基于阶次分析的汽车主减速器质量检测技术研究_图文

1、基于阶次分析的汽车主减速器质量检测技术研究年月合肥工业大学删啪剐本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名：（工作单位、职称）主席：委专花寺导师：锄色丝六言捣援汪手殇胗肥琴蛄孚勃教埂硒哥雌捉，二飘撂手刃孰础高镛器杉一弼烨易秒形驰凯伽瞳善认芸亨伽眇乏刁，钐文“、三讨；¨一州铭独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金蟹工些太堂或其他教育机构的学位或证二；而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研

2、究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：父耳酯签字日期：年。伊日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解佥墨：些太堂有关保留、使川学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅剃借阅。本人授权金墨互些叁堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索？可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名：美鹏签字日期：月日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：导师签名签字日期：年。争月二矿日电话：邮编：基于阶次分析的汽车主减速器质量检测技术研究摘要汽车主减

3、速器是组成汽车驱动桥的关键部分，其质量的好坏，直接关系到整车行驶性能的好坏。在主减速器出厂之前，对其进行质量检测并及时发现有问题的产品至关重要，这样可以通过付出最少的时间和代价把问题消灭在初始阶段。在本文中结合汽车主减速器的振动信号的特点，对汽车主减速器在线质量检测技术进行研究。本文首先对汽车主减速器质量检测的重要性作了介绍，分析了当前国内外故障检测技术发展状况；然后详细地探讨了汽车主减速器产生振动信号的机理以及振动信号的特征，以及分析处理振动信号和提取信号特征的方法；其后，本文对主减速器测试台架的总体结构及其关键部分进行说明。应用传统的频谱分析方法对主减速器的非稳态信号进行分析处理，可能会导

4、致其频谱图上产生“频率混叠”的现象，从而影响对频谱的辨别。而应用阶次分析方法取代传统频谱分析方法对这些信号进行分析处理，则可以消除其谱图上的“频率混叠现象。本文以阶次分析方法为核心的信号分析与处理方法为基础，结合主减速器振动信号特点，研制出一个面向主减速器的虚拟阶次分析仪器系统。其功能主要有：阶次分析、频谱分析、短时傅立叶变换时频谱分析、时域分析、转速曲线等功能。该虚拟阶次分析仪器各种功能及算法是由编程开发软件实现的。通过现场测试实例表明本文把研制出的虚拟阶次分析仪器应用于主减速器质量检测是可行的，实用的。关键词：汽车主减速器阶次分析质量检测虚拟仪器，”，：，：；致谢两年多紧张而充实的研究生生

5、活即将结束。在此毕业论文成稿之际，谨以只言片语向两年来在各个方面支持、帮助、关心过我的人们表示真挚的谢意。本文是在我的导师王淑旺老师的悉心指导下完成的。两年多的学习生涯中，导师在学习、生活等方面都给了我无私的帮助与支持。在学位课程的拟定、研究课题的落实、论文撰写等方面导师给了我悉心指导和热情关怀。导师渊博的学识、严谨的治学态度、忘我的敬业精神以及虚怀若谷的学术作风给我留下了深刻的印象，并将激励我在今后的研究道路上不懈攀登！在此谨向我的导师王淑旺老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！感谢林巨广研究员给我提供了一个学习与工作的平台，让我在这两年多读研期间受益匪浅。同时，也感谢丁苏赤副教授、陈筵欣副教授、

6、任永强副教授和谢锋教授对我的指导和帮助。四位老师严谨细致、求真务实的学术作风一直是我工作、学习的榜样；四位老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给与我无尽的启迪。感谢他们对我工作、学习和生活的关心，他们对我的指导我会铭记在心。感谢沈磊跃、郑大伟、赵志军、苏晓峰、孙慧琴、刘波、蔡高坡等师兄师姐们对我的种种帮助。感谢两年多来陪我一起度过研究生生活的同窗好友张定、严军富、许华、苏鹏、丁更新、王心凯、郗世洪、王文辉、程林、梅雨、赵强等以及鲁恒飞、顾立才、王林刚等师弟。他们的陪伴使我的研究生生活充满了快乐和惬意。感谢安徽巨一自动化装备有限公司所有老师和员工，尤其感谢技术部的李海波、罗贤刚、张正新、陈遥、周殷

