一种自适应能量增长稀疏性度量的汽车变速箱状态监测方法

：
1.本发明属于汽车变速箱状态监测技术领域，具体涉及一种自适应能量增长稀疏性度量的汽车变速箱状态监测方法。


背景技术：

2.汽车变速箱是汽车不可或缺的部件，其可靠性影响汽车的整体性能。汽车变速箱在工作时，会经常出现挡位转换，引发冲击或负载变化；且由于汽车变速箱结构的复杂性和运行工况的多变性，对其进行有效的状态监测十分困难。
3.汽车变速箱以齿轮为主要传动部件，其常见的故障包括齿面磨损、齿面点蚀和轮齿折断等失效形式。目前常用的变速箱状态监测方法(金光，袁照丹，姜冠伊，等.变速器总成耐久试验早期故障诊断[j].汽车技术，2019(06):53-58.)是观察振动信号阶次谱中齿轮的啮合阶次及其边频带等成分构造监测指标，由于变速箱传动结构复杂和存在传动路径变化，对变速箱进行状态监测存在不同装置的阶次谱差异、监测指标不连续和失效阈值难以设置的缺点。因此，构建能反映变速箱健康状态退化的监测指标，实现变速箱自动状态监测，并进一步得到故障齿轮位置，对汽车变速箱的维护具有重要意义。


