变速器状态监测及故障诊断方法

2013-03-05黄森强登科

汽车零部件 2013年4期

黄森，强登科

(陕西法士特汽车传动工程研究院，陕西西安 710119)

0 引言

汽车变速箱是汽车的主要传动部件，担负着将动力从发动机传递到车轮的重要使命。变速箱以其传动比固定，传动力矩大，结构紧凑等优点，成为汽车的关键性传动部件之一，其操作性、传动性和安全性的好坏直接影响到汽车的整体性能，因此在变速箱总装完成之后必须进行严格的、全面的性能检查，在量产前进行大量试验，模拟车辆的特殊运行条件和运行环境。变速器在台架试验过程中，会出现疲劳失效等故障，因此准确地监测变速器运行状态和提前预估试验中可能出现的故障(齿轮裂纹、断齿、零部件敲击与松动、轴承局部剥落和损坏等)，对于产品改进、试验设备及人员安全及其重要，有必要建立一套针对变速器运行状态监测及故障诊断分析的方法。

变速器在工作时箱体内部齿轮、轴承、轴都会产生振动，这些振动通过各种传递路径传递到箱体表面，当零件产生磨损或故障时(如齿轮齿根疲劳裂纹、轴承局部剥落、轴不对中等)会导致箱体振动信号产生不同形式的变化，可以通过监测这些信号来识别变速器各零部件的运行状态和已存在的故障模式，进而辨识变速器在台架试验或整车运行中的实际状态。获取变速器运行状态的首要步骤是获得监测对象的状态信息，对变速器而言监测振动和噪声信号是对其进行状态监测与故障诊断的主要手段。本文作者分析了变速器各种零件振动信号的特征，从复合振动信号中分离出齿轮的振动信号、轴不对中故障振动信号和轴承故障振动信号，有效地诊断了变速器内部零件的典型故障。

1 变速器振动信号特征分析

统计资料表明［1］，齿轮、轴承、轴的故障占变速器故障的90%。变速器工作的特征频率大多为轴频、齿轮的啮合频率以及轴承的内外圈和滚动体的频率及其谐频、边频的组合，这些特征频率成为对变速器进行状态判定的依据［2－3］。变速器是一个复杂的齿轮系统，内部有许多齿轮、轴承、轴，不同形式的静载荷和动载荷分别作用于这些齿轮、轴承、轴，为了满足变速器状态监测和故障诊断的需要，避开复杂的动力学模型而直接建立与状态监测及故障分析相关的变速器振动信号特征。

1.1 齿轮啮合的振动特征分析

齿轮的振动主要是齿轮啮合激励振动，振动信号的主要成分是啮合频率及其谐波分量，可以用下式表示:

式中:x(t)为齿轮振动信号;Xm为第m阶啮合频率谐波分量的幅值;φm为第m阶啮合频率谐波分量的初相位;fs为轴的转频;z为齿轮的齿数。

当齿轮存在磨损、疲劳裂纹等故障时齿轮啮合的振动信号的幅值和相位发生变化，产生幅值和相位调制，用am(t)和bm(t)分别表示第m阶啮合频率谐波分量的幅值和相位调制函数，故障齿随轴每转一次啮合一次，因此am(t)和bm(t)是轴转频fs的周期函数，可以用下式表示:

式中:Amn和Bmn分别是幅值和相位调制函数的第n阶分量的幅值;αmn和βmn分别是幅值和相位调制函数的第n阶分量的相位，经调制的齿轮振动信号为:

上式所描述的是啮合齿轮本身的振动，要直接测量这种振动是非常困难的，只能用安装在变速器箱体上的振动传感器来测量。然而齿轮的振动信号必须经过齿轮、轴、轴承和箱体才能到达传感器，所以传感器拾取的信号是经过传递函数调制的齿轮振动信号，并且没有简单的方法来消除传递路径对齿轮振动信号的影响，因此要合理地选择振动传感器的安装位置。

对于恒转速运转的齿轮，经过时序分析齿轮啮合的频率及其谐频、幅值的变化，通过不同时序的振动能量的变化趋势来确定齿轮是正常状态还是故障状态，如图1和图2所示。对于存在多对齿轮副的变速器而言，可以采取在测量振动信号的同时，跟踪输入轴的转速信号，即所谓的转速跟踪。由于参与啮合的齿轮副啮合频率和输入轴的转频比值不变(即齿轮啮合阶次)，通过识别阶次可以有效地判断哪对齿轮副振动或噪声较大，从而识别故障齿轮。图3为某型变速器9挡时采集到的阶次云图，可知主要发声轮为阶次12的轮，而该阶次刚好为1挡轮重合，从而可将故障目标锁定为1挡轮。

