前言

　　汽車變速器內部包含有齒輪、軸、軸承等旋轉零部件，齒輪和軸傳遞并輸出動力，而軸承則負責支撐齒輪和軸的運動，把所受的力傳遞至殼體上。在汽車變速器中，通常使用滾動軸承來實現(xiàn)上述作用。變速器內部使用的滾動軸承主要類型有：深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾針軸承和圓錐滾子軸承等。

　　變速器在裝配線下線檢測或者總成耐久試驗過程中，經常發(fā)生由于滾動軸承本身或者與軸的配合故障而產生的振動與噪聲問題，嚴重影響了產品的FTT指標和研發(fā)進度。國內外對變速器滾動軸承故障診斷通常使用的是頻譜包絡分析和階次包絡譜分析技術，還有一些其他分析方法，比如小波分析，Kurtosis法，振動統(tǒng)計法和頻譜互相關分析等技術，但這些技術都僅在實驗室的環(huán)境下使用，然后在臺架上測量與分析。目前變速器生產廠商的現(xiàn)狀是，產品試驗和下線檢測時，經常出現(xiàn)由于滾動軸承的失效影響試驗進度和客戶交付的質量問題，但技術人員無法快速準確地識別故障是否來源于滾動軸承。

　　本文根據滾動軸承經典的頻譜包絡和階次譜包絡分析方法，列出變速器典型滾動軸承階次計算方法。此方法不需要對階次進行再次包絡，節(jié)省了信號分析時間。然后利用變速器振動在線分析儀Rhf的階次計算軟件，輸入軸承的基本參數(shù)，得到軸承故障階次。計算的軸承階次結果與變速器總成實際測量結果很好地吻合。當故障階次出現(xiàn)后，根據計算結果找到相應的故障軸承，拆解更換并重新裝配測量后，故障消除。本文所研究的變速器滾動軸承階次計算方法和在線故障診斷分析，可以在變速器總成上準確、快速地定位故障軸承，為變速器的研發(fā)和工廠質量的提升節(jié)省大量時間。

　　滾動軸承階次計算方法

　　根據大量研究，滾動軸承產生故障時，會產生相應的特征頻率，計算方法如(1)，(2)，(3)所示：

　　滾動軸承外圈通過頻率 (BPFO)：

　　滾動軸承內圈通過頻率 (BPFI)：

　　滾動體自轉頻率 (BSF)：

　　n-滾動體的個數(shù)，d-滾動體的直徑，D-滾動體的節(jié)圓直徑， φ-接觸角,f_r-軸的轉動頻率。當變速器轉軸的轉速變化時，滾動軸承的頻率也會變化。使用上述公式就很難檢測轉速變化時候的軸承故障頻率，因為頻率隨轉速的變化而變化。然而，軸承的幾何參數(shù)都是確定的，上述軸的轉動頻率f_r可以通過頻率階次轉化公式轉為階次，從而得到滾動軸承的特征階次。在某一確定檔位下，軸的階次是確定的，計算方法如下(7)，所以軸承的特征階次也是確定的。相應的特征階次計算方法如下(4)(5)(6)：

　　滾動軸承外圈通過階次(BPOO):

　　滾動軸承內圈通過階次(BPOI):

　　滾動體自轉階次(BSO):

　　旋轉軸的階次(Or):

      -從變速器輸入軸到滾動軸承安裝軸的速比。

　　上述公式計算的結果為軸承的基本特征階次，根據軸承失效模型，大部分軸承故障都存在基本階次的若干諧波階次，在變速器測試臺架和整車上，當測量到輸入軸的轉速后，可以通過階次分析把頻率譜轉化為階次譜。把測量結果與計算結果對應，查找出故障軸承。

　　變速器階次計算軟件與NVH測量裝置

　　本文使用變速器階次專用計算軟件Rhf Order Calculator。把變速器的齒數(shù)、檔位結構布置，同步器布置和軸承參數(shù)輸入到Rhf后，軟件自動計算出變速器內部齒輪、軸和軸承等旋轉零件部的旋轉階次。本文以某后驅6檔手動變速器為例，該變速器結構及使用的軸承如圖1所示：

　　圖1 GETRAG-FORD公司MT82變速器結構圖

　　1- 深溝球軸承;2-開口圓柱滾針軸承;3-帶保持架的圓柱滾針軸承;4-開口球軸承

　　根據該變速器結構，建立Rhf階次計算模型，如圖2所示：

　　圖2 MT82變速器Rhf階次計算模型。

　　軸上的滾動軸承均以紅色高亮顯示，主要為輸入軸、輸出軸和中間軸上的滾動軸承。

　　變速器研發(fā)階段，需要在臺架上進行各種試驗驗證。試驗過程中，必須確保軸承不產生失效，這就需要在線監(jiān)測變速器的振動。典型變速器試驗臺架(前驅變速器安裝)如圖3：

　　圖3 典型變速器試驗臺架(前驅變速器)

　　在變速器本體上安裝有振動加速度計，并連接到Rhf NVH數(shù)據分析設備。Rhf分析設備對采集到的變速器振動信號做FFT和階次分析，齒輪和滾動軸承的階次可以被識別出來。Rhf分析儀的階次精度為0.125階，可分析階次寬度范圍為0-256階。

　　下文以后驅手動變速器深溝球軸承故障識別為例，說明階次分析法在變速器滾動軸承故障在線分析的應用。

　　深溝球軸承故障分析

　　新裝配的某臺MT82變速器在總成下線檢測(End of Line, EOL)過程中，各檔存在明顯的異常階次，且各檔的異響階次隨檔位變化而變化。以6檔加速為例，EOL上檢測到的異常階次如表1(實測階次值)。通過Rhf的變速器階次計算結果，鎖定為輸出軸后軸承故障。該軸承為帶密封圈的深溝球軸承，幾何參數(shù)列于表2。

表1 MT82后軸承掛6檔時的理論與實際測量階次值表

　　首先根據公式(4)-(7)計算輸出軸后軸承的特征階次，6檔速比為0.704。所以6檔時與該軸承配合的軸的階次為1.421。該軸承的基本特征階次的理論計算結果列于表3。

表2 輸出軸后軸承幾何參數(shù)表

　　測量結果中各個異常階次均為4.383的倍數(shù)，所以鎖定為輸出軸后軸承的故障。

　　表3 輸出軸后軸承基本特征階次計算結果

　　拆解該變速器，更換故障軸承，重新測量，軸承故障階次均被消除。更換前后的對比結果見圖4。

　　黑色線為故障軸承的測量結果，紅線為更換后的結果。因為異常階次分布在30階到90階之間，所以圖1只顯示30-90的振動加速度結果。測量到的軸承階次標示在圖的上方，并列于表1。與理論計算結果相比較。實測值與計算值的相對誤差不超過2%，見表1。實測值與計算值相互吻合很好，驗證了本文闡述的計算方法的正確性。

　　圖4 MT82變速器更換輸出軸后軸承前后的EOL對比結果

　　總結

　　本文根據滾動軸承故障頻率計算方法推導出相應的故障階次算法，在汽車變速器測試與分析軟件Rhf中建立變速器的階次計算模型，得到各旋轉零部件的階次。最后以MT82后驅變速器在EOL檢測時候的后軸承為例，該案例中的測試結果與計算結果誤差不超過2%，驗證了計算方法的準確性。本文闡述的滾動軸承故障診斷方法與過去的診斷方法相比，可以更加快速地在變速器EOL和研發(fā)試驗階段識別由于滾動軸承失效而導致的變速器NVH問題。