7、捷等领导与同事们，他们的陪伴让我的工作更加轻松。特别感谢我的父母，感谢他们多年来对我的学习和生活的支持和鼓励。是他们给予了我战胜困难的信心和力量，使我得以顺利完成了学业。本文凝结了他们的心血和教诲！最后，感谢评阅论文和出席硕士论文答辩委员会的诸位专家、教授在百忙之中给予的悉心指导！作者：关鹏年月日目录摘要第一章绪论课题的研究背景汽车质量检测技术的发展概况阶次分析方法的发展概况硬件阶次跟踪技术无转速计计算阶次跟踪技术有转速计计算阶次跟踪技术虚拟仪器技术的概述课题研究的内容第二章主减速器的振动分析主减速器的基本结构主减速器主要失效类型主减速器故障的振动诊断主减速器齿轮简化振动模型齿轮的振动信号特征

8、振动信号的调制齿轮振动的其他成分轴承的故障特点振动信号的组成本章小结第三章振动信号分析方法振动信号的经典分析方法时域统计分析频域分析方法阶次分析的原理阶次的含义汜钊有转速计计算阶次跟踪技术实现原理阶次分析与频域分析的对比计算阶次跟踪重采样时刻的确定转速脉冲到达时刻计算阶次重采样时刻的二次曲线拟合乜抗阶次混叠跟踪滤波阶次分析中的抗阶次混叠跟踪滤波¨零相位数字滤波器分段数字滤波边缘效应的抑制阶次谱的分析方法阶次细化谱的实现阶次倒谱分析的实现阶次解调分析方法本章小结第四章质量检测系统的设计基于阶次分析方法的主减速器质量检测原理在线测试台架的总体设计夹具及其翻转系统输入轴驱动系统左右输出轴加

9、载系统面向主减速器的虚拟阶次分析仪器的设计虚拟阶次分析仪的系统设计硬件子系统设计软件子系统设计本章小结第五章试验研究主减速器的测试参数被测主减速器的结构参数被测主减速器的特征阶次参考阶次谱线的确定主减速器故障的信号特征动主减速器齿轮典型故障的信号特征主减速器轴承典型故障的信号特征测试方法的实现与流程主减速器振动信号采集策略主减速器测试流程测试实例分析合格主减速器的阶次谱线有故障主减速器的阶次谱线本章小结第六章总结与展望总结展望参考文献攻读硕士学位期间发表的论文插图清单图硬件阶次跟踪示意图图无转速计计算阶次跟踪示意图图有转速计计算阶次跟踪示意图图虚拟仪器功能模块示意图图汽车转动系简图图主减速总成

10、的三维分解图图单级式主减速器图一对齿轮啮合时的简化模型图直齿啮合刚度变化曲线图图斜齿轮或人字齿轮啮合刚度变化曲线图信号（）（巧）时域图和频谱图图信号（）（）时域图和频谱图图信号（）（）×（）时域图和频谱图图（）（刃）的频域图图一信号工（，）的频谱仿真图图仿真信号时域图图仿真信号的仿真图图振动信号（，）（：）的时域图图振动信号）：衙：）的频域谱图振动信号（）（删）等角度采样后的信号图振动信号（）（廊）的阶次谱图转速脉冲模拟信号及其离散信号的示意图图分段数字滤波示意图图对数据直接分段滤波后的波形图图改进后的分段数字滤波示意图图细化前的阶次谱图图细化后的阶次谱图图重采样后的等角度信号图仿真

11、信号的阶次谱图仿真信号的倒谱图信号（）的时域图图信号（）的变换图图信号工（）的包络线图图信号的阶次解调图图主减速器振动信号传播示意图一图汽车主减速器试验台整体布局平面图图汽车主减速器试验台架图汽车主减速器试验台翻转夹具系统结构简图图汽车主减速器试验台驱动系统结构简图图汽车主减速器试验台加载系统结构简图图虚拟阶次分析仪系统设计总体框图图转速传感器的实物图图压电式加速度传感器图型电荷放大器图数据采集卡图数据采集实现流程简图图信号分析处理功能模块图专家系统示意图图自学习诊断系统示意图图时域一频域分析显示界面图阶次分析显示界面图汽车主减速器结构简图图某型号主减速器实物图图被测主减速器的阶次谱线图被测主

