基于静动态测试分析的变速器壳体开裂故障分析

万晓飞，刘献栋，马维金

（1.北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 100191；2.新能源汽车高效动力传动与系统控制北京市重点实验室，北京 100191；3.中北大学 机械与动力工程学院，太原 030051）



基于静动态测试分析的变速器壳体开裂故障分析

万晓飞1,2，刘献栋1,2，马维金3

（1.北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 100191；2.新能源汽车高效动力传动与系统控制北京市重点实验室，北京 100191；3.中北大学 机械与动力工程学院，太原 030051）

摘要：壳体开裂是变速器进行钢改铝轻量化设计后经常遇到的问题。变速器壳体开裂的原因复杂、多样。为对某轻型货车变速器壳体的开裂故障进行有效地诊断，从轻型货车动力总成的静、动态测试出发，对九种实际工况下动力总成各测点振动信号、应变信号、声信号进行工作模态拟合及PSD三维谱分析，结合变速器壳体各激励频率分析结果，从多种途径找到影响变速器壳体开裂的根本原因并提出设计改进思路。研究方法全面、完整，且不同方法的所获得结果达到互相验证，因此准确率高，该方法对类似工程问题的诊断也有一定的借鉴作用。

关键词：振动与波；机械动力学；故障诊断；工作模态分析；动力总成

变速器是汽车动力传递的关键部件，其动态特性直接影响汽车NVH性能、动力性及行驶安全性。轻量化设计是现代汽车设计的必然趋势，车辆轻量化能够节约能源，减少排放，同时还能提高运输效率、降低运输成本。但车辆轻量化的同时也会随之带来一系列的问题，例如轻质材料替代原来的钢材之后，由于材料强度降低同时设计不够合理，引起结构开裂；采用高强钢替代原有传统用钢后，尽管在保证强度的基础上厚度降低，进而减少结构自重，但是由于结构刚度降低，系统固有频率降低，进而引起了振动变大、噪声增加的问题[1,2]。针对某轻型货车骨干企业变速器壳体钢改铝后，多批次出现壳体开裂等问题，本文基于多工况工作模态、噪声与应变综合分析的方法，开展了轻型货车变速器壳体开裂故障诊断研究。

轻型货车变速器壳体开裂是一个多因素影响的复杂故障，由于其设计制造、安装精度及实际工作环境的随机性使得壳体开裂故障机理较变速器一般故障更加复杂。对于变速器壳体开裂问题，Tapacob通过在飞轮上增加质量块，同时改变曲轴转速得到离合器壳内应力与曲轴转速关系，并依此判断壳体破裂原因与动力总成的共振弯曲有极大关系[3]；高云凯等就某货车动力总成弯曲振动对变速器壳体破裂的影响进行了一系列的仿真及实验研究，通过修改结构灵敏度提高其弯曲振动频率，并通过仿真验证其有效性[4]；李泉成等对某汽车动力总成进行有限元动力学分析仿真，分析动力总成弯曲振动对离合器壳体的影响并提出更改其悬置方式控制弯曲振动的建议[5]。由于动力总成实际工况的复杂多变性，这些工作未对实际工况下的动力总成动态特性进行分析研究，加上实验和仿真分析在模拟动力总成边界条件及其真实工作环境激励上的局限性，难以系统地得到动力总成离合器壳体开裂的准确完整原因[6]。

鉴于此，本文从动力总成的静态、动态测试出发，通过实验获取不同载重、不同路况、不同档速的轻型货车动力总成各测点振动信号、应变信号和声信号，并将拟合出轻型货车动力总成9种工况下的工作模态分析结果，分别与实验模态分析结果对比，得到动力总成多工况下的真实动态特性，从动力学角度初步判断出变速器壳体开裂的原因。而对多工况下动态应变信号和声音信号的分析同样为找到变速器壳体开裂准确完整的故障原因提供完整的数据支持。从轻型货车动力总成工作模态、动态应变及声信号三个角度的分析结果相互补充、相互支持，使得动力总成变速器壳体开裂原因分析更加准确完整。

1　变速器故障模式

变速器作为汽车传动系的重要部件，其壳体开裂直接影响汽车使用寿命，造成安全隐患。某轻型货车将制造变速器采用的铸铁材料换成压铸铝材料之后，变速器重量减轻为原来的1/3，但第一批次量产2 000台并投入市场使用一年之后，有13台变速器不同程度出现壳体开裂等问题，给企业带来一定的经济损失。图1为该轻型货车变速器壳体开裂照片，变速器壳体开裂位置主要位于离合器壳与变速器中壳体连接螺栓附近。

