施 杰，賈傳林，張 汝，秦 昀，濮龍鋒

（1.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201； 2.蘇州廣博力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)室有限公司，蘇州 215122）

引言

油冷管是連接汽車變速箱到前端油冷器的重要連接管路。管子直接承載變速箱油的換熱工作，管內(nèi)工作介質(zhì)是變速箱潤(rùn)滑油，其溫度和壓力可達(dá)150攝氏度和350Kpa。油冷管結(jié)構(gòu)如圖1所示，AEM橡膠和鋼管壓接，與變速箱連接處鋼管與鋁制壓板鐓壓成型，與水箱的油冷器連接處通過(guò)快速接頭方式進(jìn)行連接。

油冷管在整車的激振環(huán)境條件下造成的泄漏是主要失效模式。由于變速箱所處位置靠近發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出源，因此油冷管變速箱連接一側(cè)接口處的油泄是經(jīng)常出現(xiàn)的。由以上分析可得，以實(shí)車的振動(dòng)路譜來(lái)修正臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是必要的。

綜合以往文獻(xiàn)，劉洋、胡善清等在多通道高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用TS201處理芯片從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面詳細(xì)討論了多通道高速數(shù)據(jù)采集以及高速數(shù)據(jù)預(yù)處理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；彭思達(dá)、紀(jì)昌春、蔣永、仇春強(qiáng)在發(fā)動(dòng)機(jī)低頻振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中分析了發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定怠速工況(750 ± 100r/min)低頻的振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)；蔡巍巍、湯寶平、黃慶卿在面向機(jī)械振動(dòng)信號(hào)采集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中嘗試采用新型微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems)，利用加速度傳感器采集振動(dòng)信號(hào)并且選用了2.4GHz 頻段的低功耗無(wú)線射頻芯片CC2430作為無(wú)線通訊模塊；高安生、閻菲在多路振動(dòng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的研究中，介紹了微機(jī)控制液壓振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)研制過(guò)程中多路振動(dòng)信號(hào)采集與處理方法；孫啟甲在實(shí)車空調(diào)系統(tǒng)異響診斷技術(shù)研究中提出了頻響函數(shù)路徑共振驗(yàn)證，通過(guò)階次分析共振來(lái)確認(rèn)診斷位置。

圖1 油冷管走向和連接形式

本文基于M公司B型油冷管的失效現(xiàn)象，采集了實(shí)際道路負(fù)荷，采用快速傅立葉變換成頻域信號(hào)，找到接近共振點(diǎn)能量，修訂臺(tái)架試驗(yàn)的隨機(jī)振動(dòng)掃頻曲線，使得失效模式得到良好的復(fù)現(xiàn)。

1 產(chǎn)品失效模式與理論分析

如圖2所示，是經(jīng)過(guò)M公司整車高速路試的結(jié)果，油冷管在變速箱一側(cè)，出現(xiàn)油冷管鐓壓位置出現(xiàn)泄漏(通過(guò)保壓水檢方法)，見剖解圖3中明顯顯示鐓壓位置內(nèi)側(cè)出現(xiàn)裂紋，這里屬于變速箱油進(jìn)口位置。

循環(huán)的外部載荷是引起試驗(yàn)樣件應(yīng)變疲勞的主要原因。圖3的失效模式可以近似為拉伸應(yīng)力所造成的，其應(yīng)力計(jì)算為：

σ= P/A

圖2 泄漏位置和剖解結(jié)果

圖3 剖解放大圖

其中：P為所施加的載荷；A 為試件變形后的橫截面積。

如上式所示，隨著載荷的增加，材料進(jìn)入屈服，經(jīng)過(guò)強(qiáng)化直至最后的斷裂。

載荷從0到P的過(guò)程，試件拉伸變形是逐漸的，應(yīng)變的增量dε等于長(zhǎng)度增量dl和變形后長(zhǎng)度l之比：

忽略彈性體變形，假設(shè)發(fā)生變形后體積不變，則有：

因此應(yīng)變公式又可以寫為：

當(dāng)考慮彈性變形時(shí)，總的應(yīng)變應(yīng)該是彈性應(yīng)變?chǔ)舉和塑性應(yīng)變?chǔ)舙之和。值得注意的是隨著外力卸載，彈性變形是可以恢復(fù)的，而塑性應(yīng)變作為應(yīng)變殘余留在試件中。

