道路載荷譜的壓縮與強(qiáng)化

林勇

摘? 要：本文以新能源純電公交車(chē)用減速箱為例，描述了對(duì)減速箱進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)的必要性。通過(guò)等量疲勞損傷理論和材料S-N曲線(xiàn)，研究了如何對(duì)原始道路載荷譜進(jìn)行壓縮和強(qiáng)化。

關(guān)鍵詞：減速箱;疲勞損傷理論;S-N曲線(xiàn);道路載荷譜

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2019）02-0065-05

引言

齒輪減速箱對(duì)于新能源汽車(chē)而言是動(dòng)力總成中的核心組成部分，其性能的好壞對(duì)整車(chē)有著直接的影響，尤其是疲勞壽命。雖然，減速箱的疲勞壽命由其最薄弱的零部件決定，如齒輪和軸承，但是又不能用最薄弱的零部件代替。因?yàn)榱悴考g的裝配狀態(tài)、總成的潤(rùn)滑狀態(tài)等因素對(duì)減速箱總成的壽命有著直接的影響。所以，研究減速箱的疲勞壽命，其實(shí)是研究減速箱總成的疲勞壽命[1]。

疲勞壽命試驗(yàn)關(guān)注的是金屬部件的疲勞損傷。車(chē)輛在行駛過(guò)程中，齒輪和軸承等關(guān)鍵零部件一直處于交變載荷作用下，疲勞損傷逐漸累積，當(dāng)達(dá)到疲勞壽命極限時(shí)，便會(huì)發(fā)生失效現(xiàn)象。所以，減速箱的疲勞壽命一般需要通過(guò)實(shí)際道路行駛進(jìn)行試驗(yàn)，這樣得到的載荷更真實(shí)，路況更符合實(shí)際。

但是，道路試驗(yàn)的周期較長(zhǎng)，成本較大，可操作性較差。因此，通過(guò)對(duì)道路載荷譜進(jìn)行合理的壓縮和強(qiáng)化，進(jìn)而在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行穩(wěn)態(tài)加載試驗(yàn)是模擬實(shí)際道路工況載荷的一個(gè)有效的辦法。

而減速箱在設(shè)計(jì)階段還沒(méi)有真實(shí)的道路載荷譜，所以，只能采用之前已有的同類(lèi)減速箱的載荷譜或者設(shè)計(jì)用載荷譜作為參考，經(jīng)過(guò)處理以后

應(yīng)用到臺(tái)架上進(jìn)行加載試驗(yàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)減速箱的疲勞壽命的驗(yàn)證。

本文以已有的道路載荷譜為例，描述如何對(duì)其進(jìn)行壓縮和強(qiáng)化，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化成實(shí)際臺(tái)架所用載荷譜。

1? ? 道路譜壓縮和強(qiáng)化的依據(jù)

1.1? ?等量疲勞損傷理論

減速箱在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，內(nèi)部的齒輪、軸承等關(guān)鍵零部件處于交變載荷作用下，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)發(fā)生一些典型的疲勞失效現(xiàn)象，如輪齒斷裂、齒面點(diǎn)蝕、軸承失效等。為了更好的分析基于道路載荷譜的疲勞壽命試驗(yàn)，需要用到疲勞累積損傷理論。

疲勞累積損傷理論主要用來(lái)分析金屬材料在變載荷幅值下疲勞壽命。金屬的疲勞是在交變載荷作用下?lián)p傷逐漸累積至產(chǎn)生裂紋或破壞的過(guò)程。目前疲勞累積損傷理論主要可以概括為三種，即線(xiàn)性累積損傷理論、雙線(xiàn)性累積損傷理論和非線(xiàn)性累積損傷理論[2]。其中，線(xiàn)性累積損傷理論是指在交變載荷作用下，疲勞損傷以線(xiàn)性累加，當(dāng)累加到某一極限數(shù)值時(shí)，零件便疲勞破壞。

理論上認(rèn)為，減速箱中的關(guān)鍵零部件，如齒輪或軸承在交變載荷作用下，每一級(jí)載荷水平的循環(huán)都會(huì)對(duì)齒輪產(chǎn)生一定程度的損傷量，當(dāng)損傷量累積到一定程度，齒輪或軸承就會(huì)發(fā)生疲勞破壞。如圖1所示（線(xiàn)性累積損傷理論）。當(dāng)損傷達(dá)到臨界值時(shí)，零件就會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

