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摘要：本文阐述了故障监测的基本原理，对汽车变速器中的易损件齿轮和轴承进行初步的振动分析。并结合NJ17H 汽车变速器试验进行故障监测，在试验中应用VDM1000 汽车变速器故障监测系统，发现问题，进行分析，得出结论，解决问题。
关键词：机械式变速器 故障监测
17H 型机械式变速器是NJ17 系列机械式变速器的最新改进型号，它采用IVECO“S”系列28024 变速器的先进结构并使其符合NJ1061 系列汽车的安装和换档操作要求，是为配合高速环保车而设计的一种新型的具有先进技术的机械式手动变速器。为检验设计寿命是否满足使用要求，进行了此次变速器齿轮、轴承疲劳寿命试验。在试验过程中应用了VDM1000 汽车变速器故障监测系统（由中国科学技术大学和南京汽车研究所共同研制）对其齿轮、轴承等部件进行实时监测，根据对监测数据的分析，发现了试验的早期故障，及时解决问题，保证了试验的正常进行。
1 变速器试验故障监测原理
1.1 汽车变速器的失效形式和原因
变速器是重要的传动装置，各种机械中造成其失效的原因主要是由于设计不当、装配和制造不良及维护操作不善引起的。变速器中各类零件损坏的百分比如下表所示。 （图片） 由此可见，齿轮本身的失效比重最大，占60%，轴承的失效比重次之，占19%。一般情况下，常见的齿轮失效形式有四种: 断裂、磨料磨损、粘附磨损或擦伤，以及疲劳剥落。滚动轴承失效的基本形式有：
磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂失效、压痕失效和胶合失效。
1.2 齿轮的振动分析
齿轮具有质量，轮齿的柔性可看作弹簧，所以若以一对轮齿为研究对象，则该齿轮副可以看作是一个振动系统，如图1 所示。（图片）
图 1 齿轮副力学模型 其振动方程为：（图片） 式中 X--沿作用线上齿轮的相对位移；
C--齿轮啮合阻尼；
K(t) --齿轮啮合刚度；
T1、T2--分别作用于主动齿轮和从动齿轮上的扭矩；
r2--从动齿轮节圆半径；
i--齿轮副的传动比；
E(t) --由于轮齿变形、误差及故障而造成的两个轮齿在作用线方向上的相对位移；
Mr--换算质量，Mr=M1M2/（M1+M2）。其中M1、M2 为主动、从动齿轮的质量。
若齿轮副主动轮转速为n1，齿数为z1；从动轮转速为n2，齿数为z2，则齿轮啮合刚度的变化频率（即啮合频率）为：（图片） 1.3 滚动轴承的振动分析
滚动轴承在旋转时，即使是新的轴承也会产生振动。其主要有下列两种振动组合而成：第一种是由于轴承滚动元件的不圆度、凹凸不平的粗糙度和波纹度引起的振动；第二种是由于外力的激励而引起的轴承各元件，在其固有频率上的振动。
由于润滑不良和混入异物等原因使滚动元件表面劣化，致使滚动表面原来的不平程度变得更加厉害，这种不平仍具有随机性。因此，由此而引起的振动也保持其随机性，只是由于凹凸形状的变大，相应的激振力也增大。因此，由此所产生的振动其振幅也相应增大。
当轴承的滚动体表面上产生剥落和裂纹等局部缺陷时，随着轴承的运转，缺陷部分每当与其他元件表面接触一次就会产生一个冲击激振力，该冲击具有明显的周期性。这种周期性脉冲振动一旦出现，就告诉人们：该轴承的某个元件已经产生了某种缺陷。
滚动轴承缺陷的振动特征频率如下：（图片） 式中 f0--旋转轴的频率，f0=n1/60；
n1--轴转速（r/min）；
n--滚动体数目；
D--轴承滚道节距；
d--滚动体直径；
α--接触角。
对振动信号进行频谱分析。如果在谱图中出现上述公式描述的特征频率成分时，就被认为对应的各轴承元件有缺陷存在。
1.4 故障诊断的基本过程
故障诊断最基本的问题就是运用诊断知识对设备的有关状态进行模式识别，其过程可表述为图2 所示。（图片）
图2 2 DM-1000 汽车变速器故障监测系统
2.1 硬件设计
