變速器總成耐久試驗早期故障診斷

金光 袁照丹 姜冠伊 李浩亮 馮作英

（一汽解放汽車有限公司商用車開發院,長春130012）

主題詞：變速器 早期故障診斷 振動階次分析

1 前言

旋轉機械一般運行轉速較高，其工況狀態不僅影響該機器設備本身的安全穩定運行，而且還會對后續生產造成直接影響[1-2]。齒輪裝置廣泛應用于旋轉機械傳動系統，齒輪損傷后將產生強烈的振動和噪聲，導致傳動系統的不穩定甚至失效，因此對齒輪裝置動態性能的研究倍受關注[3-5]。

隨著對齒輪裝置故障診斷研究的開展，對具有故障齒輪特征頻率的認識逐漸深入，利用頻率分析診斷變速器總成故障的技術開始出現。汽車工程實踐中，德國RHF公司生產的德爾塔故障專家系統廣泛應用于動力總成臺架試驗中。但通過調研發現，實際使用中多數企業只是用于報警停機，數據分析不充分，對失效模式的積累和研究較少，對產品開發工作沒有實際的指導作用。為此，本文通過使用該故障診斷專家系統來監控汽車變速器耐久測試過程，采用一種新的數據分析方法定位失效部件，預測失效模式。

2 階次分析

通過對被測變速器總成振動信號進行階次分析（Order Analysis），能夠準確掌握變速器耐久測試過程中機械故障發生位置、發生時間及記錄完整的演變過程。本文利用“階”（Order）來描述頻譜中的頻率序列，通常稱之為軸的基準速度，即為1“階”[6]?！半A”通常也稱為階次，階次的使用排除振動頻率的因素，總成中旋轉零件的階次值被唯一確定。

2.1 變速器總成振動來源

齒輪嚙合振動和軸承振動是變速器總成振動的主要來源，因此主要針對軸承運轉和齒輪嚙合導致的振動變化進行分析。

2.2 滾動軸承運轉振動及典型故障特征

2.2.1 滾動軸承的運轉振動

滾動軸承結構如圖1所示[7]。在負荷的作用下，未發生機械故障的滾動軸承旋轉的周期性變化產生機械振動，會形成振幅很小的摩擦噪聲；而發生機械故障的軸承內圈、外圈、保持架和滾子將產生可被測量和識別的、周期性的機械振動，滾動軸承的振動基于故障發生的部位具有不同的階次。軸承外圈、內圈、滾子、保持架振動頻率計算如下[7]。

圖1 滾動軸承結構示意

軸承外圈振動頻率fBPFO：

軸承內圈振動頻率fBPFI：

滾子振動頻率fBPF：

保持架振動頻率fCRF：

式中，N為滾子數量；f為軸承內圈旋轉頻率；d為滾子直徑；D為軸承中心徑；β為滾子與軸承之間的接觸角。

2.2.2 滾動軸承的典型故障

滾動軸承典型故障頻譜如圖2所示。

圖2 滾動軸承的典型故障特征頻譜

由圖2a可看出，軸承外圈振動頻率fBPFO的主頻峰值及其諧波很明顯。如果僅有主頻出現，可能是外圈變形、點蝕或剝落。在故障嚴重的情況下，會由于周期性的負荷變化出現間隔為fBPFO的諧波。

由圖2b可看出，內圈的振動頻率fBPFI峰值和間隔為主軸轉頻fn的邊頻出現，fn振動峰值及其諧波很明顯。

由圖2c可看出，滾子頻率fBPF及其諧波帶有間隔為保持架旋轉頻率fCRF的邊頻。在軸承不清潔或潤滑不足時，fBPF會出現較高振動峰值，fBPF的子諧波(0.5fBPF)也常伴隨存在。保持架振動頻率fCRF及其諧波也可能出現。

由圖2d可看出，保持架振動頻率fCRF及其諧波很明顯。

2.3 齒輪嚙合振動及典型故障

2.3.1 齒輪嚙合振動

齒輪嚙合振動會導致軸的扭曲和彎曲振動，特別是彎曲振動將通過軸承等機械零件傳遞到總成的外殼表面。

2.3.2 齒輪嚙合的典型故障譜線

齒輪嚙合的典型故障（齒輪裂紋、斷裂和點蝕）特征譜線如圖3所示，圖中fn1、fn2代表齒輪Z1和Z2所在軸的轉頻。齒輪嚙合的主頻fZ及其高次諧波很明顯，fZ峰值兩側帶有以主軸轉頻fn為間隔的邊頻。

