變速器狀態監測及故障診斷方法

黃森，強登科

(陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119)

0 引言

汽車變速箱是汽車的主要傳動部件，擔負著將動力從發動機傳遞到車輪的重要使命。變速箱以其傳動比固定，傳動力矩大，結構緊湊等優點，成為汽車的關鍵性傳動部件之一，其操作性、傳動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行嚴格的、全面的性能檢查，在量產前進行大量試驗，模擬車輛的特殊運行條件和運行環境。變速器在臺架試驗過程中，會出現疲勞失效等故障，因此準確地監測變速器運行狀態和提前預估試驗中可能出現的故障(齒輪裂紋、斷齒、零部件敲擊與松動、軸承局部剝落和損壞等)，對于產品改進、試驗設備及人員安全及其重要，有必要建立一套針對變速器運行狀態監測及故障診斷分析的方法。

變速器在工作時箱體內部齒輪、軸承、軸都會產生振動，這些振動通過各種傳遞路徑傳遞到箱體表面，當零件產生磨損或故障時(如齒輪齒根疲勞裂紋、軸承局部剝落、軸不對中等)會導致箱體振動信號產生不同形式的變化，可以通過監測這些信號來識別變速器各零部件的運行狀態和已存在的故障模式，進而辨識變速器在臺架試驗或整車運行中的實際狀態。獲取變速器運行狀態的首要步驟是獲得監測對象的狀態信息，對變速器而言監測振動和噪聲信號是對其進行狀態監測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信號的特征，從復合振動信號中分離出齒輪的振動信號、軸不對中故障振動信號和軸承故障振動信號，有效地診斷了變速器內部零件的典型故障。

1 變速器振動信號特征分析

統計資料表明［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外圈和滾動體的頻率及其諧頻、邊頻的組合，這些特征頻率成為對變速器進行狀態判定的依據［2－3］。變速器是一個復雜的齒輪系統，內部有許多齒輪、軸承、軸，不同形式的靜載荷和動載荷分別作用于這些齒輪、軸承、軸，為了滿足變速器狀態監測和故障診斷的需要，避開復雜的動力學模型而直接建立與狀態監測及故障分析相關的變速器振動信號特征。

1.1 齒輪嚙合的振動特征分析

齒輪的振動主要是齒輪嚙合激勵振動，振動信號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)為齒輪振動信號;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為軸的轉頻;z為齒輪的齒數。

當齒輪存在磨損、疲勞裂紋等故障時齒輪嚙合的振動信號的幅值和相位發生變化，產生幅值和相位調制，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制函數，故障齒隨軸每轉一次嚙合一次，因此am(t)和bm(t)是軸轉頻fs的周期函數，可以用下式表示:

式中:Amn和Bmn分別是幅值和相位調制函數的第n階分量的幅值;αmn和βmn分別是幅值和相位調制函數的第n階分量的相位，經調制的齒輪振動信號為:

上式所描述的是嚙合齒輪本身的振動，要直接測量這種振動是非常困難的，只能用安裝在變速器箱體上的振動傳感器來測量。然而齒輪的振動信號必須經過齒輪、軸、軸承和箱體才能到達傳感器，所以傳感器拾取的信號是經過傳遞函數調制的齒輪振動信號，并且沒有簡單的方法來消除傳遞路徑對齒輪振動信號的影響，因此要合理地選擇振動傳感器的安裝位置。

對于恒轉速運轉的齒輪，經過時序分析齒輪嚙合的頻率及其諧頻、幅值的變化，通過不同時序的振動能量的變化趨勢來確定齒輪是正常狀態還是故障狀態，如圖1和圖2所示。對于存在多對齒輪副的變速器而言，可以采取在測量振動信號的同時，跟蹤輸入軸的轉速信號，即所謂的轉速跟蹤。由于參與嚙合的齒輪副嚙合頻率和輸入軸的轉頻比值不變(即齒輪嚙合階次)，通過識別階次可以有效地判斷哪對齒輪副振動或噪聲較大，從而識別故障齒輪。圖3為某型變速器9擋時采集到的階次云圖，可知主要發聲輪為階次12的輪，而該階次剛好為1擋輪重合，從而可將故障目標鎖定為1擋輪。

