米 林，彭 逸，譚 偉，王蘇磊

(重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室， 重慶 400054)

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基于道路載荷譜的城市公交車輛傳動耐久性試驗方法

米 林，彭 逸，譚 偉，王蘇磊

(重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室， 重慶 400054)

城市公交車輛行駛路線相對固定，道路載荷重復性高。為了更精確地評估城市公交車輛傳動耐久性，提出了基于用戶載荷譜的新型測試方法。首先，采集某時段的城市公交車輛在行駛過程中的變速器輸出軸道路載荷譜，結(jié)合行駛擋位，將道路載荷分解到變速器輸入軸，計算其行駛里程中其各擋位的輸入軸載荷分布情況，細化到不同載荷等級區(qū)間，并計算頻次。其次，采用等效損傷理論，將不同等級的載荷等效至最大損傷載荷并折算加載循環(huán)次數(shù)。最后，根據(jù)設計行駛里程與實際道路載荷譜行駛里程，外推最大損傷載荷下的循環(huán)加載次數(shù)，提出關(guān)聯(lián)用戶道路載荷的變速器耐久性試驗方法。研究結(jié)果表明：在變速器耐久性試驗中，通過該方法得到了城市公交車輛常用行駛擋位的可靠性試驗循環(huán)加載次數(shù)，同時更準確地測試了城市公交車輛變速器的耐久性。

變速器；壽命試驗；加速疲勞；道路載荷譜

在國內(nèi)，城市公交車輛通常所匹配的變速器為5擋變速器。在實際行駛過程中，由于公交站臺較多，平均相隔1 km就有1個站臺，且城市道路存在紅綠燈較多、交通擁堵等情況，因此城市公交車輛起步、制動頻繁，部分擋位換擋頻率較高，常處于低速低擋的情況，平均行駛時速一般在30～40 km/h，最高時速一般不超過60 km/h，且行駛路線相對固定。

汽車變速器耐久試驗一般主要根據(jù)經(jīng)驗或習慣對傳動系統(tǒng)進行加載，該方法不能有效結(jié)合用戶的使用情況，因此導致一些試驗結(jié)果與實際失效模式差距較大。由于城市公交車輛變速器的試驗方法多數(shù)由乘用車或載重汽車的試驗方法演變而來，針對性不強，與實際使用故障不符，因此為了更精確地評估城市公交車輛傳動耐久性，對城市公交車輛變速器的疲勞壽命試驗方法進行研究，提出了基于用戶載荷譜的新型測試方法。

1 變速器疲勞壽命失效的模式與疲勞壽命分析

國內(nèi)外研究表明：變速器零件損壞以疲勞破壞為主。疲勞破壞是指零件或構(gòu)件受到低于材料屈服極限的交變應力、應變的反復作用，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后，在應力集中的部位出現(xiàn)裂紋萌生、擴展直至最終斷裂的過程[1-2]。在此過程中，由于齒輪的嚙合產(chǎn)生振動或沖擊，并反作用于軸類零件和箱體，因此又加劇了變速器出現(xiàn)疲勞破壞這一過程。

疲勞破壞的過程主要分為4個階段：裂紋成核、微觀裂紋擴展、宏觀裂紋擴展和最終斷裂。

在實際工程應用中，裂紋成核和微觀裂紋擴展又被稱為裂紋萌生階段，而宏觀裂紋擴展稱為裂紋擴展階段。在裂紋形成或結(jié)構(gòu)完全失效的時候，便可檢測到由于零件彎曲或軸向疲勞失效引起的蛤殼狀。

零件在給定應力水平S的循環(huán)載荷下的累計損傷D為：

(1)

其中：a為疲勞損傷裂紋長度；af為斷裂時的裂紋長度；a0為初始裂紋長度；n為達到裂紋長度a時外加載荷的循環(huán)次數(shù)；Nf值為在達到最終斷裂的裂紋長度af時的外加載荷循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)Miner準則(線性損傷模型)，可以計算出在不同應力水平的共同作用下零件的疲勞損傷：

