基于試驗(yàn)場(chǎng)道路的變速器臺(tái)架載荷譜研究

徐軍　程小強(qiáng)　楊平

摘 要：通過實(shí)車采集試驗(yàn)樣車在試驗(yàn)場(chǎng)道路上行駛時(shí)的CAN BUS數(shù)據(jù)，可直接獲得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和檔位等信號(hào);把傳統(tǒng)的載荷-時(shí)間頻次關(guān)系，轉(zhuǎn)變?yōu)檩d荷-發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪旋轉(zhuǎn)頻次關(guān)系，同時(shí)記錄各載荷等級(jí)對(duì)應(yīng)的各個(gè)擋位的頻次，這樣可獲得在各個(gè)檔位下，不同載荷等級(jí)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的飛輪旋轉(zhuǎn)頻次，根據(jù)齒輪材料的S-N曲線和疲勞累積 Miner理論，計(jì)算出各檔位的疲勞強(qiáng)度，然后基本疲勞損傷等效原理選取各檔位下產(chǎn)生較大疲勞強(qiáng)度的扭矩和轉(zhuǎn)速，作為臺(tái)架試驗(yàn)輸入的載荷和轉(zhuǎn)速，可有效避免載荷和轉(zhuǎn)速選取的盲目性，為科學(xué)的制定臺(tái)架試驗(yàn)載荷譜提供了依據(jù)。關(guān)鍵字：載荷等級(jí);疲勞;轉(zhuǎn)速;檔位

中圖分類號(hào)：U467.3? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）03-119-04

前言

汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)是考核和驗(yàn)證傳動(dòng)系耐久性的一種重要手段，如何科學(xué)合理的制定臺(tái)架試驗(yàn)載荷譜是行業(yè)面臨的重要課題。與傳統(tǒng)的道路試驗(yàn)相比，臺(tái)架試驗(yàn)方法不僅省時(shí)、省力、成本低，而且試驗(yàn)針對(duì)性強(qiáng)，具有較好的試驗(yàn)精度和可重復(fù)性。 目前國(guó)內(nèi)已有一些學(xué)者進(jìn)行過動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)與用戶道路或試驗(yàn)場(chǎng)道路關(guān)聯(lián)的研究，門玉琢等[1]結(jié)合實(shí)際用戶調(diào)查獲得的路面比例與車輛載重?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)疲勞累積損傷的威布爾分布方程和傳動(dòng)系損傷計(jì)算模型，計(jì)算累積失效概率為90%的用戶總累積損傷，然后基于疲勞等效原理，將用戶的載荷譜轉(zhuǎn)化成臺(tái)架能識(shí)別的載荷譜;李文禮等[2]基于采集的實(shí)車數(shù)據(jù)，在重構(gòu)的載荷譜中找到不同轉(zhuǎn)矩載荷等級(jí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和擋位信息，獲得不同載荷等級(jí)下不同檔位和轉(zhuǎn)速的統(tǒng)計(jì)分布，在對(duì)隨機(jī)載荷譜進(jìn)行處理，獲得臺(tái)架試驗(yàn)載荷譜;邵志良等[3]實(shí)車采集了試驗(yàn)場(chǎng)整車耐久試驗(yàn)載荷譜，然后根據(jù)疲勞損傷理論計(jì)算各檔位的考核強(qiáng)度，從而得出雙離合變速器的臺(tái)架試驗(yàn)載荷譜。

本文通過實(shí)車采集樣車在試驗(yàn)場(chǎng)道路行駛時(shí)的CAN BUS數(shù)據(jù)，提取變速箱的輸入轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和檔位信號(hào);以疲勞累計(jì)損傷理論為基礎(chǔ)，獲得不同檔位下，不同載荷等級(jí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的飛輪旋轉(zhuǎn)頻次，從而計(jì)算出各檔位的疲勞強(qiáng)度，然后根據(jù)疲勞損傷相等原則，分別計(jì)算各檔位的臺(tái)架載荷譜的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和工況時(shí)間。

