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(fā)院,長春130012）

主題詞：變速器 早期故障診斷 振動(dòng)階次分析

1 前言

旋轉(zhuǎn)機(jī)械一般運(yùn)行轉(zhuǎn)速較高，其工況狀態(tài)不僅影響該機(jī)器設(shè)備本身的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且還會(huì)對(duì)后續(xù)生產(chǎn)造成直接影響[1-2]。齒輪裝置廣泛應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，齒輪損傷后將產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲，導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至失效，因此對(duì)齒輪裝置動(dòng)態(tài)性能的研究倍受關(guān)注[3-5]。

隨著對(duì)齒輪裝置故障診斷研究的開展，對(duì)具有故障齒輪特征頻率的認(rèn)識(shí)逐漸深入，利用頻率分析診斷變速器總成故障的技術(shù)開始出現(xiàn)。汽車工程實(shí)踐中，德國RHF公司生產(chǎn)的德爾塔故障專家系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于動(dòng)力總成臺(tái)架試驗(yàn)中。但通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，實(shí)際使用中多數(shù)企業(yè)只是用于報(bào)警停機(jī)，數(shù)據(jù)分析不充分，對(duì)失效模式的積累和研究較少，對(duì)產(chǎn)品開發(fā)工作沒有實(shí)際的指導(dǎo)作用。為此，本文通過使用該故障診斷專家系統(tǒng)來監(jiān)控汽車變速器耐久測試過程，采用一種新的數(shù)據(jù)分析方法定位失效部件，預(yù)測失效模式。

2 階次分析

通過對(duì)被測變速器總成振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行階次分析（Order Analysis），能夠準(zhǔn)確掌握變速器耐久測試過程中機(jī)械故障發(fā)生位置、發(fā)生時(shí)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(zhǔn)速度，即為1“階”[6]。“階”通常也稱為階次，階次的使用排除振動(dòng)頻率的因素，總成中旋轉(zhuǎn)零件的階次值被唯一確定。

2.1 變速器總成振動(dòng)來源

齒輪嚙合振動(dòng)和軸承振動(dòng)是變速器總成振動(dòng)的主要來源，因此主要針對(duì)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)和齒輪嚙合導(dǎo)致的振動(dòng)變化進(jìn)行分析。

2.2 滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)及典型故障特征

2.2.1 滾動(dòng)軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)

滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示[7]。在負(fù)荷的作用下，未發(fā)生機(jī)械故障的滾動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)的周期性變化產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，會(huì)形成振幅很小的摩擦噪聲；而發(fā)生機(jī)械故障的軸承內(nèi)圈、外圈、保持架和滾子將產(chǎn)生可被測量和識(shí)別的、周期性的機(jī)械振動(dòng)，滾動(dòng)軸承的振動(dòng)基于故障發(fā)生的部位具有不同的階次。軸承外圈、內(nèi)圈、滾子、保持架振動(dòng)頻率計(jì)算如下[7]。

圖1 滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)示意

軸承外圈振動(dòng)頻率fBPFO：

軸承內(nèi)圈振動(dòng)頻率fBPFI：

滾子振動(dòng)頻率fBPF：

保持架振動(dòng)頻率fCRF：

式中，N為滾子數(shù)量；f為軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)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(dòng)軸承的典型故障

滾動(dòng)軸承典型故障頻譜如圖2所示。

圖2 滾動(dòng)軸承的典型故障特征頻譜

由圖2a可看出，軸承外圈振動(dòng)頻率fBPFO的主頻峰值及其諧波很明顯。如果僅有主頻出現(xiàn)，可能是外圈變形、點(diǎn)蝕或剝落。在故障嚴(yán)重的情況下，會(huì)由于周期性的負(fù)荷變化出現(xiàn)間隔為fBPFO的諧波。

由圖2b可看出，內(nèi)圈的振動(dòng)頻率fBPFI峰值和間隔為主軸轉(zhuǎn)頻fn的邊頻出現(xiàn)，fn振動(dòng)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(zhuǎn)頻率fCRF的邊頻。在軸承不清潔或潤滑不足時(shí)，fBPF會(huì)出現(xiàn)較高振動(dòng)峰值，fBPF的子諧波(0.5fBPF)也常伴隨存在。保持架振動(dòng)頻率fCRF及其諧波也可能出現(xiàn)。

由圖2d可看出，保持架振動(dòng)頻率fCRF及其諧波很明顯。

2.3 齒輪嚙合振動(dòng)及典型故障

2.3.1 齒輪嚙合振動(dòng)