(2)

其中：D為疲勞累積損傷；ni為在應力水平si作用下的循環(huán)數(shù)；Nfi為在應力水平si作用下的疲勞壽命。

2 用戶關(guān)聯(lián)道路載荷譜的采集

根據(jù)疲勞結(jié)構(gòu)理論，汽車變速器齒輪的疲勞損傷主要由循環(huán)載荷引起。當汽車輸入載荷一定時，其所引起的疲勞損傷也是一致的。基于這一理論，將采集到的汽車行駛道路載荷譜進行數(shù)據(jù)處理，將變速器輸出端的扭矩-轉(zhuǎn)數(shù)等效到變速器的輸入端，同時引入等效損傷轉(zhuǎn)速，便可認為試驗室臺架上用驅(qū)動電機或測功機對變速器施加一定的轉(zhuǎn)數(shù)和扭矩所引起的損傷值和道路載荷譜中的損傷值是等效的。車輛道路載荷譜的數(shù)據(jù)采集主要包括在各個擋位下的變速器輸出軸的轉(zhuǎn)數(shù)和扭矩[4-5]。

本試驗中典型路面選取重慶李家沱公交車場到磁器街301路公交車往返行駛路段(圖1)，對其進行1天10次往返的道路載荷數(shù)據(jù)采集，總行駛距離大約為304 km。由于采集時間較長，道路載荷譜樣本數(shù)據(jù)量較大，因此將采樣頻率設為1 Hz。

圖1 重慶301路公交車行駛路線

該公交車變速器額定輸入轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，額定輸入扭矩為800 N·m，由于公交車輛變速器1擋使用率約為2%，因此在行駛304 km的路程中，使用1 擋行駛的路程為6 km。將道路載荷譜以各個擋位進行數(shù)據(jù)抽取，在各擋位下按扭矩范圍進行時間、區(qū)間劃分，根據(jù)公式

(3)

計算出給定扭矩Ti下的輸出軸轉(zhuǎn)數(shù)。

按區(qū)間劃分后，變速器在1擋位置時輸出軸的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)如表1所示。

由于采集的道路載荷譜屬于短期的載荷，且變速器整個壽命周期的使用循環(huán)次數(shù)較大，因此需采用循環(huán)外推法來預測變速器長時間的循環(huán)載荷。循環(huán)外推法是將扭矩-轉(zhuǎn)數(shù)分布上的轉(zhuǎn)數(shù)乘以一個較大的循環(huán)次數(shù)外推系數(shù)，使轉(zhuǎn)數(shù)曲線圖坐標上移，然后將扭矩外推到變速器所匹配的發(fā)動機的最大輸出扭矩(變速器輸出軸)兩端的極值上[6]。

表1 1擋輸出軸的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)

采用循環(huán)外推法，將變速器1擋行駛的輸出軸扭矩-轉(zhuǎn)數(shù)外推400倍后就可以得到該變速器1擋行駛2 400 km的輸出軸扭矩和轉(zhuǎn)數(shù),如表2所示。

表2 采用循環(huán)外推法后1擋輸出軸的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)

由于公交車輛變速器傳動比范圍廣，低擋位時變速器輸出扭矩較大，而且變速器疲勞壽命試驗是在試驗臺架上進行的，因此對于輸出端的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)的控制相對困難，應根據(jù)1擋傳動比將輸出端的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)變換到輸入端。1擋傳動比為6.88，根據(jù)公式：

(4)

(5)

即可得到輸入端的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)，其中：Ti為變速箱輸入軸扭矩；To為變速箱輸出軸扭矩；Ri為變速箱輸入軸轉(zhuǎn)數(shù)；Ro為變速箱輸出軸轉(zhuǎn)數(shù)；i為傳動比。

同時引入等效損傷轉(zhuǎn)數(shù)方程：

(6)

