徐軍　程小強　楊平

摘 要：通過實車采集試驗樣車在試驗場道路上行駛時的CAN BUS數(shù)據(jù)，可直接獲得發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩和檔位等信號;把傳統(tǒng)的載荷-時間頻次關(guān)系，轉(zhuǎn)變?yōu)檩d荷-發(fā)動機飛輪旋轉(zhuǎn)頻次關(guān)系，同時記錄各載荷等級對應(yīng)的各個擋位的頻次，這樣可獲得在各個檔位下，不同載荷等級對應(yīng)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的飛輪旋轉(zhuǎn)頻次，根據(jù)齒輪材料的S-N曲線和疲勞累積 Miner理論，計算出各檔位的疲勞強度，然后基本疲勞損傷等效原理選取各檔位下產(chǎn)生較大疲勞強度的扭矩和轉(zhuǎn)速，作為臺架試驗輸入的載荷和轉(zhuǎn)速，可有效避免載荷和轉(zhuǎn)速選取的盲目性，為科學的制定臺架試驗載荷譜提供了依據(jù)。關(guān)鍵字：載荷等級;疲勞;轉(zhuǎn)速;檔位

中圖分類號：U467.3? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2020）03-119-04

前言

汽車動力傳動系統(tǒng)的可靠性試驗是考核和驗證傳動系耐久性的一種重要手段，如何科學合理的制定臺架試驗載荷譜是行業(yè)面臨的重要課題。與傳統(tǒng)的道路試驗相比，臺架試驗方法不僅省時、省力、成本低，而且試驗針對性強，具有較好的試驗精度和可重復性。 目前國內(nèi)已有一些學者進行過動力傳動系統(tǒng)臺架試驗與用戶道路或試驗場道路關(guān)聯(lián)的研究，門玉琢等[1]結(jié)合實際用戶調(diào)查獲得的路面比例與車輛載重數(shù)據(jù)，根據(jù)疲勞累積損傷的威布爾分布方程和傳動系損傷計算模型，計算累積失效概率為90%的用戶總累積損傷，然后基于疲勞等效原理，將用戶的載荷譜轉(zhuǎn)化成臺架能識別的載荷譜;李文禮等[2]基于采集的實車數(shù)據(jù)，在重構(gòu)的載荷譜中找到不同轉(zhuǎn)矩載荷等級所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和擋位信息，獲得不同載荷等級下不同檔位和轉(zhuǎn)速的統(tǒng)計分布，在對隨機載荷譜進行處理，獲得臺架試驗載荷譜;邵志良等[3]實車采集了試驗場整車耐久試驗載荷譜，然后根據(jù)疲勞損傷理論計算各檔位的考核強度，從而得出雙離合變速器的臺架試驗載荷譜。

本文通過實車采集樣車在試驗場道路行駛時的CAN BUS數(shù)據(jù)，提取變速箱的輸入轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和檔位信號;以疲勞累計損傷理論為基礎(chǔ)，獲得不同檔位下，不同載荷等級對應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的飛輪旋轉(zhuǎn)頻次，從而計算出各檔位的疲勞強度，然后根據(jù)疲勞損傷相等原則，分別計算各檔位的臺架載荷譜的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和工況時間。

1 傳動系統(tǒng)損傷理論

傳動系的損傷計算有別于承載結(jié)構(gòu)，它基于轉(zhuǎn)矩及與其對應(yīng)轉(zhuǎn)速的聯(lián)合計數(shù)數(shù)據(jù)。傳動系轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)數(shù)分布是針對軸等旋轉(zhuǎn)零件損傷計算的一種區(qū)間計數(shù)方法，廣泛應(yīng)用于齒輪系的設(shè)計和分析中[1]。

在眾多描述疲勞累積損傷的數(shù)學模型中， 線性累積損傷原理因其簡單而被工程技術(shù)人員廣為接受[4]，線性損傷理論假設(shè)損傷是累積相加的，沒有考慮載荷循序等的影響。傳動軸轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速疲勞損傷為：

