关联用户实际行驶工况的传动系统台架耐久规范

刘 斌 井 清 吴 澄

(1.上汽商用车技术中心，上海 200438;2.上海内燃机研究所，上海 200438)

0 前言

传动系统作为汽车动力总成的核心组成部分，其性能的好坏，对驱动性能以及整车的行驶性能会有直接影响，对传动系统进行疲劳耐久性试验是保障汽车质量的一个重要环节［1］。由于汽车传动系统可靠性试验的复杂性，传统的室内台架试验多以强度试验为主，依据习惯或经验对传动系统零部件进行负荷加载［2］，或者参考国外的试验规范进行台架耐久试验，这些方法都没有合理考虑用户的实际行驶。

本文以某轻型商用车为研究对象，以用户实测传动系统负荷谱为依据，根据疲劳损伤累积理论，编制满足95%用户道路使用情况的传动系统负荷谱，为汽车传动系统室内台架可靠性试验提供参考依据。

1 试验方法机理

若车辆的输入负荷相同，那么它引起的疲劳损伤理论上也应相同［3］，基于这一原理，如果已知用户在实际使用环境的负荷输入，那么就可以通过驱动电机或测功机对传动系统施加一定的扭矩和转速来重现这一负荷，从而实现台架试验损伤与用户损伤。图1说明了关联用户的传动系统台架耐久规范的流程。

2 数据采集与处理

2．1 用户道路负荷谱采集

图1 传动系统台架试验总体流程

传动轴的扭矩和转速信号是传动系统台架试验的主要测试参数。粘贴全桥应变片并通过台架标定把应变信号转为成扭矩信号，信号通过无线发射机发送到数据采集设备。转速信号通过激光转速传感器获得。为考虑变速器的换档情况，采用在驾驶室变速杆上按照上下左右方位安装4个逻辑开关，通过4个逻辑信号计算获得档位信号的时间历程。

采集的信号受车辆行驶车速、行驶路面、驾驶员操作习惯等影响。为了保证测得的负荷信号更贴近用户，在全国范围内的不同城市，不同时间段，采用不同配载，2位驾驶人员在同一条道路上，按照自己开车习惯进行负荷谱采集。最终采集了280段负荷谱，共采集4 000 km的城市道路，13 000 km高速路，900 km山路，载重情况中半载、满载各占50%。

2．2 负荷处理与分析

2．2．1 损伤计算原理

雨流计数通常是根据负荷历程得到全部的负荷循环，分别计算出循环的幅值，并根据这些幅值得到不同幅值区间内所具有的频次。如果把这种方法直接用于传动轴负荷谱的处理，则会丢失扭矩负荷对应的转速和档位信息。因此需要通过传动轴扭矩时域信号及其转速信号的结合，统计出传动轴在各级扭矩下的旋转圈数，把传统的负荷-时间的频次关系，转变为负荷-旋转圈数的频次关系，因此本文基于S-N曲线与Miner法则提出传动轴疲劳损伤计算方法:

式(1)中，T为传动轴所受扭矩，R为传动轴在扭矩T作用下的直至失效的旋转圈数，β为疲劳强度指数，α为常数。

式(2)中，l为负荷等级水平数，ri为i级负荷Ti下的传动轴旋转圈数，Ri为i级负荷Ti下的疲劳寿命。

2．2．2 基于档位信号的负荷谱提取

本文采用4个逻辑开关来识别档位，每个档位对应1种逻辑信号，因此对预处理后的档位逻辑开关信号进行处理，将4条通道的信号转换为1条通道，如图2所示，根据转换后的信号识别各个档位并分别提取各个档位的扭矩与转速信号。

图2 档位信号的转换

2．2．3 扭矩、转速联合统计

对提取后的各个档位转速信号进行积分处理，获得累计旋转圈数与时间的关系。该信号与扭矩信号结合，最终获得扭矩与累积旋转圈数的关系，过程如图3所示。

对上述扭矩—累计旋转圈数信号进行分析，通过提取负荷等级为Tk所对应的累计旋转圈数△r来累加计算负荷等级Tk所对应的传动轴旋转圈数(图4)。本文负荷等级Tk的范围为1 N·m。

统计结果利用公式(1)和(2)计算获得各段数据各档位下的各负荷等级下的损伤以及总损伤。

3 用户目标的确立

通过用户调研获得各个用户在城市道路、高速公路，山区道路的占比及载重分布情况。通过数理统计获得95%用户各档位下的疲劳损伤，具体步骤如下:

图3 扭矩与转速信号重构

图4 负荷等级Tk所对应的传动轴旋转圈数

(1)通过实测数据使用式(1)和(2)计算用户在各个路面，各种载重下的疲劳损伤。

(2)结合用户调研结果计算获得每个用户的疲劳损伤:

式(3)中，Di为第i个用户的损伤，Djk为用户在j路面上，k载重下的单位公里损伤，fij为第i个用户j路面的里程比例，gik为第i个用户k载重的百分比，L为目标里程。

(3)对获得用户损伤集合进行分布拟合，确定满足95%用户使用情况的目标损伤。

通过对95%用户目标损伤进行计算，最终得到95%用户各档位各扭矩下的旋转圈数，将其作为目标谱。

4 台架规范制定

4．1 扭矩与转速分级处理

由于传动系统的零部件在档位时其实质是处于不同的传动齿轮啮合对，在设计程序负荷谱时需要考虑不同档位下的负荷变化范围，避免造成不符合实际运行状况的不当加载［4］。通过统计在用户实测中1档扭矩变化范围为－485～874 N·m，2档扭矩变化范围为－500～741 N·m，3档扭矩变化范围为 －341～664 N·m，4档扭矩变化范围为 －292～567 N·m，5档扭矩变化范围为 －290～331 N·m，6档扭矩变化范围为－196～270 N·m。对正扭矩和负扭矩的范围进行分级，目前应用较广泛的是德国结构耐久性及系统可靠性研究所(LBF)的加斯奈尔(Gassner)发明的八级程序疲劳试验谱，将扭矩按照比例系数 1、0．950、0．850、0.725、0．575、0．425、0．275、0.125 进行划分［5］，各级负荷的扭矩为最大扭矩与比例系数之乘积，以各级扭矩值为中心对负荷等级进行划分，统计各档位各负荷等级的目标旋转圈数。

为确定各负荷等级的传动轴转速，对各负荷等级下的传动轴转速均匀划分为8个区间，统计各转速下传动轴的旋转圈数并对其进行拟合分布求解，获得各负荷等级下转速的分布，取90%的转速作为该负荷等级的传动轴转速。表1为1档各负荷等级转速和旋转圈数的统计结果。

表1 1档各负荷等级转速及旋转圈数统计表

4．2 程序负荷谱的建立

为使负荷加载更符合实际使用情况，引入换档频次作为试验的1个参数，统计用户实测换档频次并线性外推到目标里程，结果如表2所示。

表2 换挡频次统计表

为了减少试验时间删除了小负荷等级，计算发现各档位最小2个负荷等级的扭矩占总损伤比例均小于2%，因此删除最小的2个负荷等级进行加载，试验时间缩短了83%。

程序循环的负荷工况循环尽量按低—高—低的顺序加载，档位总体按1-2-3-4-5-6-5-4-3-2-1加载，在循环中间增加某些档位的换档频次使试验换档频次达到表2的次数。

编制的负荷谱的1～6档的总损伤与95%用户目标损伤的误差分别为 3．5%、3．6%、7．3%、7．5%、6.4%、8．3%，其等效性良好。

5 结论

讨论了传动系统室内台架耐久规范的制定流程，对传动轴扭矩及其转速采取分级计数的方法，建立了传动轴疲劳损伤的计算方法。结合实际用户调研结果，获得各档位下95%用户目标损伤。根据用户目标，编制各档位的程序负荷谱，考虑换档频次确定负荷加载顺序，使台架试验能充分反映用户的实际使用情况。本文所述的方法为准确评价汽车传动系零部件的可靠性和制定科学的室内台架试验规范提供依据。

［1］王林刚．基于道路负荷谱的汽车变速器加载试验技术的研究［D］．合肥工业大学，2012.

［2］李文礼，石晓辉，柯坚，施全，邹喜红，余勇，易鹏．关联用户的汽车传动系负荷谱室内台架试验编制方法［J］．机械工程学报，2014，50(20):143-150.

［3］门玉琢，李显生，于海波．与用户相关的汽车可靠性试验新方法［J］．机械工程学报，2008，44(2):223-229.

［4］刘彦龙，邹喜红，石晓辉，赵秋林．基于挡位的汽车传动系负荷谱提取与外推［J］．重庆理工大学学报(自然科学)，2015，29(04):17-23．

［5］Lee Y，et al．Fatigue analysis handbook:pra-ctical problem-solving techniques for computer aided engineering［M］．Elsevier，2011．