图1　变速器壳体开裂图

2　变速器的静、动态测试与分析

变速器壳体开裂是一个十分复杂的过程，单独从某一方面研究只能说明壳体开裂的局部原因，甚至并不是致使壳体开裂的直接原因。因此，要对壳体开裂有一个清晰全面的了解，就必须从系统的角度考虑，从不同的方面研究壳体开裂的机理及其影响因素，并考查这些因素影响壳体开裂的重要程度。

2.1静力学测试与分析

为了掌握变速器在承载过程中壳体应力集中区域及其应力变化情况，在静扭试验台对变速箱进行静载扭矩测试，通过固定变速器输出轴，在输入轴端施加从0 N∙m到630 N∙m的扭矩。在施加到2.5倍额定扭矩即630 N∙m时，应力最大值位于中壳连接螺栓附近，最大拉应力为12.24 MPa，最大压应力为15.56 MPa，均远小于箱体材料的屈服应力230 MPa。

2.2动力学测试与分析

轻型货车动力总成的实际工作环境复杂多变且多具随机性。为了解其在实际工况中各部位的动态特性以及进一步获得影响变速器壳体开裂的关键因素，对轻型货车动力总成进行动力学测试分析，主要包括动力总成在整车上的实验模态分析及在轻型货车不同载重、不同路况、不同档速时的工作模态分析。

2.2.1动力总成实验模态分析

轻型货车动力总成的实验模态分析采用单点激励的方法，即采用锤击法对结构上某点激励来获得其他点的响应。实验使用三向加速度计来获取各点响应信号，在动力总成上布置63个测点，如图2所示。模态分析方法采用特征函数实现算法，在0～1 kHz之间共拟合出18阶模态，图3列出了轻型货车动力总成的四阶模态频率及振型（为便于观察发动机及变速器的振型，图中将车架模型整体向下平移）。从图看出，变速器中、后壳的整体上下、左右弯曲、轴向收缩及扭转振动使得变速器中壳承受动态弯曲、扭转载荷，在轻型货车各种环境激励下，极易造成该部分壳体疲劳损坏，进而扩展成壳体早期开裂。

图2　实验模态分析部分测点布置图

图3　轻型货车动力总成实验模态分析的4阶模态阵型

2.2.2动力总成工作模态分析

工作模态分析方法是仅基于系统响应的模态参数识别方法。与传统的实验模态分析方法相比，工作模态的测试环境恶劣，测试工作复杂，成本较高，但由于其系统激励来源于真实工作环境，获得的机械结构动态特性更具有实际应用价值。

对货车在不同载重（空载、载重2 t、载重3 t）、不同路况（平直公路、碎石路及角铁障碍路）及不同档速时动力总成各测点振动信号、应变信号及声信号进行测试，见图，取其中部分工况的振动信号作工作模态参数拟合。工作模态参数采用Poly LSCF法进行拟合计算，其频响函数通过计算数学期望比值获得，即响应信号与参考信号的互功率谱与响应信号的自功率谱之比。

图4　工作模态分析实验路况及实验测试图

图5列出部分测点在实际环境激励下信号的三维瀑布图，其中21号测点位于变速器与发动机飞轮壳螺栓连接处，37、39号测点及应变计位于变速器中壳连接螺栓附近。图中横坐标是频率轴，纵坐标是对信号按长度1 024点进行切段的切片数，竖坐标是功率谱密度幅值。

从图5（a）、图5（b）中可以看出，车载3 t在公路上以60 km/h的速度行驶时，箱体振动的特征频率集中在两部分,低频70 Hz频带处和中间频带620 Hz附近。从图5（c）39号测点信号PSD图上来看，车载3 t在碎石路加速过程中，特征频率主要集中在三部分：低频70 Hz频带处的箱体固有频率，中间频带500 Hz～600 Hz逐渐增加的箱体强迫振动频率，高频1 300 Hz齿轮啮合的倍频、齿轮啮合频率与轴承转动频率的调制频率。从图5（d）、图5（e）、图5（f）应变信号、声信号的PSD图上来看，信号特征频率主要出现在10 Hz及70 Hz附近两个频带处。其中图5 （f）声信号PSD图中信号在70 Hz频带处出现移频现象，从路况及信号特征上判断该特征频率反应的是发动机或轴等部件工作频率。

