基于道路載荷譜的城市公交車輛傳動(dòng)耐久性試驗(yàn)方法

米 林，彭 逸，譚 偉，王蘇磊

(重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054)

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基于道路載荷譜的城市公交車輛傳動(dòng)耐久性試驗(yàn)方法

米 林，彭 逸，譚 偉，王蘇磊

(重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054)

城市公交車輛行駛路線相對(duì)固定，道路載荷重復(fù)性高。為了更精確地評(píng)估城市公交車輛傳動(dòng)耐久性，提出了基于用戶載荷譜的新型測(cè)試方法。首先，采集某時(shí)段的城市公交車輛在行駛過程中的變速器輸出軸道路載荷譜，結(jié)合行駛擋位，將道路載荷分解到變速器輸入軸，計(jì)算其行駛里程中其各擋位的輸入軸載荷分布情況，細(xì)化到不同載荷等級(jí)區(qū)間，并計(jì)算頻次。其次，采用等效損傷理論，將不同等級(jí)的載荷等效至最大損傷載荷并折算加載循環(huán)次數(shù)。最后，根據(jù)設(shè)計(jì)行駛里程與實(shí)際道路載荷譜行駛里程，外推最大損傷載荷下的循環(huán)加載次數(shù)，提出關(guān)聯(lián)用戶道路載荷的變速器耐久性試驗(yàn)方法。研究結(jié)果表明：在變速器耐久性試驗(yàn)中，通過該方法得到了城市公交車輛常用行駛擋位的可靠性試驗(yàn)循環(huán)加載次數(shù)，同時(shí)更準(zhǔn)確地測(cè)試了城市公交車輛變速器的耐久性。

變速器；壽命試驗(yàn)；加速疲勞；道路載荷譜

在國(guó)內(nèi)，城市公交車輛通常所匹配的變速器為5擋變速器。在實(shí)際行駛過程中，由于公交站臺(tái)較多，平均相隔1 km就有1個(gè)站臺(tái)，且城市道路存在紅綠燈較多、交通擁堵等情況，因此城市公交車輛起步、制動(dòng)頻繁，部分擋位換擋頻率較高，常處于低速低擋的情況，平均行駛時(shí)速一般在30～40 km/h，最高時(shí)速一般不超過60 km/h，且行駛路線相對(duì)固定。

汽車變速器耐久試驗(yàn)一般主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或習(xí)慣對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行加載，該方法不能有效結(jié)合用戶的使用情況，因此導(dǎo)致一些試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際失效模式差距較大。由于城市公交車輛變速器的試驗(yàn)方法多數(shù)由乘用車或載重汽車的試驗(yàn)方法演變而來，針對(duì)性不強(qiáng)，與實(shí)際使用故障不符，因此為了更精確地評(píng)估城市公交車輛傳動(dòng)耐久性，對(duì)城市公交車輛變速器的疲勞壽命試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，提出了基于用戶載荷譜的新型測(cè)試方法。

1 變速器疲勞壽命失效的模式與疲勞壽命分析

國(guó)內(nèi)外研究表明：變速器零件損壞以疲勞破壞為主。疲勞破壞是指零件或構(gòu)件受到低于材料屈服極限的交變應(yīng)力、應(yīng)變的反復(fù)作用，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，在應(yīng)力集中的部位出現(xiàn)裂紋萌生、擴(kuò)展直至最終斷裂的過程[1-2]。在此過程中，由于齒輪的嚙合產(chǎn)生振動(dòng)或沖擊，并反作用于軸類零件和箱體，因此又加劇了變速器出現(xiàn)疲勞破壞這一過程。

疲勞破壞的過程主要分為4個(gè)階段：裂紋成核、微觀裂紋擴(kuò)展、宏觀裂紋擴(kuò)展和最終斷裂。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，裂紋成核和微觀裂紋擴(kuò)展又被稱為裂紋萌生階段，而宏觀裂紋擴(kuò)展稱為裂紋擴(kuò)展階段。在裂紋形成或結(jié)構(gòu)完全失效的時(shí)候，便可檢測(cè)到由于零件彎曲或軸向疲勞失效引起的蛤殼狀。

零件在給定應(yīng)力水平S的循環(huán)載荷下的累計(jì)損傷D為：

(1)

其中：a為疲勞損傷裂紋長(zhǎng)度；af為斷裂時(shí)的裂紋長(zhǎng)度；a0為初始裂紋長(zhǎng)度；n為達(dá)到裂紋長(zhǎng)度a時(shí)外加載荷的循環(huán)次數(shù)；Nf值為在達(dá)到最終斷裂的裂紋長(zhǎng)度af時(shí)的外加載荷循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)Miner準(zhǔn)則(線性損傷模型)，可以計(jì)算出在不同應(yīng)力水平的共同作用下零件的疲勞損傷：

