況

兩輪邊空載，最高轉(zhuǎn)速2 200 r/min，加速工況接近勻加速，在800、1 200和2 200 r/min分別勻速20 s左右，總時(shí)間80 s。轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化情況見圖11。

圖11 臺(tái)架測試工況

4.2 測試結(jié)果

使用LMS Test.Lab振動(dòng)測試系統(tǒng)對驅(qū)動(dòng)橋振動(dòng)噪聲進(jìn)行分析，測點(diǎn)處3個(gè)方向的振動(dòng)加速度變化趨勢和轉(zhuǎn)速有很好的對應(yīng)性，見圖12。加速過程振動(dòng)加速度隨轉(zhuǎn)速增加而增加，其關(guān)系見圖13。注：X向?yàn)槠嚽斑M(jìn)方向，Y向?yàn)榘胼S方向，Z向?yàn)樨Q直向上。Z向振動(dòng)>X向振動(dòng)>Y向振動(dòng)。

傳聲器信號(hào)測試結(jié)果和整車噪聲測試結(jié)果吻合，在2 400 Hz處檢測到不隨轉(zhuǎn)速變化的噪聲信號(hào)，見圖14。

振動(dòng)加速度在2 000 Hz附近沒有找到特征，3個(gè)方向的Color map見圖15。

圖12 測點(diǎn)處振動(dòng)加速度變化趨勢

圖14 傳聲器Color map

圖15 振動(dòng)加速度Color map

5 原因分析及優(yōu)化

5.1 原因分析

經(jīng)計(jì)算，異常頻率和主齒內(nèi)軸承外環(huán)徑向1次共振頻率對應(yīng)。經(jīng)拆解，軸承外環(huán)滾道壁上有多處環(huán)形劃痕，見圖16。判斷整車“呲呲”聲由驅(qū)動(dòng)橋主齒內(nèi)軸承外環(huán)故障引起。其強(qiáng)度雖然不超過30 dB(A)，但頻率超過2 000 Hz，從后排車身縫隙中傳入車內(nèi)，容易被乘客察覺，引起抱怨。

圖16 主齒內(nèi)軸承外環(huán)缺陷

5.2 優(yōu)化結(jié)果

對更換主齒內(nèi)軸承后橋進(jìn)行臺(tái)架測試，原異常頻率消失，測試結(jié)果見圖17。將后橋裝原車駕評(píng)，整車故障消失，駕駛員和乘客位置聲音信號(hào)分別見圖18和圖19。

圖17 更換主齒內(nèi)軸承后臺(tái)架測試結(jié)果

圖18 更換軸承后橋駕駛員處聲音信號(hào)

圖19 更換軸承后橋后排乘客處聲音信號(hào)

6 結(jié)論

軸承共振聲強(qiáng)度雖然不高，但頻率較高，容易被人耳識(shí)別，通過空氣傳播到車內(nèi)，引起乘客抱怨。在采用振動(dòng)加速度無法準(zhǔn)確捕捉故障特征時(shí)，采用聲音采集器進(jìn)行故障識(shí)別不失為一個(gè)有效方法。

經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，軸承損傷由異物傾入滾道所致，可見驅(qū)動(dòng)橋清潔度要求對軸承的正常運(yùn)行至關(guān)重要。