李曼麗++雷君++王恒

摘 要：本文對(duì)匹配渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械式變速器可靠性分析與驗(yàn)證進(jìn)行了研究。首先針對(duì)中國(guó)城市整車(chē)實(shí)際使用工況及渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性，修正適合渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的變速器臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范?；诖艘?guī)范為載荷譜，利用Romaxdesigner建立變速器參數(shù)化仿真模型，結(jié)合疲勞累積損傷理論及材料S-N曲線(xiàn)對(duì)軸齒、軸承等關(guān)鍵部件損傷率精準(zhǔn)分析，從而評(píng)估變速器總成的可靠性。并通過(guò)某款變速器匹配渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行可靠性分析試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：機(jī)械式變速器；可靠性分析；疲勞累積損傷理論

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）01-0039-05

Reliability Analysis and Verification of the Mechanical Transmission Matching the Turbo Engine

LI Man-li， LEI Jun， WANG Heng

（ Dongfeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan430058， China ）

Abstract： This article studied the reliability analysis and verification of the mechanical transmission matching the turbo engine. Firstly， modified the transmission bench endurance test specification according to the vehicle actual working condition of China urban and turbo engine torque characteristic. Based on the specification for the load spectrum， transmission parameterized simulation model was created using Romaxdesigner software. Damage rate of the axial， tooth， bearings and other key components were analyzed precisionly to assess the reliability of the transmission assembly， combining the theory of fatigue cumulative and material S-N curve. Finally，the method was verified through a transmission matching the turbo engine.

前 言

變速器是整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)重要組成部分，直接影響整車(chē)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性、可靠性、NVH等性能。近年來(lái)隨著渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用，其匹配機(jī)械式變速器車(chē)型由于價(jià)格、油耗、駕駛樂(lè)趣及操縱感等方面的優(yōu)勢(shì)，仍占據(jù)較大市場(chǎng)。

不同于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有低轉(zhuǎn)速高扭矩的特性。機(jī)械式變速器匹配渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，在試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，可能出現(xiàn)齒輪、軸承等關(guān)鍵零部件的失效。因而進(jìn)行機(jī)械式變速器可靠性分析很有必要，根據(jù)分析結(jié)果制定出合適的對(duì)策。機(jī)械式變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文僅對(duì)變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行可靠性分析研究，對(duì)其他種類(lèi)的變速器匹配也有借鑒意義。

1 變速器可靠性分析

機(jī)械產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。機(jī)械產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段應(yīng)規(guī)定其可靠性指標(biāo)或估計(jì)、預(yù)測(cè)產(chǎn)品在規(guī)定條件下的工作能力、狀態(tài)或壽命，保證產(chǎn)品具有所需要的可靠度[1]。變速器可靠性分析，指通過(guò)一些方法或規(guī)范對(duì)變速器進(jìn)行驗(yàn)證，并統(tǒng)計(jì)不失效的比例，從而判斷其可靠性。

變速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度高，不同類(lèi)型的變速器有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，每個(gè)零部件或子系統(tǒng)都有獨(dú)特的失效模式和壽命曲線(xiàn)[2]。軸齒是變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)基本原件；軸承是變速器軸的支撐原件，在變速器系統(tǒng)中起著很重要的作用[3]。本文主要對(duì)變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的軸齒、軸承等關(guān)鍵零部件可靠性進(jìn)行分析，主要完成變速箱臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范研究和變速器總成可靠性分析研究，總體思路如圖1：

2 變速器臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范研究

臺(tái)架耐久試驗(yàn)是考核變速器的關(guān)鍵項(xiàng)目。制定合適的臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范是變速器匹配的前提，除了整車(chē)參數(shù)，還應(yīng)考慮變速器所匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩特性和整車(chē)實(shí)際使用工況。

2.1 整車(chē)使用工況

針對(duì)中國(guó)路況，乘用車(chē)大多在城市工況使用。隨著城市人口增長(zhǎng)、城市汽車(chē)保有量增加、道路系統(tǒng)限制、紅綠燈要求、最高車(chē)速限制（一般最高80Km/h）等，乘用車(chē)低檔起步、加速比較頻繁[4]。