齒輪嚙合振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致軸的扭曲和彎曲振動(dòng)，特別是彎曲振動(dòng)將通過軸承等機(jī)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(diǎn)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(zhuǎn)頻。齒輪嚙合的主頻fZ及其高次諧波很明顯，fZ峰值兩側(cè)帶有以主軸轉(zhuǎn)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(dòng)趨勢線形成及振動(dòng)報(bào)警原理

階次分析的基本原則是利用被測試件振動(dòng)信號(hào)的當(dāng)前分布特性與測試完成的分布特性進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，通過結(jié)果差異查找故障開始發(fā)生或加劇的信息。這些差異的生成通常來源于因故障導(dǎo)致的軸承、齒輪等試件的異常狀態(tài)變化。

為了排除常規(guī)因素的影響，每個(gè)測試工況開始階段都有一個(gè)“自動(dòng)學(xué)習(xí)”階段，這個(gè)階段形成一個(gè)“參考值譜”，反映試件振動(dòng)信號(hào)在規(guī)定測試條件下初始階段所具有的振動(dòng)分布特性。

“自動(dòng)學(xué)習(xí)”階段完成后，在測試中基于測量結(jié)果平均值的當(dāng)前頻譜和“自動(dòng)學(xué)習(xí)”階段生成的參考值譜線中同階次值作差，生成一個(gè)“偏離值譜”。將某一時(shí)刻偏離值的絕對(duì)值總和作為一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，測試的進(jìn)展不斷得到新數(shù)據(jù)點(diǎn)，將所有數(shù)據(jù)點(diǎn)連線就形成“振動(dòng)趨勢線”，圖4為振動(dòng)趨勢線的形成過程。依據(jù)振動(dòng)趨勢線的變化水平和經(jīng)驗(yàn)值，在測試監(jiān)控中設(shè)置警報(bào)限值，一旦振動(dòng)趨勢線觸及警報(bào)限值即報(bào)警。

圖4 振動(dòng)趨勢線的形成

3 變速器耐久測試

在兩臺(tái)AutoMax耐久試驗(yàn)臺(tái)（重型車變速器試驗(yàn)臺(tái)A、輕型車變速器試驗(yàn)臺(tái)B）上分別對(duì)兩套變速器（12擋變速器T1、6擋變速器T2）進(jìn)行耐久試驗(yàn)，并利用故障專家系統(tǒng)進(jìn)行過程監(jiān)控。根據(jù)對(duì)變速器總成故障位置的預(yù)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(gè)加速度傳感器，如圖5所示；在T2變速器上布置1個(gè)加速度傳感器，如圖6所示。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)A及變速器T1的加速度傳感器布置位置

圖6 試驗(yàn)臺(tái)B及變速器T2上加速度傳感器布置位置

3.1 建立階次計(jì)算結(jié)構(gòu)模型

開始測試前，利用階次計(jì)算軟件（ROC）并依據(jù)變速器總成結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)建立總成階次計(jì)算模型，輸入齒輪、軸承參數(shù)，計(jì)算出變速器總成中各擋齒輪、軸、軸承等相關(guān)部件的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)階次，用于分析實(shí)時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)。圖7和圖8分別為變速器T1和變速器T2的階次計(jì)算結(jié)構(gòu)模型。

圖7 T1變速器階次計(jì)算結(jié)構(gòu)模型

圖8 T2變速器階次計(jì)算結(jié)構(gòu)模型

3.2 特征階次計(jì)算

為簡化計(jì)算，根據(jù)臺(tái)架測試結(jié)果和診斷分析需要，分別節(jié)選變速器T1的6擋和變速器T2的6擋階次計(jì)算結(jié)果，包括齒輪嚙合、軸承、相關(guān)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)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(guān)部件階次計(jì)算結(jié)果

表2 變速器T2的6擋相關(guān)部件階次計(jì)算結(jié)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(dòng)趨勢分析

圖9為某工況下變速器T1的6擋振動(dòng)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(dòng)趨勢線比較平緩，表明振動(dòng)信號(hào)和參考值差別微小，可以忽略；第3循環(huán)趨勢線出現(xiàn)階躍上升，表明總成中主要傳動(dòng)件出現(xiàn)明顯的早期故障，隨著測試深入振動(dòng)能量逐步上升；第9循環(huán)時(shí)趨勢線加速上升，觸及報(bào)警停機(jī)。

