基于LabVIEW汽車后橋振動測試系統(tǒng)特性分析

赫英歧，雋成林

（1.江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.淮陰工學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

1 引言

后橋是汽車的關(guān)鍵部件之一，據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，超過20%的事故是由后橋造成的，后橋內(nèi)布置著傳動軸、齒輪等旋轉(zhuǎn)機械，容易產(chǎn)品疲勞損壞等故障，造成設(shè)備損壞。通過采取一定的措施，在不影響設(shè)備正常工作和運轉(zhuǎn)的前提下，對相關(guān)設(shè)備的運行狀態(tài)進行檢測，通過檢測信號的處理，及時提取并發(fā)現(xiàn)異常和故障信號，并及時進行處理，可有效提升設(shè)備的使用壽命，避免重大事故的發(fā)生[1]。作為車輛的重要組成結(jié)構(gòu)，后橋需要進行質(zhì)量性能檢測。采用LabVIEW 虛擬儀器與傳統(tǒng)測試設(shè)備建立試驗測試系統(tǒng)，對后橋進行振動檢測，具有重要的應(yīng)用價值。

學(xué)者們對此進行了一定的研究：文獻[2]利用虛擬儀器方法在LabVIEW 平臺上對機車輪滾動軸承進行了實驗，由此判斷滾動軸承的具體故障部位是滾動體；文獻[3]對機械故障振聲診斷實驗臺上轉(zhuǎn)速為900rpm 時軸承外圈故障隨機振動信號進行了采樣，獲取滾動軸承外圈故障特征頻率；文獻[4]對齒輪箱的故障進行了診斷，對輸出軸齒輪單個齒面磨損時箱體振動信號進行分解；文獻[5]對拋光機滾筒使用的一對滾動軸承進行故障診斷，有效識別了軸承的故障狀態(tài)；文獻[6]以某齒輪箱為診斷對象，通過安裝在齒輪箱上的加速度傳感器依次采集裝配不同齒輪的四種運行狀態(tài)下的振動信號。

針對齒輪的故障信號判斷依據(jù)進行分析，并對典型故障的特征頻譜圖進行分析。基于LabVIEW虛擬儀器測試系統(tǒng)搭建后橋試驗測試臺，針對振動噪聲過大的原因設(shè)置4個測試點，將量程為33g和100g的傳感器分別豎直吸附在減速器主減速齒輪蓋的相應(yīng)位置，選取恒轉(zhuǎn)速和不同轉(zhuǎn)速兩種工況，獲取后橋主減速齒輪和變矩器測點的自功率譜，對振動信號行進分析，獲取較強振動產(chǎn)生的根源。

2 齒輪典型故障分析

齒輪產(chǎn)生的振動信號主要包括嚙合振動和齒輪故障產(chǎn)生的調(diào)制信號兩類，一對齒輪在嚙合傳動時，由于存在嚙合間隙，因而產(chǎn)生嚙合振動，嚙合振動的頻率稱為特征頻率[7]，分析特征頻率及其高次諧波是判斷齒輪運行狀態(tài)的重要依據(jù)。

以齒輪箱為例，系統(tǒng)的第一階輸入保持不變，且各級的嚙合頻率也保持不變，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為n1，齒數(shù)為z1，則頻率為：

式中：ni—該階轉(zhuǎn)速。

對于高速旋轉(zhuǎn)的齒輪系統(tǒng)，各級齒輪的嚙合均會產(chǎn)生強度不同的振動，這是故障產(chǎn)生的重要來源[8]。通過信號處理，可獲取故障點。齒輪典型故障對應(yīng)振動信號特征，如圖1 所示。圖1（a）中，由于齒間間隙增大，導(dǎo)致特征頻率幅值增加，1為嚙合頻率的幅值，2、3為其高次諧波的幅值，實線為磨損前的譜線，虛線為磨損后增加的幅值。

圖1 不同故障的信號特征頻譜圖Fig.1 Signal Characteristic Spectrum of Different Faults

從圖1（b）中可以看到，時域波形受到了沖擊性脈沖的調(diào)制，兩個脈沖的時間間隔為嚙合周期，該沖擊對頻譜的調(diào)頻表現(xiàn)為以嚙合頻率及其倍頻為中心，出現(xiàn)大量的邊頻帶。如圖1（c）所示，此時兩側(cè)的幅值較大，主要由于齒面點蝕與劃痕由于比較均勻[9]。

3 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

采用基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)包括硬件部分和軟件部分、計算機組成[10]，軟件部分為基于計算機的虛擬儀器，系統(tǒng)的方框圖，如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Test System Structure

圖中被測物理量為旋轉(zhuǎn)機械的振動信號；傳感器在系統(tǒng)中相當于換能元件，將振動信號轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)的電壓信號輸出；信號調(diào)理設(shè)備將傳感器信號與計算機隔開，可以起到放大微弱信號，對信號進行前置（抗混）濾波等作用，信號調(diào)理電路由信號隔直電路、交流信號放大電路、交流信號濾波電路等組成；數(shù)據(jù)采集卡是連接被測信號與計算機之間的橋梁，將采集卡插到計算機主機的PCI 插槽，其作用是將模擬信號轉(zhuǎn)化為可被計算機識別的數(shù)字信號。

3.2 后橋測試系統(tǒng)

為了在整車裝配前對后橋的傳動質(zhì)量進行檢驗，其外觀，如圖3 所示。其中，位于液力變矩器輸出端的滾動軸承型號為SM204，而后橋主減速齒輪的齒數(shù)為12齒。

