基于LabVIEW汽車后橋振動測試系統特性分析

赫英歧，雋成林

（1.江蘇財經職業技術學院，江蘇 淮安 223003；2.淮陰工學院，江蘇 淮安 223003）

1 引言

后橋是汽車的關鍵部件之一，據統計數據，超過20%的事故是由后橋造成的，后橋內布置著傳動軸、齒輪等旋轉機械，容易產品疲勞損壞等故障，造成設備損壞。通過采取一定的措施，在不影響設備正常工作和運轉的前提下，對相關設備的運行狀態進行檢測，通過檢測信號的處理，及時提取并發現異常和故障信號，并及時進行處理，可有效提升設備的使用壽命，避免重大事故的發生[1]。作為車輛的重要組成結構，后橋需要進行質量性能檢測。采用LabVIEW 虛擬儀器與傳統測試設備建立試驗測試系統，對后橋進行振動檢測，具有重要的應用價值。

學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；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下的振動信號。

針對齒輪的故障信號判斷依據進行分析，并對典型故障的特征頻譜圖進行分析?；贚abVIEW虛擬儀器測試系統搭建后橋試驗測試臺，針對振動噪聲過大的原因設置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位置，選取恒轉速和不同轉速兩種工況，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，獲取較強振動產生的根源。

2 齒輪典型故障分析

齒輪產生的振動信號主要包括嚙合振動和齒輪故障產生的調制信號兩類，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的重要依據。

以齒輪箱為例，系統的第一階輸入保持不變，且各級的嚙合頻率也保持不變，其對應的轉速為n1，齒數為z1，則頻率為：

式中：ni—該階轉速。

對于高速旋轉的齒輪系統，各級齒輪的嚙合均會產生強度不同的振動，這是故障產生的重要來源[8]。通過信號處理，可獲取故障點。齒輪典型故障對應振動信號特征，如圖1 所示。圖1（a）中，由于齒間間隙增大，導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制，兩個脈沖的時間間隔為嚙合周期，該沖擊對頻譜的調頻表現為以嚙合頻率及其倍頻為中心，出現大量的邊頻帶。如圖1（c）所示，此時兩側的幅值較大，主要由于齒面點蝕與劃痕由于比較均勻[9]。

3 測試系統結構

3.1 系統結構原理

采用基于虛擬儀器的測試系統，其結構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，系統的方框圖，如圖2所示。

圖2 測試系統結構Fig.2 Test System Structure

圖中被測物理量為旋轉機械的振動信號；傳感器在系統中相當于換能元件，將振動信號轉換為與之相應的電壓信號輸出；信號調理設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；數據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化為可被計算機識別的數字信號。

3.2 后橋測試系統

為了在整車裝配前對后橋的傳動質量進行檢驗，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為12齒。

圖3 后橋實驗臺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，如果轉速稍高則出現較強的噪聲，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儀器設備如下：

（1）壓電加速度傳感器（內置電荷放大器，附帶恒流源模塊、數據線；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，內置直通模塊；1 臺）；

（3）NI 公司6024E for PCMCIA 數據采集卡（用于筆記本電腦；1 個）；

（4）HX?90 型旋轉軸參數顯示儀；

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

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位置，連接好測試儀器；使傳動軸按恒定轉速轉動，待轉速穩定后進行測試，記下測試數據[13]；為測量不同轉速下的振動情況，更換一種變頻電機的轉頻，待轉速穩定后重復步驟2；測試過程中轉速及相應采樣率、采樣時間的選擇，如表1所示。

表1 測試過程Tab.1 Test Process

4 測試結果數據分析

4.1 后橋主減速齒輪數據分析

不同轉速時，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（12齒）及此時的轉頻（12.8Hz）可知，其為設備的嚙合頻率，其他設備的并不突出。當輸入達到30Hz時，如圖5（b）所示。再次頻率振幅大幅度增加，同時出現倍頻，對應的嚙合頻率為298.75Hz（12×25Hz），而對應點的能量基本不變。

4.2 變矩器數據分析

對位于液力變矩器基座螺母上的測點4得到的振動數據進行了自功率譜分析，電機轉速600rmp，如圖6（a）所示。傳動軸轉速130rmp 時的自功率譜（采樣率4096）；當電機轉速增加到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對應為傳動軸轉頻，10Hz 對應為電機轉頻，可見在液力變矩器輸入端（電機）和輸出端（傳動軸）均存在不平衡現象。由圖6（b）可以看出，當電機輸入轉速增大時，位于電機轉頻處（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象，因此這種不平衡現象也成為了導致實驗臺振動強度增大、噪聲增加的原因。

5 結論

（1）變頻電機與液力變矩器、后橋均安放在同一基礎上，使得電機自身的振動成為影響后橋振動的一個重要因素，可對此進行改進設計；（2）通過對變矩器的振動分析可知，作為轉速轉換裝置的液力變矩器存在著失衡現象，并且當電機轉速增大時，這種失衡現象會更加嚴重；（3）產生較強振動產生的位置為：鋼結構基礎，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象，說明出現較大噪聲并非后橋本身的質量問題，為今后的測試和改進提供了可靠依據。