圖9 變速器T1的6擋某工況振動(dòng)趨勢指數(shù)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(cè)出現(xiàn)間隔為1.01階次的邊頻帶，2階階次26.26處也出現(xiàn)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(jì)算結(jié)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(yàn)開始階段相關(guān)成分就出現(xiàn)振動(dòng)變化，隨著試驗(yàn)進(jìn)展振幅逐漸升高，有邊頻陸續(xù)出現(xiàn)，至報(bào)警時(shí)刻主頻和2次諧波振動(dòng)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(dǎo)致專家系統(tǒng)觸發(fā)報(bào)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(dòng)數(shù)據(jù)階次分析可知，階次譜成分清晰、幅值較大，測試進(jìn)行至第3循環(huán)階段振動(dòng)能量即明顯升高，表明樣件發(fā)生損傷，但故障的發(fā)展較慢，過程持續(xù)8個(gè)循環(huán)；邊頻幾乎從主頻變化初期就伴隨出現(xiàn)，齒輪損傷導(dǎo)致軸運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)的故障特征明顯。故障變化速度慢、發(fā)展周期長，說明故障模式不是裂紋等彎曲疲勞[7]損傷，應(yīng)該屬于磨損、點(diǎn)蝕類發(fā)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(dòng)趨勢分析

圖12為某工況下變速器T2的6擋振動(dòng)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(dòng)趨勢線變化較明顯。由圖13振動(dòng)趨勢線全景圖可看出，測試過程中，其它擋（5擋測試未進(jìn)行）趨勢線平穩(wěn)，只有6擋振動(dòng)趨勢線呈上升趨勢，說明6擋相關(guān)零件出現(xiàn)損傷，導(dǎo)致振動(dòng)能量持續(xù)上升。測試程序運(yùn)行至第6循環(huán)時(shí)，6擋趨勢線上升觸及報(bào)警停機(jī)。

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(cè)出現(xiàn)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(dòng)趨勢指數(shù)曲線

圖13 變速器T2振動(dòng)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(yàn)進(jìn)展振幅逐漸升高，有邊頻陸續(xù)出現(xiàn)，至報(bào)警時(shí)刻主頻振動(dòng)峰值不斷升高，邊頻振幅也明顯升高，由于這些原因最后導(dǎo)致專家系統(tǒng)觸發(fā)報(bào)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(dòng)數(shù)據(jù)階次分析可知，階次譜成分清晰、振幅變化較大，在第1循環(huán)階段振動(dòng)能量就明顯升高，是原始裂紋擴(kuò)展故障特征，但故障的發(fā)展過程較長，持續(xù)6個(gè)循環(huán),能量變化較大；在報(bào)警時(shí)段邊頻才出現(xiàn)（圖15），說明最后階段齒輪損傷變化劇烈，齒輪損傷導(dǎo)致軸運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)的故障特征出現(xiàn)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(jīng)主觀評(píng)價(jià)，報(bào)警停機(jī)后試運(yùn)轉(zhuǎn)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(fā)生在6擋輸出齒輪上。

5 變速器拆解驗(yàn)證

5.1 變速器T1拆檢

經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn),變速器T1副箱中間軸低擋齒輪多輪齒出現(xiàn)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(jù)趨勢指數(shù)線和振動(dòng)特征的發(fā)展變化并結(jié)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(gè)循環(huán)總成運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，進(jìn)入第3個(gè)循環(huán)后，趨勢線發(fā)生階躍式變化，說明有故障發(fā)生（剝落或點(diǎn)蝕），測試進(jìn)入第3循環(huán)，振動(dòng)能量明顯升高，顯示損傷發(fā)生，但故障的發(fā)展較慢，過程持續(xù)8個(gè)循環(huán)。副箱中間軸低擋齒輪嚙合的主頻振動(dòng)幅值持續(xù)緩慢升高，主頻兩側(cè)以主軸轉(zhuǎn)頻為間隔的邊頻振幅也伴隨升高，說明點(diǎn)蝕、剝落不斷加劇，導(dǎo)致該軸運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡，最終趨勢線觸發(fā)報(bào)警線停機(jī)。

5.2 變速器T2拆檢

打開變速器T2后端蓋發(fā)現(xiàn)，6擋輸出齒輪有一輪齒出現(xiàn)局部斷裂，符合診斷中預(yù)測的故障模式和故障位置。但發(fā)現(xiàn)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?shù)牧鸭y，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(jīng)與廠家溝通，得知該樣品在裝配中曾出現(xiàn)過返工情況，因該齒輪需要加熱壓裝，二次裝配時(shí)感應(yīng)加熱溫度控制不良，導(dǎo)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(jīng)更換6擋輸出齒輪后，該樣品已經(jīng)完成預(yù)定載荷譜全部循環(huán)，沒有再出現(xiàn)齒輪損傷問題。

6 結(jié)束語

針對(duì)變速器耐久測試的故障診斷，提出利用階次分析方法準(zhǔn)確定位失效零件的位置。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用振動(dòng)信號(hào)階次分析可以在故障發(fā)生初期識(shí)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(hù)測試設(shè)備，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，給產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)贏得時(shí)間并提供更完整的數(shù)據(jù)支持。