雙離合器變速器振動(dòng)與沖擊載荷譜的采集與分析

譙凱，鄒喜紅，石曉輝，熊鋒，劉彥龍

(汽車(chē)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)

雙離合器變速器振動(dòng)與沖擊載荷譜的采集與分析

譙凱，鄒喜紅，石曉輝，熊鋒，劉彥龍

(汽車(chē)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)

在分析雙離合器變速器(DCT)實(shí)際運(yùn)動(dòng)和受力情況的基礎(chǔ)上，選取表征DCT關(guān)鍵零部件運(yùn)動(dòng)和受力特征的載荷譜測(cè)點(diǎn)，按某企業(yè)整車(chē)耐久性試驗(yàn)方法在襄陽(yáng)汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)采集大量載荷譜。對(duì)采集的振動(dòng)沖擊載荷譜進(jìn)行了時(shí)域和頻域分析，提取了載荷譜特征。結(jié)果表明:采集的道路載荷譜真實(shí)可靠，具有很好的重復(fù)性，為分析和評(píng)價(jià)DCT關(guān)鍵零部件疲勞可靠性提供了科學(xué)有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

雙離合器變速器;載荷譜;采集

雙離合器變速器(DCT)整機(jī)效率高，在燃油經(jīng)濟(jì)性和成本之間達(dá)到了較好的平衡，因而具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。目前，DCT的閥體、傳感器和電子元件等關(guān)鍵零部件的疲勞可靠性是我國(guó)DCT產(chǎn)業(yè)化急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一，而影響這些關(guān)鍵零部件疲勞可靠性的最主要激勵(lì)來(lái)自于汽車(chē)實(shí)際行駛時(shí)的振動(dòng)和沖擊。因此，準(zhǔn)確提取汽車(chē)實(shí)際行駛時(shí)的DCT振動(dòng)沖擊載荷譜，掌握實(shí)際行駛載荷譜的變化規(guī)律是進(jìn)行DCT關(guān)鍵零部件疲勞試驗(yàn)、疲勞壽命估計(jì)、疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算的先決條件。目前歐美國(guó)家對(duì)載荷譜的研究大都經(jīng)過(guò)近40年的試驗(yàn)驗(yàn)證，已經(jīng)逐漸走向成熟，針對(duì)不同領(lǐng)域建立了大量載荷譜數(shù)據(jù)庫(kù)。但由于技術(shù)封鎖等原因，相關(guān)載荷譜提取及其分析方法很難獲得。相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)在載荷譜方面的研究起步較晚，尤其是對(duì)汽車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系實(shí)際行駛載荷譜方面的研究還很欠缺。為此，本文在分析DCT實(shí)際運(yùn)動(dòng)和受力情況下，建立了車(chē)輛實(shí)際行駛時(shí)DCT振動(dòng)與沖擊載荷譜采集方法，分析了DCT振動(dòng)與沖擊載荷譜的特征，為DCT及其關(guān)鍵零部件壽命估算、室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)和CAE分析提供了科學(xué)有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 道路載荷譜采集

試車(chē)道路載荷譜的采集試驗(yàn)是為了得到汽車(chē)在實(shí)際道路行駛中的載荷信息，在實(shí)際運(yùn)用地區(qū)的公共道路或者試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行試車(chē)道路試驗(yàn)，以獲取道路載荷譜。對(duì)實(shí)車(chē)道路載荷譜的采集是后續(xù)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)、仿真分析的可靠依據(jù)［2］。

1.1 測(cè)點(diǎn)選擇及布置

在實(shí)車(chē)行駛中，路面沖擊和車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)是引起DCT振動(dòng)的主要激勵(lì)源。加速度信號(hào)能較準(zhǔn)確地描述DCT總成的振動(dòng)特性，因而本次試驗(yàn)采用加速度傳感器法。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及用戶使用情況，考慮到DCT閥體、傳感器、電子元件等關(guān)鍵零部件對(duì)振動(dòng)沖擊最為敏感，因此選取這些位置附近的點(diǎn)布置加速度傳感器。由于應(yīng)變信號(hào)能反映變速器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，可為相關(guān)分析、模擬迭代、疲勞監(jiān)控及今后變速器總成、零部件的室內(nèi)模擬試驗(yàn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所以本次試驗(yàn)在分析結(jié)構(gòu)受力的基礎(chǔ)上選擇在便于布置的應(yīng)力集中區(qū)域布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)的選取既要突出重點(diǎn)又要照顧整體，只有這樣才能有效獲得所需要的各種信息［3］。部分測(cè)點(diǎn)的布置情況如圖1所示，其中AC1、S1等為傳感器編號(hào)。

