楊 平，鄒喜紅

（1.重慶廣播電視大學(xué)重慶工商職業(yè)學(xué)院智能制造與汽車學(xué)院，重慶401520；2.重慶理工大學(xué)汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054）

雙離合自動(dòng)變速器（Dual Clutch Transmission，DCT）具有傳動(dòng)效率高、安裝空間緊湊、動(dòng)力不中斷、換擋速度快和燃油經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來市場(chǎng)需求旺盛，被認(rèn)為是目前國(guó)內(nèi)最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N新型自動(dòng)變速器［1］。但是，當(dāng)前DCT中的閥體、傳感器、自動(dòng)變速箱控制單元（Transmission Control Unit，TCU）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵零部件的疲勞可靠性相對(duì)較差，缺乏相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證手段和考核方法，已成為制約DCT產(chǎn)業(yè)化的重要因素之一。隨著變速器行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，產(chǎn)品更新速度不斷加快，縮短變速器開發(fā)周期、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力成為各個(gè)變速器廠家的當(dāng)務(wù)之急。DCT研制的短周期和低成本目標(biāo)對(duì)可靠性保障技術(shù)提出了高效性和經(jīng)濟(jì)性的要求，室內(nèi)強(qiáng)化試驗(yàn)成為在時(shí)間和成本約束下保障汽車高可靠性、長(zhǎng)壽命的必然要求。

在道路模擬試驗(yàn)中，編制最為合理、有效的“真實(shí)”加速載荷譜不僅要求能夠最大限度地再現(xiàn)車輛的服役載荷，使零部件的失效部位失效模式與實(shí)際道路實(shí)驗(yàn)相符，而且要求最大可能節(jié)約時(shí)間和精力，從而縮短研發(fā)周期［2］。目前，常用的強(qiáng)化載荷譜編制方法有很多，如軸峰谷抽取法、軌跡追蹤法、時(shí)域損傷編輯法等，通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，時(shí)域損傷編輯法應(yīng)用最為廣泛及成熟，但現(xiàn)有研究更側(cè)重對(duì)載荷譜強(qiáng)化編輯方法和強(qiáng)化系數(shù)的研究。然而，對(duì)強(qiáng)化編輯法從多技術(shù)角度綜合評(píng)價(jià)，并進(jìn)行方法對(duì)比、誤差分析的研究相對(duì)較少。

本文選取刪小幅值法、等損傷濃縮法和線性強(qiáng)化法，對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)采集的載荷譜進(jìn)行損傷保留、載荷強(qiáng)化等多維度綜合分析。通過對(duì)變速器疲勞損傷計(jì)算，分析原始載荷譜和3種強(qiáng)化載荷譜對(duì)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，并對(duì)強(qiáng)化特征和效率進(jìn)行分析，進(jìn)而研究載荷譜不同強(qiáng)化方法的效果及特征，達(dá)到縮短產(chǎn)品研發(fā)時(shí)間，提高產(chǎn)品質(zhì)量，搶先贏得市場(chǎng)占有率的目的。

1 載荷譜采集與預(yù)處理

1.1 載荷譜的采集

在進(jìn)行強(qiáng)化譜的編制時(shí)，必須得到車輛在實(shí)際道路行駛工況下的“真實(shí)”載荷，以此作為迭代的期望響應(yīng)。為全面考核變速器在實(shí)際工況下的振動(dòng)疲勞，在載荷譜采集試驗(yàn)前，對(duì)傳感器布置、車速、換擋等信號(hào)的監(jiān)測(cè)進(jìn)行了分析與規(guī)劃。例如，變速器懸置處的加速度信號(hào)可以準(zhǔn)確描述DCT 總成在路面沖擊下的振動(dòng)特性，是研究懸置的振動(dòng)疲勞及變速器內(nèi)齒輪和軸承故障的重要輸入條件，同時(shí)也可以作為室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)的目標(biāo)期望響應(yīng)信號(hào)。采集GPS 信號(hào)有利于標(biāo)記被試車在試驗(yàn)場(chǎng)的實(shí)際位置信息，為后面進(jìn)行實(shí)際載荷譜的典型路面提取、無效載荷刪除等提供支持。試驗(yàn)路面包括用戶典型工況，如山路、高速公路、顛簸路面等路面特征，試驗(yàn)條件嚴(yán)格按照GB/T 12534—1990《汽車道路試驗(yàn)方法通則》規(guī)定進(jìn)行準(zhǔn)備。

