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(jié)構(gòu)中關(guān)鍵動(dòng)力傳動(dòng)部件，其工作環(huán)境相對(duì)惡劣，載荷變化大，汽車駕駛過(guò)程中換擋動(dòng)作頻繁，導(dǎo)致故障頻發(fā)。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%的變速器零部件都是因?yàn)槟p而失效，一旦失效，影響到駕駛體驗(yàn)，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的事故。因此，為了對(duì)變速器的運(yùn)行狀態(tài)和磨損趨勢(shì)有一個(gè)宏觀的把握，很有必要研究變速器磨損失效的評(píng)估預(yù)測(cè)方法。變速器總成疲勞壽命試驗(yàn)就是常用的一種評(píng)估方式。

周期性旋轉(zhuǎn)部件在負(fù)荷作用下產(chǎn)生周期性的機(jī)械振動(dòng)，軸旋轉(zhuǎn)和齒輪嚙合所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)會(huì)通過(guò)空氣和機(jī)械結(jié)構(gòu)傳遞到機(jī)械殼體上，如圖1所示。

通過(guò)安裝在測(cè)試件上的振動(dòng)加速傳感器，德爾塔分析儀對(duì)測(cè)試件內(nèi)部傳動(dòng)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。在變速器總成疲勞壽命試驗(yàn)過(guò)程中，振動(dòng)信號(hào)主要受到轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和油溫影響。在試驗(yàn)條件不變的情況下，從開始產(chǎn)生機(jī)械故障到疲勞輕微磨損，再到磨損加劇惡化，直到失效，振動(dòng)信號(hào)也表現(xiàn)出系統(tǒng)的、連續(xù)的與旋轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)同步變化特性。這種方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器耐久試驗(yàn)的早期故障分析診斷，可以提高試驗(yàn)質(zhì)量和縮短試驗(yàn)時(shí)間，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

圖1 變速器振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)播路徑

德爾塔分析儀用在變速器總成疲勞壽命試驗(yàn)過(guò)程中，檢測(cè)齒輪副周期性嚙合所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)性振動(dòng)信號(hào)。其原理是通過(guò)對(duì)比當(dāng)前的振動(dòng)特性和在試驗(yàn)初期建立起來(lái)的參考值進(jìn)行差值數(shù)理統(tǒng)計(jì)。

變速器在試驗(yàn)初期，也就是磨合試驗(yàn)期間，德爾塔分析儀會(huì)自動(dòng)采集振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)傅里葉變換，達(dá)到自動(dòng)學(xué)習(xí)次數(shù)后，形成含有上下限公差的容限帶。后期總成疲勞試驗(yàn)過(guò)程所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)如果都分布在容限帶內(nèi)，則可以判斷變速器總成試驗(yàn)是平穩(wěn)正常進(jìn)行。

如果振動(dòng)信號(hào)超差容限帶，且超差趨勢(shì)越來(lái)越明顯，則可以判定變速器活動(dòng)件已有磨損失效，導(dǎo)致周期性旋轉(zhuǎn)振動(dòng)不均勻，振動(dòng)振幅能量加大。一旦超差趨勢(shì)達(dá)到分析儀設(shè)置的報(bào)警門限，將觸發(fā)試驗(yàn)臺(tái)架報(bào)警，及時(shí)停機(jī)。

德爾塔分析儀能夠通過(guò)機(jī)械噪聲識(shí)別出變速器運(yùn)行過(guò)程中健康狀態(tài)。德爾塔分析儀檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)采集轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度信號(hào)，處理測(cè)量數(shù)據(jù)和分析計(jì)算趨勢(shì)指數(shù)（見圖2），并在趨勢(shì)指數(shù)超過(guò)報(bào)警限值時(shí)自動(dòng)激活報(bào)警繼電器動(dòng)作，切斷終止當(dāng)前臺(tái)架試驗(yàn)。

圖2 趨勢(shì)形成機(jī)理

變速器總成疲勞壽命試驗(yàn)所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)是系統(tǒng)性信號(hào)——復(fù)雜的齒輪副嚙合、輸入輸出軸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)及軸承滾動(dòng)體反復(fù)滾動(dòng)，這些振動(dòng)信號(hào)疊加，如何判斷識(shí)別哪個(gè)零部件所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)趨勢(shì)超差是關(guān)鍵一步。

