汽車變速器齒輪早期故障信號分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u27847汽車變速器齒輪早期故障信號分析概述 181911.1齒輪失效故障類型 1187841.2齒輪齒面疲勞點(diǎn)蝕成因模型 3146111.3齒輪副動力學(xué)響應(yīng)分析 4183411.4汽車自動變速器一檔齒輪副點(diǎn)蝕疲勞試驗(yàn) 61.1齒輪失效故障類型汽車自動變速器齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中齒面受到的接觸應(yīng)力是實(shí)時(shí)變化的，齒輪失效一般發(fā)生在齒面。在工作過程中，結(jié)合齒輪出現(xiàn)故障的因素，能夠得出，其失效形式有很多，例如輪齒折斷以及齒面磨損等。圖1.1-1至圖1.1-4分別為齒面折斷、齒面膠合、齒面磨損、齒面點(diǎn)蝕四種典型齒輪故障示意圖。圖1.1-1齒面折斷圖圖1.1-2齒面膠合圖1.1-3齒面磨損圖1.1-4齒面點(diǎn)蝕（1）齒輪工作的過程中有一種非常嚴(yán)重的失效形式，也就是輪齒折斷。會有多種原因?qū)е逻@種失效形式出現(xiàn)，基于不同的原因可以分為三種類型，第1種是疲勞折斷，第2種是負(fù)載過大折斷，第3種是隨機(jī)折過載折斷。使面受到相應(yīng)載荷作用的情況下，會在此輪中形成相應(yīng)力，如果這個應(yīng)力超過了極限應(yīng)力，就會導(dǎo)致齒輪出現(xiàn)斷裂。一般為短期過載。齒輪不同的折斷類型展現(xiàn)出不同的外形特點(diǎn)，比如對于過載折斷來說，齒輪中就會出現(xiàn)兩種放射區(qū)，一種是放射狀，還有一種是人字級花樣，并且在斷口的位置可以發(fā)現(xiàn)貝紋疲勞線。不同材料的齒輪發(fā)生過載斷裂的可能性也不同，其中較容易發(fā)生的事鑄鐵齒輪。并且在承受相應(yīng)載荷時(shí)，應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在子齒根處，所以如果齒輪在工作的過程中超過疲勞極限，那么就會在此位置出現(xiàn)疲勞裂紋，如果繼續(xù)使用就有可能會出現(xiàn)輪齒疲勞斷裂。有許多因素都會導(dǎo)致這個問題，其中包括加工精度不高以及實(shí)際載客估計(jì)不足等各種情況。（2）齒輪高速重載的工作狀態(tài)下，相應(yīng)的嚙合區(qū)域溫度將會提升，在這種情況下會導(dǎo)致齒輪表面的潤滑油膜無法提供潤滑作用。兩個齒輪的齒面將會出現(xiàn)直接接觸，同時(shí)在高溫的作用下會出現(xiàn)粘接，在這種情況下，齒輪表面的金屬將會被撕下，所以可以在齒輪齒面發(fā)現(xiàn)溝紋，這種情況就稱之為齒輪交合。根據(jù)程度不同可以將其分為4種類型，具體包括輕微膠合、中等膠合、破壞性膠合及局部膠合。齒輪膠合以后就會導(dǎo)致發(fā)熱，無法保證傳動的穩(wěn)定性，在各個因素的影響下，齒輪將會失去功能。（3）常見的齒面磨損主要有兩種類型，一種是因?yàn)辇X輪之外的部件進(jìn)入導(dǎo)致了齒輪內(nèi)部出現(xiàn)磨損，比較常見的是各種硬屑粒。還有一種情況是因?yàn)辇X輪之間相互摩擦帶來的磨損。如果一對齒輪之間出現(xiàn)過度磨損，那么必然會對于齒輪的齒廓形狀產(chǎn)生影響，還會導(dǎo)致齒輪在傳動的過程中出現(xiàn)噪聲，嚴(yán)重的情況下齒輪將會出現(xiàn)傳動失效（4）齒輪正常工作狀態(tài)下將會涉及到多種接觸應(yīng)力，這些接觸應(yīng)力在工作的過程中處于持續(xù)變化狀態(tài)。