劉喜濤

(廣汽零部件有限公司技術中心，廣東廣州 510640)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，整車性能對變速箱性能提出了更高的要求。自動變速箱作為汽車傳動系統(tǒng)的核心零部件，其性能對整車的安全性、燃油經濟性、動力性、乘坐舒適性等有重大影響。因此，開展對自動變速箱的研究顯得尤為重要。

汽車變速箱用于改變發(fā)動機傳遞到驅動輪上的轉矩和轉速，其功用主要有：改變傳動比，拓寬驅動輪轉矩和轉速的變化范圍，從而適應不同的汽車行駛條件，如原地起步、爬坡、加速等，使得發(fā)動機在有利的工況下工作；在不改變發(fā)動機轉速的前提下，設置倒擋，使汽車倒退行駛；設置空擋，切斷動力傳遞，以便發(fā)動機能夠實現(xiàn)起動、怠速，便于變速箱進行換擋操作。

目前，主流汽車采用的自動變速箱主要分為4類：液力自動變速箱(Automatic Transmission，AT)、電控機械式自動變速箱(Automated Transmission，AMT)、雙離合器自動變速箱(Dual Clutch Transmission，DCT)和無級自動變速箱(Continuously Variable Transmission，CVT)[1]。

變速箱殼體作為變速箱內部部件的主要支撐部件，承受著較大的振動、沖擊、噪聲等動載荷的作用，殼體質量直接影響變速箱的綜合性能。變速箱殼體應有足夠強度抵抗發(fā)動機傳遞過來的大扭矩及車體振動造成的載荷。為了實現(xiàn)更大的速比范圍，對變速箱性能提出了更高的要求，變速箱結構不斷改進，結構也越來越復雜，精度要求越來越高。變速箱殼體是變速箱的關鍵部件，其結構復雜，加工精度要求極為苛刻。為滿足輕量化要求，變速箱殼體多采用鋁合金壓鑄成型，壓鑄毛坯質量直接影響殼體質量。作者對變速箱殼體強度進行了研究，通過對變速箱總成施加扭力，實施殼體強度耐久測試，測定各個測點應力值，驗證了變速箱殼體強度、疲勞損傷及壽命。強度耐久測試能使殼體鑄造中的氣孔、裂紋等缺陷顯現(xiàn)，從而保證殼體質量。

1 應力測試原理分析

應變測試系統(tǒng)由電阻應變片、測量電路、顯示與記錄儀器組成，其原理為：通過電阻應變片，先測量出變速箱殼體表面的應變，再根據(jù)應力、應變的關系來確定殼體表面應力[2]，如圖1所示。

圖1 應變測量原理框圖

具體測試方法為：把所使用的應變片按殼體的受力情況，合理地粘貼在被測殼體變形位置上，當變速箱殼體受力產生變形時，應變片敏感柵隨之變形，敏感柵的電阻值發(fā)生相應變化，其變化量的大小與殼體表面變形呈一定的比例關系，通過測量電路轉換為與應變呈比例的模擬信號，經過分析處理，得到受力后的應力應變值。

應變片電阻變化與產生的應變之間的關系為

(1)

采用惠斯通電橋來測量電阻，如圖2所示。電阻應變儀將應變片的電阻變化轉化為電壓或電流的變化，然后通過放大器將微弱的電壓信號進行放大，以便指示和記錄。

圖2 惠斯通電橋測電阻原理圖

(2)

式(2)中：E為輸入電壓；e為輸出電壓；K為應變片的靈敏度系數(shù)。

此試驗采用單臂電橋接法，應變片采用三線式，用以補償溫度引起的電阻的變化，如圖3所示。

圖3 單臂電橋及電橋接法圖

在電橋上各電阻相等的情況下，即有

R1=R2=R3=R4=R

(3)

變速箱殼體產生應變時，應變片電阻R1變?yōu)椋?/p>

R1=R+ΔR1

(4)

應變片變化電阻ΔR1<

(5)

測量應變時，如果應變片與測量裝置之間連接線較長，電阻的變化導致應變系數(shù)下降，需要對應變系數(shù)進行校正。導線校正系數(shù)A為：

(6)

校正后應變系數(shù)K0為：

(7)

