1、汽车变速箱在线快速故障诊断理论基础探讨 摘要：本文针对汽车变速箱这一特定对象，介绍了变速箱故障类型及其故障机理。 下载 关键词：汽车变速箱 故障类型 故障机理 根据检测的手段不同，目前车辆变速箱故障诊断应用技术的主要有振动检测诊断法、噪声检测诊断法、温度检测诊断法、声发射检测诊断法、光纤传感诊断法、磨损残余分析诊断法等。但各种方法都存在不足，噪声诊断易受环境噪声影响，温度、声发射诊断只能对一些较明显的故障进行诊断，光纤、磨损残余分析的分析仪器比较昂贵。 在众多信息中，振动信号能够更迅速、更直接的反映机械设备的运行状态，据统计， 70%以上的故障都是以振动形式表现出来。因此将振动检测诊断作为判断
2、变速箱运行状态的主要方法。 一、变速箱故障 类型 变速箱内结构复杂，每种类型的零件都可能引起失效。各零件具体失效比重可参考表 1。 可以看出变速箱失效主要表现在三类零件，它们集中了 90%左右的失效比重，其中齿轮失效占有相当大的比重，轴承和轴也占据了一定份额。因此将着重对变速箱中的这三类零件进行诊断。 轴系的主要失效型式为 :失衡、弯曲变形、扭转变形及疲劳断裂。 失衡，其原因为安装有齿轮的转动轴由于制造或安装的质量不良，或是轴系上某个零件损坏、失落、附着异物，或是轴的弯曲变形等原因导致轴系的质量分布不均。 弯曲变形，转轴由于受力不均、设计或装配不良、箱体变形等原因发生弯曲变形时。扭转变形，转轴
3、在传递动力时产生扭转变形一般不影响轴的正常工作，但当动力或负载扭矩变化以及齿轮的齿面有不同程度的损伤时，将会引起转轴的扭转振动。 疲劳断裂，转铀上出现横向裂纹时，轴的刚度随着裂纹深度的增加而下降，而且裂纹的位置越接近轴的中部其刚度变化就越大。 齿轮的失效类型很多，基本上可分为两类。一类为制造和装配不良造成的如齿形误差、轮齿与内孔不同心、各部分的轴线不对中、大型齿轮的不平衡等。另一类为齿轮在长期运行中形 成的，由于轮齿表面承受的载荷很大，两啮合轮齿之间既有相对滚动又有相对滑动，而且相对滑动的摩擦力在节点两侧的方向相反，从而产生了力的脉动，在长期运行中导致齿面发生点蚀、胶合、磨损、疲劳剥落、塑性流
4、动及齿根裂纹，甚至断齿等失效现象。齿轮的第一类失效主要引起不平衡和啮合不良，一前者使振动加剧，后者将诱发齿轮的第二类失效。 对于新变速箱，由于运行时间较少，因长期运行由疲劳导致的失效很少发生，失效形式主要体现在齿轮、轴零件的制造及装配误差上。因此新旧变速箱故障诊断的关注点具有很大不同。旧变速箱需要提取的是由 于长期运行而导致的疲劳故障信息，其成因复杂，影响因素众多。新变速箱的质检过程更具有针对性，主要检测制造、装配等缺陷导致的变速箱异常运行状态，防止次品流出。新变速箱的故障来源易于掌握，每种失效型式都有自己的振动特征。因此，只要掌握了振动特征就可诊断变速箱的故障。 二、变速箱故障机理及分析 首
5、先要介绍理想齿轮啮合情况。齿轮副作为一个振动系统，其物理模型可以简化为如图 1所示。 图 1 理想齿轮啮合模型 其动力学方程为 :Mx+Cx+K（ t） x=F（ t） 其中， x=x2-x1，为沿啮合齿上齿轮相对位移， C为齿轮啮合阻尼， K（ t）为啮合刚度， M为当量质量， M=m1m2/m1+m2。 F（ t）为动载荷，包含故障缺陷所产生的激励，它的变化受轮齿刚度和传动误差变化的影响，同时还与齿面摩擦力方向的变化有关。 实际工作中，一对齿轮啮合运转，参与工作的齿数由一对变成两对，又由两对变成一对，形成单双齿啮合交替变化，对齿轮施加一个周期性的冲击，从而形成齿轮啮合振动。正常情况下，啮合