技术实现要素：

[0004]
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供了一种自适应能量增长稀疏性度量的汽车变速箱状态监测方法，实现了汽车变速箱的状态自动监测与辅助故障定位，提高汽车变速箱状态监测的准确性。
[0005]
为达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
[0006]
一种自适应能量增长稀疏性度量的汽车变速箱状态监测方法，首先获取变速箱的振动信号，通过构建各挡位下的状态监测指标，实现自适应的能量增长稀疏性评估；然后进行加权融合，得到能够反映变速箱整体健康状态的监测指标；再利用监测指标与计算过程中的分段幅值和增长率重要性评估结果进行故障定位。
[0007]
一种自适应能量增长稀疏性度量的汽车变速箱状态监测方法，包括以下步骤：
[0008]
1)各挡位下的状态监测指标构建：
[0009]
1.1)获取基础数据：采集汽车变速箱台架实验全寿命振动信号，采样方式为等角度采样，并经快速傅里叶变换得到t时刻的原始阶次谱信号y
t
＝[y0,y1,
…
,yn]，其对应的阶次序列为x＝[0,x
δ
,2x
δ
,
…
,n
·
x
δ
]，阶次谱是一个具有(n+1)个点组成的离散的阶次域信号，其分辨率为x
δ
；时刻t的取值范围为[t
start
,t
end
]，即汽车变速箱台架实验全寿命时间，映射g(t)＝{g,c}得到t时刻的挡位g与排挡循环次数c，即t时刻是第c次循环到挡位g；还需要变速箱结构的基本信息，如挡位g∈g，g为映射g(t)＝{g,c}得到的所有时刻对应的挡位g的集合；各挡位的啮合阶次orderg＝[order1,order2,
…
,ordern]，其中orderi,i∈1,
…
,n表示挡位g下第i对齿轮的啮合阶次，共有n个啮合阶次；此外，还需要根据历史监测结果设置监测指标报警阈值，若没有历史监测数据或监测数据差异大，则取默认报警阈值为0.3；
[0010]
1.2)去啮合阶次成分：在阶次谱中去除当前挡位下的各个啮合阶次与其高次谐波成分，即设置g挡位下每个时刻的阶次谱中对应于参与传动的齿轮的啮合阶次成分的值为0；
[0011]
1.3)分段求幅值和：将去啮合阶次成分后的阶次谱均分为e个阶次段，则每个阶次段的谱线数为每个阶次范围宽度为位于挡位g下的时刻t时，阶次谱分段各段幅值和为：
[0012][0013]
1.4)计算分段幅值和增长率：计算变速箱在各挡位第1循环内的阶次谱分段幅值和的均值为：
[0014][0015]
式中，n
t
为满足g(t)＝{g,1}的时刻的数量；
[0016]
记向量逐元素相除为以μ
g,1
为分段能量增长率计算的参考值，在t时刻的阶次谱分段幅值和增长率为：
[0017][0018]
1.5)分段幅值和增长率重要性评估：对得到的分段幅值和增长率使用α-softmax(
·
)函数进行重要性评估，使具有较大增长率的阶次段分得较大的权重值，而增长率小甚至负增长的阶次段分得较小的权重值；分段重要性评估的具体公式为：
[0019][0020]
其中α1》0，是一个用于控制ω稀疏性的参数；
[0021]
1.6)分段幅值和增长稀疏性度量：根据阶次谱中不同阶次段的能量增长，筛选出变化最大的前k个阶次段，构建挡位g下的分段幅值和增长稀疏性度量指标scsi，以指示变速箱的健康状态，其公式为：
[0022][0023]
其中sort(
·
)是降序排序函数，k是scsi
t,g
计算时采用的具有较大能量增长率的阶次段数，即计算scsi
t,g
时采用降序排序后的前k个阶次段；由于ω
t
各元素的总和为1，故得到的scsi
t,g
有确定的上下界，即scsi
t,g
∈[0,1]；
[0024]
2)变速箱整体健康状态监测指标构建：
[0025]
2.1)扩展各挡位下的scsi指标至全时间段：挡位g下的scsi
t,g
只在{t|g(t)＝{g,
c}}时计算，扩展挡位g下的scsi
t,g
指标到其他时刻，则是把{t|g(t)≠{g,c}}时scsi
t,g
的值取成最接近的scsi
t,g
，即scsi
t
′
,g
,t
′
＝max({t|g(t)＝{g,c}})，对于不同的挡位g∈g，在任意时刻都对应的有scsi
t,g
；
[0026]
2.2)评估不同挡位scsi指标的重要性：对同一时刻各挡位下的scsi
t,g
使用α-softmax(
·
)函数进行重要性评估，使指标数据较高的分得较大的权重值；评估的具体公式为：
[0027][0028]
其中α2》0，是一个用于控制稀疏性的参数；
[0029]
2.3)加权融合不同挡位的scsi指标：将同一时刻不同挡位下的scsi
t,g
按的权重加权融合成反映变速箱整体健康状态的指标whi，具体公式如下：
[0030][0031]
3)变速箱状态监测与故障定位：得到的whi用于监测变速箱整体的健康状态，whi的值越小，表示变速箱当前状态与正常状态越接近，即健康状态越好；whi的值越大，表示变速箱当前状态与正常状态偏离越大，即健康状态越差；根据历史监测数据设置阈值，whi连续多次超过阈值时进行报警，报警后，根据计算scsi过程中的ω在阶次谱上初步判断故障齿轮啮合阶次，从而判断故障齿轮啮合对；最后利用原始阶次谱，寻找故障齿轮啮合对的边频带确定故障齿轮。
[0032]
本发明的有益效果为：
[0033]
本发明提出一种自适应能量增长稀疏性度量的汽车变速箱状态监测方法，首先通过自适应能量增长，构建各挡位下的状态监测指标；然后进行加权融合，构建变速箱整体健康状态监测指标；最后利用得到的监测指标、分段幅值和增长率重要性评估结果与原始阶次谱信号，逐层分析，确定变速箱故障齿轮位置；实现了汽车变速箱的状态自动监测与辅助故障定位，克服了传统方法监测指标不连续、失效阈值不方便设置等缺点。
附图说明
[0034]
图1为本发明的流程图。
[0035]
图2为本发明实施例汽车变速箱状态监测结果。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述。
[0037]
参照图1，一种自适应能量增长稀疏性度量的汽车变速箱状态监测方法，包括以下步骤：
[0038]
