汽車機械式變速器疲勞壽命試驗早期故障診斷

張永強

（中國重汽集團大同齒輪有限公司技術(shù)中心， 山西 大同 037305）

引言

變速器疲勞壽命試驗是室內(nèi)模擬整車運行的標(biāo)準(zhǔn)試驗，它能綜合性地驗證變速器總成的整體性能（雖然不能全面反應(yīng)實際路況）。以往變速器總成疲勞試驗只是主觀人為的憑經(jīng)驗檢查變速器的損壞情況[1]，變速器零部件微小損壞是無法分辨出來，疲勞壽命試驗結(jié)束變速器零部件損壞非常嚴(yán)重，導(dǎo)致無法判斷出變速器損壞的一次故障點，給變速器后期改進帶來極大的困難，也極大地浪費了人力、物力。

變速器早期故障診斷是基于機械振動檢測早期故障，它是一種客觀的檢查方法，它用于在動態(tài)條件下早期檢查發(fā)出聲學(xué)的機器裝置，它通過比較當(dāng)前的振動特性與在試驗初期建立起來的參考值的振動特性[2]，能夠判斷出變速器的早期故障點，并及時報警停止試驗，為變速器研發(fā)和改進優(yōu)化提供有用的信息。

1 變速器早期故障試驗方案

變速器早期故障振斷包括四個階段：變速器試驗條件的設(shè)置、試驗數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、變速器模型的建立；試驗數(shù)據(jù)的分析。

1.1 變速器試驗條件的設(shè)置

按照變速器疲勞壽命《試驗大綱》的要求進行變速器試驗條件的設(shè)置，包括轉(zhuǎn)速、扭矩、油溫、變速器各擋速比，保證變速器試驗過程中完全按照《試驗大綱》要求進行，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.2 變速器試驗數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的處理

變速器試驗數(shù)據(jù)的采集包括以下階段：自學(xué)習(xí)階段，即變速器最初的試驗數(shù)據(jù)，最初試驗數(shù)據(jù)被認(rèn)為是變速器運行狀態(tài)最理想一個階段，因此把這一階段作為振動特性的參考值；監(jiān)測階段，即變速器試驗過程中實時數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測；數(shù)據(jù)處理階段：實時數(shù)據(jù)和參考特性數(shù)據(jù)進行比較，偏離的值進行頻譜趨勢指數(shù)曲線，當(dāng)曲線超出預(yù)先設(shè)定的報警值時，及時報警停機，說明變速器零部件已經(jīng)出現(xiàn)早期的故障。

1.3 變速器模型的建立

這是一個簡單發(fā)現(xiàn)故障的輔助工具，按照變速器各擋的傳動路線建立模型，并輸入零部件的參數(shù)，軟件將自動計算各擋齒輪、軸承、軸的階次，最后與變速器采集的數(shù)據(jù)配合使用發(fā)現(xiàn)可能存在的故障，模型和參數(shù)如下圖1、表1 所示。

圖1 變速器模型

表1 變速器參數(shù)

1.4 變速器試驗數(shù)據(jù)的分析

變速器試驗數(shù)據(jù)分析需要結(jié)合振動參考特性、振動實時數(shù)據(jù)曲線和變速器模型、參數(shù)共同完成，概括大致分為三個步驟：

第一步：分析振動實時數(shù)據(jù)曲線，振動實時數(shù)據(jù)曲線與振動參考曲線進行比較，找出異常的數(shù)據(jù)曲線。

第二步：具體分析異常數(shù)據(jù)曲線，查看異常曲線的階次，與變速器模型階次進行對比，找出異常的曲線階次。

第三步：找出具體故障點，分析異常曲線周圍的參數(shù)，與變速器模型參數(shù)進行一一對照，就能找出變速器損壞的故障點。

2 變速器早期故障診斷試驗需要具備的條件

變速器早期故障診斷試驗依托于變速器疲勞壽命試驗臺，試驗臺轉(zhuǎn)速范圍是0～2 000 r/min，扭矩是0～3 000 N·m，油溫傳感器范圍包括滿足變速器疲勞《試驗大綱》的要求，振動傳感器有兩個，分別安裝在疲勞主試變速器離合器前殼和副箱后殼上，傳感器分別對試驗過程中的變速器進行試驗數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控，對試驗過程中轉(zhuǎn)速、扭矩、擋位、油溫進行分類記錄，變速器疲勞試驗臺架如圖2 所示。

圖2 變速器試驗臺

3 變速器疲勞試驗

現(xiàn)以公司某變速器的疲勞壽命試驗為例，按照變速器《試驗大綱》要求進行早期故障診斷條件的設(shè)置并進行變速器的模型建立。

變速器按照疲勞《試驗大綱》要求運行一段時間后，變速器早期故障診斷儀連續(xù)三次報警，變速器停止試驗（試驗過程中主觀人為的憑經(jīng)驗檢查變速器是否有故障）。

分析變速器早期故障診斷儀所采集的數(shù)據(jù)，振動實時數(shù)據(jù)曲線與振動參考曲線進行全方位比較，找出異常數(shù)據(jù)曲線；

進一步分析異常數(shù)據(jù)的曲線并與變速器模型的參數(shù)進行對比，發(fā)現(xiàn)主箱一擋齒輪振動曲線出現(xiàn)異常，最后分析周圍曲線的參數(shù)可以判斷出變速器主箱中間軸一擋齒輪出現(xiàn)點蝕；具體曲線見圖3 和圖4。

圖3 振動曲線1

圖4 振動曲線2

變速器疲勞試驗拆解結(jié)果：主箱中間軸一擋輪點蝕；點蝕圖片見圖5。

變速器早期故障診斷分析診斷結(jié)果與變速器拆解結(jié)果具有較好的一致性，它提前發(fā)現(xiàn)了變速器內(nèi)部零部件出現(xiàn)早期故障并及時報警停止試驗，使得變速器的故障點第一時間被發(fā)現(xiàn)，也使得變速器試驗周期縮短，為后期改進提供了充足的時間，并且節(jié)約成本，減少了勞動強度。

圖5 中間軸點蝕

4 結(jié)論

變速器早期故障診斷的實施不僅可以早期發(fā)現(xiàn)變速器零部件早期故障點，還具備以下優(yōu)勢：

1）變速器早期故障診斷完善了變速器疲勞試驗臺在樣機試驗過程中出現(xiàn)早期故障時進行自動報警的措施，實現(xiàn)了變速器疲勞試驗臺在樣機試驗過程中出現(xiàn)早期故障時能夠自動停機的功能；使得變速器疲勞試驗臺開啟了智能化時代；

2）建立個別變速器齒輪早期損壞數(shù)據(jù)庫；使得變速器振動曲線與故障形態(tài)形成了一一對應(yīng)的關(guān)系，為今后變速器疲勞試驗奠定了試驗基礎(chǔ)；

3）降低了試驗人員的工作強度，減小了試驗人員的聽力損耗，提高了試驗人員的安全性（以前試驗人員總是頻繁地去正在運行的樣機旁，憑借人耳去聽變速器發(fā)出的聲音，根據(jù)自身經(jīng)驗去判斷變速器故障）；

4）減少了試驗周期，節(jié)約了成本，提高臺架試驗效率。