前言

　　汽車變速器內(nèi)部包含有齒輪、軸、軸承等旋轉(zhuǎn)零部件，齒輪和軸傳遞并輸出動力，而軸承則負責(zé)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(nèi)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(jīng)常發(fā)生由于滾動軸承本身或者與軸的配合故障而產(chǎn)生的振動與噪聲問題，嚴重影響了產(chǎn)品的FTT指標(biāo)和研發(fā)進度。國內(nèi)外對變速器滾動軸承故障診斷通常使用的是頻譜包絡(luò)分析和階次包絡(luò)譜分析技術(shù)，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(guān)分析等技術(shù)，但這些技術(shù)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(chǎn)廠商的現(xiàn)狀是，產(chǎn)品試驗和下線檢測時，經(jīng)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(zhì)量問題，但技術(shù)人員無法快速準(zhǔn)確地識別故障是否來源于滾動軸承。

　　本文根據(jù)滾動軸承經(jīng)典的頻譜包絡(luò)和階次譜包絡(luò)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(luò)，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(jié)果與變速器總成實際測量結(jié)果很好地吻合。當(dāng)故障階次出現(xiàn)后，根據(jù)計算結(jié)果找到相應(yīng)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(zhǔn)確、快速地定位故障軸承，為變速器的研發(fā)和工廠質(zhì)量的提升節(jié)省大量時間。

　　滾動軸承階次計算方法

　　根據(jù)大量研究，滾動軸承產(chǎn)生故障時，會產(chǎn)生相應(yīng)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(nèi)圈通過頻率 (BPFI)：

　　滾動體自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動頻率。當(dāng)變速器轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速變化時候的軸承故障頻率，因為頻率隨轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動頻率f_r可以通過頻率階次轉(zhuǎn)化公式轉(zhuǎn)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(yīng)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(nèi)圈通過階次(BPOI):

　　滾動體自轉(zhuǎn)階次(BSO):

　　旋轉(zhuǎn)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(jié)果為軸承的基本特征階次，根據(jù)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(dāng)測量到輸入軸的轉(zhuǎn)速后，可以通過階次分析把頻率譜轉(zhuǎn)化為階次譜。把測量結(jié)果與計算結(jié)果對應(yīng)，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(jié)構(gòu)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(nèi)部齒輪、軸和軸承等旋轉(zhuǎn)零件部的旋轉(zhuǎn)階次。本文以某后驅(qū)6檔手動變速器為例，該變速器結(jié)構(gòu)及使用的軸承如圖1所示：

　　圖1 GETRAG-FORD公司MT82變速器結(jié)構(gòu)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(jù)該變速器結(jié)構(gòu)，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(chǎn)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(qū)變速器安裝)如圖3：

　　圖3 典型變速器試驗臺架(前驅(qū)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(jù)分析設(shè)備。Rhf分析設(shè)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(qū)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(yīng)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(jié)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(jù)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(jié)果列于表3。

表2 輸出軸后軸承幾何參數(shù)表

　　測量結(jié)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(jié)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(jié)果見圖4。

　　黑色線為故障軸承的測量結(jié)果，紅線為更換后的結(jié)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(jié)果。測量到的軸承階次標(biāo)示在圖的上方，并列于表1。與理論計算結(jié)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(jié)果

　　總結(jié)

　　本文根據(jù)滾動軸承故障頻率計算方法推導(dǎo)出相應(yīng)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(zhuǎn)零部件的階次。最后以MT82后驅(qū)變速器在EOL檢測時候的后軸承為例，該案例中的測試結(jié)果與計算結(jié)果誤差不超過2%，驗證了計算方法的準(zhǔn)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(dǎo)致的變速器NVH問題。