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在線提供 Procedia Engineering 35（ 2012） 176 - 181 ENIINVIE-2012電氣工程研究國際會 議 由有缺陷的汽車輪轂軸承產(chǎn)生的機械振動和聲學(xué) 噪聲的實驗表征 愛德華多 愛德華 Rubio*, 胡安賈雷吉 CIATEQ AC,Centro de Tecnologa Avanzada CTO。 Aguascalientes Norte 135， PIVA， Aguascalientes， Ags。， CP 20358， Mexico 摘要 乘用車中的輪轂軸承故障會導(dǎo)致相應(yīng)車輪顫動，增加底盤振動并在車廂內(nèi)產(chǎn)生高噪音。在本文中，進(jìn)行了一 系列有缺陷和健康的輪轂軸承的現(xiàn)場測試。測量機械振動和聲音，并使用頻率和時頻域中的多種信號處理方 法分析數(shù)據(jù)。另外，還執(zhí)行統(tǒng)計信號處理方法。比較了各種方法的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本工作中使用的大多數(shù)方法都 非常適合分析。然而，一些方法在其信息價值和實施能力方面顯示出某些限制。 2011 Elsevier Ltd.出版的 ENIINVIE-2012組委會負(fù)責(zé)的選拔和 /或同行評審。 CC下的開放訪 問 BY-NC-ND許可證 。 關(guān) 鍵詞：儀器儀表 ;振動分析 ;軸承故障 ;汽車部 件 1. 介紹 軸承在任何旋轉(zhuǎn)機械中都起著重要作用。軸承不僅會影響機器的精度，而且會直接影響發(fā)動機 的使用壽命。軸承的缺陷會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)部件的反復(fù)沖擊，從而降低其性能。因此，很多研究都有 *通訊作者。電話： + 52-449-9731060 電子郵件地址： eduardo.rubiociateq.mx。 1877-70582012 Elsevier Ltd.出版開放獲 取 CC BY-NC-ND許可證 。 doi:10.1016/j.proeng.2012.04.178 Eduardo Rubio and Juan C. Juregui / Procedia Engineering 35 (2012) 176 181 177 在故障發(fā)展的早期階段進(jìn)行軸承缺陷檢測，特別是因為早期檢測可以減少生產(chǎn)機器的停機時間 和維護(hù)成本。 有許多被廣泛認(rèn)可的測量，分析和檢測方案?，F(xiàn)有技術(shù)似乎是通過壓電加速度計直接測量軸承 套管上的加速度 1,2。此外，已經(jīng)通過聲換能器 3提出了聲學(xué)測量方法 。 已經(jīng)提出了時域分析和檢測方法，例如相圖 4和閾值計數(shù)器 5。然而，頻域分析是文獻(xiàn)中最 常用的方法。已經(jīng)研究了純頻率分析或諸如短期傅里葉變換（ STFT）的時頻方法。此外，還公布 了統(tǒng)計信號處理方法。這些方法包括波 峰因數(shù)，峰度和 Beta函數(shù) 6，概率預(yù)測和散點圖 7以及 自相關(guān)和概率密度函數(shù) 8。大多數(shù)研究都是針對旋轉(zhuǎn)生產(chǎn)機械軸承，很少是汽車輪轂軸承 。 在本文中，在正常的汽車使用條件下進(jìn)行了由有缺陷的輪轂軸承產(chǎn)生的機械振動和傳遞到底盤 艙的聲音的原位測量，并且應(yīng)用了各種振動分析技術(shù)。 2. 自相關(guān) 自相關(guān)函數(shù)顯示有關(guān)信號自相似性的信息。更正式地說，它給出了由時滯分隔的兩個信號點之 間的相關(guān)性。