基于臺(tái)架的汽車等速萬(wàn)向節(jié)壽命強(qiáng)化試驗(yàn)方法研究

（上海納鐵福傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司技術(shù)中心，上海 201315）

0 引言

等速萬(wàn)向節(jié)是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件之一，也是應(yīng)用最為普遍的萬(wàn)向節(jié)之一。萬(wàn)向節(jié)壽命研究直接關(guān)系到汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和汽車行駛安全，而等速萬(wàn)向節(jié)的臺(tái)架試驗(yàn)是考察汽車耐久試驗(yàn)最為經(jīng)濟(jì)的方法之一，通過(guò)強(qiáng)化某些參數(shù)，可以縮短試驗(yàn)時(shí)間，縮短萬(wàn)向節(jié)研發(fā)周期。

1 等速萬(wàn)向節(jié)的壽命理論分析

等速萬(wàn)向節(jié)指的是輸入軸和輸出軸之間的角速度相等，起到傳遞扭矩和控制汽車行駛方向的作用。等速萬(wàn)向節(jié)壽命的典型失效模式，是在萬(wàn)向節(jié)內(nèi)部的零件表面區(qū)域受到接觸應(yīng)力的相互作用，最終形成麻坑、剝落或點(diǎn)蝕。

1.1 等速萬(wàn)向節(jié)的接觸應(yīng)力分析

影響球籠式萬(wàn)向節(jié)性能和壽命的因素有節(jié)型大小、油脂潤(rùn)滑性能、試驗(yàn)工況、接觸應(yīng)力、設(shè)計(jì)參數(shù)、材料選擇以及加工精度等。球籠式萬(wàn)向節(jié)在傳遞扭矩時(shí)，其內(nèi)部的鐘形殼、保持架、鋼球和星形套之間，受到相互擠壓作用力，且基本上是點(diǎn)接觸，該力稱為點(diǎn)接觸應(yīng)力[1]。接觸應(yīng)力一般以Hertz Heinrich 的接觸應(yīng)力為理論基礎(chǔ)。接觸應(yīng)力分布高度集中，作用在光滑平面上一個(gè)很小的橢圓區(qū)域上，且接觸區(qū)域的幾何尺寸小于鋼球外徑和球道曲率半徑的0.01%。

1.2 球籠式萬(wàn)向節(jié)的額定扭矩

通過(guò)已知的許用接觸應(yīng)力，計(jì)算出承載能力Q，然后通過(guò)萬(wàn)向節(jié)的轉(zhuǎn)矩公式得到球籠式萬(wàn)向節(jié)的動(dòng)態(tài)額定扭矩Tnom[2]：

式中 d——鋼球直徑

R——旋轉(zhuǎn)中心半徑

α——壓力角

γ——傾角

Macielinski 定義了動(dòng)態(tài)表面接觸應(yīng)力為2 150 N/mm2，適用于標(biāo)準(zhǔn)工況下轉(zhuǎn)速為100 r/min、夾角為3°和壽命為1 500 h。

1.3 球籠式萬(wàn)向節(jié)壽命計(jì)算的修正系數(shù)

Macielinski 在Hertz 接觸理論和軸承理論的基礎(chǔ)上，提出基于轉(zhuǎn)速、角度、扭矩的球籠式萬(wàn)向節(jié)壽命計(jì)算方法[3]，在萬(wàn)向節(jié)臺(tái)架試驗(yàn)中，常用小時(shí)壽命Lh 表示：

式中n——轉(zhuǎn)速

T——扭矩

Tnom——標(biāo)準(zhǔn)工況下的額定扭矩

B——角度

C——常數(shù)，取決于轉(zhuǎn)速n，對(duì)于轉(zhuǎn)速n ≤1 000 r/min,C=25339,指數(shù)m=0.577；對(duì)于轉(zhuǎn)速n ＞1 000 r/min,C=470756,指數(shù) m=1

f（Factors）——其他影響因素，如油脂潤(rùn)滑性能

在實(shí)際工程應(yīng)用中，預(yù)測(cè)壽命往往比實(shí)際壽命高，給萬(wàn)向節(jié)工程開發(fā)帶來(lái)安全隱患。本文基于上述原因，對(duì)公式(2)中的速度系數(shù)進(jìn)行修正：即當(dāng)轉(zhuǎn)速0 ＜n ≤500 r/m 時(shí)，常數(shù)C 為1 000，n 和m 的關(guān)系修正為指數(shù)關(guān)系m=e^-0.003n，從而提高了萬(wàn)向節(jié)壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