(2)

其中：D為疲勞累積損傷；ni為在應(yīng)力水平si作用下的循環(huán)數(shù)；Nfi為在應(yīng)力水平si作用下的疲勞壽命。

2 用戶關(guān)聯(lián)道路載荷譜的采集

根據(jù)疲勞結(jié)構(gòu)理論，汽車變速器齒輪的疲勞損傷主要由循環(huán)載荷引起。當(dāng)汽車輸入載荷一定時(shí)，其所引起的疲勞損傷也是一致的。基于這一理論，將采集到的汽車行駛道路載荷譜進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將變速器輸出端的扭矩-轉(zhuǎn)數(shù)等效到變速器的輸入端，同時(shí)引入等效損傷轉(zhuǎn)速，便可認(rèn)為試驗(yàn)室臺(tái)架上用驅(qū)動(dòng)電機(jī)或測(cè)功機(jī)對(duì)變速器施加一定的轉(zhuǎn)數(shù)和扭矩所引起的損傷值和道路載荷譜中的損傷值是等效的。車輛道路載荷譜的數(shù)據(jù)采集主要包括在各個(gè)擋位下的變速器輸出軸的轉(zhuǎn)數(shù)和扭矩[4-5]。

本試驗(yàn)中典型路面選取重慶李家沱公交車場(chǎng)到磁器街301路公交車往返行駛路段(圖1)，對(duì)其進(jìn)行1天10次往返的道路載荷數(shù)據(jù)采集，總行駛距離大約為304 km。由于采集時(shí)間較長(zhǎng)，道路載荷譜樣本數(shù)據(jù)量較大，因此將采樣頻率設(shè)為1 Hz。

圖1 重慶301路公交車行駛路線

該公交車變速器額定輸入轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，額定輸入扭矩為800 N·m，由于公交車輛變速器1擋使用率約為2%，因此在行駛304 km的路程中，使用1 擋行駛的路程為6 km。將道路載荷譜以各個(gè)擋位進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取，在各擋位下按扭矩范圍進(jìn)行時(shí)間、區(qū)間劃分，根據(jù)公式

(3)

計(jì)算出給定扭矩Ti下的輸出軸轉(zhuǎn)數(shù)。

按區(qū)間劃分后，變速器在1擋位置時(shí)輸出軸的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)如表1所示。

由于采集的道路載荷譜屬于短期的載荷，且變速器整個(gè)壽命周期的使用循環(huán)次數(shù)較大，因此需采用循環(huán)外推法來預(yù)測(cè)變速器長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)載荷。循環(huán)外推法是將扭矩-轉(zhuǎn)數(shù)分布上的轉(zhuǎn)數(shù)乘以一個(gè)較大的循環(huán)次數(shù)外推系數(shù)，使轉(zhuǎn)數(shù)曲線圖坐標(biāo)上移，然后將扭矩外推到變速器所匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出扭矩(變速器輸出軸)兩端的極值上[6]。

表1 1擋輸出軸的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)

采用循環(huán)外推法，將變速器1擋行駛的輸出軸扭矩-轉(zhuǎn)數(shù)外推400倍后就可以得到該變速器1擋行駛2 400 km的輸出軸扭矩和轉(zhuǎn)數(shù),如表2所示。

表2 采用循環(huán)外推法后1擋輸出軸的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)

由于公交車輛變速器傳動(dòng)比范圍廣，低擋位時(shí)變速器輸出扭矩較大，而且變速器疲勞壽命試驗(yàn)是在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行的，因此對(duì)于輸出端的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)的控制相對(duì)困難，應(yīng)根據(jù)1擋傳動(dòng)比將輸出端的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)變換到輸入端。1擋傳動(dòng)比為6.88，根據(jù)公式：

(4)

(5)

即可得到輸入端的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)，其中：Ti為變速箱輸入軸扭矩；To為變速箱輸出軸扭矩；Ri為變速箱輸入軸轉(zhuǎn)數(shù)；Ro為變速箱輸出軸轉(zhuǎn)數(shù)；i為傳動(dòng)比。

同時(shí)引入等效損傷轉(zhuǎn)數(shù)方程：

(6)