1 傳動(dòng)系統(tǒng)損傷理論

傳動(dòng)系的損傷計(jì)算有別于承載結(jié)構(gòu)，它基于轉(zhuǎn)矩及與其對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的聯(lián)合計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)。傳動(dòng)系轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)數(shù)分布是針對(duì)軸等旋轉(zhuǎn)零件損傷計(jì)算的一種區(qū)間計(jì)數(shù)方法，廣泛應(yīng)用于齒輪系的設(shè)計(jì)和分析中[1]。

在眾多描述疲勞累積損傷的數(shù)學(xué)模型中， 線性累積損傷原理因其簡(jiǎn)單而被工程技術(shù)人員廣為接受[4]，線性損傷理論假設(shè)損傷是累積相加的，沒有考慮載荷循序等的影響。傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速疲勞損傷為：

通過配對(duì)區(qū)間計(jì)數(shù)算法可以確定轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速分布圖中的每個(gè)轉(zhuǎn)矩區(qū)間的轉(zhuǎn)數(shù)，然后利用上述的疲勞損傷理論，可計(jì)算出不同檔位下，不同載荷等級(jí)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的疲勞損傷。

2 試驗(yàn)道路數(shù)據(jù)采集與處理

本次道路試驗(yàn)的路譜采集在重慶長(zhǎng)安西部試驗(yàn)場(chǎng)完成，車型為一款SUV車型，直接將數(shù)據(jù)采集設(shè)備VDR連接OBD端口，可采集到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，飛輪端輸出扭矩，變速器檔位等CAN 數(shù)據(jù)，采集的工況為整車綜合耐久試驗(yàn)，等效于90%用戶實(shí)際使用24萬(wàn)km，具體工況如上。

整車采集的單個(gè)循環(huán)道路載荷譜時(shí)域信號(hào)如下圖1所示，采樣頻率為256Hz。

通過ncode-Glyphworks 軟件可把整個(gè)載荷譜分割成所需的子工況數(shù)據(jù)，由于轉(zhuǎn)矩信號(hào)中包含一些尖峰，這些信號(hào)不能真實(shí)反應(yīng)變速器所受的扭矩，可通過ncode中的butter worth filter模塊識(shí)別和去除這些噪聲信號(hào)，如圖2：

3 載荷等級(jí)區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的疲勞計(jì)算

3.1 轉(zhuǎn)矩載荷等級(jí)劃分

從圖2的數(shù)據(jù)可知，轉(zhuǎn)矩載荷范圍為-110—240N.m，將載荷幅值按30N.m等間距劃分，以各級(jí)載荷幅值為中心進(jìn)行載荷等級(jí)劃分，即可獲得載荷等級(jí)范圍，對(duì)載荷譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)觀察發(fā)現(xiàn)最大值幅值附近載荷極少，因此本文把較大的兩個(gè)載荷等級(jí)，歸化為一個(gè)等級(jí)。最終的載荷等級(jí)如表2。

3.2 確定載荷等級(jí)時(shí)保留對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和檔位信息

通常雨流計(jì)數(shù)是根據(jù)載荷時(shí)間歷程計(jì)算出各載荷的幅值、均值和幅值區(qū)間內(nèi)的頻次，然后基于S-N曲線計(jì)算得出各載荷的疲勞損傷，若直接用此方法應(yīng)用于傳動(dòng)系的載荷譜處理，則會(huì)丟失轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和檔位信息，因此本文在確定載荷等級(jí)時(shí)，保留載荷等級(jí)同步對(duì)應(yīng)的檔位和轉(zhuǎn)速信息（如圖3），把傳統(tǒng)的載荷-時(shí)間的頻次轉(zhuǎn)化為，在不同檔位下載荷-轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的飛輪旋轉(zhuǎn)頻次，進(jìn)而計(jì)算出不同檔位下，不同轉(zhuǎn)速區(qū)間對(duì)應(yīng)的載荷等級(jí)所產(chǎn)生的疲勞損傷，選取各檔位下產(chǎn)生較大的疲勞損傷的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速作為臺(tái)架載荷譜的輸入載荷，然后基于等疲勞損傷原則，計(jì)算得出臺(tái)架載荷的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和工況時(shí)間。

