重载汽车齿轮变速器振动信号分析

重载汽车齿轮变速器振动信号分析

重型车辆的齿轮启动是重型车辆的重要传动件。它的正常工作在顺利运行车辆方面起着重要作用。它的性能的优缺点对整个车身的性能有很大的影响。因此,对其进行监测和诊断有着非常重要的意义。汽车的齿轮变速箱是一个多自由度弹性振动系统,作用于该系统的各种激振力便是使变速箱产生复杂振动的动力。变速箱的动态设计要求箱体具有一定的固有频率和振型,且应避开内部齿轮的啮合频率,这样才能保证变速箱总成具有良好的动态特性。齿轮加工精度不够和轴承安装不对中等问题都会成为激励源,使变速箱产生强烈的振动和噪声。因此,对汽车变速箱的振动信号进行频谱分析,用于检测变速箱内部的齿轮和轴承有无故障非常必要。对汽车变速箱箱体进行模态分析,确定变速箱箱体的固有频率和振型,完善变速箱箱体的结构设计,对变速箱的减振降噪具有重要的工程意义。笔者针对重载汽车齿轮变速箱的工作特点,对该变速箱的振动信号进行了功率谱分析和倒谱分析。再把变速箱箱体模型导入有限元软件,对其进行结构模态分析。分析结果对于了解齿轮变速箱的振动与噪声特性,以及基于振动和噪声信号的变速箱质量评价具有重要意义,并且为研究以减振降噪为目的的变速箱结构动力学优化设计、振动结构的声辐射机理以及基于声辐射的机械故障诊断方法奠定了基础。1测试系统的组成测试系统框图见图1。试验分为两组,每组采集6路信号,包括4路振动加速度信号、1路声压信号和1路输入轴转速信号。2齿轮轴转频、齿轮闭合频率齿轮啮合产生的振动信号的功率谱或频谱中的主要频率成分应当包含齿轮轴转频、齿轮啮合频率及其倍频。以输入轴转速1200r/min为基数,计算得出齿轮轴转频及齿轮啮合频率。可知齿轮轴转频为低频,在0~20Hz之间;齿轮啮合频率在0~640Hz之间。2.1对应关系初支点和峰值点对振动信号进行频谱分析,可找出变速箱可能存在的潜在故障。对第1组测点第4路加速度信号进行功率谱分析(如图2所示),并在图2中标出了5个峰值点,其对应数据如表1所列。其中第4和第5点的峰值非常高,它们对应的频率分别是2343.75Hz和2348.63Hz。齿轮轴转频和齿轮啮合频率都为低频,而在图2中低频无明显峰值,并且在2343.75Hz和2348.63Hz周围没有明显边频及倍频出现。2.2故障信号分析倒谱分析能从密集泛频信号中分离和提取出周期成分及多成分边频等复杂信号。如果峰值是由齿轮或者轴承故障等引起的,倒谱分析能够提取出该故障信号,进而对其进行倒谱分析。对第1组测点第4路加速度信号进行倒谱分析(如图3所示),并在图3中标有5个峰值点,其对应数据如表2所列。由图3可知,齿轮和轴承等并无故障,因此初步判定2343.75Hz和2348.63Hz为变速箱结构的局部模态,而不是齿轮本身的故障。3车桥充压机的模态分析通过对变速箱箱体进行模态分析,研究箱体的固有频率及振型,从理论上分析变速箱箱体产生振动的敏感部位。在进行有限元分析时,为模拟齿轮变速箱箱体的试验状态,在箱体输入端的轴盖连接断面附加零位移约束,计算模拟试验状态下的箱体约束模态。一般来说,引起发动机共振的主要是箱体的较低阶次频率。因此,在利用ANSYS求解以及扩展模态时,只需扩展并提取箱体的前15阶次。进行箱体有限元模型在约束边界条件下的模态分析时,计算出来的前5阶模态接近于0,这就是所谓的刚体模态。因此,真正有意义的模态应该是从第6阶开始的模态。利用ANSYS中的BlockLanczos法计算出箱体的前15阶次,并去掉了箱体的前5阶刚体模态。表3给出了变速箱箱体的前10阶非零模态的频率。图4为箱体约束模态频率在1挡加速度信号功率谱中的分布。从图4可知,图2中的峰值点4和5出现时的频率2343Hz和2348Hz与变速箱箱体的第5阶固有频率2338Hz非常接近。其第5阶的振型如图5所示,该振动较明显的部位对应于变速箱里面的一对常啮合齿轮。不管变速箱换到哪个挡位,它们都随着输入轴的转动而一直转动啮合。它们是齿数最多,而且离齿轮箱壁最近的一对齿轮。由此判断,振动信号中的峰值点为局部模态。建议加固上述振幅较大的部位,如增加壁厚以及加强肋等。4结构模态分析笔者以齿轮变速箱为研究对象,通过对变速箱的振动信号进行功率谱分析,发现在频率为2343Hz和2348Hz处有峰值,而在其他频率处都非常正常。通过进一步倒谱分析,确认该变速箱无齿轮缺陷以及轴安装不对称等故障,为正常状态