其中：b=0.1為抗疲勞曲線的斜率；TB=800N·m為變速器試驗(yàn)中輸入軸控制的扭矩；Req為等效損傷轉(zhuǎn)數(shù)。

計(jì)算時(shí)，將車輛慣性滑行時(shí)的扭矩(負(fù))變換為正扭矩，得到等效損傷轉(zhuǎn)數(shù)，如表3所示。

由表3可知:當(dāng)扭矩在756 ～814N·m時(shí)，將對(duì)變速器產(chǎn)生比其他扭矩更大的損傷。因此，在試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)變速器進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)時(shí)，額定輸入扭矩為800N·m是比較合理的。由表3可以得出：在1擋時(shí)輸入軸的總等效損傷轉(zhuǎn)數(shù)為894 298 轉(zhuǎn)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為1 500r/min，由此計(jì)算出在試驗(yàn)臺(tái)架上產(chǎn)生的與實(shí)際采集的道路載荷譜相對(duì)應(yīng)的等效損傷所需要的試驗(yàn)時(shí)間為：T=894 298/1 500/60=9.94h。

用同樣的方法，計(jì)算出該變速器其他各擋位在試驗(yàn)臺(tái)架上產(chǎn)生的與實(shí)際采集的道路載荷譜相對(duì)應(yīng)的等效損傷所需要的試驗(yàn)時(shí)間，如表4所示。

3 變速器加速疲勞試驗(yàn)研究

對(duì)該公交車輛行駛304km的道路載荷譜進(jìn)行采集，經(jīng)循環(huán)外推法外推400倍得到該車輛行駛12 000km的變速器各個(gè)擋位的等效損傷轉(zhuǎn)數(shù)和在試驗(yàn)臺(tái)架上的試驗(yàn)時(shí)間，從中可以得出在試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)該變速器的各個(gè)擋位進(jìn)行試驗(yàn)的總時(shí)間為675.6h。該試驗(yàn)總時(shí)間較長(zhǎng)，試驗(yàn)費(fèi)用較高，因此需要對(duì)其進(jìn)行加速疲勞試驗(yàn)，縮短試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)成本。

表3 1擋輸出軸的扭矩和等效損傷轉(zhuǎn)數(shù)

表4 各擋位等效損傷所需要的試驗(yàn)時(shí)間

加速疲勞試驗(yàn)是指在齒輪等零部件材料的強(qiáng)度范圍以內(nèi)，在變速器的輸入端輸入一定范圍的超過變速器額定輸入轉(zhuǎn)矩進(jìn)行試驗(yàn)，一般的加速疲勞試驗(yàn)的輸入扭矩為額定輸入扭矩的120%、140%、160%等[7-8]。但是在進(jìn)行加速疲勞壽命試驗(yàn)時(shí)，必須保證變速器的失效位置和失效機(jī)理與正常疲勞壽命試驗(yàn)時(shí)相同。由于車輛在行駛過程中需要在每個(gè)擋位之間切換，不會(huì)保持某一個(gè)擋位長(zhǎng)時(shí)間的行駛，因此在對(duì)每個(gè)擋位進(jìn)行加載試驗(yàn)時(shí)，各個(gè)擋位的連續(xù)加載時(shí)間不超過2 h。

1966年Conover等[9]通過對(duì)45鋼進(jìn)行加載疲勞試驗(yàn)得出：無論是采取間隔分布、正態(tài)分布還是對(duì)數(shù)分布的加載方式，雖然出現(xiàn)疲勞破壞時(shí)的循環(huán)載荷次數(shù)不同，但是其S-N曲線斜率相同，如圖2所示。

圖2 聯(lián)合循環(huán)的S-N曲線

由S-N曲線可知：隨著載荷幅值的增加，零件達(dá)到破壞的循環(huán)次數(shù)會(huì)減少，相應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間即可縮短，這就是加速疲勞壽命試驗(yàn)的原理。

在對(duì)汽車變速器零部件進(jìn)行加速疲勞試驗(yàn)時(shí)，正常疲勞壽命試驗(yàn)的循環(huán)加載次數(shù)與加速疲勞壽命試驗(yàn)的循環(huán)加載次數(shù)之間的關(guān)系為：

(7)

其中：斜率K的值為6.5～7；T正常和T加速分別為正常疲勞壽命試驗(yàn)載荷和加速疲勞試驗(yàn)載荷；N正常和N加速分別為正常疲勞壽命試驗(yàn)的循環(huán)加載次數(shù)與加速疲勞壽命試驗(yàn)的循環(huán)加載次數(shù)。由上述公式以及各擋的加載試驗(yàn)載荷強(qiáng)化系數(shù)就可以計(jì)算出各擋的加速疲勞試驗(yàn)的時(shí)間，如表5所示，其中K值取6.6。