变速器在台架试验时会出现图4所示的情况，即振动在某转速段非常剧烈，因此要避开振动剧烈的转速段进行试验。

另外，可从齿轮振动中取出啮合频率成分，将它同齿轮轴的旋转频率同步相加、平均，这种方法叫时域同步平均法。这种方法对诊断齿轮局部异常并确定其位置非常有效。因为异常啮合时，冲击振动的振幅要比其他齿的大，所以曲线上幅值最大的峰值位置即是异常齿的位置，同步时域平均需要保证按特定整周期截取信号。对齿轮信号的特定周期，总是取齿轮的旋转周期，即在测取齿轮箱振动加速度的同时，记录一个转速同步脉冲信号，在做信号的时域平均时，以此脉冲信号来触发A/D转换器，从而保证按齿轮轴的旋转周期截取信号，且每段样本的起点对应于转轴的某一特定转角。随着平均次数的增加，齿轮旋转频率及其各阶倍频成分保留，而其他噪声部分相互抵消趋于消失，由此可以得到仅与被检齿轮振动有关的信号。经过时域平均后，比较明显的故障可以从时域波形上反映出来，如图5(a)所示。图5(a)是正常齿轮的时域平均信号，信号由均匀的啮合频率分量组成，没有明显的高次谐波;图3(b)是齿轮安装对中不良的情形，信号的啮合频率分量受到幅值调制，但调制频率较低，只包含转频及其低阶谐频;图5(c)是齿轮的齿面严重磨损的情况，啮合频率分量严重偏离正弦信号的形状，故其频谱上必然出现较大的高次谐波分量，由于是均匀磨损，振动的幅值在一转内没有大的起伏;图5(d)为齿轮有局部剥落或断齿时的典型信号，振动的幅值在某一位置有突跳现象。一般来讲，观察时域平均后的齿轮振动波形对于识别故障类型是很有帮助，即使一时难以得出明确的结论，对后续分析和判断也可以提供极具参考价值的信息。

1.2 轴承的振动特征分析

轴承元件表面损伤故障的振动信号是一连串瞬时高频冲击信号，正常工作的轴承都有其与转速相关的工作频率，可以通过相关公式计算得出［1］，在正常工作频率外出现其他一连串幅值较大的瞬时高频信号。图6(a)为正常状态轴承频谱图，图6(b)为故障状态轴承频谱图，或者原有的正常工作频率振动能量增幅较大则意味着轴承处于故障状态。

1.3 轴不对中故障特征分析

变速器轴不对中的故障，主要出现在变速器与其他部件相连接的联轴器部位。当联轴器两端的轴虽平行却不对中时，在旋转过程中，轴受径向交变力的作用，径向交变力表达式为:

式中:e为两轴偏心距;k1为连轴接径向刚度。轴每转一周，径向力交变两次，在径向力的作用下，轴会在径向产生振动，其振动频率为轴转频fs的两倍。因此，轴不对中故障振动信号可以表示为:

轴不对中振动信号是一个频率非常低的振动信号，加速度信号很难反映出来，速度信号和位移信号比较灵敏。

2 变速器状态监测方案

变速器工作时，内部有I个齿轮、J个滚动轴承和K根轴在运动，则安装在变速器的振动传感器拾取的振动信号为:

式中:yi(t)第i个齿轮的振动信号;zj(t)为第j个轴承的故障振动信号;vk(t)为第k根轴不对中故障的振动信号;n(t)为干扰噪声。

实际上在振动传感器拾取的振动信号为齿轮、轴承、轴的复合信号，为了降低传递路径的影响可将振动传感器尽可能安装在离被测部件较近、振动较大的地方，利用时域同步平均法和小波变换可将各种信号进行分离，以便分析。如变速器进行的是带载荷的加载试验，可以在监测振动的同时，设置足够的采样率，同步监测转速和扭矩信号，图7为变速器台架试验状态监测方案。扭矩信号中含有丰富的信息，特别是当齿轮出现裂纹或断齿时扭矩信号时最为敏感，同时获取转速、扭矩和振动信号的状态监测方案对于准确判断变速器运行状态和振动形式十分必要。图8为某型减速机的扭矩特征信号，当输入扭矩和转速周期性波动时(图8(a))，不但会加剧齿轮的啸叫，增大变速器噪声，还会破坏齿轮工作状态，引起轴的弯扭耦合振动，从而增加齿轮损坏概率;当输入扭矩转速稳定时如果齿轮出现断齿或者裂纹会引起扭矩转速信号波动(图8(b))，同时增大扭矩放大系数。监测到图8所示的扭矩信号后，对该减速机进行拆检发现减速齿轮出现剥落和裂纹。