2? ? 道路載荷譜的壓縮與強(qiáng)化

2.1 車(chē)輛信息

本次研究所用的車(chē)輛為純電新能源公交車(chē)，其基本參數(shù)如表1所示。

2.2? ?道路載荷譜曲線(xiàn)

該款車(chē)輛的道路載荷譜如圖2所示。

從曲線(xiàn)上可以看出，該路譜為急加速急減速工況，最高車(chē)速為70km/h。由于該車(chē)為純電驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，其急減速工況為制動(dòng)發(fā)電工況。

該道路載荷譜一個(gè)循環(huán)的總行駛里程約1618m，用時(shí)183s，平均車(chē)速32km/h。如果依據(jù)該道路載荷譜對(duì)減速箱進(jìn)行疲勞壽命測(cè)試，按照70萬(wàn)公里的壽命，共需約21997小時(shí)，折合約916天。如此看來(lái)，依據(jù)該道路載荷譜將不能在短時(shí)間內(nèi)對(duì)減速箱的齒輪和軸承等關(guān)鍵零部件進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)，將嚴(yán)重影響產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。因此，我們需要對(duì)該道路載荷譜進(jìn)行強(qiáng)化和壓縮，加速減速箱疲勞壽命的考核和評(píng)價(jià)。

2.3? ?道路載荷譜的分析

為了更好的分析該路譜，需要知道各載荷水平的占比情況，為此需要得到減速箱輸入端的扭矩狀況。通過(guò)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)計(jì)算公式，利用加速度的方式反算出減速箱的輸入扭矩[5]，其扭矩曲線(xiàn)如圖3所示：

圖中正扭矩為驅(qū)動(dòng)工況，負(fù)扭矩為制動(dòng)工況。由此，在分析載荷水平占比的時(shí)候?qū)⒌缆纷V分成驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)兩種工況。載荷水平按照最大扭矩的百分比進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，具體如表3所示：

根據(jù)表3中的載荷占比，按照70萬(wàn)公里的壽命里程可以估算出每種載荷水平下車(chē)輛的行駛里程數(shù)。以平均車(chē)速32km/h進(jìn)行計(jì)算可以得出每種載荷水平下的減速箱的輸出軸循環(huán)次數(shù)，如表3所示。

根據(jù)本文中提及的計(jì)算公式（4），將每種扭矩水平均等效至減速箱最大輸入扭矩900Nm，可得出總的循環(huán)次數(shù)，即完成了對(duì)原始道路載荷譜的壓縮和強(qiáng)化，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

從表中可以看出，經(jīng)過(guò)等效壓縮和強(qiáng)化以后，驅(qū)動(dòng)工況下減速箱輸出軸的循環(huán)次數(shù)為2240萬(wàn)次，制動(dòng)工況下減速箱輸出軸的循環(huán)次數(shù)為452萬(wàn)次。在此強(qiáng)化工況下對(duì)減速箱進(jìn)行加載測(cè)試，如果以減速箱輸入轉(zhuǎn)速為2000rpm來(lái)計(jì)算，其循環(huán)時(shí)間分別約為570小時(shí)和115小時(shí)。如果按照一天24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，不到一個(gè)月即可完成對(duì)減速箱疲勞壽命的考核和評(píng)價(jià)，大大縮短了產(chǎn)品驗(yàn)證的周期。

3? ? 結(jié)論

掌握載荷譜的變化規(guī)律是進(jìn)行疲勞試驗(yàn)和疲勞壽命估計(jì)的先決條件。但是實(shí)際操作過(guò)程中，又不能完全參照道路載荷譜進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，否則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)驗(yàn)證周期的拉長(zhǎng)。為此，通過(guò)本文可以看出依據(jù)疲勞損傷理論和材料S-N曲線(xiàn)，進(jìn)行壓縮和強(qiáng)化的載荷譜，既保證了疲勞壽命的驗(yàn)證符合原始道路載荷譜的變化規(guī)律，又能加速整個(gè)驗(yàn)證的周期。本文所提供的道路載荷譜壓縮和強(qiáng)化的方式為汽車(chē)關(guān)鍵零部件疲勞壽命的驗(yàn)證提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王林. 基于道路載荷譜的汽車(chē)變速器加載試驗(yàn)技術(shù)的研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)碩士論文，2012.

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