基于偽損傷等效的汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)

張志超,董強(qiáng)強(qiáng),楊建森,郝鵬祥

(1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300304； 2.中汽研(天津)汽車工程研究院有限公司，天津 300399)

汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)汽車運(yùn)動(dòng)功能的關(guān)鍵部分，其耐久性能直接影響汽車的使用壽命，以及駕駛員和乘客的安全。汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)不僅要承受路面不平而產(chǎn)生的沖擊，而且要受到發(fā)動(dòng)機(jī)輸入扭矩的影響[1-2]。因此，動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的耐久性能分析被各汽車廠商深入研究，部分汽車主機(jī)廠商甚至單獨(dú)制定了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的耐久規(guī)范。由于地理位置、開(kāi)發(fā)周期、試驗(yàn)成本、試驗(yàn)場(chǎng)資源不足等因素的限制，部分廠商需要將一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)耐久規(guī)范轉(zhuǎn)移至另一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)，即動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)。目前，相關(guān)學(xué)者在基于用戶關(guān)聯(lián)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)載荷譜編制、試驗(yàn)規(guī)范編制方面做了大量研究[3-5]，但動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)的研究較少且關(guān)聯(lián)方法有局限性。基于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)宏觀參數(shù)(車速分布、擋位使用時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等)的對(duì)標(biāo)關(guān)聯(lián)未進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)疲勞損傷的驗(yàn)證，較難保證結(jié)構(gòu)耐久程序關(guān)聯(lián)的可靠性；基于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)做功輸出能量的試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)方案關(guān)注的是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)扭矩的等效關(guān)聯(lián)，但未考慮零部件材料屬性對(duì)疲勞損傷的影響。

本研究以某型號(hào)的國(guó)產(chǎn)SUV作為試驗(yàn)樣車進(jìn)行路譜采集，以Miner線性累積損傷理論為理論基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算不同工況、不同擋位下左右傳動(dòng)軸扭矩的偽損傷值來(lái)構(gòu)造損傷矩陣及優(yōu)化函數(shù)，采用粒子群優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)計(jì)算求解，為汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)提供了一種新方法。

1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)理論與原理

1.1 Miner線性累積損傷理論

疲勞指材料內(nèi)部某點(diǎn)或某些點(diǎn)在反復(fù)循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生的局部永久性結(jié)構(gòu)變化，且在經(jīng)歷足夠多的循環(huán)加載后形成裂紋并最終完全斷裂[6]。汽車金屬零部件的損壞主要是由累積疲勞損傷所造成的[7]。在汽車駕駛過(guò)程中，雖然零部件受到的最大應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)其材料的強(qiáng)度極限，但由S-N曲線可知，每次在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的應(yīng)力幅值均會(huì)對(duì)零部件造成一些損傷，累積損傷積累到一定程度，零部件就會(huì)因疲勞產(chǎn)生破壞。

由于Miner線性累積損傷理論的疲勞壽命評(píng)估與試驗(yàn)結(jié)果在多數(shù)情況下有很高的吻合度，故被廣泛應(yīng)用[8]。車輛在行駛過(guò)程中，傳動(dòng)系統(tǒng)各部件受到隨時(shí)間變化的隨機(jī)載荷作用而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)循環(huán)應(yīng)力，由Miner 線性累積損傷理論可知部件的總損傷如下[9-10]：

(1)

式中：D為疲勞累積損傷；K為載荷等級(jí)；ni為第i級(jí)載荷下的實(shí)際載荷循環(huán)次數(shù)；(Nf)i為第i級(jí)載荷下的疲勞壽命。當(dāng)D=1時(shí)，承載結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，最終導(dǎo)致疲勞破壞。

1.2 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)原理

圖1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)矩陣Fig.1 Correlation matrix of powertrain and proving ground

在汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中，各傳動(dòng)軸主要受到扭矩的作用而產(chǎn)生疲勞破壞。因此，以驅(qū)動(dòng)軸左、右兩半軸扭矩為測(cè)量對(duì)象，根據(jù)汽車各擋位信號(hào)將兩半軸扭矩?cái)?shù)據(jù)按擋位分解，基于各擋位的兩半軸偽損傷等效原則，建立試驗(yàn)場(chǎng)A(關(guān)聯(lián)試驗(yàn)場(chǎng))與試驗(yàn)場(chǎng)B(目標(biāo)程序試驗(yàn)場(chǎng))的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)，見(jiàn)圖1。如圖1所示，將試驗(yàn)場(chǎng)B各擋位的兩半軸偽損傷和作為目標(biāo)損傷，將試驗(yàn)場(chǎng)A各擋位的兩半軸偽損傷作為系數(shù)矩陣，通過(guò)求解循環(huán)次數(shù)建立兩試驗(yàn)場(chǎng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，完成兩試驗(yàn)場(chǎng)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。