通過配對區(qū)間計數(shù)算法可以確定轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速分布圖中的每個轉(zhuǎn)矩區(qū)間的轉(zhuǎn)數(shù)，然后利用上述的疲勞損傷理論，可計算出不同檔位下，不同載荷等級對應(yīng)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的疲勞損傷。

2 試驗道路數(shù)據(jù)采集與處理

本次道路試驗的路譜采集在重慶長安西部試驗場完成，車型為一款SUV車型，直接將數(shù)據(jù)采集設(shè)備VDR連接OBD端口，可采集到發(fā)動機轉(zhuǎn)速，飛輪端輸出扭矩，變速器檔位等CAN 數(shù)據(jù)，采集的工況為整車綜合耐久試驗，等效于90%用戶實際使用24萬km，具體工況如上。

整車采集的單個循環(huán)道路載荷譜時域信號如下圖1所示，采樣頻率為256Hz。

通過ncode-Glyphworks 軟件可把整個載荷譜分割成所需的子工況數(shù)據(jù)，由于轉(zhuǎn)矩信號中包含一些尖峰，這些信號不能真實反應(yīng)變速器所受的扭矩，可通過ncode中的butter worth filter模塊識別和去除這些噪聲信號，如圖2：

3 載荷等級區(qū)間內(nèi)對應(yīng)的疲勞計算

3.1 轉(zhuǎn)矩載荷等級劃分

從圖2的數(shù)據(jù)可知，轉(zhuǎn)矩載荷范圍為-110—240N.m，將載荷幅值按30N.m等間距劃分，以各級載荷幅值為中心進行載荷等級劃分，即可獲得載荷等級范圍，對載荷譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計觀察發(fā)現(xiàn)最大值幅值附近載荷極少，因此本文把較大的兩個載荷等級，歸化為一個等級。最終的載荷等級如表2。

3.2 確定載荷等級時保留對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和檔位信息

通常雨流計數(shù)是根據(jù)載荷時間歷程計算出各載荷的幅值、均值和幅值區(qū)間內(nèi)的頻次，然后基于S-N曲線計算得出各載荷的疲勞損傷，若直接用此方法應(yīng)用于傳動系的載荷譜處理，則會丟失轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)速和檔位信息，因此本文在確定載荷等級時，保留載荷等級同步對應(yīng)的檔位和轉(zhuǎn)速信息（如圖3），把傳統(tǒng)的載荷-時間的頻次轉(zhuǎn)化為，在不同檔位下載荷-轉(zhuǎn)速對應(yīng)的飛輪旋轉(zhuǎn)頻次，進而計算出不同檔位下，不同轉(zhuǎn)速區(qū)間對應(yīng)的載荷等級所產(chǎn)生的疲勞損傷，選取各檔位下產(chǎn)生較大的疲勞損傷的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速作為臺架載荷譜的輸入載荷，然后基于等疲勞損傷原則，計算得出臺架載荷的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和工況時間。

3.3 不同檔位、不同轉(zhuǎn)速區(qū)間和載荷等級對應(yīng)的疲勞損傷

變速器齒輪的S- N曲線不但與材料有關(guān)，而且與齒輪的幾何參數(shù)、機加工方式、熱處理、表面處理等有關(guān)，所以不同的公司根據(jù)自己的試驗結(jié)果得出的齒輪S-N曲線也會存在差異[5]，根據(jù)已有的經(jīng)驗試驗數(shù)據(jù)，齒輪彎曲疲勞的指數(shù)取6[3]，則b值為-1/6。通過對不同擋位下不同轉(zhuǎn)速區(qū)間和不同載荷等級內(nèi)飛輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)進行統(tǒng)計（表1），結(jié)合公式1、2，可以計算出各檔位下不同載荷等級對應(yīng)的疲勞損傷（如表3）和單個檔位下不同轉(zhuǎn)速區(qū)間和載荷等級對應(yīng)的疲勞損傷（如表4）。