圖1 部分測(cè)點(diǎn)的布置情況

1.2 測(cè)試系統(tǒng)組建及系統(tǒng)調(diào)試

被測(cè)對(duì)象為某汽車(chē)公司新研發(fā)的DCT，搭載于該公司生產(chǎn)的某款車(chē)型上。試驗(yàn)儀器包括具有16通道低電平輸入、16通道高電平輸入的SOMat eDAQ數(shù)字采集系統(tǒng)，以及筆記本電腦等外部設(shè)備。應(yīng)用軟件包括Flex Test GT系統(tǒng)軟件、SOMat TCE系統(tǒng)管理軟件和數(shù)據(jù)采集軟件、MTS RPC Pro數(shù)據(jù)管理和處理軟件。按規(guī)范步驟布置傳感器，對(duì)傳感器的測(cè)量連接線進(jìn)行標(biāo)號(hào)，并連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備中進(jìn)行標(biāo)定和調(diào)試。測(cè)試系統(tǒng)的流程如圖2所示。連接好的測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)流程

圖3 連接好的測(cè)試系統(tǒng)

1.3 路面選擇

試驗(yàn)路段的選擇需要綜合考慮汽車(chē)的使用范圍及相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。本研究選取襄陽(yáng)汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)綜合路段和工況路段，所選路段集中了實(shí)際使用條件下的各種使用工況，且試驗(yàn)條件較穩(wěn)定，可比性強(qiáng)。路面包括水泥路、條石路、坡道路、坑洼路、沙石路、礫石路、搓板路、共振路和高速環(huán)道等。圖4為兩種典型路面。

圖4 典型路面

1.4 載荷譜采集

采樣前駕駛?cè)藛T應(yīng)對(duì)各種路面進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，然后在駕駛員身體能夠承受的車(chē)速范圍內(nèi)控制車(chē)速［4］。通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集各典型路面各個(gè)布置點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號(hào)。在本次道路載荷譜采集中，道路各種路面的分配比例和行駛車(chē)速通過(guò)某企業(yè)整車(chē)可靠性試驗(yàn)方法確定。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中使用GPS車(chē)速儀對(duì)車(chē)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。部分道路測(cè)試車(chē)速及其組合如下所示:

1)2 環(huán)(50 km/h過(guò)灣)→制動(dòng)4(80～30 km/h)→制動(dòng)1(90～30 km/h，2次)→制動(dòng)2 (70～50 km/h)→制動(dòng)1(80 km/h，熄火檢查)。

2)坡路→上坡16.6%(全油門(mén)加速，不超過(guò)40 km/h，坡頂減速至15 km/h)→下坡20%(40 km/h)→上坡30%→下坡20%(50 km/h)→上坡30%→下坡16.6%(30 km/h)→2環(huán)。

3)過(guò)南灣(80 km/h)→坑洼路(30 km/h)→鵝卵石路→共振路→砂石路(50 km/h制動(dòng))→2環(huán);

4)制動(dòng)4(80～30 km/h)→制動(dòng)1(90～30 km/h)→制動(dòng)2(50 km/h制動(dòng)，2次)→高速環(huán)道(120 km/h，42 km)

為驗(yàn)證采集載荷譜的可靠性和重復(fù)性，每種路面上采樣3個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)。圖5(a)、(b)、(c)是43138測(cè)點(diǎn)在綜合路上采集的3個(gè)方向的加速度原始信號(hào)，圖5(d)是測(cè)點(diǎn)72957在工況路段上采集的應(yīng)變?cè)夹盘?hào)。

圖5 原始信號(hào)