2 路譜采集與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)上述傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)原理，將左、右半軸扭矩和擋位信號(hào)作為采集通道。對(duì)于試驗(yàn)場(chǎng)B，按照某目標(biāo)程序確定試驗(yàn)場(chǎng)B的采集工況，目標(biāo)程序工況如表1所示；試驗(yàn)場(chǎng)A的工況選取直接影響關(guān)聯(lián)結(jié)果，所以可通過(guò)分析試驗(yàn)場(chǎng)B目標(biāo)程序的采集工況選取試驗(yàn)場(chǎng)A的部分工況，選取的試驗(yàn)場(chǎng)A的采集工況如表2所示。

表1 目標(biāo)程序工況及循環(huán)列表Tab.1 Target specification events and cycle list

表2 試驗(yàn)場(chǎng)A選取工況Tab.2 Selected events of proving ground A

通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量?jī)砂胼S的扭矩，通過(guò)擋位測(cè)量裝置獲取擋位信號(hào)，圖2為半軸扭矩傳感器安裝圖。圖3為高速外循環(huán)工況采集的數(shù)據(jù)，其中通道1(Ch1)為左半軸扭矩信號(hào)，通道2(Ch2)為右半軸扭矩信號(hào)，通道19(Ch19)為GPS車速信號(hào)。采集信號(hào)經(jīng)過(guò)檢查、截取、毛刺去除、按擋位信息分解、偽損傷值計(jì)算等處理，得到傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)計(jì)算所需的各工況、各擋位下的數(shù)據(jù)。在偽損傷值計(jì)算中，由于要考慮材料屬性，故需要設(shè)置材料的S-N曲線參數(shù)。

圖2 半軸傳感器安裝圖Fig.2 Installation of half shaft sensor

圖3 信號(hào)采集示意圖Fig.3 Diagram of acquisition signal

3 基于粒子群算法的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)計(jì)算

3.1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)函數(shù)的構(gòu)建

基于圖1的關(guān)聯(lián)原理，利用采集的數(shù)據(jù)構(gòu)建關(guān)聯(lián)方程。以目標(biāo)試驗(yàn)場(chǎng)B各工況、各擋位下的兩半軸扭矩偽損傷和為關(guān)聯(lián)目標(biāo)，以試驗(yàn)場(chǎng)A各選取工況、各擋位下的兩半軸扭矩偽損傷為關(guān)聯(lián)通道并構(gòu)成關(guān)聯(lián)矩陣，以試驗(yàn)場(chǎng)A各選取工況的循環(huán)次數(shù)為求解變量，最終得到關(guān)聯(lián)方程如下：

[Aij]·[kj1]=[Bi1],

(2)

式中：Aij為試驗(yàn)場(chǎng)A的關(guān)聯(lián)矩陣，表示各通道、各工況損失值；kj1為試驗(yàn)場(chǎng)A各工況的循環(huán)次數(shù)；Bi1為目標(biāo)試驗(yàn)場(chǎng)的關(guān)聯(lián)目標(biāo)。

在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)中，由于目標(biāo)試驗(yàn)場(chǎng)工況較多，上述關(guān)聯(lián)方程的解往往不唯一。同時(shí)，由于關(guān)聯(lián)方程中求解變量個(gè)數(shù)較多，通過(guò)方程求解獲取試驗(yàn)場(chǎng)A各工況的循環(huán)次數(shù)較為困難，為便于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)的求解，將關(guān)聯(lián)方程求解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化求解問(wèn)題，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(3)

將Δ作為優(yōu)化函數(shù)，將試驗(yàn)場(chǎng)A各工況的循環(huán)次數(shù)kj1作為優(yōu)化變量，采用優(yōu)化算法對(duì)式(3)進(jìn)行優(yōu)化求解，可得到關(guān)聯(lián)試驗(yàn)場(chǎng)A各選取工況的循環(huán)次數(shù)。

3.2 基于粒子群算法的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)的實(shí)現(xiàn)