道路模擬試驗(yàn)是為了能夠最大限度地再現(xiàn)車輛的真實(shí)服役載荷，使零部件的失效部位、失效模式與道路實(shí)驗(yàn)相符［2］。本課題針對(duì)要獲取的目標(biāo)載荷信號(hào)，布置了9 路三向加速度傳感器（AC 1~AC9）、1 路變速器油溫信號(hào)、3 路 GPS 信號(hào)、6 路CANBUS 信號(hào)、32 路 4 個(gè)車輪的六分力信號(hào)，并利用數(shù)據(jù)采集器SOMAT eDAQ 將各路信號(hào)同步采集并輸出，部分測(cè)點(diǎn)如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Measure point

1.2 載荷譜的預(yù)處理

由于測(cè)試環(huán)境中的電磁噪聲及測(cè)試系統(tǒng)中的電流干擾等因素，樣本數(shù)據(jù)中存在零點(diǎn)漂移、奇異值、趨勢(shì)項(xiàng)等非真實(shí)信號(hào)，因此，載荷譜原始信號(hào)在加速編輯前一般需進(jìn)行預(yù)處理［3］。本文采用RPC軟件對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波、消除奇異點(diǎn)、無效載荷過濾和載荷外推等預(yù)處理。

（1）為盡可能消除低頻噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)高頻激勵(lì)的干擾，根據(jù)路面隨機(jī)載荷頻譜特征，選用帶通濾波對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行0.6~40 Hz 濾波處理。結(jié)果表明，帶通濾波能有效地去除發(fā)動(dòng)機(jī)高頻激勵(lì)信號(hào)和低頻噪聲信號(hào)的影響。

（2）消除奇異點(diǎn)。奇異值表現(xiàn)為采樣點(diǎn)少（高頻）、隨機(jī)性強(qiáng)或大幅值［4］，為提高后續(xù)信號(hào)分析處理的可信性，必須消除加速度信號(hào)的毛刺。

（3）無效載荷過濾。在實(shí)車載荷譜采集過程中，各強(qiáng)化路面之間存在過渡路段，某些工況以及路況原因還會(huì)出現(xiàn)掛空擋及怠速等待等情況，試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^強(qiáng)化試驗(yàn)考核變速器的疲勞失效過程，所以要將怠速等無效載荷進(jìn)行過濾。

（4）載荷頻次外推。原始載荷譜是基于汽車試驗(yàn)車的耐久性試驗(yàn)采集，只能進(jìn)行部分路況或短時(shí)間的采集，獲取的載荷譜不足以反映變速器在用戶較長(zhǎng)使用里程中承受的大部分載荷，載荷譜外推就恰好可以解決載荷樣本的問題。根據(jù)某企業(yè)強(qiáng)化耐久試驗(yàn)規(guī)范，將合成的樣本譜累積頻次矩陣外推到當(dāng)量用戶實(shí)際道路全壽命周期循環(huán)（106次），以便得到母體樣本中可能出現(xiàn)的符合真實(shí)情況的極值載荷歷程［5］。雨流矩陣外推可以有效地預(yù)測(cè)對(duì)零部件疲勞影響很大的且可能出現(xiàn)的最大值載荷，相對(duì)于其他外推法較優(yōu)，能夠客觀描述全壽命下的載荷分布。