2 道路載荷譜分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

受環(huán)境溫度、測(cè)試系統(tǒng)誤差、外界信號(hào)干擾等因素影響，采集的原始響應(yīng)信號(hào)中容易混入零點(diǎn)漂移、趨勢(shì)項(xiàng)和高頻噪聲等非真實(shí)的信號(hào)。為保證載荷譜的可靠性和真實(shí)性，需要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行必要的分析和處理。通常消除偽信號(hào)的方法有濾波、除均值和除偏置等［3］。如圖6中曲線1表示采集到的原始應(yīng)變信號(hào)出現(xiàn)了明顯的零點(diǎn)漂移。為了消除偽信號(hào)，對(duì)采集到的原始信號(hào)進(jìn)行濾波處理。實(shí)踐表明，路面在垂直方向的激勵(lì)頻率主要集中在0.5～20 Hz頻段內(nèi)，可以對(duì)原始響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行0～50 Hz低通濾波。經(jīng)過(guò)對(duì)比可以看出:濾波后零點(diǎn)漂移得到了徹底的消除，而信號(hào)的幅值和趨勢(shì)沒(méi)有發(fā)生變化。

圖6 濾波前和濾波后的信號(hào)對(duì)比

另外，某些干擾或意外因素使測(cè)試數(shù)據(jù)中某幾個(gè)點(diǎn)絕對(duì)值異常大。異常峰值的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)的失真，特別是在疲勞損傷計(jì)算中會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷大幅度的增加。圖7(a)中1 200 s附近出現(xiàn)的峰值為奇異值。為保證數(shù)據(jù)的可靠性須除去該奇異值，如圖7(b)所示。

圖7 去除奇異值前后信號(hào)對(duì)比

2.2 數(shù)據(jù)重復(fù)性檢查

為對(duì)采集的載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)性分析，對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，獲得各個(gè)循環(huán)的載荷譜時(shí)間歷程，然后對(duì)各個(gè)循環(huán)時(shí)間歷程進(jìn)行功率譜密度分析。圖8(a)是綜合路43138測(cè)點(diǎn)Z方向各個(gè)循環(huán)的加速度功率譜密度。圖8(b)是綜合路72957測(cè)點(diǎn)Z方向各個(gè)循環(huán)的加速度功率譜密度。圖8(c)是高速路43138測(cè)點(diǎn)Z方向各個(gè)循環(huán)的加速度功率譜密度。圖8(d)是高速路72957測(cè)點(diǎn)垂直方向各個(gè)循環(huán)的加速度功率譜密度。由圖8可以看出，同一路面同一信號(hào)各個(gè)循環(huán)的功率譜密度基本上完全重合，因此采集的道路載荷譜重復(fù)性很好。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征值分析

道路載荷譜的統(tǒng)計(jì)特征值是描述其強(qiáng)度的重要指標(biāo)。對(duì)于載荷譜而言，最大、最小值確定了最大動(dòng)載荷，平均值表示了載荷是否有靜載荷分量，方差描述了信號(hào)的波動(dòng)分量，標(biāo)準(zhǔn)差反映了路面的惡劣程度，均方根值代表了統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度的指標(biāo)。這些參數(shù)為結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)、壽命分析和室內(nèi)模擬試驗(yàn)提供了依據(jù)［5－6］。表1選取了3個(gè)具有代表性的測(cè)點(diǎn)，提取各種路面下加速度測(cè)點(diǎn)響應(yīng)的特征值，能初步判斷不同路面對(duì)DCT振動(dòng)狀態(tài)的影響以及不同部位在一定路面上的敏感程度。

圖8 載荷譜重復(fù)性比較

表1 統(tǒng)計(jì)特征分析

從初步的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出:共振路的振動(dòng)最劇烈，坑洼路次之，坡道路和砂石路運(yùn)行較平穩(wěn)，即標(biāo)準(zhǔn)差越小的路面振動(dòng)越小，標(biāo)準(zhǔn)差越大的路面振動(dòng)越大。由表1可以看出:懸置處的測(cè)點(diǎn)加速度明顯比DCT上的其他測(cè)點(diǎn)大，表明DCT懸置具有較好的減振性能，使振動(dòng)能量得到了有效的衰減。

