張寧濤， 馬 勇， 程立勇

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司， 浙江 寧波 315336； 2.武漢工程大學(xué)， 武漢 430000)

變速器臺架耐久試驗工況由載荷譜轉(zhuǎn)化而來，而載荷譜的來源主要分為兩種：一種是根據(jù)既定的道路特征路況采集實車數(shù)據(jù)，并將變速器各擋位實際受載轉(zhuǎn)化為載荷譜；另一種是將道路特征路況輸入仿真軟件，通過道路模型仿真形成載荷譜。目前某型號變速器項目研發(fā)中使用的載荷譜為模型仿真所得，通過齒輪極限摸底發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有齒輪副存在過設(shè)計及過考核風(fēng)險，因此將引入整車載荷譜，詳細(xì)闡述臺架工況轉(zhuǎn)化方法，并對兩種工況及試驗結(jié)果進(jìn)行對比。

1 雙線性疲勞損傷理論介紹

對于齒輪齒面疲勞損傷通常有不同理論及計算方法，其中就包括單線性疲勞損傷和雙線性疲勞損傷以及非線性損傷等理論。由于非線性損傷理論繁瑣的迭代過程[1-8]和使用單線性損傷規(guī)則進(jìn)行損傷評估存在不足，因此使用雙線性疲勞損傷的評價方法對機械式變速器的齒輪損傷進(jìn)行預(yù)測。

1.1 雙線性損傷理論原理

以0點為損傷起始點，(B,B′)為預(yù)測破壞點，累積損傷度為1。按照單線性損傷累積方式統(tǒng)計，則損傷度從0逐步線性累積至1(B,B′)，如圖1中顯示為0-A-B；在雙線性損傷累積過程中，損傷過程假想為兩部分，第1步為裂紋萌生階段，圖中表現(xiàn)為0-A′；第2步為裂紋擴展階段，圖中表現(xiàn)為A′-B′，兩個階段的焦點A′稱為拐點，表示裂紋從萌生開始向擴展轉(zhuǎn)變。關(guān)于損傷理論參考文獻(xiàn)[1，9]。

圖1 雙線性損傷累積過程

雙線性損傷理論可以有效降低非線性損傷反復(fù)迭代運算的復(fù)雜程度，同時可以降低單線性損傷的考核程度。

1.2 兩應(yīng)力級工況轉(zhuǎn)換計算方法

在臺架試驗工況轉(zhuǎn)化過程中，最終目的是根據(jù)載荷譜轉(zhuǎn)化為臺架工況在相應(yīng)轉(zhuǎn)速、扭矩下的單循環(huán)運行時間及循環(huán)數(shù)Block。

雙線性疲勞損傷計算的核心轉(zhuǎn)化過程參考文獻(xiàn)[1]，即

(1)

通過式(1)可以計算出不同階段下的拐點系數(shù)。

如若單一檔位的試驗工況包含兩個應(yīng)力級，則齒輪最高應(yīng)力級下的裂紋萌生(階段Ⅰ)和裂紋擴展(階段Ⅱ)過程中的拐點系數(shù)計算公式為

(2)

齒輪最低應(yīng)力級下的裂紋萌生和裂紋擴展過程中的拐點系數(shù)計算公式為

(3)

式中：N1,f和N2,f分別為各自應(yīng)力等級下對應(yīng)的運行總循環(huán)次數(shù)(齒輪嚙合次數(shù))，單位r；Dknee1和Dknee2為各自應(yīng)力級下的拐點系數(shù)。

階段Ⅰ和階段Ⅱ在臺架工況循環(huán)次數(shù)分別為BlockⅠ和BlockⅡ，計算公式為

(4)

(5)

式中，n1和n2分別為單一大循環(huán)下最高應(yīng)力級和最低應(yīng)力級所需運行的小循環(huán)數(shù)，即齒輪嚙合次數(shù)，單位r。

最終臺架運行循環(huán)數(shù)Block計算公式為

Block=BlockⅠ+BlockⅡ

(6)

Block即為計算最終得試驗工況大循環(huán)次數(shù)，其中兩個不同應(yīng)力級在單一大循環(huán)下分別連續(xù)運行n1和n2。

1.3 多應(yīng)力級工況轉(zhuǎn)換計算方法

如若單一檔位下試驗工況包含兩個以上應(yīng)力級，則在計算相應(yīng)Dknee基礎(chǔ)上還應(yīng)分別計算相關(guān)參數(shù)Φ和Z，公式為

(7)

(8)

通過求得的Φ和Z計算各應(yīng)力級下計算后的階段Ⅰ運行周期為NⅠ、階段Ⅱ運行NⅡ、總運行Nf、關(guān)系式為

(9)

Nf=NⅠ+NⅡ

(10)

BlockⅠ和BlockⅡ，計算公式為

BlockⅠ=

(11)

BlockⅡ=

(12)

通過式(6)計算出單一檔位下多應(yīng)力級工況的試驗總循環(huán)數(shù)Block。

2 臺架耐久工況轉(zhuǎn)化過程

通過雙線性損傷理論，分別將某型號變速器仿真載荷譜和整車實采載荷譜轉(zhuǎn)化為臺架耐久試驗工況，按照相同方法進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