圖3 后橋?qū)嶒炁_Fig.3 Rear Axle Test Bench

在該試驗臺實際的運行過程中，感覺整體振動較大，如果轉(zhuǎn)速稍高則出現(xiàn)較強的噪聲，測試的目的即是通過傳感器拾取后橋特定位置的振動，從而分析引起較強振動的根源，檢查是否是由于后橋自身問題而產(chǎn)生的振動[12]。測試選擇4個測點：（1）測點1和測點2位于后橋主減速齒輪的齒輪蓋上，因為這是試驗臺通過傳動軸將動力傳入后橋的部位，該處的振動直接反映了后橋在運行時的整體振動狀況，測點1（上方）和測點2（下方）位置，如圖3（a）所示。（2）測點3和測點4分別位于變頻電機和液力變矩器的基座螺母上，目的是檢查處于實驗臺轉(zhuǎn)矩輸入端的振動情況，測點3（電機）和測點4（變矩器）的位置，如圖3（b）所示。

圖4 測點位置Fig.4 Location of Measuring Points

這次測試項目選用的相關(guān)儀器設(shè)備如下：

（1）壓電加速度傳感器（內(nèi)置電荷放大器，附帶恒流源模塊、數(shù)據(jù)線；3 個：LC0151T 型，量程7g；LC0155 型，量程33g；LC0103型，量程100g）；

（2）信號采集機箱SC—2345（8 通道，內(nèi)置直通模塊；1 臺）；

（3）NI 公司6024E for PCMCIA 數(shù)據(jù)采集卡（用于筆記本電腦；1 個）；

（4）HX?90 型旋轉(zhuǎn)軸參數(shù)顯示儀；

（5）筆記本電腦（IBM R51）和基于LabVIEW 的軟件測試系統(tǒng)相應(yīng)測試儀器。

3.3 測試過程

將量程為33g和100g的傳感器分別豎直吸附在減速器主減速齒輪蓋的相應(yīng)位置，連接好測試儀器；使傳動軸按恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后進行測試，記下測試數(shù)據(jù)[13]；為測量不同轉(zhuǎn)速下的振動情況，更換一種變頻電機的轉(zhuǎn)頻，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后重復(fù)步驟2；測試過程中轉(zhuǎn)速及相應(yīng)采樣率、采樣時間的選擇，如表1所示。

表1 測試過程Tab.1 Test Process

4 測試結(jié)果數(shù)據(jù)分析

4.1 后橋主減速齒輪數(shù)據(jù)分析

不同轉(zhuǎn)速時，測點1 的加速度信號的自功率譜（采樣率16K），如圖5所示。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下后橋測點自功率譜Fig.5 Self Power Spectrum of Rear Axle at Different Speeds

從圖5（a）可以看出，信號的主要能量集中在153.75Hz處，由主減速齒輪的齒數(shù)（12齒）及此時的轉(zhuǎn)頻（12.8Hz）可知，其為設(shè)備的嚙合頻率，其他設(shè)備的并不突出。當輸入達到30Hz時，如圖5（b）所示。再次頻率振幅大幅度增加，同時出現(xiàn)倍頻，對應(yīng)的嚙合頻率為298.75Hz（12×25Hz），而對應(yīng)點的能量基本不變。

4.2 變矩器數(shù)據(jù)分析

對位于液力變矩器基座螺母上的測點4得到的振動數(shù)據(jù)進行了自功率譜分析，電機轉(zhuǎn)速600rmp，如圖6（a）所示。傳動軸轉(zhuǎn)速130rmp 時的自功率譜（采樣率4096）；當電機轉(zhuǎn)速增加到1200rmp時，信號的自功率譜（采樣率4096），如圖6（b）所示。

圖6 不同轉(zhuǎn)速變矩器測點自功率譜Fig.6 Self?Power Spectrum of Torque Converter at Different Speeds

從圖6（a）中可以看出2Hz和10Hz處有兩個較明顯的峰值，其中2Hz對應(yīng)為傳動軸轉(zhuǎn)頻，10Hz 對應(yīng)為電機轉(zhuǎn)頻，可見在液力變矩器輸入端（電機）和輸出端（傳動軸）均存在不平衡現(xiàn)象。由圖6（b）可以看出，當電機輸入轉(zhuǎn)速增大時，位于電機轉(zhuǎn)頻處（20Hz）的能量迅速增加，進一步說明了液力變矩器的輸入端存在較為嚴重的失衡現(xiàn)象，因此這種不平衡現(xiàn)象也成為了導(dǎo)致實驗臺振動強度增大、噪聲增加的原因。

5 結(jié)論

（1）變頻電機與液力變矩器、后橋均安放在同一基礎(chǔ)上，使得電機自身的振動成為影響后橋振動的一個重要因素，可對此進行改進設(shè)計；（2）通過對變矩器的振動分析可知，作為轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換裝置的液力變矩器存在著失衡現(xiàn)象，并且當電機轉(zhuǎn)速增大時，這種失衡現(xiàn)象會更加嚴重；（3）產(chǎn)生較強振動產(chǎn)生的位置為：鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，將電機振動傳遞到后橋，以及液力變矩器輸入端存在失衡現(xiàn)象，說明出現(xiàn)較大噪聲并非后橋本身的質(zhì)量問題，為今后的測試和改進提供了可靠依據(jù)。