其中：b=0.1為抗疲勞曲線的斜率；TB=800N·m為變速器試驗中輸入軸控制的扭矩；Req為等效損傷轉(zhuǎn)數(shù)。

計算時，將車輛慣性滑行時的扭矩(負)變換為正扭矩，得到等效損傷轉(zhuǎn)數(shù)，如表3所示。

由表3可知:當扭矩在756 ～814N·m時，將對變速器產(chǎn)生比其他扭矩更大的損傷。因此，在試驗臺架上對變速器進行疲勞壽命試驗時，額定輸入扭矩為800N·m是比較合理的。由表3可以得出：在1擋時輸入軸的總等效損傷轉(zhuǎn)數(shù)為894 298 轉(zhuǎn)，試驗轉(zhuǎn)速為1 500r/min，由此計算出在試驗臺架上產(chǎn)生的與實際采集的道路載荷譜相對應的等效損傷所需要的試驗時間為：T=894 298/1 500/60=9.94h。

用同樣的方法，計算出該變速器其他各擋位在試驗臺架上產(chǎn)生的與實際采集的道路載荷譜相對應的等效損傷所需要的試驗時間，如表4所示。

3 變速器加速疲勞試驗研究

對該公交車輛行駛304km的道路載荷譜進行采集，經(jīng)循環(huán)外推法外推400倍得到該車輛行駛12 000km的變速器各個擋位的等效損傷轉(zhuǎn)數(shù)和在試驗臺架上的試驗時間，從中可以得出在試驗臺架上對該變速器的各個擋位進行試驗的總時間為675.6h。該試驗總時間較長，試驗費用較高，因此需要對其進行加速疲勞試驗，縮短試驗時間，節(jié)約試驗成本。

表3 1擋輸出軸的扭矩和等效損傷轉(zhuǎn)數(shù)

表4 各擋位等效損傷所需要的試驗時間

加速疲勞試驗是指在齒輪等零部件材料的強度范圍以內(nèi)，在變速器的輸入端輸入一定范圍的超過變速器額定輸入轉(zhuǎn)矩進行試驗，一般的加速疲勞試驗的輸入扭矩為額定輸入扭矩的120%、140%、160%等[7-8]。但是在進行加速疲勞壽命試驗時，必須保證變速器的失效位置和失效機理與正常疲勞壽命試驗時相同。由于車輛在行駛過程中需要在每個擋位之間切換，不會保持某一個擋位長時間的行駛，因此在對每個擋位進行加載試驗時，各個擋位的連續(xù)加載時間不超過2 h。

1966年Conover等[9]通過對45鋼進行加載疲勞試驗得出：無論是采取間隔分布、正態(tài)分布還是對數(shù)分布的加載方式，雖然出現(xiàn)疲勞破壞時的循環(huán)載荷次數(shù)不同，但是其S-N曲線斜率相同，如圖2所示。

圖2 聯(lián)合循環(huán)的S-N曲線

由S-N曲線可知：隨著載荷幅值的增加，零件達到破壞的循環(huán)次數(shù)會減少，相應的試驗時間即可縮短，這就是加速疲勞壽命試驗的原理。

在對汽車變速器零部件進行加速疲勞試驗時，正常疲勞壽命試驗的循環(huán)加載次數(shù)與加速疲勞壽命試驗的循環(huán)加載次數(shù)之間的關(guān)系為：

(7)

其中：斜率K的值為6.5～7；T正常和T加速分別為正常疲勞壽命試驗載荷和加速疲勞試驗載荷；N正常和N加速分別為正常疲勞壽命試驗的循環(huán)加載次數(shù)與加速疲勞壽命試驗的循環(huán)加載次數(shù)。由上述公式以及各擋的加載試驗載荷強化系數(shù)就可以計算出各擋的加速疲勞試驗的時間，如表5所示，其中K值取6.6。