3.3 不同檔位、不同轉(zhuǎn)速區(qū)間和載荷等級(jí)對(duì)應(yīng)的疲勞損傷

變速器齒輪的S- N曲線不但與材料有關(guān)，而且與齒輪的幾何參數(shù)、機(jī)加工方式、熱處理、表面處理等有關(guān)，所以不同的公司根據(jù)自己的試驗(yàn)結(jié)果得出的齒輪S-N曲線也會(huì)存在差異[5]，根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，齒輪彎曲疲勞的指數(shù)取6[3]，則b值為-1/6。通過對(duì)不同擋位下不同轉(zhuǎn)速區(qū)間和不同載荷等級(jí)內(nèi)飛輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表1），結(jié)合公式1、2，可以計(jì)算出各檔位下不同載荷等級(jí)對(duì)應(yīng)的疲勞損傷（如表3）和單個(gè)檔位下不同轉(zhuǎn)速區(qū)間和載荷等級(jí)對(duì)應(yīng)的疲勞損傷（如表4）。

4 道路載荷譜轉(zhuǎn)成臺(tái)架程序載荷譜

由于汽車傳動(dòng)系所受的載荷是隨機(jī)載荷，若采用隨機(jī)載荷試驗(yàn)，需使用動(dòng)態(tài)特性特別高的昂貴設(shè)備，試驗(yàn)代價(jià)太大，所以常將其轉(zhuǎn)化為程序載荷，采用程序控制變速箱疲勞耐久試驗(yàn)。如何選取符合整車道路試驗(yàn)的臺(tái)架載荷譜（輸入轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)速、檔位的工況時(shí)間）是臺(tái)架耐久試驗(yàn)的關(guān)鍵，通過把實(shí)際道路耐久試驗(yàn)中造成比較大損傷的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和檔位信息轉(zhuǎn)到臺(tái)架試驗(yàn)載荷譜，消除損傷小的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)數(shù)和檔位信息，然后再基于等損傷原則，分別計(jì)算出各檔位的臺(tái)架載荷譜所需的輸入轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和檔位的工況時(shí)間。

如表3所示，統(tǒng)計(jì)計(jì)算了各檔位下不同載荷等級(jí)對(duì)應(yīng)的疲勞損傷，以檔位1為例，在扭矩為100、130、160、190和220N.m時(shí)產(chǎn)生了較大的疲勞損傷，可選擇作為臺(tái)架載荷譜的輸入轉(zhuǎn)矩;表4為1擋時(shí)不同轉(zhuǎn)速區(qū)間和不同載荷等級(jí)對(duì)應(yīng)的疲勞損傷，在扭矩分別為100、130、160、190和220N.m時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間為1800-2300、2300-2800、2800-3300rpm時(shí)產(chǎn)生了較大的疲勞損傷，可作為臺(tái)架試驗(yàn)載荷譜的輸入轉(zhuǎn)速，基于等疲勞損傷的原則，計(jì)算出了各轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的臺(tái)架工況時(shí)間，如表5。

基于上述同樣的原理，可以計(jì)算出其他檔位下，不同轉(zhuǎn)矩區(qū)間對(duì)應(yīng)載荷等級(jí)的疲勞損傷，然后將其中產(chǎn)生較小損傷的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速剔除，選取產(chǎn)生較大疲勞損傷的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速作為臺(tái)架載荷譜的輸入，結(jié)果如上表6。

5 總結(jié)

本文基于采集的試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)載荷譜，把傳統(tǒng)的載荷-時(shí)間的頻次轉(zhuǎn)化為不同檔位下載荷-轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的飛輪旋轉(zhuǎn)頻次，進(jìn)而計(jì)算出不同檔位下不同轉(zhuǎn)速區(qū)間對(duì)應(yīng)的載荷等級(jí)所產(chǎn)生的疲勞損傷，從中選取各檔位下產(chǎn)生較大疲勞損傷的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速作為臺(tái)架載荷譜的輸入載荷，然后基于等疲勞損傷原則，轉(zhuǎn)化成用于臺(tái)架試驗(yàn)的載荷譜，通過此方法可以將等效于90%用戶24萬(wàn)km的道路載荷譜等效到程序載荷譜中來(lái)，其中保留了產(chǎn)生絕大多數(shù)疲勞損傷的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和檔位

信息，剔除了產(chǎn)生較小損傷的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，既提高了零件的驗(yàn)證效率也保證了試驗(yàn)的有效性和合理性。

參考文獻(xiàn)

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