1.4 線性累積Miner 損傷法則

對(duì)萬(wàn)向節(jié)壽命預(yù)測(cè)公式修正后，還需要對(duì)某個(gè)具體工況進(jìn)行損傷評(píng)價(jià)，萬(wàn)向節(jié)的損傷計(jì)算是球籠式等速萬(wàn)向節(jié)設(shè)計(jì)和選型的核心問(wèn)題。對(duì)于萬(wàn)向節(jié)壽命試驗(yàn)，利用Miner 法則[4]，其損傷D可以表示為：

表1 ACi3300 臺(tái)架基準(zhǔn)程序

式中 Li——第i 種工況的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間

Lhi——為第i 種工況下失效時(shí)所對(duì)應(yīng)的小時(shí)壽命

2 球籠式等速萬(wàn)向節(jié)強(qiáng)化試驗(yàn)方法

球籠式等速萬(wàn)向節(jié)強(qiáng)化試驗(yàn)方法是指在保證不改變?nèi)f向節(jié)失效模式的前提下,基于等損傷原則，通過(guò)強(qiáng)化臺(tái)架基準(zhǔn)程序中的某些參數(shù)，使萬(wàn)向節(jié)加速失效,以便在較短時(shí)間內(nèi)獲得必要信息,來(lái)評(píng)估萬(wàn)向節(jié)在正常條件下的壽命指標(biāo)，進(jìn)而縮短試驗(yàn)總時(shí)間。

2.1 扭矩譜的選用以及臺(tái)架基準(zhǔn)程序轉(zhuǎn)換

受經(jīng)濟(jì)或者開發(fā)時(shí)間等條件的限制，在萬(wàn)向節(jié)采集載荷譜的過(guò)程中，得到整個(gè)壽命周期的載荷和時(shí)間歷程是很困難的。所以，在載荷譜獲取過(guò)程中，往往是盡可能選取有代表性的工況進(jìn)行測(cè)試。本文選擇具有代表性的某款車型，以它的球籠等速萬(wàn)向節(jié)ACi3300 在典型路面的扭矩譜為研究對(duì)象。

首先通過(guò)Tecware 軟件，對(duì)處理過(guò)的扭矩譜按照角度1 為單位，提取包含扭矩和圈數(shù)的旋轉(zhuǎn)扭矩直方圖，然后把方向盤角度和車身上下顛簸距離折算為正角度。其次，根據(jù)載荷譜對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)最高功率為50 kW，ACi3300 的最高速度為1 500 r/min，最終得到如表1所示的包含扭矩、角度及圈數(shù)的ACi3300 臺(tái)架壽命基準(zhǔn)程序。

循環(huán)數(shù)為276，每個(gè)循環(huán)56.9 min，整個(gè)臺(tái)架基準(zhǔn)程序總時(shí)間約為261.9 h。

2.2 臺(tái)架基準(zhǔn)程序的損傷等效性分析

扭矩譜和臺(tái)架壽命試驗(yàn)基準(zhǔn)程序之間的損傷等效性是臺(tái)架基準(zhǔn)程序轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，也是后續(xù)強(qiáng)化臺(tái)架試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)。通過(guò)公式（1）計(jì)算ACi3300 的動(dòng)態(tài)額定扭矩為483 N·m，通過(guò)修正后的公式（2）分別計(jì)算轉(zhuǎn)換前后扭矩譜和臺(tái)架基準(zhǔn)程序的小時(shí)壽命，進(jìn)而計(jì)算損傷分別為1.03E+01，1.11E+00，壽命預(yù)測(cè)分別為15.53 萬(wàn)km 和14.42 萬(wàn)km，兩者損傷相差7.7%，壽命預(yù)測(cè)相差7.1%，說(shuō)明轉(zhuǎn)出的臺(tái)架基準(zhǔn)程序安全可靠。

2.3 臺(tái)架壽命試驗(yàn)強(qiáng)化方法

基于261.9 h（循環(huán)數(shù)276）的臺(tái)架壽命基準(zhǔn)程序，在等損傷原則的限制下，通過(guò)以下4 種強(qiáng)化方法以縮短試驗(yàn)時(shí)間。