12、减速器的阶次谱线图主减速器齿轮齿面磨损时的阶次谱特征图主减速器齿轮断齿时的阶次谱特征图主减速器轴承外圈有故障时的阶次谱特征图主减速器轴承内圈有故障时的阶次谱特征图主减速器轴承保持架有故障时的阶次谱特征图主减速器轴承滚子有故障时的阶次谱特征图信号采集时间段的示意图图测试流程图图某合格汽车主减速器振动信号的阶次谱图图主减速器正向驱动时的阶次谱图图主减速器正向滑行时的阶次谱图图主减速器正向驱动时故障信息的细化后的谱图图一主减速器正向滑行时故障信息的细化后的谱图图主减速器正向驱动时的阶次谱图图一主减速器正向滑行时的阶次谱图图主减速器正向驱动时故障信息的细化阶次谱图图主减速器振动信号的阶次谱图图主减速器

13、振动信号的阶次细化谱图表格清单表虚拟仪器与传统仪器的区别表汽车主减速器振动信号组成成份表阶次分析与时域一频域分析的参数对比表压电式加速度传感器各项主要技术指标表型电荷放大器主要参数表某型号汽车主减速器的轴承参数表主减速器各主要零部件的阶次第一章绪论课题的研究背景近几十年以来，中国的汽车工业有着飞跃式的发展，成为我国国民经济的支柱产业。年，我国汽车产销量第一次超越美国，从而取代美国成为世界第一大汽车生产及消费国。而在年，中国的汽车全年产量及销量都突破万辆，继续稳坐全球第一宝座，其中产量同比增长，销量同比增长。其中，乘用车占汽车产销量的大部分。由此可见，随着经济的发展，人们对汽车的需求量与日俱增。

14、主减速器作为汽车动力传动系统的重要部件之一，它的性能的好坏直接关系到汽车行驶性和可靠性。机器设备一旦有故障产生，其造成的后果将较为严重旧。在主减速器安装在汽车上之前，对其进行在线测试，及时地辨别出有故障的产品，不仅仅可以节约生产厂家的时间及成本，同时也可以明显地提高产品的安全性和可靠性。主减速器是驱动桥的重要组成部分，而驱动桥位于以发动机为动力的汽车传动系末端，其主要功用就是降低传递过来的动力的转速，并增大其扭矩，同时改变动力传递的方向及实现汽车驱动轮的差速旧。主减速器按结构通常被分为以下几个类型：单级主减速器、双级主减速器、贯通式主减速器和轮边减速器。本文本主要研究单级主减速器的在线测试，单

15、级主减速器的结构相对简单，传动效率也较高，且其质量与体积也比较小。该型主减速器主要应用于中型以下的货车与轿车。当前，汽车减速器的性能评价指标主要有：主、被动锥齿轮的啮合状况的好坏、噪声等级的高低、预紧力的大小和差速状况的好坏等。不过在上述第一个评价指标方面，目前国内还没有形成一个科学完善的评价体系。在多数汽车车桥生产厂家，主减速器的质量检测主要依靠有经验的技术人员或操作工人，他们用听主、被锥齿轮啮合时的声响和观察主、被锥齿轮啮合斑点的方法来对其啮合质量做出判断。由于这种质量检测方法对相关人员的要求较高（要有丰富的经验），且受人为因素影响较大，容易造成误判或漏判。针对这种情况，本文应用振动信号分

16、析方法实现汽车主减速器的质量检测。在本文中设计出可以模拟汽车行驶时各种状况的测试台架，然后对汽车主减速器的振动信号进行采集，并应用以阶次分析为核心的信号处理与分析方法对采集数据进行分析。通过对这些信号的分析，我们在对主减速器质量评价的同时，也能对导致主减速器产生故障的原因及故障发生位置进行分析，从而能及时地挑出不合格的主减速器，及时找出有缺陷的零部件或者产品装配的不足之处，这对控制产品质量、改进产品设计有很强的现实意义。本文通过对当前旋转机械故障诊断方法的分析，讲述了通过主减速器振动信号分析作为其故障诊断主要手段的可行性，接下来介绍了整个振动信号测试分析的方案设计和其方案的实现，利用编程软件为