为进一步了解多工况下动力总成实际振动特性对变速器壳体易开裂区域的影响，对轻型货车三种载重方式在平直公路上5档行驶、碎石路况行驶及跨越障碍行驶共9种工况下的振动信号进行工作模态参数识别。并将动力总成9组工况下工作模态拟合结果与试验模态分析结果进行对比，得到表1，表中“是”表示动力总成实验模态分析的该阶模态在该工况下被激励。

3　变速器壳体开裂故障诊断分析

变速器壳体在轻型货车实际工作状态下受到的激励主要包括周期性激励、稳态激励及瞬态激励。其中周期性激励主要来源于发动机曲轴输出扭矩波动激励及变速器内各旋转部件工作时候的周期性激励，稳态激励和瞬态激励主要来源于发动机往复不平衡惯性力激励及由路面不平度引起的轮胎动不平衡激励[7]。

3.1变速器壳体激振频率分析

1)传动轴转频、各档位下齿轮啮合频率

轻型货车实际工作过程中，各轴转动频率及工作齿轮的啮合频率是随输入轴转速变化而变化的。输入轴转速2 000 r/min时各轴转动频率及工作齿轮啮合频率可参考文献[7]。

2)发动机工作激振频率

发动机对动力总成的激振频率主要包括发动机曲轴输出扭矩波动频率（发火频率）及发动机往复不平衡惯性力的激振频率。对于该型号发动机的参数及转速在2 000 r/min～3 000 r/min时的工作频率可见文献[7]。

3)由路面不平引起的轮胎动不平衡激振频率

轻型货车车轮自由振动的近似公式[8]可以表示为其中mU为车轮质量；zW为车轮乘坐位移；CW为车轮处悬架垂直方向的阻尼系数；CT为轮胎垂直阻尼系数；KW为车轮处悬架垂直总刚度；KT为轮胎垂直刚度。

如果忽略阻尼，那么轻型货车无阻尼车轮动不平衡固有频率为

图5　动力总成工作模态分析测试部分测点三维功率谱密度曲线

对于该型号轻型货车：

KW=28 kN/m；KT=200 kN/m计算得轻型货车轮胎动不平衡激振频率为fNWH=10.7 Hz。

表1　轻型货车动力总成各工况动态特性表

3.2动力总成壳体开裂故障分析及设计改进方法

从变速器静载扭矩仿真及测试分析来看，在加载到2.5倍额定载荷时，箱体最大应力发生在中壳连接螺栓处，但拉（压）应力均远小于箱体屈服应力，车辆过载不是致使变速器壳体破裂的关键原因。

从动力总成的动力学测试分析结果来看，动力总成实验模态分析拟合出的第1、2、3、11阶振动方式对变速器中壳影响很大，而这四阶模态在轻型货车不同路况不同档速工作时均被不同程度的激励起来，极易致使变速器壳体损坏。

从动力总成工作模态测试中部分测点的振动信号三维PSD图及动力总成特征频率分析结果可知，变速器连接螺栓处壳体振动频率主要集中在10 Hz、60 Hz～80 Hz、560 Hz～700 Hz三个频带处。而从图5各测点振动信号PSD图来看，轻型货车在低速、高速工作时，信号低频段特征频率均集中在60 Hz～80 Hz频带处，该频带极易激起动力总成的第1、2阶弯曲模态而直接损害变速器壳体，结合轻型货车实际工作状态及发动机工作特性，判断该频带激励主要源于轻型货车发动机往复运动的活塞和连杆等造成的惯性力不平衡的振动；中间频带560 Hz～700 Hz的激励源主要是变速器内部齿轮的啮合振动；从图5应变信号、声信号的PSD图上来看，特征频率主要集中在70 Hz及10 Hz两个频带处，从轻型货车实际运行状态分析来看，10 Hz频带主要是轻型货车行驶过程中轮胎的动不平衡引起的变速箱弯曲振动频率，而70 Hz频带对应于振动信号的60 Hz～80 Hz，进一步判断该频带为发动机往复运动的活塞和连杆等造成的惯性力不平衡的垂直振动频率。在轻型货车实际工作过程中，这些都是引起动力总成振动噪声的重要激励源，易造成变速器在工作过程中发生壳体破裂[9]。