式(7)中：r為每1 m導線的往復電阻值(Ω/m)；L為導線長度。

2 試驗與驗證

2.1 試驗原理

將變速箱搭載到扭轉機設備上，扭轉機設備通過伺服閥控制油泵產生的高壓流體，并傳送給油壓馬達來產生回轉扭力，施加到變速箱總成上，使得變速箱殼體產生應變。扭轉機設備構成如圖4所示。

圖4 扭轉機設備構成圖

將貼有應變片的變速箱搭載到扭轉機設備上，變速箱輸出軸固定并通過扭轉機對變速箱施加輸入扭力，對變速箱總成進行強度耐久測試，與此同時進行變速箱殼體的應變量測量，測量原理如圖5所示。

圖5 殼體強度測試原理圖

2.2 試驗過程

利用有限元分析軟件，建立有限元模型[3-6]，分析在輸入扭力工況下變速箱殼體應力，得到殼體應力分布云圖，如圖6所示。

圖6 變速箱殼體應力分布云圖

根據(jù)應力分布云圖，可以確定變速箱殼體應力集中處。在應力集中處粘貼應變片，具體粘貼位置如圖7所示。

圖7 應變片粘貼位置圖

組裝變速箱并將其搭載到扭轉機設備上，連接橋電路儀TDS530、數(shù)據(jù)計測儀NR600，完成變速箱殼體強度測試系統(tǒng)的搭載。測試系統(tǒng)實物圖如圖8所示。

圖8 殼體強度測試系統(tǒng)實物圖

TDS530橋電路儀可以測量變形量，具有高分解能力模式以及1個通道CH可以同時測量變形量和溫度的測溫機能應變片模式，配備完整的應變片補正法，高速測量數(shù)據(jù)，防止雜波。NR600配置NR-ST04應變測量模塊，用于應變數(shù)據(jù)采集測量存儲。

設置扭轉機、計測設備等的參數(shù)，進行變速箱殼體強度耐久試驗。首先進行慣性運轉，慣性運轉時，第一次按測試模式進行，扭力逐漸遞增到條件值，再回零，記錄測定數(shù)據(jù)。第二次直接將扭力升到條件值，再回零，依次操作，直至達到測試狀態(tài)，即應變量為個位數(shù)。根據(jù)測試模式施加輸入扭力，實施殼體強度測試，輸入扭力從0、669、1 388 N·m……升至3 837 N·m后降至0 N·m，如圖9所示。在差速器不同相位的條件下分別進行變速箱前進擋、倒擋測試，完成強度耐久測試。

圖9 輸入扭力施加圖

2.3 試驗結果分析

處理記錄的數(shù)據(jù)，對應變進行單位轉換，即將με轉換MPa，轉換后各測點應力均在變速箱殼體鋁合金材料0.2%塑性應力規(guī)格內。比較變速箱殼體同一測定位置的實測應力與有限元分析得到的應力，如圖10所示。

圖10 各測點實測應力與有限元分析應力對比圖

實測應力與有限元分析得到的應力方向相同，應力值大致相當，從而驗證了有限元分析模型的正確性。應力測試得到的實測應力值與有限元分析得到的應力值數(shù)值有差異，究其原因，主要有以下幾點：(1)有限元模型施加載荷與實際載荷存在偏差；(2)有限元模型與實物存在偏差；(3)應變片的粘貼位置與有限元分析的應力集中位置有差異；(4)數(shù)據(jù)采集誤差。

3 結論

(1)研究了變速箱殼體強度耐久測試的方法，即利用應力測定的方法進行變速箱殼體的靜扭轉測試。通過扭轉機對變速箱總成施加扭力，測定變速箱殼體的應變量、應力，進行殼體強度耐久測試，以驗證殼體的強度。

(2)該應力測試方法能夠驗證有限元分析結果，試驗結果表明：同一測定位置的實測應力值及方向與有限元分析得到的應力相當。

(3)根據(jù)文中施加扭力的測試方法，完成變速箱殼體的強度耐久測試，能有效驗證變速箱殼體的疲勞損傷及壽命。

(4)該應力測試方法能有效保證變速箱殼體強度，可靠性高，操作性強，在汽車變速箱強度研究領域具有很高的應用價值。

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