對于連續(xù)的有限能量信號，自相關(guān)函數(shù)是 對于離散時間信號 R () s*(t (1) R n xn x n * (2) 在兩種情況下， T是兩個觀察點之間的滯后，而 *是復(fù)共軛。 R（ 0）和 R 0分別是函數(shù)的最大 值，此外，自相關(guān)被歸一化，使得后者指向相等的單位。實信號的自相關(guān)是相對于零的偶對稱函 數(shù)。它給出關(guān)于信號的平穩(wěn)性的信息，例如明顯明顯的尖性相關(guān)性表示弱平穩(wěn)性，而寬相關(guān)性對 應(yīng)于強靜止信號。另外，周期信號產(chǎn)生周期性自相關(guān)函數(shù)，其周期與時間信號相 同 3. 實驗裝置 為了獲得用于進(jìn)一步處理和分析的期望數(shù)據(jù)，乘用車配備有測量裝置和信號處理硬件。如圖 1 所示，該實驗是在傳統(tǒng)的高速公路上進(jìn)行的。在第一個測量系列中，左后輪轂配備了故障軸承。 然后用健康的軸承代替。因此，分別進(jìn)行了兩個系列的測量，分別具有故障和良好 的軸承 。 首先，將固態(tài)加速度計安裝在相關(guān)的輪轂上。安裝的加速度計對垂直于道路的加速力是敏感的。 全部連續(xù) 178 Eduardo Rubio and Juan C. Juregui / Procedia Engineering 35 (2012) 176 181 測量模塊安裝在車廂內(nèi)。所獲取的加速度數(shù)據(jù)是與重力常數(shù)成比例的電壓，并首先通過其輸出端 保持加速度數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)器級。此外，獲得的加速度數(shù)據(jù)通過兩個積分器級發(fā)送。后者的輸出分別 保持速度和位移。最終，所有四個數(shù)據(jù)流都連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備。 圖 1實驗裝置 。 不僅是感興趣的振動信息，還有車廂內(nèi)的聲學(xué)噪聲感知。為此，將駐極體電容式麥克風(fēng)安裝在 機艙的內(nèi)殼上。 使用高端數(shù)據(jù)采集板 NI PCMCIA 6062E。對于測量系列，所有五個數(shù)據(jù) 流都以 20kHz采樣并發(fā)送 到膝上型計算機中的控制中心進(jìn)行存儲。因此，所有數(shù)據(jù)都可用于離線信號處理。使用的軸承是 用于非驅(qū)動輪的雙列滾珠軸承。在圖 2中示出了具有橫向切口的透視圖。如圖所示，內(nèi)圈是靜止的 而外圈是旋轉(zhuǎn)的。后者連接到車輪，前者連接到車身 。 圖 2輪轂軸承 。 4. 結(jié)果 由于實驗是在車速上升的情況下進(jìn)行的，因此預(yù)計軸承處測得的振動加速度會成比例增加。相 應(yīng)的坡道預(yù)計會更低 Eduardo Rubio and Juan C. Juregui / Procedia Engineering 35 (2012) 176 181 179 傾向于健康的方位而不是錯誤的方位。圖 3顯示了有缺陷和健康軸承的兩個加速表面譜圖 。 4.1. 加速度分析 圖 3顯示了有缺陷的軸承和健康軸承的頻率分析。有趣的是，兩種光 譜都具有相似性，在某種 程度上可以用一個因子來近似。然而，在有缺陷的軸承引起的大部分能量位于測量數(shù)據(jù)中的情況 下，清晰可見。這些累積的峰值在 4750Hz附近發(fā)展，帶寬約為 2000Hz。除此之外，由不良軸承引 起的峰值的進(jìn)一步累積位于 500Hz以下的頻率（更詳細(xì)的視圖見圖 5）。這兩種趨勢都是輪轂缺陷 部件的明確指標(biāo)。軸承在較高頻率中顯示共振頻帶。