變速器旋轉(zhuǎn)部件激勵(lì)頻率計(jì)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(tuán)公司汽車(chē)傳動(dòng)工程研究院，陜西西安710119）

變速器旋轉(zhuǎn)部件激勵(lì)頻率計(jì)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(tuán)公司汽車(chē)傳動(dòng)工程研究院，陜西西安710119）

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

變速器；激勵(lì)頻率；噪聲與振動(dòng)；故障診斷

0 引言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械是工業(yè)應(yīng)用最多的一類(lèi)機(jī)械，其噪聲與振動(dòng)測(cè)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(dòng)信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)相結(jié)合的分析技術(shù)，是旋轉(zhuǎn)機(jī)械噪聲與振動(dòng)信號(hào)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(dòng)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(dòng)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(jì)算公式均為基頻的算法。

機(jī)械變速器屬于典型的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，齒輪、軸、軸承組成了其旋轉(zhuǎn)部件，這3類(lèi)結(jié)構(gòu)是變速器振動(dòng)噪聲的重要激勵(lì)源。相對(duì)于一軸來(lái)說(shuō)，在特定的擋位下，每個(gè)旋轉(zhuǎn)部件都有其唯一的特征標(biāo)識(shí) “階次”，是與輸入的轉(zhuǎn)速、扭矩等條件無(wú)關(guān)的量。文中將變速器一軸作為參考軸，詳細(xì)介紹了變速器內(nèi)部各旋轉(zhuǎn)部件階次的計(jì)算方法，并舉例介紹其在噪聲與振動(dòng)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(gè)齒輪副的階如表1所示。一對(duì)嚙合齒輪副具有相同的階，在進(jìn)行故障診斷時(shí)一般通過(guò)調(diào)頻頻率來(lái)區(qū)分哪個(gè)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(guò)1 250 r／min以后，會(huì)出現(xiàn)一種刺耳的嘯叫聲，測(cè)試的三維頻譜如圖2（a）所示。可以發(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(wèn)題。更換一軸和一軸齒輪以后，該現(xiàn)象明顯改善，測(cè)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(jī)械變速器中也很常見(jiàn)，如ZF多款變速器的副箱均采用該結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，行星齒輪組也在繞太陽(yáng)輪公轉(zhuǎn)，可得太陽(yáng)輪的階是其主軸階次的Zsun（1－1／i）倍。其中Zsun為太陽(yáng)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(shí)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(dòng)軸同速轉(zhuǎn)動(dòng)，外圈不轉(zhuǎn)動(dòng)，滾動(dòng)體在內(nèi)圈與外圈之間進(jìn)行純滾動(dòng)，可見(jiàn)軸承階次計(jì)算可以類(lèi)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(diǎn)內(nèi)滾道半徑、R為接觸點(diǎn)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(dòng)的距離，就是行星輪自傳過(guò)的圓周長(zhǎng)度。滾動(dòng)體自傳運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的階次O2：

保持架運(yùn)動(dòng)的階次O1等于行星架旋轉(zhuǎn)的階次O行：

一個(gè)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(gè)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(gè)缺陷產(chǎn)生的階次O5等于2倍滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)階次：

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

對(duì)于軸承來(lái)說(shuō)，只有軸承發(fā)生故障時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致相關(guān)特征頻率信號(hào)的出現(xiàn)［4］。與此同時(shí)，軸承故障會(huì)影響齒輪的嚙合，齒輪嚙合產(chǎn)生的能量要遠(yuǎn)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(hào)時(shí)，需要更多的實(shí)踐與經(jīng)驗(yàn)。

4 總結(jié)

詳細(xì)講述了機(jī)械變速器內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件特征階次的計(jì)算方法，并應(yīng)用頻譜分析和階次分析技術(shù)進(jìn)行了變速器噪聲與振動(dòng)源識(shí)別及故障診斷。對(duì)于工程實(shí)際來(lái)說(shuō)，這種方法既簡(jiǎn)單快捷，使用起來(lái)又十分有效，值得推廣應(yīng)用。

【1】劉馥清.LMS公司用戶(hù)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(shí)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：91－108.

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

【4】許明忠，楊小勇.基于實(shí)時(shí)頻譜分析的變速箱耐久性試驗(yàn)早期故障檢測(cè)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?yàn)樽兯倨髟肼暸c振動(dòng)。E?mail：chenxiaoli＿npu＠163.com。