2.4 自功率譜分析

功率譜反映了載荷在各頻率成分上的振動(dòng)能量，對(duì)研究零部件的強(qiáng)度和疲勞壽命是非常重要的［7］。為排除干擾信號(hào)對(duì)振動(dòng)能量的影響，對(duì)以上提取的不同路面數(shù)據(jù)采用0～50 Hz濾波后進(jìn)行自功率譜分析，結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，路面引起的振動(dòng)能量隨機(jī)分布在30 Hz以下的低頻部分，以12 Hz附近最為集中。在5～30 Hz頻段內(nèi)振動(dòng)能量大小關(guān)系基本滿足共振路＞坑洼路＞礫石路＞砂石路＞坡道路，與統(tǒng)計(jì)特征分析結(jié)果一致。對(duì)于同一種路面，在同等振動(dòng)頻率影響下，測(cè)點(diǎn)43138點(diǎn)Z向的功率譜密度幅值相比其他測(cè)點(diǎn)偏大，說(shuō)明該點(diǎn)對(duì)路面沖擊更為敏感。

圖9 自功率譜分析

3 結(jié)論

1)載荷譜統(tǒng)計(jì)特征分析和自功率譜密度分析的結(jié)果一致，符合路面引起的汽車(chē)振動(dòng)頻率范圍，各循環(huán)自功率譜密度曲線除少數(shù)頻率范圍有所差別外其余吻合度較高，表明DCT道路載荷譜真實(shí)可靠。

2)對(duì)于有零點(diǎn)漂移、異常峰值的信號(hào)，可以通過(guò)濾波、去除奇異點(diǎn)的方法消除偽信號(hào)，從而得到真實(shí)信號(hào)。

3)載荷譜振動(dòng)能量分布表明典型路面對(duì)DCT的激振頻率主要集中在12 Hz附近，在設(shè)計(jì)時(shí)可調(diào)整懸置參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)等避開(kāi)頻率敏感成分，以免發(fā)生共振。

［1］牛樹(shù)宇，黃安華.雙離合自動(dòng)變速器是我國(guó)未來(lái)自動(dòng)變速器的最佳選擇［J］.農(nóng)機(jī)使用與維修，2009(5):21－22.

［2］楊平，石曉輝.摩托車(chē)典型道路載荷譜采集及分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(11):193－195.

［3］王霄鋒.汽車(chē)可靠性工程基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［4］王云鵬，李顯生.試驗(yàn)場(chǎng)特定路面對(duì)汽車(chē)振動(dòng)響應(yīng)的影響［J］.公路交通科技，1997(3):59－62.

［5］郭虎，鄧耀文.車(chē)輛隨機(jī)載荷譜的統(tǒng)計(jì)分析［J］.汽車(chē)科技，2003(6):43－45.

［6］江征風(fēng).測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2007.

［7］錢(qián)立軍，吳道俊.基于室內(nèi)道路模擬技術(shù)的整車(chē)加速耐久性試驗(yàn)的研究［J］.汽車(chē)工程，2011(2):91－95.

(責(zé)任編輯 劉舸)

Sampling and Analysis of DCT Vibration and Shock Spectrum

QIAO Kai，ZOU Xi－h(huán)ong，SHI Xiao－h(huán)ui，XIONG Feng，LIU Yan－long
(Key Laboratory of Manufacture and Test Techniques for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing 400054，China)

Based on analysis of DCT real motion and force，the paper chooses representative points characterize DCT key parts’movement and stress.By referring to durability test methods of an enterprise，a large number of loading spectrum was acquired on Xiangyang Automobile Proving Ground and was analyzed on time history and frequency domain.The results show the acquired loading spectrum is reliable and well－repetitive，which provides effective data for evaluating the fatigue reliability of DCT key parts.

DCT;loading spectrum;sampling

U461

A

1674－8425(2014)05－0019－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.05.004

2013－11－29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51205432);國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAH32F01);重慶市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2012gg－yyjsB30002，cstc2011ggB60010);重慶理工大學(xué)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(YCX2012303)

譙凱(1987—)，男，山東人，碩士研究生，主要從事汽車(chē)測(cè)試技術(shù)研究。

譙凱，鄒喜紅，石曉輝，等.雙離合器變速器振動(dòng)與沖擊載荷譜的采集與分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(5):19－23.

format:QIAO Kai，ZOU Xi－h(huán)ong，SHI Xiao－h(huán)ui，et al.Sampling and Analysis of DCT Vibration and Shock Spectrum［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(5):19－23.