階次計(jì)算器是德爾塔分析儀進(jìn)行變速器每個(gè)活動(dòng)件身份識(shí)別功能的重要模塊。根據(jù)某個(gè)型號(hào)變速器齒輪副、軸及軸承具體物理分布情況，在階次計(jì)算器上進(jìn)行變速器建模。

階次計(jì)算器有兩個(gè)功能：一是借助圖形計(jì)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(jì)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(nèi)每個(gè)擋位齒、軸和軸承唯一特定的身份識(shí)別標(biāo)簽。

德爾塔分析儀用兩種模式（DA和CP模式）時(shí)刻監(jiān)控變速器運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部齒輪的嚙合以及其他旋轉(zhuǎn)部件的相互作用激發(fā)出來(lái)的振動(dòng)信號(hào)，試驗(yàn)臺(tái)架報(bào)警方式也分為DA和CP報(bào)警模式。

DA模式監(jiān)控變速器內(nèi)活動(dòng)件的細(xì)微變化趨勢(shì)，如齒輪、軸承內(nèi)外圈及滾動(dòng)體表面輕微磨損和點(diǎn)蝕；CP模式監(jiān)控變速器運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)振動(dòng)劇烈變化信號(hào)，如齒輪副輪齒突然崩斷，就會(huì)觸發(fā)CP報(bào)警。

DA模式中，有多種評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)分析整體振動(dòng)情況，如各個(gè)擋位趨勢(shì)指數(shù)圖、頻譜圖和三維瀑布圖。德爾塔分析儀同時(shí)處理來(lái)自振動(dòng)傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器的數(shù)據(jù)，借助快速傅里葉變換將記錄到的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻譜。

變速器總成疲勞壽命試驗(yàn)故障識(shí)別，首先從趨勢(shì)指數(shù)和CP振動(dòng)曲線上，可以大致判斷故障的種類。某個(gè)擋位的趨勢(shì)指數(shù)階梯狀上升超差報(bào)警門限，且CP振動(dòng)曲線也異常超差，這種情況通?？梢耘卸檫@個(gè)擋位嚙合齒有齒崩現(xiàn)象。多個(gè)擋位趨勢(shì)指數(shù)上升，且上升趨勢(shì)有波浪反復(fù)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(diǎn)蝕特征。軸承典型故障特性，也可以在階次譜圖上進(jìn)一步確認(rèn)，階次頻譜上，超差容限帶都分布在低階部分，且呈現(xiàn)出簇狀分布，沒(méi)有明顯的邊頻特征。

具體判斷哪個(gè)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(bào)警，2擋從動(dòng)齒和主動(dòng)齒階次頻譜一般會(huì)超差容限帶，超差部分有明顯邊頻帶產(chǎn)生。邊頻帶間距剛好是1，則是輸入軸上2擋主動(dòng)齒出現(xiàn)故障。如果邊頻帶間距小于1，則是2擋從動(dòng)齒出現(xiàn)故障。

圖3 二擋工況運(yùn)行趨勢(shì)指數(shù)

某型號(hào)的變速器2擋工況運(yùn)行到第10個(gè)循環(huán)234min時(shí)，德爾塔分析儀出現(xiàn)報(bào)警，如圖3所示。從圖中的2擋工況運(yùn)行趨勢(shì)指數(shù)可以看出，曲線呈現(xiàn)出階梯上升，說(shuō)明2擋嚙合齒的狀態(tài)逐步惡化。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，趨勢(shì)指數(shù)遠(yuǎn)超報(bào)警門限值，2擋擋位齒極有可能出現(xiàn)脆性破壞，輪齒斷裂。再?gòu)念l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(jù)階次模型得知，二擋齒所在的主動(dòng)軸是0.656，所以推斷2擋主動(dòng)齒有可能出現(xiàn)輪齒斷裂。經(jīng)過(guò)拆箱檢查，發(fā)現(xiàn)二擋主動(dòng)齒2顆輪齒斷裂。

德爾塔分析儀通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控變速器總成疲勞試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)，判斷變速器運(yùn)行是否良好平穩(wěn)，分析出來(lái)的信息可以為設(shè)計(jì)開發(fā)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)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(yàn)臺(tái)架聯(lián)動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，及時(shí)停止臺(tái)架試驗(yàn)，提高臺(tái)架運(yùn)行效率。