17、基础构建一个虚拟阶次分析仪器系统实现对振动信号的采集和分析。最后通过主减速器的现场测试及其信号处理结果的分析验证了该主减速器在线测试系统方案是可行的，实用的。汽车质量检测技术的发展概况们们刀保证汽车质量的一个重要途径就是在汽车生产的过程中应用检测技术。它不仅仅能实现产品是否合格或者是否达到设计参数的辨别，还能通过分析检测数据，找出产品发生故障或者没有达到设计参数的原因，从而稳定了产品质量及为产品改进提供参考。伴随着科技的进步与发展，现代车辆检测技术也与时俱进，获得长足的发展。然而当前，国内汽车产业发展与汽车检测技术发展不平衡，我国的汽车检测技术装备水平迫切地需要提高。在上个世纪年代，在一些发达

18、国家就开始出现以性能调试为主的单项检测技术，虽然与现代的故障诊断技术不能同日而语，但在当时具有划时代的意义。我国于年代初期开始从国外引进汽车检测设备。年代后期，国外的汽车检测技术中综合运用多学科技术，使其有较快的发展。如：非接触式车速仪器、车轮定位仪器、尾气分析仪器等检测仪器。年代以后，由于计算机技术的迅速发展，国外开始出现了集多种功能于一体的汽车性能检测设备，它通常包括以下功能：汽车的性能和质量检测和诊断、自动数据采集并处理分析、检测分析结果直接显示或打印等。以现代汽车检测技术为依托，各个发达国家为了加强对汽车的管理，它们相继设立一系列自动化程度很高的检测线和汽车检测站，进而使汽车检测标准化

19、、制度化。从上个世纪年代开始，我国开始对汽车检测技术进行研究。进入年代，我国加强汽车检测技术的研发工作，并把其列为国家发展改革委员会的开发项目。这期间，我国开出发了惯性式汽车试验台架、反力式汽车制动试验台架、汽车性能综合检测台架和发动机综合检测仪器。年代以后，由于国民经济的快速发展和科技的进步，汽车检测技术也有了较大的发展，同时也使我国汽车持有量迅速增加，这必然带来一系列社会问题，诸如环境问题和交通安全问题等。因此，如何解决这些社会问题逐渐成为国家机关的当务之急，从而成为我国汽车检测技术的发展的推动力。当前，越来越多的在汽车线检测设备被用来监控检测汽车及其各个模块的运行状态，在第一时间发现设备

20、的异常，从而找出该设备潜在故障并对故障发展趋势进行预测。也就是说汽车质量检测技术是一个具有很大社会效益和经济效益的技术。阶次分析方法的发展概况阶次分析方法常常被应用于非平稳旋转机械故障诊断中，也被称之为整周期截断离散傅里叶变换法（），是传统傅里叶变换的一种发展与延伸。这种信号分析与处理方法主要是针对旋转机械振动非平稳信号，与传统傅里叶变换不同的是，它不是以时域作为尺度进行振动信号采集，而是以旋转机械转动的角度进行等角度信号采集，其后再对采集到的信号进行离散傅里叶变换，从而得出所被测信号的阶次幅值和相位¨。也就是说，阶次分析方法就是先对旋转机械的振动信号进行等角度采集，然后对采集的信号

21、进行快速离散傅里叶变换，对信号也不再以传动傅里叶变换中的频率作为衡量信号的特征的尺度，而以阶次作为新的尺度。对于旋转机械，其升、降速阶段的振动信号所反映的特征极其丰富，对于旋转机械的故障诊断有着重要意义。但在这个阶段采集到的振动信号并不能直接满足传统傅立叶变换对信号平稳性的要求，如果将这些信号当作平稳信号进行处理，将会产生严重的“频率模糊”现象旧。而阶次分析方法可以比较完美地解决这个问题，它可以消除或降低转速变化对振动信号分析的影响。同时，测试主减速器时所采集到的振动信号与转速有密切联系，大体上表现为：其振动频率与转速频率成整倍频或分数倍频关系。所以，应用阶次分析方法可以消除“频率模糊”现象，