通過(guò)對(duì)比分析：中國(guó)城市工況低速里程

約為歐洲城市工況的1.5倍。變速器匹配應(yīng)考慮中國(guó)與其他國(guó)家整車(chē)使用工況的差異性，針對(duì)城市工況汽車(chē)低速檔使用較頻繁的特點(diǎn)，合理制定變速器臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性

渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性比較：渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)低速下加油門(mén)，扭矩迅速提升并達(dá)到最大，低速檔承受的載荷更惡劣。變速器匹配時(shí)應(yīng)根據(jù)適用的臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)證，從而指導(dǎo)變速器的性能設(shè)計(jì)。

圖3為某款1.4T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與2.0L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩特性對(duì)比，得出渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性：1750rpm時(shí)，扭矩迅速提升并達(dá)到最大；1500～2500rpm時(shí)，扭矩比自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)高10%～20%。

2.3 變速器臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范研究

針對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)與自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩特性差異，以及中國(guó)城市整車(chē)使用工況，研究適用渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的變速器臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范——強(qiáng)化低速檔的考核，使臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范符合整車(chē)及發(fā)動(dòng)機(jī)要求，保證動(dòng)力總成匹配的可靠性。

對(duì)同一款變速器分別匹配上述2.0L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)與1.4T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架耐久試驗(yàn)載荷譜進(jìn)行分析，如表1所示：

根據(jù)以上信息得出，變速器匹配自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的歐洲工況臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范，不適用于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。本文用彎曲疲勞損傷等級(jí)評(píng)價(jià)齒輪疲勞受力：

NC3（N表示齒輪循環(huán)次數(shù)，C表示齒輪傳遞的扭矩）

計(jì)算得出：變速器匹配渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，在中國(guó)工況進(jìn)行驗(yàn)證，臺(tái)架耐久試驗(yàn)工況中的齒輪損傷等級(jí)NC3增大4.5倍。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析與大量試驗(yàn)驗(yàn)證：匹配1.4T的變速器對(duì)低速檔（1～2檔）臺(tái)架耐久試驗(yàn)更嚴(yán)苛，低速檔臺(tái)時(shí)約占總臺(tái)時(shí)52%；匹配2.0L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)低速檔臺(tái)時(shí)約占總臺(tái)時(shí)23%，如圖4所示：

3 變速器總成可靠性分析

變速器總成可靠性分析基于上述研究的臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范作為載荷譜，并利用Romaxdesigner 參數(shù)化仿真模型，考慮系統(tǒng)變形、變速器油位油溫等因素，同時(shí)結(jié)合疲勞累積損傷理論及材料S-N曲線(xiàn)對(duì)軸齒、軸承等關(guān)鍵部件損傷率進(jìn)行精準(zhǔn)分析并改善，從而評(píng)估總成的可靠性目標(biāo)，較一般仿真分析根據(jù)安全系數(shù)評(píng)估可靠性更客觀(guān)實(shí)用。通過(guò)齒輪、軸承等結(jié)構(gòu)及工藝限制，針對(duì)性地制定加強(qiáng)方案。

3.1 當(dāng)量扭矩的計(jì)算

某車(chē)型采用的載荷譜如圖5所示，根據(jù)齒輪疲勞累積損傷理論，將載荷譜通過(guò)公式轉(zhuǎn)換為當(dāng)量載荷[5]。當(dāng)量循環(huán)次數(shù)

Neq=N1+N2+…+Ni （2）

循環(huán)次數(shù)

Ni=ni ki hi （3）

式中：

Ni ——第 i 級(jí)載荷的循環(huán)次數(shù)

ni —— 第 i 級(jí)載荷下的齒輪轉(zhuǎn)速（rpm）

ki —— 第 i 級(jí)載荷下齒輪每轉(zhuǎn)一周同側(cè)齒面的接觸次數(shù)

hi ——第 i 級(jí)載荷作用齒輪的工作時(shí)間

p ——材料試驗(yàn)指數(shù)，文中 p 值為3

根據(jù)以上公式，計(jì)算出齒輪的當(dāng)量扭矩Ceq=181.9Nm。

3.2 參數(shù)化仿真建模

變速器臺(tái)架耐久規(guī)范作為變速器計(jì)算分析的載荷譜，保證了理論輸入與實(shí)際臺(tái)架規(guī)范的一致性。利用Romaxdesigner對(duì)齒輪、軸承等進(jìn)行參數(shù)化建模，并考慮變速器油位因素規(guī)定變速器的油位；同時(shí)在裝配中考慮軸承的安裝調(diào)整，如圖6所示：