因此，本文按照雨流矩陣外推法［5］，基于采集的母體樣本，對(duì)用戶實(shí)際里程下的剩余樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而直接得到當(dāng)量用戶實(shí)際道路全壽命周期循環(huán)的時(shí)域載荷譜，在主要步驟上減少了外推中主觀因素的影響，這在相關(guān)文獻(xiàn)的研究和試驗(yàn)中也得到了驗(yàn)證［6］。該方法將經(jīng)過預(yù)處理的4個(gè)擋位的樣本數(shù)據(jù)外推到全壽命母體循環(huán)下，最終的外推結(jié)果如圖2所示。

圖2 分擋位雨流矩陣外推結(jié)果Fig.2 Extrapolation results of gear rain flow matrix

2 載荷譜強(qiáng)化編輯與分析

采用在時(shí)域內(nèi)編輯進(jìn)行的加速編輯法對(duì)預(yù)處理后的信號(hào)加速編輯，即刪小幅值法、等損傷濃縮法和線性強(qiáng)化法。運(yùn)用時(shí)域損傷編輯法編制加速?gòu)?qiáng)化譜，不僅能保留原始載荷譜的加載順序和相位關(guān)系，同時(shí)還能保證強(qiáng)化譜與原始譜的加載頻率一致，能準(zhǔn)確體現(xiàn)原始載荷譜的損傷和頻率特性。

2.1 刪小幅值法

刪小幅值法通過刪除無損傷或小損傷載荷對(duì)應(yīng)的時(shí)間歷程，在不改變損傷或犧牲部分損傷的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)載荷譜的加速。合理地刪減小幅值載荷對(duì)加速變速器臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)程效果顯著。據(jù)文獻(xiàn)［7-8］，舍掉某界限值以下的部分循環(huán)載荷，不會(huì)對(duì)構(gòu)件的疲勞產(chǎn)生明顯影響，其界限通常設(shè)為最大載荷的10%~15%或者為疲勞極限的50%左右。通過分析載荷譜保留百分比和疲勞極限百分比的對(duì)應(yīng)關(guān)系，選取載荷幅值最大值的15%進(jìn)行小幅值信號(hào)的濃縮比較安全，可以避免刪除對(duì)損傷影響較大的小載荷信號(hào)。如圖3 所示，刪小幅值法濃縮掉了各擋位中90%左右的載荷循環(huán)次數(shù)，強(qiáng)化效果比較明顯。

圖3 刪小幅值法處理結(jié)果Fig.3 Processing results of small amplitude deletion method

2.2 等效損傷法

損傷保留法的基本思路是按照時(shí)域損傷歷程曲線，同步標(biāo)記原始載荷時(shí)域歷程中的有損傷部分，根據(jù)損傷保留百分比的設(shè)置要求，在累積損傷曲線上，將無損傷和低于設(shè)置值的小載荷刪除，將對(duì)結(jié)構(gòu)損傷貢獻(xiàn)較大的時(shí)域片段之間用半正弦信號(hào)連接，使載荷段之間平穩(wěn)過渡形成新的與原始載荷損傷等效的強(qiáng)化載荷譜。在損傷保留的評(píng)判依據(jù)中，不僅要考慮載荷是否造成損傷，還應(yīng)考慮載荷是否造成強(qiáng)化［9-10］。該方法可以控制載荷具體的損傷保留量，并且保留了原始載荷的次序。保留100%、95% 和90% 損傷的等效強(qiáng)化譜如圖4所示。

圖4 損傷保留法處理結(jié)果及對(duì)比Fig.4 Treatment results and comparison of damage retention method

2.3 線性強(qiáng)化法

刪小幅值法和損傷保留法都沒有改變?cè)驾d荷譜的幅值大小，室內(nèi)強(qiáng)化試驗(yàn)效果將不能發(fā)揮到最大。本文在原始載荷刪小幅值法的基礎(chǔ)上，依據(jù)等效損傷原則，在S-N 曲線上反求其強(qiáng)化后對(duì)應(yīng)幅值的頻次，進(jìn)而研究線性強(qiáng)化法的幅值強(qiáng)化效果。將刪小量強(qiáng)化結(jié)果和1.2倍的線性強(qiáng)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖5 所示，幅值不僅在縱軸上完成了線性平移，在橫軸上對(duì)數(shù)坐標(biāo)下也完成了線性平移。