22、从而可以对传统频谱分析很难分析的非平稳阶段的信号特征进行分析与提取。当前，阶次分析技术实现方式可分为三种：硬件阶次跟踪技术、有转速计计算阶次跟踪技术、无转速计计算阶次跟踪技术竺寸硬件阶次跟踪技术传统的阶次跟踪技术哺是基于专用数字和模拟硬件设备对振动信号实现等角度采样。该技术所应用到的专用设备有采样率合成器、跟踪滤波器以及采样装置等（其原理如图卜所示）。当获得具体的等角度采样数据后，就可以应用快速傅里叶变换（）算法最终计算出阶次谱。不过该技术实现的一个关键参数一一旋转机械转速，是通过一个计数器计算两个连续的转速脉冲并由此估计图硬件阶次跟踪示意图出来的，并以该转速为依据计算出对振动信号新的采样速率

23、，而这个采样速率在下一个转速脉冲到来之前是保持不变的。由于该硬件系统本身的限制，新的采样速率并不能被立即应用，通常有一个延时，因此，调整后的采样速率总是滞后的。也就是说，在旋转机械加速或减速的时候，同步采样的精度会大大降低。此外，硬件阶次跟踪技术还有一个不足之处，就是设备较为复杂，且成本较高。无转速计计算阶次跟踪技术无转速计计算阶次跟踪技术，是指在对一些不能安装转速计场合下对旋转机械振动进行分析的阶次跟踪技术（其原理示意图如图卜）。实现这种技术的关键是对旋转机械振动信号进行时频联合分析获得信号时频分布图，然后对振动信号的一阶分量进行瞬时频率曲线估计，进而得出旋转机械主轴瞬时转速函数曲线，以该转

24、速函数曲线为基础代替转速计，作为等角度信号采样的依据，再进行阶次算法运算，从而获得阶次谱。这种计算阶次分析技术主要应用于被测旋转机械转速信号噪声太大，或者因为受条件限制无法安装使用转速计测量其转速等诸多场合。在有些场合，这种方法获得的瞬时转速曲线比实际转速计测试的效果更好。人机旋振抗交转卜动混采互机传卜滤集卜下感的械波器阶器器次跟踪图卜无转速计计算阶次跟踪不意图有转速计计算阶次跟踪技术有转速计计算阶次跟踪技术盯其实现的原理图如图卜所示。以等时间间隔的方式分别对旋转机械的振动信号和转速信号进行采集，振动信号与转速信号采集以后，应用计算机软件实现振动信号的等角度重采样，然后通过计算获得阶次谱。在一

25、般情况下，应用专门的数字信号处理芯片或者高速计算机进行信号处理即可满足监测的实时性要求。此外，在计算阶次跟踪实现中可应用成本低廉的模拟低通滤波器，其性能不亚于与其相对应的专门跟踪滤波器。图有转速计计算阶次跟踪示意图虚拟仪器技术的概述虚拟技术、网络技术和计算机通讯技术被称为本世纪科学技术的三大核心技术，它们是本世纪信息技术的最重要组成部分。其中，虚拟技术有着巨大的潜力，各主要发达国家寄以厚望，纷纷在这一领域投入巨资，希冀有一天能在它的带动下提前进入信息时代，从而超越整个工业时代。上个世纪年代首先在美国发展起来的虚拟仪器（）无疑是虚拟技术领域中的重要组成部分，从而成为当前主要发达国家研究开发的热点

26、技术之一旧。虚拟仪器是指以通用计算机为数据处理核心，以一些相对简单的外硬件模块为信号数据采集工具，以应用程序作为纽带将以上两者结合起来，这样用户就可以通过可视化的图形界面对仪器进行操作，进而完成对被测试信号的采集、分析、判断、显示、数据存储等。类似于传统仪器，虚拟仪器也可以在大体上被分为三个功能模块：数据采集模块、数据分析处理模块和测试结果显示模块，如图（卜）。图虚拟仪器功能模块示意图与传统仪器相比，虚拟仪器的最大的不同之处，在于其应用的灵活性，功能的重构性上旧，它们之间的区别如下表（）。表卜虚拟仪器与传统仪器的区别虚拟仪器传统仪器以软件为主以硬件为主测控功能可以由用户自定义测控功能由厂家预先

