论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法分析

一、论述齿轮啮合频率产生的机理及齿轮故障诊断方法

一、齿轮啮合频率的机理

由齿轮传动理论可知，渐开线齿廓齿轮在节点附近为单齿啮合，而在节线的两边为双齿啮合，啮合区的大小则由重叠系数ε决定。因此，每对轮齿在啮合过程中承受的载荷是变化的，从而引起齿轮的振动，另外，一对轮齿在啮合过程中两齿面的相对滑动速度和摩擦力均在节点处改变方向，引起齿轮的振动.这两者形成了啮合频率fz 及其谐波Nfz ，其计算式为:

60z nZ

f =

式中 Z ——齿轮的齿数；n ——轴的转速，/min r 。

60z nZ

Nf N =⋅

式中N —自然数，1，2，3，……。N=1称为基波，即啮合频率；N = 2，3，……时，称为二次，三次…谐波。

啮合频率fz 及其谐波Nfz 的频谱特点：

①初始状态，啮合颇率的幅值最高，各次谐波的幅值依次减小(图1的实线部分)；

②随着齿轮磨损的增加，渐开线齿廓逐渐受到破坏，使齿轮振动加剧，此时啮合频率及其各次谐波的幅值逐渐增大，而且各次谐波幅值的增加比啮合频率快得多(图中虚线所示)； ③磨损严重时，二次谐波幅值超过啮合频率幅值。

图1 啮合频率及其谐波

图2 严重磨损时的啮合频率及其二次谐波

由频谱图上啮合频率及其谐波幅值的增量可判断出齿轮的磨损程度。

啮合频率分析：

（1）负载和啮合刚度的周期性变化

负载和啮合刚度的变化可用两点来说明：一是随着啮合点位置的变化，参加啮合的单一齿轮的刚度发生了变化，二是参加啮合的齿数在变化。如渐开线直齿轮，在节点附近是单齿啮合，在节线两侧某部位开始至齿顶、齿根区段为双齿啮合。显然，在双齿啮合时，整个齿轮的载荷由两个齿分担，故此时齿轮的啮合刚度就较大；同理单齿啮合时，载荷由一个齿承担，此时齿轮的啮合刚度较小。从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，齿轮的负载和啮合刚度就变化一次，所以齿轮的负载和啮合刚度周期性变化的频率与齿轮旋转频率成整数倍关系。

（2）节线冲击的周期性变化

齿轮在啮合过程中，轮齿表面既有相对滚动，又有相对滑动。主动轮带动从动轮旋转时，主动轮上的啮合点从齿根移向齿顶，啮合半径逐渐增大，速度渐次增高；而从动轮上的啮合点是由齿顶移向齿根，啮合半径逐渐减小，速度渐次降低。两轮齿齿面在啮合点的速度差异就形成了主动轮和从动轮的相对滑动。在主动轮上，齿根和节点之间的啮合点速度低于从动轮上的啮合点速度，因此滑动方向向下；在节点处，因为两轮上的啮合点速度相等，相对滑动速度为零。因此，摩擦力在节点处改变了方向，形成节线冲击。由以上分析可知，从一个轮齿开始进入啮合到下一个轮齿进入啮合，发生两次节点冲击，所以节线冲击发生的频率与齿轮旋转频率成整数倍关系。

（3）齿轮运转时，其振动频谱上都含有啮合频率及其谐波分量。随着齿轮的磨损，频谱上的啮合频率及其各次谐波都会上升，即幅值增大。但值得注意的是，啮合频率高次谐波的幅值要比基波的幅值上升得快。啮合频率是齿轮振动中比较突出的成分，它既是齿轮齿廓磨损的一个灵敏指标，同时齿面上产生点蚀、剥落等损伤也会在啮合频率及各次谐波成分上表现出来。对于一对新齿轮来说，其频谱的整个振动能量水平较低，啮合频率的基波及其第二、三次谐波幅值依次减小。对于具有中等点蚀故障的齿轮，其频谱随着点蚀的增加，整个谱的水平都随之增加，且啮合频率高次谐波幅值将超过基波。另一个特点是啮合频率的二次谐波两边的边频带愈加丰富。当齿面出现重度点蚀时，谱噪声总量急剧上升，且啮合频率的谐频延伸到七次以上。啮合频率分析也有其不足之处，它毕竟是众多齿轮振动能量的平均值，因此在局部轮齿呈现损伤时，其幅值的增长就不那么明显，只有大多数轮齿受到磨损或出现点蚀、剥落等损坏时才有明显的增量。

当齿轮发生故障时，振动信号常会发生调制现象而产生调制波(调幅波和调频波)，其载

频为啮合频率及其谐波或另一些高频成分，而故障的振动频率即为调制信号。

二、齿轮传动装置故障基本形式

对齿轮传动装置的零件失效情况的统计表明，齿轮和轴承的失效比重最大，分别为 60%和 19%。因此，就齿轮传动装置的故障诊断而言，其重点是研究齿轮和轴承的失效机理和诊断方法。准确地提取各种典型故障的特征是进行齿轮传动装置故障诊断的关键。根据提取的故障信号的特征，提出行之有效的诊断方法，这样就为齿轮传动装置智能诊断系统的研制打下良好的基础。

2.1 齿形误差

当齿轮发生齿形误差时，频谱产生以啮合频率及其高次谐波为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的啮合频率调制现象，谱图上在啮合频率及其倍频附近产生幅值小且稀疏的边频带；解调谱上出现转频阶数较少，一般以一阶为主。而当齿形误差严重时，由于激振能量较大，产生以齿轮各阶固有频率为载波频率，齿轮所在轴转频及其倍频为调制频率的齿轮共振频率调制现象。

2.2 齿面均匀磨损

在齿轮齿面磨损失效中，当属于均匀磨损的性质时，一般不形成轮齿齿形的局部大改变，其箱体振动信号的特征也和齿形误差不同，表现为啮合频率及其高次谐波的幅值明显增大，但一般不产生明显的调制现象。齿轮均匀磨损时由于无冲击振动信号产生，所以不会出现明显的调制现象。当磨损发展到一定程度时，啮合频率及其各阶谐波幅值明显增大，而且阶数越高，谐波增大的幅度越大。同时，振动能量有较

大幅度的增加。

2.3 箱体共振

齿轮传动装置箱体共振是一种严重的故障形式，一般是由于受到箱体以外的其它激励的响，激发了箱体的固有频率，形成共振。外部激励一定是振动能量较大的激励源。

2.4 轴的弯曲

轴轻度弯曲时，在齿轮传动中将导致齿形误差，形成以啮合频率及其倍频为载波频率，以齿轮所在轴转频为调制频率的啮合频率调制现象，如果弯曲轴上有多对齿轮啮合，则会出现多对啮合频率调制。但一般谱图上边带数量少而稀，它与齿形误差虽有类似的边带，但其向振动能量明显加大。轴严重弯曲时，时域有明显的冲击振动，以一定的时间间隔出现，冲击持续了整个周期的1/3以上，这与单个断齿和集中型故障产生的冲击振动有明显区别，