由于某型號變速器檔位較多，計算過程冗長，因此以下內(nèi)容只列述轉(zhuǎn)化后的二檔齒輪工作面試驗工況結(jié)果。

2.1 仿真載荷譜轉(zhuǎn)化為臺架工況

原臺架二檔齒輪耐久試驗工況分為兩個應(yīng)力級[1,10]進(jìn)行先后測試，臺架測試應(yīng)力級如表1所示。

表1 臺架測試工況

根據(jù)雙線性損傷理論，并按照目前臺架試驗工況單循環(huán)齒輪嚙合次數(shù)，計算得各拐點系數(shù)如表2所示。

表2 拐點系數(shù)計算結(jié)果

通過上述計算結(jié)果可得二檔工作面臺架耐久試驗工況應(yīng)運行循環(huán)數(shù)Block=50.75，臺架耐久試驗工況相對載荷譜的過載系數(shù)為1.2，因此最終Block=50.75× 1.2≈61，即臺架試驗運行61循環(huán)便可對二檔齒輪工作面進(jìn)行全壽命考核。

2.2 整車載荷譜轉(zhuǎn)化為臺架工況

策劃整車試驗采集特征路況數(shù)據(jù)，選取不同城市及特征路況，按照不同路況占比將數(shù)據(jù)進(jìn)行整合為載荷譜。

整車輪端扭矩傳感器在變速器差速器端采集到的二檔齒輪工作面扭矩區(qū)間為0～3 000 N·m，由于覆蓋區(qū)間較大，因此按照每300 N·m一個層級等分為10個扭矩層級，并將扭矩轉(zhuǎn)化為應(yīng)力級用于以下計算。

根據(jù)相同轉(zhuǎn)化方法，分別計算出各拐點系數(shù),如表3所示。

表3 拐點系數(shù)計算結(jié)果

并依次計算出參數(shù)Φ和Z，參數(shù)計算結(jié)果如表4所示。

表4 應(yīng)力級參數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)上述參數(shù)及拐點系數(shù)計算出整車載荷譜轉(zhuǎn)化至臺架耐久試驗工況的試驗循環(huán)數(shù)Block=31.5，經(jīng)1.2倍過載系數(shù)，最終Block=31.5×1.2≈38。

3 臺架測試系統(tǒng)介紹

目前項目研發(fā)過程中用來進(jìn)行變速器耐久試驗的設(shè)備為一套動力總成臺架。該臺架包含3個交流異步測功機，1個為驅(qū)動端測功機，用于變速器驅(qū)動端動力輸入，另外兩個為加載測功機，用于變速器半軸端輸出。臺架結(jié)構(gòu)見圖2。其中驅(qū)動測功機為扭矩控制，加載測功機為轉(zhuǎn)速控制[11]。

圖2 臺架結(jié)構(gòu)

驅(qū)動測功機與變速器輸入軸之間以及兩個加載測功機與變速器半軸之間均安裝有扭矩法蘭，可以實時測量并讀取各點扭矩，轉(zhuǎn)速信號來源于測功機編碼器，從PLC獲取。從而實現(xiàn)試驗過程中閉環(huán)控制。測功機基本參數(shù)見表5。

同時驅(qū)動測功機端與被試變速箱之間加裝固定速比的升速箱，保證試驗過程中的加載轉(zhuǎn)速及驅(qū)動扭矩覆蓋測試區(qū)間。

表5 測功機基本參數(shù)

4 臺架測試結(jié)果

按照第2章中從仿真載荷譜以及整車實采載荷譜依次轉(zhuǎn)化而來的針對二檔齒輪工作面的臺架耐久試驗工況，分別在第3章中介紹的臺架測試系統(tǒng)中進(jìn)行測試。

選取兩臺相同狀態(tài)變速器，裝機前分別對二檔齒輪進(jìn)行確認(rèn)，保證樣件為全新狀態(tài)。試驗過程中通過外部冷卻設(shè)備對變速器進(jìn)行冷卻，變速器油溫均保持在90±3 ℃范圍以內(nèi)，同時變速器潤滑油泵油量均設(shè)置為3 L/min。

經(jīng)分別對兩種工況進(jìn)行測試[12]，由仿真載荷譜轉(zhuǎn)化而來的臺架工況試驗后，二檔工作面出現(xiàn)點蝕一個齒面，點蝕面積為6×2 mm2，如圖3所示。

圖3 齒面測試結(jié)果

由整車實采載荷譜轉(zhuǎn)化成的臺架工況，試驗后二檔齒輪工作面完好，齒面情況如圖4所示。

圖4 齒面測試結(jié)果

由此可見，目前某型號變速器研發(fā)過程中的臺架齒輪耐久試驗中齒輪存在過考核的風(fēng)險/狀況。

5 結(jié)語

臺架耐久試驗工況的來源、工況的合理性及適用性對于變速器輕量化設(shè)計、耐久性考核、滿足目標(biāo)用戶使用需求及研發(fā)生產(chǎn)成本優(yōu)化具有重要意義。