27、定义与网络、周边连接方便功能特定，仅提供有限连接开发维护成本低开发维护成本高开发周期短开发周期长拥有海量数据储存空间数据储存空间有限系统拥有可扩展性系统几乎无法扩张与升级课题研究的内容本课题要实现的目标就是：以阶次分析方法为主要信号分析处理手段，设计出一个面向主减速器质量检测的测试系统。本文主要的工作是：）对主减速器的基本结构和振动原因做了详细的阐述，对主减速器各种故障类型及振动信号特点进行了分析。）对旋转机械振动信号分析的阶次分析方法及其实现方法做了比较全面的介绍，针对阶次分析方法的不足，结合细化谱、倒谱和解调谱等信号分析处理方法实现对阶次谱图的辨别工作。）进行了主减速器质量检测系统的总体设

28、计。详尽地介绍了系统的关键部分一一虚拟阶次分析仪器的构建，该虚拟分析仪器以阶次分析方法为核心，同时兼顾数据的时域分析、数据的频域分析、数据的短时傅里叶分析等功能。）通过对被测主减速器的现场测试，验证了本文设计的系统方案是可行的，实用的。第二章主减速器的振动分析主减速器作为汽车动力传动的关键部件，其性能对整车的性能有着重要影响。当主减速器齿轮有故障发生时，其振动与噪声都会有相应的变化，这给我们提供了一个采集与分析主减速器故障信息的途径。但在此以前，我们首先对主减速器齿轮的故障机理进行分析，并对故障类型进行一定的区分，这些工作对主减速器的故障诊断有着重大意义。主减速器的基本结构汽车主减速器是汽车动

29、力传动系的最末一级，在汽车动力传动中有着重要不可或缺的作用。汽车传动系是位于发动机和汽车驱动轮之间的动力传递装置，它的基本功能就是将发动机的转速与扭矩传递给驱动轮。汽车传动系组成与布置如图所示。图汽车转动系简图离合器变速器万向节驱动桥差速器半轴主减速器传动轴汽车主减速器主要由图中的与组成，图为一种常见的主减速器的三维分解图。主减速器在传动系统的主要作用是：降低转速和增大转矩。为了适应不同的使用场合，主减速器有多种结构形式。从齿轮副结构不同的角度上可以分为圆柱齿轮、准双曲面齿轮与圆锥齿轮三种类型的主减速器。从齿轮副的数目的角度上可以分为单级式与双级式两种类型的主减速器。图即一个单级式主减速器实物

30、图。主减速器另一个关键组成部分就是差速器（如图中的编号部分）。差速器的主要作用就是：当汽车转弯或者行驶在复杂路况时，它的左右驱动车轮滚动的角速度不同，如果没有差速器的情况下，汽车的一侧驱动车轮必然不能与路面保持纯滚动，从而会导致翻车等事故。汽车的差速器有很多种形式，目前主要分为以下几个类型：高摩擦自锁式差速器、牙嵌式自由差速器、齿轮式差速器、强制锁止式差速器等。其中齿轮式差速器根据传动齿轮的不同又可以分为圆锥齿轮式和圆柱齿轮式，依据差速器两侧输出转矩相等与否又可以分为对称式与不对称式。目前，应用比较广泛的是对称式锥齿轮差速器。凸蟹曩母整片垫凸肇着垫嚆套轴晕蓝薯量璺晕轴晕鏖轴承”蟹置菪田套调璺母

31、”辖晕簟毪开口饷孽母左毫拄衬齿孽毪垫片十字轴拍厅工苗轮上量垫孽毪孽毪孔螺钉垫圉止动片蠢母并口镑蒉右壳竹颦一阜轴齿艳鼍壳轴用挡置轴承啦主毒”壁¨曩毪图主减速总成的三维分解图图单级式主减速器当前，由于汽车主减速器应用场合及功用的不同，其机构也有很多类型。不过，我们把主减速器的零部件分类以后，大体上可以把其零部件分类为：轴承、齿轮、轴、壳体等及其他辅助零部件。相应的，主减速器的主要故障分类为轴承、齿轮、轴、壳体及其他辅助零部件的故障。然而，在通常情况下，当主减速器产生故障时，这几类主要零部件失效时产生的故障有很强的相关性，如何准确地确定故障类型是主减速器故障诊断的一个难点。一般来说，轴、壳