3.3 軸齒、軸承應(yīng)力分析

考慮系統(tǒng)變形、變速器油位油溫等因素，同時(shí)結(jié)合疲勞累積損傷理論及材料S-N曲線(xiàn)對(duì)軸齒、軸承等關(guān)鍵部件損傷率進(jìn)行精準(zhǔn)分析，來(lái)評(píng)估總成的可靠性目標(biāo)。

對(duì)齒輪和軸承應(yīng)力分析如圖7和圖8所示。進(jìn)行齒輪分析時(shí)，設(shè)置齒輪材料的S-N曲線(xiàn)如圖9所示?；诓牧系腟-N曲線(xiàn)及齒輪的受力情況來(lái)計(jì)算齒輪的疲勞損傷率。

損傷率是衡量齒輪、軸承等回轉(zhuǎn)零件壽命的關(guān)鍵指標(biāo)，等于實(shí)際損傷等級(jí)/理論容許的損傷等級(jí)，即損傷率

（4）

式中：N0C03——材料的容許損傷等級(jí)

當(dāng)損傷率>100%時(shí)，零件存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在某款變速器匹配1.4T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目初期，變速器根據(jù)老規(guī)范通過(guò)臺(tái)架耐久試驗(yàn)之后，在整車(chē)耐久試驗(yàn)主減齒輪副、同步器接合齒、二軸前軸承均出現(xiàn)失效，初步判斷匹配自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的變速器臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范不適用于匹配渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證。

基于上述臺(tái)架耐久規(guī)范研究，修訂新規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，變速器仍出現(xiàn)齒輪斷齒、軸承散裂等失效問(wèn)題。利用變速器總成可靠性研究中Romaxdesigner建模分析，識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)零件，并結(jié)合變速器的結(jié)構(gòu)及工藝保證能力，有針對(duì)性地制定改善對(duì)策。

改善后的變速器匹配渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)可通過(guò)臺(tái)架耐久試驗(yàn)和整車(chē)耐久試驗(yàn)。針對(duì)該款匹配渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的變速器可靠性改善項(xiàng)目如表2：

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)某款MT變速器匹配1.4T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際驗(yàn)證表明：本文研究的匹配變速器臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范，以及應(yīng)用該規(guī)范基于Romaxdesigner 參數(shù)化仿真模型分析的變速器可靠性分析的方法，對(duì)變速器實(shí)際應(yīng)用匹配渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)是合理的。后續(xù)將在渦輪增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)等變速器匹配項(xiàng)目中進(jìn)一步應(yīng)用驗(yàn)證，探索其他的變速器可靠性技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣春明， 阮米慶. 汽車(chē)機(jī)械式變速器多目標(biāo)可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 汽車(chē)工程， 2007， 29（12）：1090-1093.

[2]張逸， 吳光強(qiáng)， 徐平. 轎車(chē)變速器可靠性分析和驗(yàn)證[J]. 汽車(chē)技術(shù)， 2012（8）：40-44.

[3]高敬. 汽車(chē)變速器變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可靠性分析[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2009（16）：91-91.

[4]吳旭， 王朝斌， 朱鑫，等. 某傳動(dòng)系統(tǒng)市區(qū)使用工況試驗(yàn)分析方法研究[J]. 汽車(chē)科技， 2016（2）：84-87.

[5]章文強(qiáng)， 盛云， 于莉，等. 燃料電池轎車(chē)變速器齒輪強(qiáng)度分析及疲勞壽命計(jì)算[J]. 傳動(dòng)技術(shù)， 2009， 23（3）：22-22.