圖3 齒輪嚙合的典型故障特征

2.4 振動趨勢線形成及振動報警原理

階次分析的基本原則是利用被測試件振動信號的當前分布特性與測試完成的分布特性進行實時比較，通過結果差異查找故障開始發生或加劇的信息。這些差異的生成通常來源于因故障導致的軸承、齒輪等試件的異常狀態變化。

為了排除常規因素的影響，每個測試工況開始階段都有一個“自動學習”階段，這個階段形成一個“參考值譜”，反映試件振動信號在規定測試條件下初始階段所具有的振動分布特性。

“自動學習”階段完成后，在測試中基于測量結果平均值的當前頻譜和“自動學習”階段生成的參考值譜線中同階次值作差，生成一個“偏離值譜”。將某一時刻偏離值的絕對值總和作為一個數據點，測試的進展不斷得到新數據點，將所有數據點連線就形成“振動趨勢線”，圖4為振動趨勢線的形成過程。依據振動趨勢線的變化水平和經驗值，在測試監控中設置警報限值，一旦振動趨勢線觸及警報限值即報警。

圖4 振動趨勢線的形成

3 變速器耐久測試

在兩臺AutoMax耐久試驗臺（重型車變速器試驗臺A、輕型車變速器試驗臺B）上分別對兩套變速器（12擋變速器T1、6擋變速器T2）進行耐久試驗，并利用故障專家系統進行過程監控。根據對變速器總成故障位置的預估，在T1變速器的離合器殼體（靠近主箱）和變速器主箱殼體上布置兩個加速度傳感器，如圖5所示；在T2變速器上布置1個加速度傳感器，如圖6所示。

圖5 試驗臺A及變速器T1的加速度傳感器布置位置

圖6 試驗臺B及變速器T2上加速度傳感器布置位置

3.1 建立階次計算結構模型

開始測試前，利用階次計算軟件（ROC）并依據變速器總成結構、設計參數建立總成階次計算模型，輸入齒輪、軸承參數，計算出變速器總成中各擋齒輪、軸、軸承等相關部件的旋轉振動階次，用于分析實時振動數據。圖7和圖8分別為變速器T1和變速器T2的階次計算結構模型。

圖7 T1變速器階次計算結構模型

圖8 T2變速器階次計算結構模型

3.2 特征階次計算

為簡化計算，根據臺架測試結果和診斷分析需要，分別節選變速器T1的6擋和變速器T2的6擋階次計算結果，包括齒輪嚙合、軸承、相關軸的運轉階次主頻和高次諧波，見表1和表2。

表1 變速器T1的6擋相關部件階次計算結果

表2 變速器T2的6擋相關部件階次計算結果

4 故障診斷分析

4.1 變速器T1故障分析

4.1.1 變速器T1振動趨勢分析

圖9為某工況下變速器T1的6擋振動趨勢線。由圖9可看出，變速器T1在6擋工況下耐久測試初始階段振動趨勢線比較平緩，表明振動信號和參考值差別微小，可以忽略；第3循環趨勢線出現階躍上升，表明總成中主要傳動件出現明顯的早期故障，隨著測試深入振動能量逐步上升；第9循環時趨勢線加速上升，觸及報警停機。

圖9 變速器T1的6擋某工況振動趨勢指數曲線

4.1.2 變速器T1階次譜分析

圖10為變速器T1的6擋階次譜，由圖10可看出，階次譜清晰，特征明顯。以階次13.13為中心兩側出現間隔為1.01階次的邊頻帶，2階階次26.26處也出現間隔為1.01階次的明顯邊頻，是齒輪嚙合故障模式的典型特征譜線。由表1階次計算結果可知，13.13、26.26……等系列階次是6擋副箱中間軸低擋齒輪的主頻和高次諧波。

圖10 變速器T1的6擋階次譜

4.1.3 變速器T1瀑布圖分析

圖11為變速器T1的6擋瀑布圖，由圖11可看出，6擋副箱中間軸常嚙合齒輪嚙合的主頻和2次諧波振幅變化較大，從試驗開始階段相關成分就出現振動變化，隨著試驗進展振幅逐漸升高，有邊頻陸續出現，至報警時刻主頻和2次諧波振動峰值均不斷升高，邊頻振幅也升高明顯，由于這些原因最后導致專家系統觸發報警。

圖11 T1變速器6擋瀑布圖

4.1.4 變速器T1故障解析

從變速器T1的6擋振動數據階次分析可知，階次譜成分清晰、幅值較大，測試進行至第3循環階段振動能量即明顯升高，表明樣件發生損傷，但故障的發展較慢，過程持續8個循環；邊頻幾乎從主頻變化初期就伴隨出現，齒輪損傷導致軸運轉不平穩的故障特征明顯。故障變化速度慢、發展周期長，說明故障模式不是裂紋等彎曲疲勞[7]損傷，應該屬于磨損、點蝕類發展緩慢的接觸疲勞[8]損傷。

