劉 斌 井 清 吳 澄

(1.上汽商用車技術(shù)中心，上海 200438;2.上海內(nèi)燃機(jī)研究所，上海 200438)

0 前言

傳動系統(tǒng)作為汽車動力總成的核心組成部分，其性能的好壞，對驅(qū)動性能以及整車的行駛性能會有直接影響，對傳動系統(tǒng)進(jìn)行疲勞耐久性試驗是保障汽車質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)［1］。由于汽車傳動系統(tǒng)可靠性試驗的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的室內(nèi)臺架試驗多以強(qiáng)度試驗為主，依據(jù)習(xí)慣或經(jīng)驗對傳動系統(tǒng)零部件進(jìn)行負(fù)荷加載［2］，或者參考國外的試驗規(guī)范進(jìn)行臺架耐久試驗，這些方法都沒有合理考慮用戶的實際行駛。

本文以某輕型商用車為研究對象，以用戶實測傳動系統(tǒng)負(fù)荷譜為依據(jù)，根據(jù)疲勞損傷累積理論，編制滿足95%用戶道路使用情況的傳動系統(tǒng)負(fù)荷譜，為汽車傳動系統(tǒng)室內(nèi)臺架可靠性試驗提供參考依據(jù)。

1 試驗方法機(jī)理

若車輛的輸入負(fù)荷相同，那么它引起的疲勞損傷理論上也應(yīng)相同［3］，基于這一原理，如果已知用戶在實際使用環(huán)境的負(fù)荷輸入，那么就可以通過驅(qū)動電機(jī)或測功機(jī)對傳動系統(tǒng)施加一定的扭矩和轉(zhuǎn)速來重現(xiàn)這一負(fù)荷，從而實現(xiàn)臺架試驗損傷與用戶損傷。圖1說明了關(guān)聯(lián)用戶的傳動系統(tǒng)臺架耐久規(guī)范的流程。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2．1 用戶道路負(fù)荷譜采集

圖1 傳動系統(tǒng)臺架試驗總體流程

傳動軸的扭矩和轉(zhuǎn)速信號是傳動系統(tǒng)臺架試驗的主要測試參數(shù)。粘貼全橋應(yīng)變片并通過臺架標(biāo)定把應(yīng)變信號轉(zhuǎn)為成扭矩信號，信號通過無線發(fā)射機(jī)發(fā)送到數(shù)據(jù)采集設(shè)備。轉(zhuǎn)速信號通過激光轉(zhuǎn)速傳感器獲得。為考慮變速器的換檔情況，采用在駕駛室變速桿上按照上下左右方位安裝4個邏輯開關(guān)，通過4個邏輯信號計算獲得檔位信號的時間歷程。

采集的信號受車輛行駛車速、行駛路面、駕駛員操作習(xí)慣等影響。為了保證測得的負(fù)荷信號更貼近用戶，在全國范圍內(nèi)的不同城市，不同時間段，采用不同配載，2位駕駛?cè)藛T在同一條道路上，按照自己開車習(xí)慣進(jìn)行負(fù)荷譜采集。最終采集了280段負(fù)荷譜，共采集4 000 km的城市道路，13 000 km高速路，900 km山路，載重情況中半載、滿載各占50%。

2．2 負(fù)荷處理與分析

2．2．1 損傷計算原理

雨流計數(shù)通常是根據(jù)負(fù)荷歷程得到全部的負(fù)荷循環(huán)，分別計算出循環(huán)的幅值，并根據(jù)這些幅值得到不同幅值區(qū)間內(nèi)所具有的頻次。如果把這種方法直接用于傳動軸負(fù)荷譜的處理，則會丟失扭矩負(fù)荷對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和檔位信息。因此需要通過傳動軸扭矩時域信號及其轉(zhuǎn)速信號的結(jié)合，統(tǒng)計出傳動軸在各級扭矩下的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，把傳統(tǒng)的負(fù)荷-時間的頻次關(guān)系，轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)荷-旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的頻次關(guān)系，因此本文基于S-N曲線與Miner法則提出傳動軸疲勞損傷計算方法:

式(1)中，T為傳動軸所受扭矩，R為傳動軸在扭矩T作用下的直至失效的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，β為疲勞強(qiáng)度指數(shù)，α為常數(shù)。

式(2)中，l為負(fù)荷等級水平數(shù)，ri為i級負(fù)荷Ti下的傳動軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，Ri為i級負(fù)荷Ti下的疲勞壽命。

2．2．2 基于檔位信號的負(fù)荷譜提取

本文采用4個邏輯開關(guān)來識別檔位，每個檔位對應(yīng)1種邏輯信號，因此對預(yù)處理后的檔位邏輯開關(guān)信號進(jìn)行處理，將4條通道的信號轉(zhuǎn)換為1條通道，如圖2所示，根據(jù)轉(zhuǎn)換后的信號識別各個檔位并分別提取各個檔位的扭矩與轉(zhuǎn)速信號。

圖2 檔位信號的轉(zhuǎn)換

2．2．3 扭矩、轉(zhuǎn)速聯(lián)合統(tǒng)計

對提取后的各個檔位轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行積分處理，獲得累計旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與時間的關(guān)系。該信號與扭矩信號結(jié)合，最終獲得扭矩與累積旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的關(guān)系，過程如圖3所示。

對上述扭矩—累計旋轉(zhuǎn)圈數(shù)信號進(jìn)行分析，通過提取負(fù)荷等級為Tk所對應(yīng)的累計旋轉(zhuǎn)圈數(shù)△r來累加計算負(fù)荷等級Tk所對應(yīng)的傳動軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)(圖4)。本文負(fù)荷等級Tk的范圍為1 N·m。

統(tǒng)計結(jié)果利用公式(1)和(2)計算獲得各段數(shù)據(jù)各檔位下的各負(fù)荷等級下的損傷以及總損傷。

3 用戶目標(biāo)的確立

通過用戶調(diào)研獲得各個用戶在城市道路、高速公路，山區(qū)道路的占比及載重分布情況。通過數(shù)理統(tǒng)計獲得95%用戶各檔位下的疲勞損傷，具體步驟如下:

圖3 扭矩與轉(zhuǎn)速信號重構(gòu)

圖4 負(fù)荷等級Tk所對應(yīng)的傳動軸旋轉(zhuǎn)圈數(shù)

(1)通過實測數(shù)據(jù)使用式(1)和(2)計算用戶在各個路面，各種載重下的疲勞損傷。

(2)結(jié)合用戶調(diào)研結(jié)果計算獲得每個用戶的疲勞損傷:

式(3)中，Di為第i個用戶的損傷，Djk為用戶在j路面上，k載重下的單位公里損傷，fij為第i個用戶j路面的里程比例，gik為第i個用戶k載重的百分比，L為目標(biāo)里程。

(3)對獲得用戶損傷集合進(jìn)行分布擬合，確定滿足95%用戶使用情況的目標(biāo)損傷。

通過對95%用戶目標(biāo)損傷進(jìn)行計算，最終得到95%用戶各檔位各扭矩下的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，將其作為目標(biāo)譜。

4 臺架規(guī)范制定

4．1 扭矩與轉(zhuǎn)速分級處理

由于傳動系統(tǒng)的零部件在檔位時其實質(zhì)是處于不同的傳動齒輪嚙合對，在設(shè)計程序負(fù)荷譜時需要考慮不同檔位下的負(fù)荷變化范圍，避免造成不符合實際運行狀況的不當(dāng)加載［4］。通過統(tǒng)計在用戶實測中1檔扭矩變化范圍為－485～874 N·m，2檔扭矩變化范圍為－500～741 N·m，3檔扭矩變化范圍為 －341～664 N·m，4檔扭矩變化范圍為 －292～567 N·m，5檔扭矩變化范圍為 －290～331 N·m，6檔扭矩變化范圍為－196～270 N·m。對正扭矩和負(fù)扭矩的范圍進(jìn)行分級，目前應(yīng)用較廣泛的是德國結(jié)構(gòu)耐久性及系統(tǒng)可靠性研究所(LBF)的加斯奈爾(Gassner)發(fā)明的八級程序疲勞試驗譜，將扭矩按照比例系數(shù) 1、0．950、0．850、0.725、0．575、0．425、0．275、0.125 進(jìn)行劃分［5］，各級負(fù)荷的扭矩為最大扭矩與比例系數(shù)之乘積，以各級扭矩值為中心對負(fù)荷等級進(jìn)行劃分，統(tǒng)計各檔位各負(fù)荷等級的目標(biāo)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。