粒子群算法是一種種群智能優(yōu)化算法[11-12]，其通過(guò)迭代尋找最優(yōu)解，具有易實(shí)現(xiàn)、精度高、收斂快等優(yōu)點(diǎn)[13]。在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)優(yōu)化求解中，采用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)求解算法的構(gòu)建，將Δ作為適應(yīng)度函數(shù)，將試驗(yàn)場(chǎng)A各選取工況的循環(huán)次數(shù)kj1作為粒子的位置，設(shè)置約束條件，求解流程如圖4所示。優(yōu)化求解的迭代收斂曲線如圖5所示。

利用采集、處理得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)算法優(yōu)化求解并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化得到的試驗(yàn)場(chǎng)A各工況的循環(huán)次數(shù)，如表3所示。

由圖5可以看出，計(jì)算收斂且迭代次數(shù)較少，收斂時(shí)的適應(yīng)度值相對(duì)較小，驗(yàn)證了粒子群算法用于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)求解的可行性及有效性。考慮到試驗(yàn)場(chǎng)A耐久規(guī)范的可執(zhí)行性(行駛路線規(guī)劃合理)，試驗(yàn)場(chǎng)A的各工況循環(huán)次數(shù)需要在算法優(yōu)化求解的基礎(chǔ)上再根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)優(yōu)化。上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)了基于粒子群算法的傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)計(jì)算，獲取了試驗(yàn)場(chǎng)A選取工況的循環(huán)次數(shù)。

圖4 粒子群算法求解流程Fig.4 Flowchart of particle swarm optimization

圖5 迭代收斂曲線Fig.5 Iterative convergence curve

表3 試驗(yàn)場(chǎng)A選取工況及循環(huán)次數(shù)Tab.3 Events and cycles of proving ground A

4 關(guān)聯(lián)結(jié)果驗(yàn)證

4.1 偽損傷對(duì)比驗(yàn)證

偽損傷對(duì)比即兩試驗(yàn)場(chǎng)程序的相對(duì)損傷比。在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)中，兩試驗(yàn)場(chǎng)程序的偽損傷對(duì)比是關(guān)聯(lián)結(jié)果評(píng)價(jià)最重要且最直接的判斷依據(jù)。試驗(yàn)場(chǎng)A關(guān)聯(lián)計(jì)算程序與試驗(yàn)場(chǎng)B目標(biāo)程序的偽損傷對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖6。

如圖6所示，各關(guān)聯(lián)通道的相對(duì)損傷比均落在factor=2和factor=0.5的區(qū)域中，且大部分關(guān)聯(lián)通道的相對(duì)損傷比在1.0附近。在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)中，兩試驗(yàn)場(chǎng)程序相對(duì)損傷比的理想值為1.0。但是，由于兩試驗(yàn)場(chǎng)工況的差異性、優(yōu)化函數(shù)的復(fù)雜性，兩試驗(yàn)場(chǎng)程序的相對(duì)損傷比完全等于1.0是較難實(shí)現(xiàn)的。

4.2 擋位使用參數(shù)對(duì)比驗(yàn)證

將各擋位下的左、右半軸扭矩的偽損傷作為關(guān)聯(lián)通道，保證了變速器各擋位傳動(dòng)軸的關(guān)聯(lián)效果，但并不能體現(xiàn)出兩試驗(yàn)場(chǎng)程序在擋位變換上的對(duì)比。在變速器中，擋位變換是通過(guò)換擋撥叉實(shí)現(xiàn)的，但換擋撥叉受力測(cè)量的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。因此，將兩試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范的換擋次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，間接評(píng)估了兩試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范對(duì)換擋撥叉疲勞耐久的考核程度，擋位使用參數(shù)對(duì)比驗(yàn)證是對(duì)關(guān)聯(lián)規(guī)范操作的等效校核。

關(guān)聯(lián)試驗(yàn)場(chǎng)與目標(biāo)試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范的換擋統(tǒng)計(jì)對(duì)比(基于采集獲取的擋位信號(hào))見(jiàn)圖7。從各擋位換擋次數(shù)對(duì)比看，兩程序換擋次數(shù)最大差距為5擋，相差10.38%，在可接受范圍。

圖6 兩試驗(yàn)場(chǎng)程序偽損傷對(duì)比Fig.6 Pseudo damage comparison of the two proving ground specifications

圖7 兩程序換擋統(tǒng)計(jì)對(duì)比Fig.7 Comparison shift times of the two specifications

5 結(jié)語(yǔ)

本研究提出了以偽損傷等效為原則，以各擋位下左、右半軸扭矩為關(guān)聯(lián)通道的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)方法，為汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)提供了新方法，證明了構(gòu)造關(guān)聯(lián)矩陣、優(yōu)化函數(shù)并采用粒子群算法進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)較為有效。