2.3.1 扭矩比例法

載荷比例法是在臺(tái)架壽命基準(zhǔn)程序的基礎(chǔ)上，所有載荷同時(shí)增大一定的比例系數(shù)。由于萬(wàn)向節(jié)額定扭矩的限制，這里選擇放大1.1 倍，通過(guò)圈數(shù)迭代計(jì)算，基于等損傷原則，循環(huán)數(shù)276 維持不變，圈數(shù)總體減少33.15%，即時(shí)間從原先的261.9 h 縮短至196.4 h，預(yù)計(jì)節(jié)約65.5 h。

2.3.2 角度提高法

在臺(tái)架壽命基準(zhǔn)程序的基礎(chǔ)上，增大試驗(yàn)角度。由于車身空間布置角度的限制，這里選取增加4°，通過(guò)圈數(shù)迭代計(jì)算，基于等損傷原則，循環(huán)數(shù)276 維持不變，圈數(shù)總體減少31.21%，即試驗(yàn)時(shí)間從原先的261.9 h 縮短至199.8 h，預(yù)計(jì)節(jié)約63.1 h。

2.3.3 扭矩和角度聯(lián)合法

混合法是指在臺(tái)架壽命基準(zhǔn)程序的基礎(chǔ)上，同時(shí)增大部分扭矩的載荷系數(shù)和角度，以動(dòng)態(tài)額定扭矩的2.7 倍即1 300 N·m 為界限來(lái)區(qū)分大小扭矩。即增大第1 ～12 步工況中的小扭矩系數(shù)1.1倍，各個(gè)角度增大2°，第12 ～14 步工況中的大扭矩和角度保持不變。通過(guò)圈數(shù)迭代計(jì)算，基于等損傷原則，循環(huán)數(shù)276 維持不變，圈數(shù)總體減少33.15%（第1 ～14 步工況中的圈數(shù)都要縮?。磿r(shí)間從原先的261.9 h 縮短至192.6 h，預(yù)計(jì)節(jié)約71.3 h。

2.3.4 損傷率調(diào)整法

對(duì)臺(tái)架壽命基準(zhǔn)程序中損傷率小于10%工況進(jìn)行角度和載荷調(diào)整，載荷增大1.1 倍，角度增加4°，損傷率大于10%的第7、第9 以及第12 ～14 步的工況和大于2.8 倍額定扭矩工況的扭矩，角度保持不變，基于等損傷原則，循環(huán)數(shù)276 維持不變，通過(guò)圈數(shù)迭代計(jì)算，圈數(shù)總體減少36.78%，即時(shí)間從原先的261.9 h 縮短至196.0 h，預(yù)計(jì)節(jié)約68.9 h。

3 強(qiáng)化方法的驗(yàn)證與應(yīng)用

分別用5 組ACi3300 樣件，對(duì)上述4 種強(qiáng)化方法和基準(zhǔn)程序進(jìn)行臺(tái)架壽命實(shí)例驗(yàn)證，結(jié)果見表2。

表2 ACi3300 四種強(qiáng)化方法的驗(yàn)證

在臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)第1 種扭矩比例法超過(guò)了臺(tái)架能力，只能舍棄某些工況。第2 種和第3 種的強(qiáng)化方法在第9步的工況，萬(wàn)向節(jié)表面溫度超過(guò)100℃，為了不影響油脂潤(rùn)滑性能，需要增加額外時(shí)間用來(lái)冷卻，和預(yù)計(jì)節(jié)約時(shí)間相差較大。而第4 種損傷率調(diào)整法，有效避免大扭矩和大損傷工況的強(qiáng)化，溫升一切正常，萬(wàn)向節(jié)失效模式和基準(zhǔn)試驗(yàn)相同，試驗(yàn)時(shí)間和預(yù)計(jì)時(shí)間基本一致。

目前損傷率調(diào)整法已經(jīng)成功應(yīng)用在汽車主機(jī)廠的某些項(xiàng)目上，效果良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合傳動(dòng)軸企業(yè)的實(shí)際工程應(yīng)用需求，修正了萬(wàn)向節(jié)壽命預(yù)測(cè)公式，研究了萬(wàn)向節(jié)臺(tái)架壽命加速的幾種方法。最后經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，損傷率調(diào)整法為最佳的強(qiáng)化方法，可以大幅節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，縮短萬(wàn)向節(jié)開發(fā)周期，為萬(wàn)向節(jié)的正向開發(fā)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。