VDM-1000 汽车变速器故障监测系统是采用单台微机进行数据采集、数据处理、数据及处理结果的显示与打印。具体来说，该系统的硬件主要由传感器（加速度、扭矩、转速）及其适调放大器、多路开关、滤波器、A/D 板、AT 微机及其外设等组成，见图3。（图片） (1) 加速度传感器输出的是电荷量，经电荷放大器转换成电压量，然后按以下路径分别处理：
(2) 经抗混叠低通滤波器（截至频率为16kHz），作为原始信号保留，被进一步分析使用。
(3) 经可调中心频率带通滤波器，滤去与故障频率无关的频率成分，作监测信号用。
(4) 经带通滤波器和包络检波器，作信号的包络谱分析。观察特征频率成分的变化情况，可作为精密故障诊断和故障定位。
(5) 转速传感器输出的是正弦波，正弦波的频率反映了转速的大小。经转速扭矩仪输出的是电压值。根据测得的转速可计算出齿轮和轴承的特征频率。
(6) 扭矩输出形式是电压值。对扭矩变化的监测可使计算机监测系统了解变速器工况。
2.2 软件设计
VDM-1000 汽车变速器故障监测系统软件是由初始化模块、状态监测模块、信号分析模块、趋势分析模块、文件管理模块和标定模块等组成。并有求助模块给用户必要的帮助信息。
3 试验情况
3.1 监测诊断方法
试验时，首先对被监测的变速器作变速试验，得到不同转速下箱体振动信号的谱阵图。通过对谱阵图的相关分析，找出箱体的共振频带，作为监测用频带。然后初始化监测系统，在所监测的变速器上拾取正常状态下的振动信号。带通滤波器的通带设在箱体的共振频带，监测系统即可计算出正常状态下带通信号的均方根值RMS0、峭度系数KV0 和频带能量SE0。试验过程中监测各测点的均方根值、峭度系数和频带能量，与初始值进行比较，以确定被试变速器试验进展情况。
3.2 测点位置的选择
在变速器壳体上不同位置上的点，由于信号传递路径不同，因而对同一激励的响应也有所差异。变速器轴承支座处对轴承的振动响应比较敏感，此处设置监测点可以较好地接收轴承振动信号，而壳体中上部比较靠近齿轮的啮合点，便于监测齿轮的试验情况。为尽量减小信号传递的中间环节，本次试验监测点选在变速器三个轴的轴承支座及变速器壳体的中上部。与监测系统对应，第一通道为壳体处、第二至第四通道分别为一轴轴承、中间轴两端轴承处。
3.3 试验情况
经过60h 试验后，通过故障诊断系统的计算机显示，在第二通道发出警告信息，进行频谱分析，发现谱图显示的能量增加（对比于试验初期时的能量），对比图形见图4。初步判定为一轴轴承发生故障，及时停机进行变速器拆检，果然为一轴轴承由于安装不当造成偏磨，从而引起内圈磨损。及时更换该轴承，保证试验顺利进行。（图片）
图4 频谱图对比 3.4 试验分析
试验所用一轴轴承为7206E 轴承，其尺寸参数如下：
轴承滚道节距 D=46mm，滚动体直径d=8mm，接触角α=14°，滚动体数目n=15.
计算轴承各部件的频率如下：（图片） 以上计算为理论值，实际的频率应在理论值附近。由试验监测中的频谱图及波形图中显示，在1700Hz时振动增大。1700Hz 近似为321.4Hz 频率的5 倍，故而判定为轴承内圈损坏。
4 结束语
应当指出的是，使用的变速器故障诊断是一个非常复杂的课题，成功与否不仅决定于诊断系统提供的分析功能和诊断方法的有效性，还取决于操作人员的实际水平。变速器故障监测诊断系统的发展方向是提高系统的智能化水平，开发变速器故障诊断的专家系统。伴随着科技的发展和计算机的应用，故障诊断越来越为人们所接受，振动学的深入研究及分析软件的进一步开发，将使故障诊断的实施操作日益简易，也必将使诊断的精度日臻准确。
参考文献
1 熊明忠，胡凯成，李川奇. VDM--1000 汽车变速器故障监测诊断系统.
2 VDM--1000 汽车变速器故障监测诊断系统研究技术报告.
3 沈水福， 高大勇著. 设备故障诊断技术. 北京：科学出版社，1990
4 寇惠，付润兰，原配新编. 故障诊断的振动理论基础. 北京：冶金工业出版社 1989
6/1/2005
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