1)各挡位下的状态监测指标构建：采集汽车变速箱运行过程监测数据，经过获取振动信号阶次谱、去啮合阶次成分、分段求幅值和、计算分段幅值和增长率与分段幅值和增长率重要性评估，构建用于变速箱各挡位状态监测的谱变化稀疏性度量指标scsi，具体步
骤如下：
[0039]
1.1)获取基础数据：采集汽车变速箱台架实验全寿命振动信号，采样方式为等角度采样，并经快速傅里叶变换得到t时刻的原始阶次谱信号y
t
＝[y0,y1,
…
,yn]，其对应的阶次序列为x＝[0,x
δ
,2x
δ
,
…
,n
·
x
δ
]，阶次谱是一个具有(n+1)个点组成的离散的阶次域信号，其分辨率为x
δ
。时刻t的取值范围为[t
start
,t
end
]，即汽车变速箱台架实验全寿命时间，映射g(t)＝{g,c}可以得到t时刻的挡位g与排挡循环次数c，即t时刻是第c次循环到挡位g；还需要变速箱结构的基本信息，如挡位g∈g，g为映射g(t)＝{g,c}得到的所有时刻对应的挡位g的集合；各挡位的啮合阶次orderg＝[order1,order2,
…
,ordern]，其中orderi,i∈1,
…
,n表示挡位g下第i对齿轮的啮合阶次，共有n个啮合阶次；此外，还需要根据历史监测结果设置监测指标报警阈值，若没有历史监测数据或监测数据差异较大，则取默认报警阈值为0.3；
[0040]
1.2)去啮合阶次成分：得到的阶次谱中，啮合阶次及其高次谐波是变速箱正常运行、故障状态均存在的阶次成分，其幅值一般远高于其他阶次成分；为避免啮合阶次成分淹没各阶次成分、突出变速箱故障引起的阶次成分变化，在阶次谱中去除当前挡位下的各个啮合阶次与其高次谐波成分，即设置g挡位下每个时刻的阶次谱中对应于参与传动的齿轮的啮合阶次成分的值为0；
[0041]
1.3)分段求幅值和：将去啮合阶次成分后的阶次谱均分为e个阶次段，则每个阶次段的谱线数为每个阶次范围宽度为位于挡位g下的时刻t时，阶次谱分段各段幅值和为：
[0042][0043]
1.4)计算分段幅值和增长率：计算变速箱在各挡位第1循环内的阶次谱分段幅值和的均值为：
[0044][0045]
式中，n
t
为满足g(t)＝{g,1}的时刻的数量；
[0046]
记向量逐元素相除为以μ
g,1
为分段能量增长率计算的参考值，在t时刻的阶次谱分段幅值和增长率为：
[0047][0048]
1.5)分段幅值和增长率重要性评估：对得到的分段幅值和增长率使用α-softmax(
·
)函数进行重要性评估，使具有较大增长率的阶次段分得较大的权重值，而增长率小甚至负增长的阶次段分得较小的权重值；分段重要性评估的具体公式为：
[0049][0050]
其中α1》0，是一个用于控制ω稀疏性的参数；
[0051]
1.6)分段幅值和增长稀疏性度量：分段能量增长率在传动齿轮退化过程中会逐渐变得稀疏，从正常状态下各阶次段能量增长率趋于0，逐渐演变为故障相关部分阶次段能量增长显著，因此，根据阶次谱中不同阶次段的能量增长，筛选出变化最大的前k个阶次段，构建挡位g下的分段幅值和增长稀疏性度量指标scsi，以指示变速箱的健康状态，其公式为：
[0052][0053]
其中sort(
·
)是降序排序函数，k是scsi
t,g
计算时采用的具有较大能量增长率的阶次段数；由于ω
t
各元素的总和为1，故得到的scsi
t,g
有确定的上下界，即scsi
t,g
∈[0,1]；
[0054]
2)变速箱整体健康状态监测指标构建：为了实现在变速箱不同挡位时整体的状态监测，在scsi的基础上进行扩展、评估与加权融合，提出能反映整体健康状态的监测指标whi，具体步骤如下：
[0055]
2.1)扩展各挡位下的scsi指标至全时间段：挡位g下的scsi
t,g
只在{t|g(t)＝{g,c}}时计算，扩展挡位g下的scsi
t,g
指标到其他时刻，则是把{t|g(t)≠{g,c}}时scsi
t,g
的值取成最接近的scsi
t,g
，即scsi
t
′
,g
,t
′
＝max({t|g(t)＝{g,c}})，对于不同的挡位g∈g，在任意时刻都对应的有scsi
t,g
；
[0056]
2.2)评估不同挡位scsi指标的重要性：对同一时刻各挡位下的scsi
t,g
使用α-softmax(
·
)函数进行重要性评估，使指标数据较高的分得较大的权重值；评估的具体公式为：
[0057][0058]
其中α2》0，是一个用于控制稀疏性的参数；
[0059]
2.3)加权融合不同挡位的scsi指标：将同一时刻不同挡位下的scsi
t,g
按的权重加权融合成反映变速箱整体健康状态的指标whi，具体公式如下：
[0060][0061]
3)变速箱状态监测与故障定位：得到的whi可以用于监测变速箱整体的健康状态，whi的值越小，表示变速箱当前状态与正常状态越接近，即健康状态越好；whi的值越大，表示变速箱当前状态与正常状态偏离越大，即健康状态越差；可根据历史监测数据设置阈值，whi连续多次超过阈值时进行报警，报警后，根据计算scsi过程中的ω可以在阶次谱上初步判断故障齿轮啮合阶次，从而判断故障齿轮啮合对；最后利用原始阶次谱，寻找故障齿轮啮合对的边频带可以确定故障齿轮。
[0062]
实施例：基于汽车变速箱全寿命实验数据，验证本发明方法的有效性。本实施例所用阶次谱的阶次范围为[0,256]，阶次谱数据长度为n+1＝2048，分辨率为0.125阶次；所采用的变速箱实验数据的排挡循环为3-4-5-6-7-8-1-2；选取参数组合：阶次谱分段数e＝128，变化率较大的阶次段数k＝16，α1＝1，α2＝10，设置报警阈值为0.3；使用本发明方法进行健康状态监测，依次计算各个时刻的scsi与whi。如图2中(a)所示，whi指标在第三循环的4挡超出预设阈值报警，进一步观察4挡下ω的变化过程,如图2中(b)所示，可以看出，4到6阶次对应的阶次段变化显著，在图2中(c)的阶次谱上对应于中间轴与输出轴啮合齿轮对的啮合阶次，因此判断此对齿轮出现故障。拆箱检验，发现变速箱中间轴出现断齿与点蚀，证明本发明方法的有效性。
[0063]
本发明方法适用于各类变速箱的健康状态监测，在实际应用中，实施者可以针对实际情况，对参数与阈值进行相应调整，之后可以利用本方法对不同变速箱进行健康状态监测，有助于提高变速箱状态监测的实时性和准确性。