已發(fā)表的作品，如 5所述，由有缺陷的軸承 零件產(chǎn)生的低頻脈沖激發(fā)了軸承振動的高頻中的共振頻帶。在頻譜圖中可以清楚地看到這種共振。 使用這種共振特性的檢測技術(shù)稱為高頻共振技術(shù)，并 與包絡(luò)檢測方案一起實施 9,10。 圖 3加速度數(shù)據(jù)的表面譜圖。良好的軸承（左），軸承故障（右） 。 統(tǒng)計信號處理方法應(yīng)用于數(shù)據(jù)。自相關(guān)函數(shù)結(jié)果可以在圖 4中看到，并且在形狀方面令人驚訝 地清晰且類似于 8中的良好軸承。健康軸承中主導(dǎo)的低頻分量導(dǎo)致平滑的自相關(guān)。另一方面，壞 軸承的高頻共振礫巖相對于自相關(guān)中的滯后產(chǎn)生強烈的抖動 。 4.2. 聲學(xué)噪聲分析 由于加速度數(shù)據(jù)的大量信號能量位于 4750Hz附近，因此在聲學(xué)噪聲測量中預(yù)期有類似的聚集體。 然而，圖 5清楚地表明，有缺陷的軸承的音頻信號幾乎不承載 500Hz以上的任何能量。底盤的固有 頻率很可能遠(yuǎn)低于加速度數(shù)據(jù)的高頻集團(tuán)。 Molisani等。 11指出，低于 400赫茲的車廂噪音主要 是結(jié)構(gòu)性的，這意味著它通過物理連接轉(zhuǎn)換到機艙，顯然省略了更高的頻率。因此，僅由不良軸 承的抖動引發(fā)的部分能量量被轉(zhuǎn)換成車廂內(nèi)的聲波 。 180 Eduardo Rubio and Juan C. Juregui / Procedia Engineering 35 (2012) 176 181 圖 4統(tǒng)計分析 。 圖 5中所示的曲線表示低于 500Hz的加速度和噪聲測量值之間的相關(guān)性。在不良軸承的加速度數(shù) 據(jù)中，三個明顯明顯的峰值將其與良好的軸承區(qū)分開來，其中這樣的峰值仍未被觀察到。 200 Hz 處的峰值明確地轉(zhuǎn)換為噪聲測量，其中顯著量的能量位于 200Hz附近 。 后實驗主觀測試證實，區(qū)分音頻信號的最重要的可聽部分確實是 200Hz的峰值。在車廂內(nèi)進(jìn)行 測量時聽到同樣的現(xiàn)象，它等于轟鳴聲 。 5. 結(jié)論 根據(jù)我們的分析，可以建立以下結(jié)論： FFT和 STFT是用于離軸分析軸承加速度計測量的強大而有意義的儀器。而且，即使在諸如常規(guī) 公路的原始環(huán)境中進(jìn)行測量，也可以區(qū)分出有缺陷的軸承的健康，觀察上頻率共振帶 。 也可以使用加速度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信號處理。特別是因為計算的數(shù)據(jù)幾乎是不言自明的并且易于解 釋。測量可分別用于識別好軸承和壞軸承。 車廂內(nèi)的噪聲測量僅在低頻時很重要，因為更高頻率幾乎不存在。然而，由軸 承故障引起的明 顯可聽頻率證明噪聲感知是評估移動車輛中軸承狀態(tài)的有效手段 。 致謝 作者希望得到墨西哥國家科學(xué)技術(shù)委員會（ CONACyT）和阿瓜斯卡連特斯政府的財政援助 。 Eduardo Rubio and Juan C. Juregui / Procedia Engineering 35 (2012) 176 181 181 圖 5音頻（上）和加速（下）數(shù)據(jù)，良好軸承（左）和軸承故障（右）之間的相關(guān)性 。 參考 1 何 W，姜志恩，馮 .基于最優(yōu)小波濾波和空間碼收縮的軸承故障檢測。測 量 2009;42:1092-1102. 2 王 GF，李 YB，羅志剛?；谥貥?gòu)相空間和高斯混合模型的滾動軸承故障分類。 J. 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