汽車機械式變速器疲勞壽命試驗早期故障診斷

張永強

（中國重汽集團大同齒輪有限公司技術中心， 山西 大同 037305）

引言

變速器疲勞壽命試驗是室內模擬整車運行的標準試驗，它能綜合性地驗證變速器總成的整體性能（雖然不能全面反應實際路況）。以往變速器總成疲勞試驗只是主觀人為的憑經驗檢查變速器的損壞情況[1]，變速器零部件微小損壞是無法分辨出來，疲勞壽命試驗結束變速器零部件損壞非常嚴重，導致無法判斷出變速器損壞的一次故障點，給變速器后期改進帶來極大的困難，也極大地浪費了人力、物力。

變速器早期故障診斷是基于機械振動檢測早期故障，它是一種客觀的檢查方法，它用于在動態條件下早期檢查發出聲學的機器裝置，它通過比較當前的振動特性與在試驗初期建立起來的參考值的振動特性[2]，能夠判斷出變速器的早期故障點，并及時報警停止試驗，為變速器研發和改進優化提供有用的信息。

1 變速器早期故障試驗方案

變速器早期故障振斷包括四個階段：變速器試驗條件的設置、試驗數據采集和數據處理、變速器模型的建立；試驗數據的分析。

1.1 變速器試驗條件的設置

按照變速器疲勞壽命《試驗大綱》的要求進行變速器試驗條件的設置，包括轉速、扭矩、油溫、變速器各擋速比，保證變速器試驗過程中完全按照《試驗大綱》要求進行，確保數據的準確性。

1.2 變速器試驗數據的采集和數據的處理

變速器試驗數據的采集包括以下階段：自學習階段，即變速器最初的試驗數據，最初試驗數據被認為是變速器運行狀態最理想一個階段，因此把這一階段作為振動特性的參考值；監測階段，即變速器試驗過程中實時數據的采集和監測；數據處理階段：實時數據和參考特性數據進行比較，偏離的值進行頻譜趨勢指數曲線，當曲線超出預先設定的報警值時，及時報警停機，說明變速器零部件已經出現早期的故障。

1.3 變速器模型的建立

這是一個簡單發現故障的輔助工具，按照變速器各擋的傳動路線建立模型，并輸入零部件的參數，軟件將自動計算各擋齒輪、軸承、軸的階次，最后與變速器采集的數據配合使用發現可能存在的故障，模型和參數如下圖1、表1 所示。

圖1 變速器模型

表1 變速器參數

1.4 變速器試驗數據的分析

變速器試驗數據分析需要結合振動參考特性、振動實時數據曲線和變速器模型、參數共同完成，概括大致分為三個步驟：

第一步：分析振動實時數據曲線，振動實時數據曲線與振動參考曲線進行比較，找出異常的數據曲線。

第二步：具體分析異常數據曲線，查看異常曲線的階次，與變速器模型階次進行對比，找出異常的曲線階次。

第三步：找出具體故障點，分析異常曲線周圍的參數，與變速器模型參數進行一一對照，就能找出變速器損壞的故障點。

2 變速器早期故障診斷試驗需要具備的條件

變速器早期故障診斷試驗依托于變速器疲勞壽命試驗臺，試驗臺轉速范圍是0～2 000 r/min，扭矩是0～3 000 N·m，油溫傳感器范圍包括滿足變速器疲勞《試驗大綱》的要求，振動傳感器有兩個，分別安裝在疲勞主試變速器離合器前殼和副箱后殼上，傳感器分別對試驗過程中的變速器進行試驗數據采集、監控，對試驗過程中轉速、扭矩、擋位、油溫進行分類記錄，變速器疲勞試驗臺架如圖2 所示。

圖2 變速器試驗臺

3 變速器疲勞試驗

現以公司某變速器的疲勞壽命試驗為例，按照變速器《試驗大綱》要求進行早期故障診斷條件的設置并進行變速器的模型建立。

變速器按照疲勞《試驗大綱》要求運行一段時間后，變速器早期故障診斷儀連續三次報警，變速器停止試驗（試驗過程中主觀人為的憑經驗檢查變速器是否有故障）。

分析變速器早期故障診斷儀所采集的數據，振動實時數據曲線與振動參考曲線進行全方位比較，找出異常數據曲線；

進一步分析異常數據的曲線并與變速器模型的參數進行對比，發現主箱一擋齒輪振動曲線出現異常，最后分析周圍曲線的參數可以判斷出變速器主箱中間軸一擋齒輪出現點蝕；具體曲線見圖3 和圖4。

圖3 振動曲線1

圖4 振動曲線2

變速器疲勞試驗拆解結果：主箱中間軸一擋輪點蝕；點蝕圖片見圖5。

變速器早期故障診斷分析診斷結果與變速器拆解結果具有較好的一致性，它提前發現了變速器內部零部件出現早期故障并及時報警停止試驗，使得變速器的故障點第一時間被發現，也使得變速器試驗周期縮短，為后期改進提供了充足的時間，并且節約成本，減少了勞動強度。

圖5 中間軸點蝕

4 結論

變速器早期故障診斷的實施不僅可以早期發現變速器零部件早期故障點，還具備以下優勢：

1）變速器早期故障診斷完善了變速器疲勞試驗臺在樣機試驗過程中出現早期故障時進行自動報警的措施，實現了變速器疲勞試驗臺在樣機試驗過程中出現早期故障時能夠自動停機的功能；使得變速器疲勞試驗臺開啟了智能化時代；

2）建立個別變速器齒輪早期損壞數據庫；使得變速器振動曲線與故障形態形成了一一對應的關系，為今后變速器疲勞試驗奠定了試驗基礎；

3）降低了試驗人員的工作強度，減小了試驗人員的聽力損耗，提高了試驗人員的安全性（以前試驗人員總是頻繁地去正在運行的樣機旁，憑借人耳去聽變速器發出的聲音，根據自身經驗去判斷變速器故障）；

4）減少了試驗周期，節約了成本，提高臺架試驗效率。