变速器总成疲劳试验故障识别及应用

柳州上汽汽车变速器有限公司 广西柳州 545006

变速器作为汽车结构中关键动力传动部件，其工作环境相对恶劣，载荷变化大，汽车驾驶过程中换挡动作频繁，导致故障频发。根据数据统计，80%的变速器零部件都是因为磨损而失效，一旦失效，影响到驾驶体验，甚至会导致严重的事故。因此，为了对变速器的运行状态和磨损趋势有一个宏观的把握，很有必要研究变速器磨损失效的评估预测方法。变速器总成疲劳寿命试验就是常用的一种评估方式。

周期性旋转部件在负荷作用下产生周期性的机械振动，轴旋转和齿轮啮合所产生的振动信号会通过空气和机械结构传递到机械壳体上，如图1所示。

通过安装在测试件上的振动加速传感器，德尔塔分析仪对测试件内部传动的振动信号进行采集和基于数理统计分析，能够及时发现故障。在变速器总成疲劳寿命试验过程中，振动信号主要受到转速、转矩和油温影响。在试验条件不变的情况下，从开始产生机械故障到疲劳轻微磨损，再到磨损加剧恶化，直到失效，振动信号也表现出系统的、连续的与旋转部件结构同步变化特性。这种方法已经被广泛应用于发动机和变速器耐久试验的早期故障分析诊断，可以提高试验质量和缩短试验时间，缩短产品开发周期。

图1 变速器振动信号转播路径

德尔塔分析仪用在变速器总成疲劳寿命试验过程中，检测齿轮副周期性啮合所产生的旋转性振动信号。其原理是通过对比当前的振动特性和在试验初期建立起来的参考值进行差值数理统计。

变速器在试验初期，也就是磨合试验期间，德尔塔分析仪会自动采集振动信号，通过傅里叶变换，达到自动学习次数后，形成含有上下限公差的容限带。后期总成疲劳试验过程所产生的振动信号如果都分布在容限带内，则可以判断变速器总成试验是平稳正常进行。

如果振动信号超差容限带，且超差趋势越来越明显，则可以判定变速器活动件已有磨损失效，导致周期性旋转振动不均匀，振动振幅能量加大。一旦超差趋势达到分析仪设置的报警门限，将触发试验台架报警，及时停机。

德尔塔分析仪能够通过机械噪声识别出变速器运行过程中健康状态。德尔塔分析仪检测系统通过采集转速、转矩、温度信号，处理测量数据和分析计算趋势指数（见图2），并在趋势指数超过报警限值时自动激活报警继电器动作，切断终止当前台架试验。

图2 趋势形成机理

变速器总成疲劳寿命试验所产生的振动信号是系统性信号——复杂的齿轮副啮合、输入输出轴旋转振动及轴承滚动体反复滚动，这些振动信号叠加，如何判断识别哪个零部件所产生的振动信号趋势超差是关键一步。

阶次计算器是德尔塔分析仪进行变速器每个活动件身份识别功能的重要模块。根据某个型号变速器齿轮副、轴及轴承具体物理分布情况，在阶次计算器上进行变速器建模。

阶次计算器有两个功能：一是借助图形计算器用户界面建立变速器齿轮、轴、轴承物理分布定义；二是计算所有变速器部件的阶次（齿轮、轴、轴承）及其谐波。阶次在定义输入轴为1的前提下，可以理解为阶次是变速器内每个挡位齿、轴和轴承唯一特定的身份识别标签。

德尔塔分析仪用两种模式（DA和CP模式）时刻监控变速器运行时，内部齿轮的啮合以及其他旋转部件的相互作用激发出来的振动信号，试验台架报警方式也分为DA和CP报警模式。

DA模式监控变速器内活动件的细微变化趋势，如齿轮、轴承内外圈及滚动体表面轻微磨损和点蚀；CP模式监控变速器运行过程中实时振动剧烈变化信号，如齿轮副轮齿突然崩断，就会触发CP报警。

DA模式中，有多种评价指标来分析整体振动情况，如各个挡位趋势指数图、频谱图和三维瀑布图。德尔塔分析仪同时处理来自振动传感器和转速传感器的数据，借助快速傅里叶变换将记录到的机械振动信号转换为频谱。

变速器总成疲劳寿命试验故障识别，首先从趋势指数和CP振动曲线上，可以大致判断故障的种类。某个挡位的趋势指数阶梯状上升超差报警门限，且CP振动曲线也异常超差，这种情况通常可以判定为这个挡位啮合齿有齿崩现象。多个挡位趋势指数上升，且上升趋势有波浪反复上升和下降形式，这是输入轴或者输出轴上典型的轴承磨损点蚀特征。轴承典型故障特性，也可以在阶次谱图上进一步确认，阶次频谱上，超差容限带都分布在低阶部分，且呈现出簇状分布，没有明显的边频特征。

具体判断哪个齿轮有异常故障，需要借助频谱图的阶次分析。假如2挡工况下，DA分析仪报警，2挡从动齿和主动齿阶次频谱一般会超差容限带，超差部分有明显边频带产生。边频带间距刚好是1，则是输入轴上2挡主动齿出现故障。如果边频带间距小于1，则是2挡从动齿出现故障。

图3 二挡工况运行趋势指数

某型号的变速器2挡工况运行到第10个循环234min时，德尔塔分析仪出现报警，如图3所示。从图中的2挡工况运行趋势指数可以看出，曲线呈现出阶梯上升，说明2挡啮合齿的状态逐步恶化。当出现报警时，趋势指数远超报警门限值，2挡挡位齿极有可能出现脆性破坏，轮齿断裂。再从频谱曲线图中可以查出超差阶次是50阶，且超差阶次边有明显的变频带，变频间隔是0.625。根据阶次模型得知，二挡齿所在的主动轴是0.656，所以推断2挡主动齿有可能出现轮齿断裂。经过拆箱检查，发现二挡主动齿2颗轮齿断裂。

德尔塔分析仪通过实时监控变速器总成疲劳试验运行参数，判断变速器运行是否良好平稳，分析出来的信息可以为设计开发人员及时发现判断零部件异常故障，为下一步零件改善提供明确方向。分析仪和试验台架联动触发报警，及时停止台架试验，提高台架运行效率。