表5 變速器加速時間測試明細表

與正常疲勞壽命試驗所需總時間675.6 h相比，加速疲勞壽命試驗總時間為97.01 h，節(jié)約試驗時間578.59 h，為正常疲勞壽命試驗時間的13.5%。因此，采用加速疲勞壽命試驗方法可以大量節(jié)約試驗成本和時間。

4 變速器試驗測試

李家沱公交車場到磁器街的301路公交車輛搭載的該新變速器在行駛了12萬km時，其1擋出現(xiàn)了疲勞故障，根據(jù)其實際行駛時間，計算出該變速器1 擋的循環(huán)轉(zhuǎn)數(shù)為894 298，而按照德國ZF(采埃孚)變速器公司的汽車機械式變速器臺架試驗方法，只需要做轉(zhuǎn)數(shù)為720 000的疲勞壽命試驗，1 擋齒輪就出現(xiàn)了同樣的故障。

本文1 擋加速疲勞壽命試驗時間為9.94 h，與德國ZF(采埃孚)變速器公司提出的規(guī)范時間少0.6%，其誤差在10%以內(nèi)。

在試驗臺架上對該變速器1擋進行正常疲勞壽命試驗，當運行到800 000轉(zhuǎn)時，發(fā)現(xiàn)齒輪出現(xiàn)了齒面點蝕現(xiàn)象(如圖3所示)，結(jié)果相對合理、有效。

圖3 齒面點蝕現(xiàn)象

5 結(jié)束語

本文對關(guān)聯(lián)用戶載荷譜的公交車輛變速器臺架強化試驗方法進行研究，結(jié)合實際研究對象，對城市公交車輛變速器的疲勞壽命失效機理和變速器道路載荷譜數(shù)據(jù)進行了相關(guān)分析，結(jié)合混合S-N曲線，提出加速疲勞壽命試驗方法，并進行了試驗，證明了加速疲勞壽命試驗的合理性。研究結(jié)果表明：在變速器耐久性試驗中，通過該方法得到了城市公交車輛常用行駛擋位的可靠性試驗循環(huán)加載次數(shù)，同時更準確地測試了城市公交車輛變速器的耐久性。

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(責任編輯 劉 舸)

Transmission Durability Testing Method of Bus Based on Road Load Spectrums

MI Lin， PENG Yi， TAN Wei， WANG Su-lei

(1.Key Laboratory of Advanced Manufacturing and Test Technology for Automobile Parts,Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054,China)

Due to relatively fixed routes of public transportation, road load is with high repeatability. In order to evaluate transmission durability of bus accurately, a new test method based on user load spectrum was proposed. Firstly, road load spectrum of transmission output shaft while driving during certain period was collected. Loads of transmission output shaft has been decomposed on the transmission input shaft and input shaft loading condition was figured out in various gears. Meanwhile, frequency distribution of different load grades was obtained. Secondly, based on equivalent damage theory, different levels of load were regarded as equivalent to the maximum damage and number of load cycles was worked out. Finally, according to design mileage and the mileage of road load spectrum, cycle index of loading which causes maximum damage was extrapolated. Therefore, method of testing durability of transmission associated customers of the road load spectrum was established. This study shows that transmission durability tests increased the city bus drive reliability test cycle times and accurately tested the durability of bus transmissions.

transmission; life test; accelerated fatigue; road load spectrum

2016-12-18

米林(1964—)，男，博士，教授，主要從事控制測控技術(shù)、 汽車電子及新能源汽車方面研究，E-mail:linmi@cqut.edu.cn; 彭逸(1990—)，女，碩士研究生,主要從事機電系統(tǒng)測試與控制技術(shù)研究，E-mail:cos8023@outlook.com。

米林，彭逸，譚偉，等.基于道路載荷譜的城市公交車輛傳動耐久性試驗方法[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(4):15-20.

format：MI Lin，PENG Yi，TAN Wei，et al.Transmission Durability Testing Method of Bus Based on Road Load Spectrums[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(4):15-20.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.04.003

U467.3

A

1674-8425(2017)04-0015-06