圖5 等損傷法線性強(qiáng)化1.2倍結(jié)果Fig.5 Linear strengthening 1.2 times results of equal damage method

3 強(qiáng)化載荷譜損傷驗(yàn)證及加速效率分析

損傷是指材料在疲勞過程中還未發(fā)生破壞失效前裂的形成和擴(kuò)展。本文結(jié)合強(qiáng)化試驗(yàn)?zāi)康模捎肕iner 線性疲勞累積損傷理論對(duì)疲勞損傷進(jìn)行分析，不會(huì)影響載荷譜強(qiáng)化的精度。Miner 線性損傷理論認(rèn)為各級(jí)應(yīng)力循環(huán)相互獨(dú)立，疲勞總損傷由各級(jí)疲勞損傷疊加而得，當(dāng)疲勞總損傷累積達(dá)到極限值時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)失效［11-12］。

在RPC 軟件中，計(jì)算各擋位原始載荷譜和3種強(qiáng)化譜的時(shí)域損傷、頻域損傷和強(qiáng)化倍數(shù)，得到原始載荷與強(qiáng)化載荷譜的損傷結(jié)果，進(jìn)而對(duì)強(qiáng)化方法進(jìn)行損傷分析及驗(yàn)證，結(jié)果如表1 所示。由表1 可以看出，隨著載荷強(qiáng)化程度的不斷增加，強(qiáng)化倍數(shù)急劇增大，但各擋位的損傷量卻是大小相當(dāng)，即對(duì)被試件目標(biāo)考核點(diǎn)造成的疲勞損傷基本一致，能用來代替原始信號(hào)做強(qiáng)化試驗(yàn)的載荷譜。由此可知，本文得到的強(qiáng)化載荷在與原始載荷具有相當(dāng)疲勞損傷的作用下，試驗(yàn)效率得到大大提高。3 種強(qiáng)化試驗(yàn)結(jié)果中，載荷譜經(jīng)過1.2倍的線性強(qiáng)化后，強(qiáng)化倍數(shù)最大，但其在時(shí)域和頻域的損傷變化較小，說明等效效果好。因此，選擇1.2 倍的線性強(qiáng)化載荷譜作為最終的強(qiáng)化譜。

表1 幅值強(qiáng)化損傷驗(yàn)證Tab.1 Amplitude enhanced damage verification

4 結(jié)語

實(shí)車載荷譜是室內(nèi)疲勞強(qiáng)化試驗(yàn)和疲勞壽命預(yù)估的可靠保障，但在實(shí)際試驗(yàn)方案中，又不能直接利用原始道路載荷譜進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，否則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)周期加長(zhǎng)。為此，本文在某汽車試驗(yàn)場(chǎng)采集了DCT 實(shí)際行駛道路載荷譜，對(duì)載荷譜進(jìn)行了無效載荷過濾、載荷外推等處理，應(yīng)用時(shí)域損傷編輯法對(duì)實(shí)測(cè)載荷譜進(jìn)行了壓縮與強(qiáng)化，構(gòu)建了不同強(qiáng)化倍數(shù)的道路模擬試驗(yàn)強(qiáng)化譜。為驗(yàn)證載荷譜強(qiáng)化效果的可信性，以3 種強(qiáng)化譜為研究對(duì)象，利用疲勞累計(jì)損傷理論進(jìn)行損傷計(jì)算與驗(yàn)證，結(jié)果出現(xiàn)了與原始載荷相當(dāng)?shù)氖Ч?，時(shí)域長(zhǎng)度大大縮短，從而在一定程度上驗(yàn)證了該強(qiáng)化方法的可行性。該方法可為整車及其零部件室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)用強(qiáng)化載荷譜的編制提供一定的參考。