表5 變速器加速時(shí)間測(cè)試明細(xì)表

與正常疲勞壽命試驗(yàn)所需總時(shí)間675.6 h相比，加速疲勞壽命試驗(yàn)總時(shí)間為97.01 h，節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間578.59 h，為正常疲勞壽命試驗(yàn)時(shí)間的13.5%。因此，采用加速疲勞壽命試驗(yàn)方法可以大量節(jié)約試驗(yàn)成本和時(shí)間。

4 變速器試驗(yàn)測(cè)試

李家沱公交車場(chǎng)到磁器街的301路公交車輛搭載的該新變速器在行駛了12萬km時(shí)，其1擋出現(xiàn)了疲勞故障，根據(jù)其實(shí)際行駛時(shí)間，計(jì)算出該變速器1 擋的循環(huán)轉(zhuǎn)數(shù)為894 298，而按照德國(guó)ZF(采埃孚)變速器公司的汽車機(jī)械式變速器臺(tái)架試驗(yàn)方法，只需要做轉(zhuǎn)數(shù)為720 000的疲勞壽命試驗(yàn)，1 擋齒輪就出現(xiàn)了同樣的故障。

本文1 擋加速疲勞壽命試驗(yàn)時(shí)間為9.94 h，與德國(guó)ZF(采埃孚)變速器公司提出的規(guī)范時(shí)間少0.6%，其誤差在10%以內(nèi)。

在試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)該變速器1擋進(jìn)行正常疲勞壽命試驗(yàn)，當(dāng)運(yùn)行到800 000轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)齒輪出現(xiàn)了齒面點(diǎn)蝕現(xiàn)象(如圖3所示)，結(jié)果相對(duì)合理、有效。

圖3 齒面點(diǎn)蝕現(xiàn)象

5 結(jié)束語

本文對(duì)關(guān)聯(lián)用戶載荷譜的公交車輛變速器臺(tái)架強(qiáng)化試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，結(jié)合實(shí)際研究對(duì)象，對(duì)城市公交車輛變速器的疲勞壽命失效機(jī)理和變速器道路載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)合混合S-N曲線，提出加速疲勞壽命試驗(yàn)方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)，證明了加速疲勞壽命試驗(yàn)的合理性。研究結(jié)果表明：在變速器耐久性試驗(yàn)中，通過該方法得到了城市公交車輛常用行駛擋位的可靠性試驗(yàn)循環(huán)加載次數(shù)，同時(shí)更準(zhǔn)確地測(cè)試了城市公交車輛變速器的耐久性。

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Transmission Durability Testing Method of Bus Based on Road Load Spectrums

MI Lin， PENG Yi， TAN Wei， WANG Su-lei

(1.Key Laboratory of Advanced Manufacturing and Test Technology for Automobile Parts,Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054,China)

Due to relatively fixed routes of public transportation, road load is with high repeatability. In order to evaluate transmission durability of bus accurately, a new test method based on user load spectrum was proposed. Firstly, road load spectrum of transmission output shaft while driving during certain period was collected. Loads of transmission output shaft has been decomposed on the transmission input shaft and input shaft loading condition was figured out in various gears. Meanwhile, frequency distribution of different load grades was obtained. Secondly, based on equivalent damage theory, different levels of load were regarded as equivalent to the maximum damage and number of load cycles was worked out. Finally, according to design mileage and the mileage of road load spectrum, cycle index of loading which causes maximum damage was extrapolated. Therefore, method of testing durability of transmission associated customers of the road load spectrum was established. This study shows that transmission durability tests increased the city bus drive reliability test cycle times and accurately tested the durability of bus transmissions.

transmission; life test; accelerated fatigue; road load spectrum

2016-12-18

米林(1964—)，男，博士，教授，主要從事控制測(cè)控技術(shù)、 汽車電子及新能源汽車方面研究，E-mail:linmi@cqut.edu.cn; 彭逸(1990—)，女，碩士研究生,主要從事機(jī)電系統(tǒng)測(cè)試與控制技術(shù)研究，E-mail:cos8023@outlook.com。

米林，彭逸，譚偉，等.基于道路載荷譜的城市公交車輛傳動(dòng)耐久性試驗(yàn)方法[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(4):15-20.

format：MI Lin，PENG Yi，TAN Wei，et al.Transmission Durability Testing Method of Bus Based on Road Load Spectrums[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(4):15-20.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.04.003

U467.3

A

1674-8425(2017)04-0015-06