32、体以及其他辅助零部件产生故障的概率比较小，从而，主减速器的齿轮、轴承是我们考虑重点，下面我们将对其振动原理及其信号特征进行分析。主减速器主要失效类型目前，汽车主减速器常用的是双曲面齿轮传动，这种齿轮传动有利于磨合，但产生的热量较多，需要专门的齿轮油润滑。此外，这种齿轮传动对安装误差相当敏感。因此，双曲面齿轮传动失效的诱因多为表面润滑不良，装配误差，制造误差、材料与热处理不良等，其主要的失效模式为：齿面胶合和擦伤、齿面磨料磨损、轮齿断裂齿面、接触疲劳等；而主减速器轴承的主要失效形式为：锈蚀、断裂、磨料磨损、疲劳剥落、塑性变形、保持架损坏、胶合等。主减速器故障的振动诊断在传统的汽车主减速器生产现场

33、中，主减速器的质量控制主要依靠检验工人的经验与技巧。有经验的工人通过观察主减速器齿轮啮合斑点和听音法来判断主减速器的好坏与否，但这种方法受主观因素影响过大，容易造成误判与漏判，而且效率也较低。当前应用比较广的主减速器齿轮的故障诊断技术判别方法主要有：噪声信号诊断法与振动信号诊断法。就前者而言，主要是依靠对声压和声强的测量而实现被分析原始数据的采集。不过这种方法所需的环境条件较为苛刻，需要专门的消声室和混响室等特殊的特殊测试条件，且满足该测试条件的代价较为高昂。即使以上环境条件完全满足，由于被测件的质量体积及其安装、运转等限制条件，从而使被测件难以运入消音室测试。由于噪声信号诊断法有上述的缺点，

34、而且其测试方法复杂，投资较大，所以噪声信号诊断法不是最适合的方法。汽车主减速器的噪声来源是其结构振动，其齿轮在啮合时发生振动，从而使减壳产生振动并向周围环境辐射声波，所以噪声信号诊断法本质上检测的是振动信号。振动信号不像噪声那样受环境影响较大，且可以有效地反映被测件的传动性能，同时振动信号处理也相对简单。也就是振动信号诊断法可以较为简便、迅速、经济和准确对被测件进行现场噪声检测。现代大部分的齿轮故障诊断技术都是基于振动信号分析方法¨，并且利用振动分析方法监测诊断齿轮故障已被证实有效可行。在本文采用后一种方法，即振动信号诊断法对主减速器的齿轮的进行故障诊断。主减速器齿轮简化振动模型主减

35、速器齿轮振动系统是一个较为复杂的非线性系统，由于准双曲线齿轮是一种特殊结构较为特殊的齿轮，在啮合过程中齿面之间既有冲击也有摩擦，要建立一个完整的非线性的振动模型是很困难的。因此，我们在研究齿轮振动时，对齿轮传动副进行简化，根据机械振动理论，把齿轮振动系统看成一个由质量、弹簧、阻尼组成的单自由度的振动系统。当齿轮在非脱啮齿状态下，其动力学方程如（）所示¨引：聊，文七（，七）（）式中：工一沿作用线上齿轮的相对位移；一齿轮啮合阻尼系数；七（，）一齿轮啮合刚度；）一一由于轮齿变形、误差、故障等原因而造成的在作用线方向上的相对位移；，一当量质量，见图：，鼍；正，疋一作用于齿轮上，。的扭矩。如果

36、忽略齿轮齿面摩擦力的影响，如公式（）中相对位移（，）可以分解为两部分和乞（，）。是齿轮正常工作时的平均静弹性变形；乞（，）是由齿轮误差、故障、弹性变形等造成的齿轮间的相对位移，即故障函数或误差函数。从而，公式（）也可以写成公式（），我们可以把公式左侧看成齿轮副本身的振动特征，右侧即齿轮的激振函数。）。：），王西足（足。尼：（）（）（）图一对齿轮啮合时的简化模型从公式（）我们可以看出，一对啮合的齿轮副的振动由两个部分组成：其中一部分称为常规振动，即公式中的七（，这一部分的振动与齿轮的故障与误差无关，它只与静弹性变形，及啮合刚度尼（）有关；另一部分是与齿轮副的误差、故障及齿轮的啮合刚度后（）有关的