6、频率及谐波成分为： 齿轮加工、安装及使用过程中不可避免地会产生各种缺陷，如轮齿产生裂纹 、齿面疲劳、磨损、划痕，以及齿轮分度不均、质量不平衡、安装不对中等，这些缺陷一方面使得轮齿接触面的负荷发生变化，啮合振动的外界激振力发生变化，比如，某一个大齿有大的剥落，齿轮每旋转一周，缺陷齿参与啮合传动就产生一个脉冲激励。这个脉冲激励对齿轮的啮合振动有一定的影响，使振幅发生变化，这种现象成为调幅。另一方面，齿轮缺陷可使轮齿刚度发生变化，如齿轮有裂纹，除了使振动加大外，还使相位发生变化，产生调频现象。绝大多数的齿轮缺陷既产生调频又产生调幅，调频与调幅统称为调制，存在调制现象的齿轮振动动力学方程为： 其中，双
7、为齿轮受载后的平均静弹性变形，乓（ t）为齿轮误差和故障造成的两个轮齿间的相对位移，又称故障函数。 k（ t）式为常规振动， k（ t）E（ t）取决于齿轮综合刚度和故障函数。由上式可知，齿轮的振源来源于两部分 :一部分为常规振动部分 K（ t） E1（ t），是由正常的交变载荷引起的振动 ;一部分为 K（ t） E2（ t），它取决于齿轮的综合刚度和故障函数。 ，则 XG（ t）为载波信号，它包含了齿轮啮合频率及其高次谐频， DG（ t）为调制频率，反映了齿轮本身的误差和故障情况以及其它零部件故障引起的齿轮传动误差情况，齿轮 每转一圈， DG（ t）变化一次，包含了所在轴转频及高次谐波。对
8、Y（ t）进行频谱分析，在谱图上就形成若干组围绕啮合频率及其高次谐波，两侧间隔为转频及其倍频的边频带，这就是啮合频率调制现象。齿轮箱中齿形误差和点蚀、断齿、联轴节不对中和传动轴轻度弯曲都会产生这种调制现象，但其边频带分布是不同的。 基于上述机理，当变速箱运行时，每对啮合齿轮构成振动系统。由于该系统的综合刚度发生的周期性变化、齿形误差及扭矩变化等原因均使齿轮产生周向 (扭转 )强迫振动及衰减振动。由于齿向误差及齿轮轴、轴承和轴承座的变形，周向振动 又激发出齿轮的径向和轴向振动。因此，周向、径向和轴向的振动具有相同的基频，它们都是按啮合频率或轴的转动频率的周期重复的衰减自由振动。 这时在齿轮箱测得
9、的振动信号为 : 式中 :G（ t）为与各转频相关的频率较低的振动信号 ; 为齿轮啮合频率调制信号 ; 为滚动轴承异常振动信号 ; n（ t）为其它振动与干扰信号 ; 由此可见，从变速箱拾取的振动信号中包含了丰富的故障信息。如果将信号分析角度由时域转换到频域，则变速箱随转速变化的周期性故障在频谱中表现的尤为显著。一般 情况下断齿、大的脱落引起的调制边频带较宽且平坦，即边频带根数多且幅值大小均匀。点蚀、划痕等均匀缺陷引起的调制边带幅值变化较大，靠近啮合频率的边频分量幅值高，其他边频成分依次下降，幅值降低较快。不平衡、不对中、机械松动等故障引起的调制边频带不对称。因此，新变速箱的主要故障特征都能在频谱中得到反映，通过对变速箱振动信号的频域分析了解其状态成为故障诊断的重要手段。 参考文献： 尹安东 .车辆变速箱故障诊断的发展现状与展望 .农机化研究， 2005，No.3 李冰锋，陈书宏 .汽车变速箱性能检 测系统设计与实现 .汽车电子， 2006年， vol1， No.12 （责任编辑：刘璐） “ 本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以 PDF 格式阅读原文 ”