為確定各負(fù)荷等級的傳動軸轉(zhuǎn)速，對各負(fù)荷等級下的傳動軸轉(zhuǎn)速均勻劃分為8個區(qū)間，統(tǒng)計各轉(zhuǎn)速下傳動軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)并對其進(jìn)行擬合分布求解，獲得各負(fù)荷等級下轉(zhuǎn)速的分布，取90%的轉(zhuǎn)速作為該負(fù)荷等級的傳動軸轉(zhuǎn)速。表1為1檔各負(fù)荷等級轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果。

表1 1檔各負(fù)荷等級轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)圈數(shù)統(tǒng)計表

4．2 程序負(fù)荷譜的建立

為使負(fù)荷加載更符合實際使用情況，引入換檔頻次作為試驗的1個參數(shù)，統(tǒng)計用戶實測換檔頻次并線性外推到目標(biāo)里程，結(jié)果如表2所示。

表2 換擋頻次統(tǒng)計表

為了減少試驗時間刪除了小負(fù)荷等級，計算發(fā)現(xiàn)各檔位最小2個負(fù)荷等級的扭矩占總損傷比例均小于2%，因此刪除最小的2個負(fù)荷等級進(jìn)行加載，試驗時間縮短了83%。

程序循環(huán)的負(fù)荷工況循環(huán)盡量按低—高—低的順序加載，檔位總體按1-2-3-4-5-6-5-4-3-2-1加載，在循環(huán)中間增加某些檔位的換檔頻次使試驗換檔頻次達(dá)到表2的次數(shù)。

編制的負(fù)荷譜的1～6檔的總損傷與95%用戶目標(biāo)損傷的誤差分別為 3．5%、3．6%、7．3%、7．5%、6.4%、8．3%，其等效性良好。

5 結(jié)論

討論了傳動系統(tǒng)室內(nèi)臺架耐久規(guī)范的制定流程，對傳動軸扭矩及其轉(zhuǎn)速采取分級計數(shù)的方法，建立了傳動軸疲勞損傷的計算方法。結(jié)合實際用戶調(diào)研結(jié)果，獲得各檔位下95%用戶目標(biāo)損傷。根據(jù)用戶目標(biāo)，編制各檔位的程序負(fù)荷譜，考慮換檔頻次確定負(fù)荷加載順序，使臺架試驗?zāi)艹浞址从秤脩舻膶嶋H使用情況。本文所述的方法為準(zhǔn)確評價汽車傳動系零部件的可靠性和制定科學(xué)的室內(nèi)臺架試驗規(guī)范提供依據(jù)。

［1］王林剛．基于道路負(fù)荷譜的汽車變速器加載試驗技術(shù)的研究［D］．合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

［2］李文禮，石曉輝，柯堅，施全，鄒喜紅，余勇，易鵬．關(guān)聯(lián)用戶的汽車傳動系負(fù)荷譜室內(nèi)臺架試驗編制方法［J］．機(jī)械工程學(xué)報，2014，50(20):143-150.

［3］門玉琢，李顯生，于海波．與用戶相關(guān)的汽車可靠性試驗新方法［J］．機(jī)械工程學(xué)報，2008，44(2):223-229.

［4］劉彥龍，鄒喜紅，石曉輝，趙秋林．基于擋位的汽車傳動系負(fù)荷譜提取與外推［J］．重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2015，29(04):17-23．

［5］Lee Y，et al．Fatigue analysis handbook:pra-ctical problem-solving techniques for computer aided engineering［M］．Elsevier，2011．