对降低发动机往复运动的惯性不平衡而导致的壳体振动可从两方面考虑。第一是从激励源出发，换用平衡性更好的直列6缸发动机或V型8缸发动机。第二是增加变速器与发动机的连接刚度，即可以通过增加离合器壳刚度或者增加动力总成后悬架刚度来实现，这样可以有效的避开发动机的激振力频率。对降低由齿轮啮合引起的箱体强迫振动，在不改变传动比的情况下，通过减少5档工作齿轮Z4的一个齿数来改变齿轮啮合频率，进而有效避开箱体模态频率。对由路面不平度引起的轮胎动不平衡激励可以更换轮胎或板簧参数，使得通过轮胎和板簧传递到动力总成的轮胎动不平衡激励可以最大程度降低和减少。实验选择通过增加后悬架刚度及更换齿轮齿数来达到减振效果，当后悬架刚度增加一倍时，离合器壳应力可减小30%，目前正在对动力总成进行系统性优化计算以选择最合适的参数来完全消除壳体开裂故障。

4结　语

（1）对变速器箱体进行静载扭矩测试，最大应力点位于变速器中壳连接螺栓附近，但施加到2.5倍扭矩时，最大应力远小于箱体屈服应力，判断过载并不是导致变速器壳体损坏的直接原因；

（2）对动力总成进行实验模态分析，找出了影响变速器较大的四阶模态，并将实验模态分析结果对比与不同载重不同路况、车速时动力总成的工作模态，找到轻型货车实际工况下实际影响变速器壳体的模态；

（3）从轻型货车多工况下的箱体振动信号、应变信号、声音信号出发分析了影响变速器壳体振动的三个频带，结合轻型货车实际工况下各激励源特性，从理论及实验分析出发找到致使变速器壳体开裂的故障频率及故障源；

（4）从消除源激励或降低激励源对变速器的影响等多个角度提出改进动力总成的意见，为下一步对轻型货车动力总成优化计算及仿真分析提供实验和技术支持。

参考文献：

[1]Sonsino C M.Structural durability of cast aluminium gearbox housings of underground railway vehicles under variable amplitude loading[J].International Journal of Fatigue,27(2005)944-953.

[2]Morgado T L,Branco C M,Infante V.A failure study of housing of the gearboxes of series 2600 locomotives of the portuguese railway company[J].Engineering Failure Analysis,2008,46(24):154-164.

[3]Tapacob A Я.Bending vibration and its damage to the housing member on powerplant[M].Foreign car,1981.

[4]高云凯，康建，等.汽车动力总成弯曲振动固有特性的有限元计算及结构修改灵敏度分析[J].汽车工程，1995，17 (6)：354-359.

[5]李泉成.动力总成弯曲振动对离合器壳影响的研究[D].南京：南京理工大学，2008.

[6]吕振华，范让林.动力总成—悬置系统振动解耦设计方法[J].机械工程学报，2005，41(4)：49-54.

[7]于瑞湘，马维金，张纪平，等.某轻卡动力总成的结构动力学分析[J].机械传动，2014，38(3)：136-139.

[8]John C D.The shock absorber handbook.Li Huibin,Sun Zhenlian etc,translation.Beijing:Machinery Industry Press,2011:97-136.

[9]刘辉，项昌乐，孙恬恬.车辆动力传动系统弯扭耦合振动模型的建立及复模态分析[J].机械工程学报，2010，46 (24)：67-74.

中图分类号：TH132.4

文献标识码：A

DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.035

文章编号：1006-1355(2016)01-0163-05

收稿日期：2015-07-21

作者简介：万晓飞（1988-），男，河南省林州市人，博士生，主要研究方向为汽车振动与噪声控制。

通讯作者：刘献栋，男，博士生导师。E-mail:liuxiandong@buaa.edu.cn

Failure Study on Transmission Case Cracking Based on Static and Dynamic Test andAnalysis

WAN Xiao-fei1,2,LIU Xian-dong1,2,MA Wei-jin3

(1.School of Transportation Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China; 2.Beijing Key Laboratory for High-efficient Power Transmission and System Control of New Energy Resource Vehicles,Beihang University,Beijing 100191,China; 3.School of Mechanical and Power Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Abstract:Cracking is a common issue in transmission cases in the lightweight design of replacing steel by aluminum due to its complicated and diverse causes.This paper attempts to develop an effective diagnostic method for identifying the transmission case cracking in a light-duty truck.Under the static and dynamic conditions of the powertrain,the operational modal analysis(OMA)and power spectrum density(PSD)three-dimensional spectral analysis were applied to the vibration signals,strain signals and acoustic signals for nine actual working conditions.Through integrating the results of excitation frequency analysis for the transmission cases,the fundamental causes of the transmission case cracking were identified and the improvement design was proposed.The results obtained from various methods were examined by one another comparison,which could significantly improve the accuracy in the diagnoses.This work has a potential application to similar problems in engineering.

Key words:vibration and wave;mechanical dynamics;fault diagnosis;operational modal analysis;powertrain