4 道路載荷譜轉(zhuǎn)成臺架程序載荷譜

由于汽車傳動系所受的載荷是隨機載荷，若采用隨機載荷試驗，需使用動態(tài)特性特別高的昂貴設(shè)備，試驗代價太大，所以常將其轉(zhuǎn)化為程序載荷，采用程序控制變速箱疲勞耐久試驗。如何選取符合整車道路試驗的臺架載荷譜（輸入轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)速、檔位的工況時間）是臺架耐久試驗的關(guān)鍵，通過把實際道路耐久試驗中造成比較大損傷的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和檔位信息轉(zhuǎn)到臺架試驗載荷譜，消除損傷小的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)數(shù)和檔位信息，然后再基于等損傷原則，分別計算出各檔位的臺架載荷譜所需的輸入轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和檔位的工況時間。

如表3所示，統(tǒng)計計算了各檔位下不同載荷等級對應(yīng)的疲勞損傷，以檔位1為例，在扭矩為100、130、160、190和220N.m時產(chǎn)生了較大的疲勞損傷，可選擇作為臺架載荷譜的輸入轉(zhuǎn)矩;表4為1擋時不同轉(zhuǎn)速區(qū)間和不同載荷等級對應(yīng)的疲勞損傷，在扭矩分別為100、130、160、190和220N.m時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速區(qū)間為1800-2300、2300-2800、2800-3300rpm時產(chǎn)生了較大的疲勞損傷，可作為臺架試驗載荷譜的輸入轉(zhuǎn)速，基于等疲勞損傷的原則，計算出了各轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速對應(yīng)的臺架工況時間，如表5。

基于上述同樣的原理，可以計算出其他檔位下，不同轉(zhuǎn)矩區(qū)間對應(yīng)載荷等級的疲勞損傷，然后將其中產(chǎn)生較小損傷的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速剔除，選取產(chǎn)生較大疲勞損傷的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速作為臺架載荷譜的輸入，結(jié)果如上表6。

5 總結(jié)

本文基于采集的試驗場道路試驗載荷譜，把傳統(tǒng)的載荷-時間的頻次轉(zhuǎn)化為不同檔位下載荷-轉(zhuǎn)速對應(yīng)的飛輪旋轉(zhuǎn)頻次，進而計算出不同檔位下不同轉(zhuǎn)速區(qū)間對應(yīng)的載荷等級所產(chǎn)生的疲勞損傷，從中選取各檔位下產(chǎn)生較大疲勞損傷的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速作為臺架載荷譜的輸入載荷，然后基于等疲勞損傷原則，轉(zhuǎn)化成用于臺架試驗的載荷譜，通過此方法可以將等效于90%用戶24萬km的道路載荷譜等效到程序載荷譜中來，其中保留了產(chǎn)生絕大多數(shù)疲勞損傷的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和檔位

信息，剔除了產(chǎn)生較小損傷的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，既提高了零件的驗證效率也保證了試驗的有效性和合理性。

參考文獻

[1] 門玉琢，劉博，李明達等.關(guān)聯(lián)用戶的汽車傳動系載荷譜室內(nèi)臺架試驗編制方法[J].汽車工程，2019，11（39）：1286-1293.

[2] 李文禮，石曉輝等.關(guān)聯(lián)用戶的汽車傳動系載荷譜室內(nèi)臺架試驗編制方[J].機械工程學報，2014，20（50）：143-150.

[3] 邵志良，楊志華等.基于試驗場道路譜的雙離合變速器載荷譜研究[J].設(shè)計研究，2015.

[4] LEE Y l，PAN J，HATHAWAY R，BARKEY M.Fatigue testing and analysis theory and practice[M].UK： Elsevier Inc，2005：386-395.

[5] 陳東升，鐘其水，陳欣.車輛變速器齒輪彎曲疲勞壽命的估算[J].機械設(shè)計，2002（5）.