如果出現(xiàn)接觸應(yīng)力超過材料的極限應(yīng)力，那么就會對于齒輪的齒面產(chǎn)生破壞，具體表現(xiàn)為齒輪齒面的疲勞裂紋，在這種情況下，如果齒輪持續(xù)工作，對應(yīng)的裂紋將會進(jìn)一步擴(kuò)展，最終在齒輪表面出現(xiàn)小坑，也可以將其叫做點(diǎn)蝕麻坑。這樣就會使得齒輪表面的接觸應(yīng)力進(jìn)一步變大，齒輪在這種情況下無法保證吃面的正確嚙合，所以齒輪在工作的過程中將會產(chǎn)生更大的動負(fù)荷，進(jìn)而引發(fā)齒輪折斷。具體情況可以參考圖1.1-5。圖1.1-5試驗(yàn)齒輪齒輪點(diǎn)蝕實(shí)際情況以上介紹的各種齒輪失效形式，在日常工作的過程中，如果稍加注意可以有效的進(jìn)行修復(fù)，選擇合理的加工工藝進(jìn)行修復(fù)可以有效的延長齒輪的工作壽命。然而修復(fù)的前提需要對于齒輪故障進(jìn)行準(zhǔn)確識別，所以早期的齒輪故障特征提取與識別尤為重要，可以使得許多的故障及早的發(fā)現(xiàn)并得到及時(shí)且妥當(dāng)?shù)奶幚?。除了發(fā)現(xiàn)故障后的及時(shí)處理以外，在齒輪生產(chǎn)的過程中也包含了各種技術(shù)來預(yù)防齒輪故障的產(chǎn)生，其中利用高速噴射的細(xì)小鋼丸撞擊受噴工件表面，使工件表層的材料產(chǎn)生彈塑性變形并呈現(xiàn)高的殘余壓應(yīng)力，從而提高工件表面的強(qiáng)度及抗疲勞強(qiáng)度的齒面噴丸技術(shù)已經(jīng)普及，這一技術(shù)有效的克服了齒輪故障當(dāng)中的一大重點(diǎn)故障—齒輪折斷。本課題研究對象為新能源汽車的變速器一檔齒輪，該齒輪副屬于大速比的齒輪副，并且齒輪長期處于的工作狀態(tài)為中速重載，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)臺模擬的情況，齒輪最主要的故障為齒面點(diǎn)蝕，所以本文主要研究自動變速器傳動齒輪最主要的故障問題--齒輪的齒面點(diǎn)蝕。1.2齒輪齒面疲勞點(diǎn)蝕成因模型一對漸開線直齒輪副嚙合過程中，裂紋總是沿摩擦力方向出現(xiàn)，這是齒面因循環(huán)接觸應(yīng)力而存在滑動所導(dǎo)致的，如圖1.2-1所示。圖中明顯顯示出摩擦力和裂紋方向以節(jié)線為邊界表現(xiàn)出交替變成的樣式。圖1.2-1齒面裂紋產(chǎn)生方向同時(shí)齒面在任意嚙合位置的點(diǎn)接觸模型均可等效替換為兩圓柱滾子接觸。圖1.2-2中的兩滾子（主動、從動）接觸示意圖中，接觸點(diǎn)速度分別為V1、V2，其中V1＞V2，同時(shí)定義追越面為主動滾子，被追越面即為從動滾子，在兩滾子之間充滿潤滑油并且滲入裂紋之中。圖1.2-2（a）中展示的摩擦力和裂紋方向表示表面接觸順序是從右向左依次接觸。之后分別對兩接觸面分別分析，被追越面接觸模型（圖1.2-2（b）），接觸點(diǎn)移動時(shí)，裂紋口先接觸使得裂紋口被封住，導(dǎo)致裂紋內(nèi)潤滑油油壓增高，并且裂紋底部尖端存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而使得裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展；對于追越面接觸模型（圖1.2-2（c））則相反，接觸點(diǎn)移動，裂紋腹部先開始接觸，裂紋內(nèi)部潤滑油被排出，內(nèi)部油壓降低，從而緩解了裂紋的擴(kuò)展。結(jié)合齒面嚙合特性，節(jié)線至齒根方向?yàn)楸蛔吩矫?，?jié)線至齒頂方向是追越面，因此節(jié)線以下容易出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕的情況。