彈性應(yīng)力根據(jù)虎克定律：

塑性應(yīng)力根據(jù)holomon關(guān)系式：

式中，K為強(qiáng)度系數(shù)；n為應(yīng)變指數(shù)，無(wú)量綱。

因此應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系可寫為下式：

因此應(yīng)力的大小直接關(guān)系到最后失效位置和時(shí)間歷程。對(duì)于工作狀態(tài)的油冷管，其受力主要部分是管內(nèi)工作介質(zhì)潤(rùn)滑油的流動(dòng)壓力。據(jù)以往數(shù)據(jù)，常見內(nèi)壓可達(dá)300kpa左右，本身力的基數(shù)就不大，此外由于油冷管總成有1/3長(zhǎng)度是AEM膠管，可以吸收大部分管內(nèi)的壓力或者壓力脈動(dòng)。因此外部振動(dòng)激勵(lì)使得油管尤其在連接處的應(yīng)力集中最終造成油管的管體破損。

由于是在道路試驗(yàn)的高速環(huán)路工況下發(fā)現(xiàn)的油管泄漏現(xiàn)象，因此路面的影響不明顯。而油冷管的失效位置是靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的一側(cè)，所以本文主要針對(duì)路試結(jié)果研究了發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)的影響。

常用的實(shí)際道路信號(hào)主要有位移信號(hào)和加速度信號(hào)，尤其以加速度信號(hào)的時(shí)域譜收集最為常見，位移信號(hào)主要是研究危害程度以及進(jìn)行失效分析。此外臺(tái)架的試驗(yàn)主要采用隨機(jī)振動(dòng)來(lái)驗(yàn)定特定激振譜條件下產(chǎn)品的抗振性能，因此本文以加速度信號(hào)采集為主來(lái)進(jìn)行研究。加速度作用的效果可以用損傷公式表示，如下式：

其中：T為試驗(yàn)時(shí)間或者加載時(shí)間；Grms為隨機(jī)振動(dòng)譜的平均加速度；n為壽命系數(shù)，一般機(jī)械應(yīng)力取在4～6之間。

2 路譜分析和臺(tái)架轉(zhuǎn)化

本文依據(jù)失效油冷管所在的車艙內(nèi)的安裝位置，在油冷管靠近變速箱進(jìn)出口的連接塊上布置了兩個(gè)加速度傳感器，并進(jìn)行了三向加速度時(shí)域數(shù)據(jù)信號(hào)采集。

這樣在臺(tái)架振動(dòng)控制中，可以比較真實(shí)地反映到油冷管的振動(dòng)實(shí)際情況，同時(shí)可以得到準(zhǔn)確和平穩(wěn)的振動(dòng)臺(tái)體反饋信號(hào)。如圖4所示，左側(cè)是進(jìn)口管加速度傳感器位置，右側(cè)是出口管加速度傳感器位置。

一般時(shí)域信號(hào)需要轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)來(lái)進(jìn)行分析，對(duì)于一個(gè)N點(diǎn)離散序列f(n)，其離散傅立葉變換對(duì)其定義為：

圖4 加速度傳感器位置

1965年Cooley和Tukey發(fā)表了有關(guān)快速傅立葉變換的著名論文，使離散傅立葉變換的運(yùn)算量大大下降。圖基-庫(kù)利(Cooley-Tukey)算法的基本思想是把一個(gè)N點(diǎn)長(zhǎng)序列f(n)按照奇、偶分解成兩個(gè)短序列f1(k)和f2(k)，分別求出短序列的離散傅立葉變換結(jié)果F1(k)和F2(k)。f(n)的離散傅立葉變換結(jié)果按照如下的關(guān)系線性組合：

式中，k的取值范圍為0—N/2-1。

這樣就把常規(guī)的N2級(jí)別的計(jì)算量大大縮減。

本文利用了圖基-庫(kù)利(Cooley-Tukey)算法轉(zhuǎn)化時(shí)域信號(hào)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)2500轉(zhuǎn)時(shí)油冷管運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)較大的加速度。如圖5、6是出口管位置和進(jìn)口管位置兩個(gè)加速度傳感器的頻域數(shù)據(jù)。

圖5 2500rpm 時(shí)的進(jìn)口油管位置加速度PSD

圖6 2500rpm 時(shí)的出口油管位置加速度PSD

從進(jìn)口管位置的PSD譜型看到，加速度峰值出現(xiàn)在304Hz，單點(diǎn)峰值功率譜密度是0.16g2/Hz，大概是激振源轉(zhuǎn)速即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2500rpm的7倍諧波。能量分布來(lái)看Z方向的功率譜密度最大 ，Y方向最小。從圖5可知在200Hz到400Hz范圍內(nèi)，能量比較集中，振動(dòng)劇烈。