變速器在臺架試驗時會出現圖4所示的情況，即振動在某轉速段非常劇烈，因此要避開振動劇烈的轉速段進行試驗。

另外，可從齒輪振動中取出嚙合頻率成分，將它同齒輪軸的旋轉頻率同步相加、平均，這種方法叫時域同步平均法。這種方法對診斷齒輪局部異常并確定其位置非常有效。因為異常嚙合時，沖擊振動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，同步時域平均需要保證按特定整周期截取信號。對齒輪信號的特定周期，總是取齒輪的旋轉周期，即在測取齒輪箱振動加速度的同時，記錄一個轉速同步脈沖信號，在做信號的時域平均時，以此脈沖信號來觸發A/D轉換器，從而保證按齒輪軸的旋轉周期截取信號，且每段樣本的起點對應于轉軸的某一特定轉角。隨著平均次數的增加，齒輪旋轉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有關的信號。經過時域平均后，比較明顯的故障可以從時域波形上反映出來，如圖5(a)所示。圖5(a)是正常齒輪的時域平均信號，信號由均勻的嚙合頻率分量組成，沒有明顯的高次諧波;圖3(b)是齒輪安裝對中不良的情形，信號的嚙合頻率分量受到幅值調制，但調制頻率較低，只包含轉頻及其低階諧頻;圖5(c)是齒輪的齒面嚴重磨損的情況，嚙合頻率分量嚴重偏離正弦信號的形狀，故其頻譜上必然出現較大的高次諧波分量，由于是均勻磨損，振動的幅值在一轉內沒有大的起伏;圖5(d)為齒輪有局部剝落或斷齒時的典型信號，振動的幅值在某一位置有突跳現象。一般來講，觀察時域平均后的齒輪振動波形對于識別故障類型是很有幫助，即使一時難以得出明確的結論，對后續分析和判斷也可以提供極具參考價值的信息。

1.2 軸承的振動特征分析

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

1.3 軸不對中故障特征分析

變速器軸不對中的故障，主要出現在變速器與其他部件相連接的聯軸器部位。當聯軸器兩端的軸雖平行卻不對中時，在旋轉過程中，軸受徑向交變力的作用，徑向交變力表達式為:

式中:e為兩軸偏心距;k1為連軸接徑向剛度。軸每轉一周，徑向力交變兩次，在徑向力的作用下，軸會在徑向產生振動，其振動頻率為軸轉頻fs的兩倍。因此，軸不對中故障振動信號可以表示為:

軸不對中振動信號是一個頻率非常低的振動信號，加速度信號很難反映出來，速度信號和位移信號比較靈敏。

2 變速器狀態監測方案

變速器工作時，內部有I個齒輪、J個滾動軸承和K根軸在運動，則安裝在變速器的振動傳感器拾取的振動信號為:

式中:yi(t)第i個齒輪的振動信號;zj(t)為第j個軸承的故障振動信號;vk(t)為第k根軸不對中故障的振動信號;n(t)為干擾噪聲。

實際上在振動傳感器拾取的振動信號為齒輪、軸承、軸的復合信號，為了降低傳遞路徑的影響可將振動傳感器盡可能安裝在離被測部件較近、振動較大的地方，利用時域同步平均法和小波變換可將各種信號進行分離，以便分析。如變速器進行的是帶載荷的加載試驗，可以在監測振動的同時，設置足夠的采樣率，同步監測轉速和扭矩信號，圖7為變速器臺架試驗狀態監測方案。扭矩信號中含有豐富的信息，特別是當齒輪出現裂紋或斷齒時扭矩信號時最為敏感，同時獲取轉速、扭矩和振動信號的狀態監測方案對于準確判斷變速器運行狀態和振動形式十分必要。圖8為某型減速機的扭矩特征信號，當輸入扭矩和轉速周期性波動時(圖8(a))，不但會加劇齒輪的嘯叫，增大變速器噪聲，還會破壞齒輪工作狀態，引起軸的彎扭耦合振動，從而增加齒輪損壞概率;當輸入扭矩轉速穩定時如果齒輪出現斷齒或者裂紋會引起扭矩轉速信號波動(圖8(b))，同時增大扭矩放大系數。監測到圖8所示的扭矩信號后，對該減速機進行拆檢發現減速齒輪出現剝落和裂紋。

3 結論

通過分析變速器齒輪、軸、軸承的特征信號，給出了變速器內部零件的典型故障特征，建立了基于狀態監測和故障診斷的分析模型和狀態監測方案，對變速器臺架試驗進行狀態監測和故障診斷具有指導意義。

【1】崔寧博．設備診斷技術［M］．天津:南開大學出版社，1988．

【2】郭文璜．機械工程中的噪聲測試與控制［M］．北京:機械工業出版社，1993．

【3】李潤方，王建軍．齒輪傳動系振動沖擊噪聲［M］．北京:科學出版社，1997．