被追越面被追越面追越面追越面v1v2摩擦力主動從動被追越面被追越面追越面追越面v1v2摩擦力主動從動（a）兩滾子接觸模型（b）被追越滾子面裂紋（c）追越面滾子裂紋圖1.2-2點(diǎn)蝕的形成1.3齒輪副動力學(xué)響應(yīng)分析下面將會對于齒輪副運(yùn)轉(zhuǎn)振動信號進(jìn)行研究，具體研究之前需要進(jìn)行條件假設(shè)。首先在分析的過程中，不會將垂直方向上的運(yùn)動載荷產(chǎn)生的影響代入計(jì)算，同時(shí)也不會將橫向振動相關(guān)參數(shù)代入計(jì)算，忽略齒輪運(yùn)行過程中的扭轉(zhuǎn)阻尼以及扭轉(zhuǎn)剛度等影響較小的數(shù)據(jù)。于是輪齒嚙合動態(tài)方程為：M1X1M2X2將兩式進(jìn)行整理可得：M1(M1+M2化簡令Mm=M則MmX+通過上述推理計(jì)算可以進(jìn)一步確定，齒輪工作過程中出現(xiàn)振動，其類型是自激振動，在所有的情況下，齒輪都無法完全避免振動，因?yàn)楣接?jì)算過程中無法保證Km(t)以及e(t)為零。根據(jù)式（1.3-5）右側(cè)的激振函數(shù)不難分析出其包含了兩個部分：（1）第1部分中，分析過程中忽略其中的Fs輪齒靜載荷，這項(xiàng)數(shù)據(jù)不會對于齒輪誤差以及齒輪故障產(chǎn)生影響，并且在此輪運(yùn)行一段時(shí)間以后這項(xiàng)數(shù)據(jù)將會趨近于0；（2）第2部分分析中，具體大小為Km(t)以后e(t)相乘得到的數(shù)據(jù)。無論是其中的故障指紋信號還是對應(yīng)的嚙合振動都會產(chǎn)生較大的影響。對于齒輪振動過程來說，其中關(guān)鍵在于兩方面，一個是齒輪剛度，還有一個是齒輪誤差變化。這兩方面同時(shí)會受到故障齒輪的影響。之所以會存在齒輪振動，主要的原因在于其中的K(t)變化存在周期性。具體的原因在于兩方面：（1）如果其中的嚙合點(diǎn)具體位置出現(xiàn)了變化,那么齒輪對應(yīng)的高度也會出現(xiàn)差異；（2）參與嚙合的齒數(shù)在改變。通過下面的公式可以計(jì)算得到兩個齒輪嚙合過程中高度的變化頻率,這個數(shù)據(jù)也被稱之為嚙合頻率：fr=f1.4汽車自動變速器一檔齒輪副點(diǎn)蝕疲勞試驗(yàn)具體的實(shí)驗(yàn)過程需要使用到圖1.3-1等實(shí)驗(yàn)設(shè)備。圖1.3-1齒輪疲勞試驗(yàn)臺齒輪參數(shù)如表1.3-1所示。表1.3-1齒輪疲勞試驗(yàn)臺試驗(yàn)案例某雙離合自動變速器一檔齒輪副參數(shù)參數(shù)值驅(qū)動齒輪從動齒輪齒數(shù)Zp=17Zd=60模數(shù)（mm）mn=1.1齒寬（mm）B=16.9B=19.8端面壓力角（°）α=17.5α=17.5螺旋角（°）β=29β=29變位系數(shù)（mm）x=0.3721x=-0.0994加工精度6級齒面粗糙度（μm）Ra=0.34Ra=0.48旋向左右實(shí)驗(yàn)條件如下所示：進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)之前，會確定其中的輸入轉(zhuǎn)速以及扭距，在此次實(shí)驗(yàn)中選擇的數(shù)據(jù)分別是2500r/min以及250Nm。在主、從動輪端蓋處放置三坐標(biāo)振動加速度傳感器，在試驗(yàn)過程中，用LMSTest.Lab數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測振動信號，并隔10分鐘采集一次振動信號，采樣頻率為12000Hz，采集時(shí)間為60s，經(jīng)過計(jì)算，主動輪轉(zhuǎn)動頻率為ft1=41.67Hz，從動輪的轉(zhuǎn)動頻率為ft