從出口管位置的PSD譜型看到，加速度峰值出現(xiàn)在224Hz，單點(diǎn)功率譜密度是0.09g2/Hz，大概是激振源轉(zhuǎn)速即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2500rpm的5倍諧波。能量分布來(lái)看Y方向的功率譜密度最大 ，Z方向最小。從圖6可知在200Hz到400Hz范圍內(nèi)，能量比較集中，振動(dòng)劇烈。

所以出現(xiàn)失效的進(jìn)口管位置能量在z方向比較大，這是主要的失效誘因。并且依據(jù)管路在200Hz到400Hz范圍內(nèi)能量集中的特點(diǎn)，有必要修正原M企業(yè)針對(duì)油冷管臺(tái)架振動(dòng)的試驗(yàn)頻譜(此前按照標(biāo)準(zhǔn)譜的臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)并沒(méi)有振出問(wèn)題)。隨機(jī)振動(dòng)路譜能量大小是計(jì)算其GRMS即PSD頻域線下的包絡(luò)面積。

GRMS的計(jì)算如下式所示：

Grms=sqrt(areaA+areaB +areaC+areaD)

在100Hz到300Hz條件下原有譜單點(diǎn)0.05g2/Hz能量不足以代表實(shí)車狀態(tài)，因此需要進(jìn)行修正如下表。表中增加了315Hz頻域點(diǎn)，并且提升功率譜密度，從0.05 g2/Hz提升到0.16g2/Hz。

表1 M 公司隨機(jī)振動(dòng)譜和GRMS 計(jì)算結(jié)果

圖7 M 公司油冷管振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)頻譜的對(duì)數(shù)坐標(biāo)系顯示

試驗(yàn)時(shí)間和步驟仍按照老的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)， 上下、水平、前后三個(gè)方向順次試驗(yàn)，每個(gè)方向22h。

3 臺(tái)架搭建和新譜隨機(jī)掃頻試驗(yàn)

本文使用電磁振動(dòng)臺(tái)參數(shù): 型號(hào)為某公司DC-3200電磁振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，其額定激振力為3.2kN，額定位移為51mm p-p，額定速度為2m/s，額定加速度為100g，額定頻率范圍為5Hz～2000Hz。如圖9是工裝搭建。工裝分為兩部分，產(chǎn)品按照實(shí)車走向，靠近變速箱一側(cè)固定工裝固定在電磁振動(dòng)臺(tái)面，水箱快速接頭一側(cè)的固定工裝固搭在地面上，以突出油冷管兩側(cè)位移差。進(jìn)出試驗(yàn)油管預(yù)裝滿潤(rùn)滑油。如圖10是實(shí)際臺(tái)架布置。

反饋信號(hào)加速度傳感器按照道路數(shù)采位置固定在變速箱進(jìn)出口支架旁如圖9，臺(tái)架掃頻信號(hào)控制如圖11。臺(tái)體振動(dòng)輸出曲線均在控制上下極限范圍內(nèi)，臺(tái)架試驗(yàn)控制穩(wěn)定。

表2 修正后的隨機(jī)振動(dòng)譜和GRMS 計(jì)算結(jié)果

圖8 修正后的頻譜PSD

圖9 臺(tái)架控制加速度傳感器位置

圖10 實(shí)際臺(tái)架布置

圖11 臺(tái)體隨機(jī)振動(dòng)掃頻輸出曲線

圖12 新譜振動(dòng)后樣件失效位置水檢情況

試驗(yàn)結(jié)果：按照新譜，同批次樣件在試驗(yàn)完成z方向階段的第16h振動(dòng)時(shí)發(fā)生油泄露，占試驗(yàn)進(jìn)程24.2%，而同批次油冷管在整車道路試驗(yàn)失效點(diǎn)在21%左右。

將泄露的進(jìn)口管油倒出，通入200kpa氮?dú)饨](méi)在水中水檢。如圖12看到油管泄露冒泡位置和實(shí)車失效樣件近似，證明新譜的有效性和可行性。

4 結(jié)論

通過(guò)以上的設(shè)計(jì)計(jì)算分析，可以得到如下結(jié)論：

1）本文分析了車用油冷管的主要失效形式和失效機(jī)理，并比較了彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變的影響。

2）討論了實(shí)際道路的時(shí)域譜向頻域譜的轉(zhuǎn)化方法，運(yùn)用快速傅立葉變換可以很好保證譜型不失真，并減少計(jì)算的工作量。

3）關(guān)注實(shí)車頻域譜中的峰值點(diǎn)和能量集中區(qū)域，其對(duì)臺(tái)架PSD的修正至為關(guān)鍵。

4）搭建了相關(guān)工裝臺(tái)架，采用多自由度安裝實(shí)現(xiàn)實(shí)車載荷效果。

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