4.2 變速器T2故障診斷分析

4.2.1 變速器T2振動趨勢分析

圖12為某工況下變速器T2的6擋振動趨勢線，由圖12可看出，變速器T2在6擋耐久測試初始階段振動趨勢線變化較明顯。由圖13振動趨勢線全景圖可看出，測試過程中，其它擋（5擋測試未進行）趨勢線平穩，只有6擋振動趨勢線呈上升趨勢，說明6擋相關零件出現損傷，導致振動能量持續上升。測試程序運行至第6循環時，6擋趨勢線上升觸及報警停機。

4.2.2 變速器T2階次譜分析

圖14為變速器T2的6擋階次譜，由圖14可看出，階次譜中故障特征明顯，以階次28.21為中心的峰值兩側出現間隔為1.28階次的邊頻帶，是6擋齒輪嚙合故障模式的典型特征譜線。由表2可知，28.21、56.42……等系列階次是6擋齒輪嚙合的主頻和高次諧波。

圖12 T2變速器6擋某工況振動趨勢指數曲線

圖13 變速器T2振動趨勢全景圖

圖14 變速器T2的6擋階次譜

4.2.3 變速器T2瀑布圖分析

圖15為變速器T2的6擋瀑布圖，由圖15可看出，6擋齒輪嚙合的主頻明顯，隨著試驗進展振幅逐漸升高，有邊頻陸續出現，至報警時刻主頻振動峰值不斷升高，邊頻振幅也明顯升高，由于這些原因最后導致專家系統觸發報警。

圖15 變速器T2的6擋瀑布圖

4.2.4 變速器T2故障解析

由變速器T2的6擋振動數據階次分析可知，階次譜成分清晰、振幅變化較大，在第1循環階段振動能量就明顯升高，是原始裂紋擴展故障特征，但故障的發展過程較長，持續6個循環,能量變化較大；在報警時段邊頻才出現（圖15），說明最后階段齒輪損傷變化劇烈，齒輪損傷導致軸運轉不平穩的故障特征出現較晚。原始裂紋的原因很難分析，但最后劇烈變化可能有斷裂等彎曲疲勞損傷，經主觀評價，報警停機后試運轉有極不易察覺的沉悶沖擊噪聲，初步判斷6擋齒輪可能有局部斷齒故障模式，邊頻為輸出軸階次，說明故障發生在6擋輸出齒輪上。

5 變速器拆解驗證

5.1 變速器T1拆檢

經拆檢發現,變速器T1副箱中間軸低擋齒輪多輪齒出現大面積齒面剝落，見圖16。

圖16 變速器T1副箱中間軸齒輪損傷照片

根據趨勢指數線和振動特征的發展變化并結合拆解分析，可以判定該變速器故障的演變過程為：測試開始的2個循環總成運轉平穩，進入第3個循環后，趨勢線發生階躍式變化，說明有故障發生（剝落或點蝕），測試進入第3循環，振動能量明顯升高，顯示損傷發生，但故障的發展較慢，過程持續8個循環。副箱中間軸低擋齒輪嚙合的主頻振動幅值持續緩慢升高，主頻兩側以主軸轉頻為間隔的邊頻振幅也伴隨升高，說明點蝕、剝落不斷加劇，導致該軸運轉不平衡，最終趨勢線觸發報警線停機。

5.2 變速器T2拆檢

打開變速器T2后端蓋發現，6擋輸出齒輪有一輪齒出現局部斷裂，符合診斷中預測的故障模式和故障位置。但發現齒輪顏色呈褐色，疑似異常超溫，但相鄰零件未見異常。拆下齒輪觀察到齒輪有貫穿花鍵轂底部到齒頂的裂紋，這才是齒輪的致命損傷，損傷情況見圖17。

圖17 變速器T2的6擋齒輪損傷照片

經與廠家溝通，得知該樣品在裝配中曾出現過返工情況，因該齒輪需要加熱壓裝，二次裝配時感應加熱溫度控制不良，導致中溫回火引起的原始裂紋,斷裂原因是淬火裂紋延遲開裂。經更換6擋輸出齒輪后，該樣品已經完成預定載荷譜全部循環，沒有再出現齒輪損傷問題。

6 結束語

針對變速器耐久測試的故障診斷，提出利用階次分析方法準確定位失效零件的位置。試驗結果表明，利用振動信號階次分析可以在故障發生初期識別故障位置，在故障早期中止測試，避免樣品過度損壞和保護測試設備，縮短產品開發周期，給產品設計改進贏得時間并提供更完整的數據支持。