变速器旋转部件激励频率计算及其在故障诊断中的应用

陈晓利，张教超

（陕西法士特集团公司汽车传动工程研究院，陕西西安710119）

变速器旋转部件激励频率计算及其在故障诊断中的应用

陈晓利，张教超

（陕西法士特集团公司汽车传动工程研究院，陕西西安710119）

详细介绍了机械变速器内部外圆柱齿轮、行星齿轮组、滚动轴承等旋转部件阶次的计算方法，并结合实际测试，给出其在噪声与振动分析、故障诊断中的应用。

变速器；激励频率；噪声与振动；故障诊断

0 引言

旋转机械是工业应用最多的一类机械，其噪声与振动测试及故障诊断不仅关系到操作人员作业环境的改善，还可以提前预防故障的发生。阶次分析技术［1］是一种将噪声与振动信号和转速信号相结合的分析技术，是旋转机械噪声与振动信号分析和故障诊断的重要技术之一。阶次定义为参考旋转轴每转内发生的振动频率，可以用下式表示：

式中：fOrder代表阶次，f为旋转部件的振动频率，f0＝n／60为参考轴的转频，n为参考轴转速 （r／min）。文中给出的阶次计算公式均为基频的算法。

机械变速器属于典型的旋转机械，齿轮、轴、轴承组成了其旋转部件，这3类结构是变速器振动噪声的重要激励源。相对于一轴来说，在特定的挡位下，每个旋转部件都有其唯一的特征标识 “阶次”，是与输入的转速、扭矩等条件无关的量。文中将变速器一轴作为参考轴，详细介绍了变速器内部各旋转部件阶次的计算方法，并举例介绍其在噪声与振动分析及故障诊断中的应用。

1 外圆柱齿轮

法士特双中间轴变速器的典型结构如图1所示 （某9速变速器），根据式 （1）可以得到各个齿轮副的阶如表1所示。一对啮合齿轮副具有相同的阶，在进行故障诊断时一般通过调频频率来区分哪个齿轮可能存在故障［2］。

表1 变速器内部齿轮的阶次

某9速变速器挂超速挡在超过1 250 r／min以后，会出现一种刺耳的啸叫声，测试的三维频谱如图2（a）所示。可以发现啸叫声以一轴齿轮的啮合阶次52阶为主，并伴随着一轴阶次的调频，初步判断为一轴齿轮的问题。更换一轴和一轴齿轮以后，该现象明显改善，测试的三维频谱如图2（b）所示。

2 变速器行星齿轮组

副箱行星齿轮组在机械变速器中也很常见，如ZF多款变速器的副箱均采用该结构。太阳轮转动时，行星齿轮组也在绕太阳轮公转，可得太阳轮的阶是其主轴阶次的Zsun（1－1／i）倍。其中Zsun为太阳轮的齿数，i为行星齿轮架与输入主轴的速比。

图3即为ZF ECOSPLIT某变速器1挡加载时的三维频谱图，可以看出一挡齿轮的啮合基阶14、二次谐阶28，副箱行星齿轮组的啮合基阶5.59、四次谐阶22.36共同构成了该变速器的主要噪声源。

3 轴承

在理想的工作条件下，内圈与传动轴同速转动，外圈不转动，滚动体在内圈与外圈之间进行纯滚动，可见轴承阶次计算可以类比行星齿轮组。图4即为典型的轴承结构示意图，用O代表内圈的阶、r为接触点内滚道半径、R为接触点外滚道半径、Z代表滚子的数量，α为接触角。

行星轮在内齿圈上纯滚动的距离，就是行星轮自传过的圆周长度。滚动体自传运动产生的阶次O2：

保持架运动的阶次O1等于行星架旋转的阶次O行：

一个外圈沟道缺陷产生的阶次O3等于保持架的阶次乘滚子数目：

一个内圈沟道缺陷产生的阶次O4等于 （内圈阶次－保持架公转阶次）乘滚子数目：

球表面单个缺陷产生的阶次O5等于2倍滚动体自转阶次：

内外滚道的接触点半径r和R一般较难测量，将其转化为容易测量的滚动体直径 d及滚动体中心节圆直径 D，r＝可得到文献［3］所示的特征阶次计算公式。

对于轴承来说，只有轴承发生故障时，才会导致相关特征频率信号的出现［4］。与此同时，轴承故障会影响齿轮的啮合，齿轮啮合产生的能量要远大于轴承故障产生的能量，由此在分析由于轴承故障引起的异常噪声信号时，需要更多的实践与经验。

4 总结

详细讲述了机械变速器内部旋转部件特征阶次的计算方法，并应用频谱分析和阶次分析技术进行了变速器噪声与振动源识别及故障诊断。对于工程实际来说，这种方法既简单快捷，使用起来又十分有效，值得推广应用。

【1】刘馥清.LMS公司用户培训资料－理论基础［M］.

【2】丁康，李巍华，朱小勇.齿轮及齿轮箱故障诊断实用技术［M］.北京：机械工业出版社，2005：91－108.

【3】夏新涛，颉潭成.滚动轴承噪声理论与实践［M］.北京：机械工业出版社，2005：93－94.

【4】许明忠，杨小勇.基于实时频谱分析的变速箱耐久性试验早期故障检测和分析诊断［J］.法士特科技，2007（1）：35－40.

Excitation Frequencies Calculation of Transmission Rotational Parts and Its Application in Fault Diagnosis

CHEN Xiaoli，ZHANG Jiaochao
（Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Research Institute，Xi’an Shaanxi710119，China）

The order calculation methods for themanual transmission’s external cylindrical gears，planet gears，roller bearings were in⁃troduced in detail.The order’s application in NVH analysis and fault diagnosiswas given.

Transmission；Excitation frequency；Noise and Vibration；Fault Diagnosis

2015－03－25

陈晓利，女，硕士，工程师，研究方向为变速器噪声与振动。E⁃mail：chenxiaoli＿npu＠163.com。