37、振动，即公式中的尼）（），它可以用来描述齿轮副振动信号与故障之间的关系。公式中的齿轮啮合刚度七（）不是一个常量，可以大体上看成一个周期性变量，它是由齿轮的重合度系数和齿轮类型来决定的。通常，直齿轮的啮合刚度变化比较陡峭，而人字齿轮或斜齿轮的啮合刚度变化比较缓平，近似于正弦波¨¨¨（如图和图）。型享苎：图直齿啮合刚度变化曲线图图斜齿轮或人字齿轮啮合刚度变化曲线齿轮的振动信号特征通过对齿轮噪声形成原因的理论分析，以及对实际齿轮噪声频谱的分析与处理，发现在通常情况下，齿轮的振动与噪声有以下几种频率成份。）齿轮轴的回转频率齿轮轴的回转频率计算公式如下：旦（）其中，一齿轮轴

38、的转速，；一频率的谐波，。（）当轴或其他轴系零件有偏心的情况时，就有可能产生与此频率有关的周期性振动与噪声，不过多数属于低频。）齿轮的啮合频率在轴系中，齿轮的啮合频率计算公式如下：丝（）百。（）其中，一齿轮齿数。若轴系为固定齿圈的行星轮系，其齿轮的啮合频率的计算公式为：生幽（）（）。厶其中，一任一参考齿轮的齿数；，一参考齿轮的转速（转分，）；一行星架的回转速度（转分，），方向相反时吃取正号。从公式（）可知，在一个啮合齿轮对中，两个齿轮的啮合频率是相同的。啮合频率随着齿轮的转速变化而改变，并且齿轮噪声随着转速的升高有增大的趋势。另外，在频谱上齿轮的啮合频率还经常出现呈二次、三次等高次谐波。虽然齿

39、轮的噪声随着转速升高而增加，但噪声随着转速升高而上升势头趋缓。当齿轮噪声声压级与齿轮转速的关系如下：址一厶兰皇（分贝）（）“伟其中，厶为工况的声压级；厶为工况的声压级；：为工况的齿轮线速度：“，为工况的齿轮线速度；，：为工况的齿轮转速；啊为工况的齿轮转速。从式（）可以得出这个结论：齿轮转速越高，其噪声的声压级就越大。）齿轮的固有频率当齿轮振动时，通常情况下，齿轮的啮合频率低于其固有频率，齿轮不容易发生共振现象，但其高次谐波有可能与固有频率相同或相近，从而产生共振现象。齿轮的基本固有频率可以通过激光全息照相法、共振法或敲击法来获得。也可以通过对齿轮的模态分析来获得，即对零件或整体进行三维建模，然

40、后使用分析软件进行求解获得。振动信号的调制在齿轮啮合过程中，由于齿轮所受载荷不平衡、刚度变化以及发生故障等，都会导致齿轮的振动信号发生变化，即振动信号的幅值、相位和频率的产生变化。这种现象叫做信号的调制。信号调制可分为幅值调制和频率调制两种。其中，信号调制会使载波频率出现的边频带，而这些变频带往往含有丰富的故障信息，所以对边频带的有效识别对齿轮故障诊断有着重要意义。）幅值调制信号的幅值调制从数学上看，可以看成两个信号函数在时域上的相乘，在频域上的卷积。通常这个两个信号被称作载波信号和调制波信号，其中频率高的是载波信号，频率低的为调制波信号。在分析齿轮振动信号时，通常啮合频率引起的振动信号成份是载波信号，而齿轮轴的转频引起的是调制信号。在频谱图上幅值调制表现为以载波及其谐波为中心，以调制波及其谐波为边频的现象。如对调制信号（）（露）进行频谱仿真分析，即可看到以为中心以为边频的现象（如图、图、图所示）。蚕：；馨翥“鍪；§；§滢蓥基嚣图信号工）（）时域图和频谱图薹：冁臻；燕：妻羹！尹嚣；鱼薹！荸薹：管，：；窒疆鼍，基器冀誊，。筘霞妻！甚霉：薹囊；卺嬷量§虿§§列§：！：；矿臻！？夏；