變速器總成疲勞試驗故障識別及應用

柳州上汽汽車變速器有限公司 廣西柳州 545006

變速器作為汽車結構中關鍵動力傳動部件，其工作環境相對惡劣，載荷變化大，汽車駕駛過程中換擋動作頻繁，導致故障頻發。根據數據統計，80%的變速器零部件都是因為磨損而失效，一旦失效，影響到駕駛體驗，甚至會導致嚴重的事故。因此，為了對變速器的運行狀態和磨損趨勢有一個宏觀的把握，很有必要研究變速器磨損失效的評估預測方法。變速器總成疲勞壽命試驗就是常用的一種評估方式。

周期性旋轉部件在負荷作用下產生周期性的機械振動，軸旋轉和齒輪嚙合所產生的振動信號會通過空氣和機械結構傳遞到機械殼體上，如圖1所示。

通過安裝在測試件上的振動加速傳感器，德爾塔分析儀對測試件內部傳動的振動信號進行采集和基于數理統計分析，能夠及時發現故障。在變速器總成疲勞壽命試驗過程中，振動信號主要受到轉速、轉矩和油溫影響。在試驗條件不變的情況下，從開始產生機械故障到疲勞輕微磨損，再到磨損加劇惡化，直到失效，振動信號也表現出系統的、連續的與旋轉部件結構同步變化特性。這種方法已經被廣泛應用于發動機和變速器耐久試驗的早期故障分析診斷，可以提高試驗質量和縮短試驗時間，縮短產品開發周期。

圖1 變速器振動信號轉播路徑

德爾塔分析儀用在變速器總成疲勞壽命試驗過程中，檢測齒輪副周期性嚙合所產生的旋轉性振動信號。其原理是通過對比當前的振動特性和在試驗初期建立起來的參考值進行差值數理統計。

變速器在試驗初期，也就是磨合試驗期間，德爾塔分析儀會自動采集振動信號，通過傅里葉變換，達到自動學習次數后，形成含有上下限公差的容限帶。后期總成疲勞試驗過程所產生的振動信號如果都分布在容限帶內，則可以判斷變速器總成試驗是平穩正常進行。

如果振動信號超差容限帶，且超差趨勢越來越明顯，則可以判定變速器活動件已有磨損失效，導致周期性旋轉振動不均勻，振動振幅能量加大。一旦超差趨勢達到分析儀設置的報警門限，將觸發試驗臺架報警，及時停機。

德爾塔分析儀能夠通過機械噪聲識別出變速器運行過程中健康狀態。德爾塔分析儀檢測系統通過采集轉速、轉矩、溫度信號，處理測量數據和分析計算趨勢指數（見圖2），并在趨勢指數超過報警限值時自動激活報警繼電器動作，切斷終止當前臺架試驗。

圖2 趨勢形成機理

變速器總成疲勞壽命試驗所產生的振動信號是系統性信號——復雜的齒輪副嚙合、輸入輸出軸旋轉振動及軸承滾動體反復滾動，這些振動信號疊加，如何判斷識別哪個零部件所產生的振動信號趨勢超差是關鍵一步。

階次計算器是德爾塔分析儀進行變速器每個活動件身份識別功能的重要模塊。根據某個型號變速器齒輪副、軸及軸承具體物理分布情況，在階次計算器上進行變速器建模。

階次計算器有兩個功能：一是借助圖形計算器用戶界面建立變速器齒輪、軸、軸承物理分布定義；二是計算所有變速器部件的階次（齒輪、軸、軸承）及其諧波。階次在定義輸入軸為1的前提下，可以理解為階次是變速器內每個擋位齒、軸和軸承唯一特定的身份識別標簽。

德爾塔分析儀用兩種模式（DA和CP模式）時刻監控變速器運行時，內部齒輪的嚙合以及其他旋轉部件的相互作用激發出來的振動信號，試驗臺架報警方式也分為DA和CP報警模式。

DA模式監控變速器內活動件的細微變化趨勢，如齒輪、軸承內外圈及滾動體表面輕微磨損和點蝕；CP模式監控變速器運行過程中實時振動劇烈變化信號，如齒輪副輪齒突然崩斷，就會觸發CP報警。

DA模式中，有多種評價指標來分析整體振動情況，如各個擋位趨勢指數圖、頻譜圖和三維瀑布圖。德爾塔分析儀同時處理來自振動傳感器和轉速傳感器的數據，借助快速傅里葉變換將記錄到的機械振動信號轉換為頻譜。

變速器總成疲勞壽命試驗故障識別，首先從趨勢指數和CP振動曲線上，可以大致判斷故障的種類。某個擋位的趨勢指數階梯狀上升超差報警門限，且CP振動曲線也異常超差，這種情況通常可以判定為這個擋位嚙合齒有齒崩現象。多個擋位趨勢指數上升，且上升趨勢有波浪反復上升和下降形式，這是輸入軸或者輸出軸上典型的軸承磨損點蝕特征。軸承典型故障特性，也可以在階次譜圖上進一步確認，階次頻譜上，超差容限帶都分布在低階部分，且呈現出簇狀分布，沒有明顯的邊頻特征。

具體判斷哪個齒輪有異常故障，需要借助頻譜圖的階次分析。假如2擋工況下，DA分析儀報警，2擋從動齒和主動齒階次頻譜一般會超差容限帶，超差部分有明顯邊頻帶產生。邊頻帶間距剛好是1，則是輸入軸上2擋主動齒出現故障。如果邊頻帶間距小于1，則是2擋從動齒出現故障。

圖3 二擋工況運行趨勢指數

某型號的變速器2擋工況運行到第10個循環234min時，德爾塔分析儀出現報警，如圖3所示。從圖中的2擋工況運行趨勢指數可以看出，曲線呈現出階梯上升，說明2擋嚙合齒的狀態逐步惡化。當出現報警時，趨勢指數遠超報警門限值，2擋擋位齒極有可能出現脆性破壞，輪齒斷裂。再從頻譜曲線圖中可以查出超差階次是50階，且超差階次邊有明顯的變頻帶，變頻間隔是0.625。根據階次模型得知，二擋齒所在的主動軸是0.656，所以推斷2擋主動齒有可能出現輪齒斷裂。經過拆箱檢查，發現二擋主動齒2顆輪齒斷裂。

德爾塔分析儀通過實時監控變速器總成疲勞試驗運行參數，判斷變速器運行是否良好平穩，分析出來的信息可以為設計開發人員及時發現判斷零部件異常故障，為下一步零件改善提供明確方向。分析儀和試驗臺架聯動觸發報警，及時停止臺架試驗，提高臺架運行效率。