道路载荷谱的压缩与强化

林勇

摘  要：本文以新能源纯电公交车用减速箱为例，描述了对减速箱进行疲劳寿命试验的必要性。通过等量疲劳损伤理论和材料S-N曲线，研究了如何对原始道路载荷谱进行压缩和强化。

关键词：减速箱;疲劳损伤理论;S-N曲线;道路载荷谱

中图分类号：U467.3    文献标识码：A        文章编号：1005-2550（2019）02-0065-05

引言

齿轮减速箱对于新能源汽车而言是动力总成中的核心组成部分，其性能的好坏对整车有着直接的影响，尤其是疲劳寿命。虽然，减速箱的疲劳寿命由其最薄弱的零部件决定，如齿轮和轴承，但是又不能用最薄弱的零部件代替。因为零部件之间的装配状态、总成的润滑状态等因素对减速箱总成的寿命有着直接的影响。所以，研究减速箱的疲劳寿命，其实是研究减速箱总成的疲劳寿命[1]。

疲劳寿命试验关注的是金属部件的疲劳损伤。车辆在行驶过程中，齿轮和轴承等关键零部件一直处于交变载荷作用下，疲劳损伤逐渐累积，当达到疲劳寿命极限时，便会发生失效现象。所以，减速箱的疲劳寿命一般需要通过实际道路行驶进行试验，这样得到的载荷更真实，路况更符合实际。

但是，道路试验的周期较长，成本较大，可操作性较差。因此，通过对道路载荷谱进行合理的压缩和强化，进而在试验台架上进行稳态加载试验是模拟实际道路工况载荷的一个有效的办法。

而减速箱在设计阶段还没有真实的道路载荷谱，所以，只能采用之前已有的同类减速箱的载荷谱或者设计用载荷谱作为参考，经过处理以后

应用到台架上进行加载试验，进而实现对减速箱的疲劳寿命的验证。

本文以已有的道路载荷谱为例，描述如何对其进行压缩和强化，进而将其转化成实际台架所用载荷谱。

1    道路谱压缩和强化的依据

1.1   等量疲劳损伤理论

减速箱在运转过程中，内部的齿轮、轴承等关键零部件处于交变载荷作用下，随着时间的延长，会发生一些典型的疲劳失效现象，如轮齿断裂、齿面点蚀、轴承失效等。为了更好的分析基于道路载荷谱的疲劳寿命试验，需要用到疲劳累积损伤理论。

疲劳累积损伤理论主要用来分析金属材料在变载荷幅值下疲劳寿命。金属的疲劳是在交变载荷作用下损伤逐渐累积至产生裂纹或破坏的过程。目前疲劳累积损伤理论主要可以概括为三种，即线性累积损伤理论、双线性累积损伤理论和非线性累积损伤理论[2]。其中，线性累积损伤理论是指在交变载荷作用下，疲劳损伤以线性累加，当累加到某一极限数值时，零件便疲劳破坏。

理论上认为，减速箱中的关键零部件，如齿轮或轴承在交变载荷作用下，每一级载荷水平的循环都会对齿轮产生一定程度的损伤量，当损伤量累积到一定程度，齿轮或轴承就会发生疲劳破坏。如图1所示（线性累积损伤理论）。当损伤达到临界值时，零件就会发生疲劳破坏。

2    道路载荷谱的压缩与强化

2.1 车辆信息

本次研究所用的车辆为纯电新能源公交车，其基本参数如表1所示。

2.2   道路载荷谱曲线

該款车辆的道路载荷谱如图2所示。

从曲线上可以看出，该路谱为急加速急减速工况，最高车速为70km/h。由于该车为纯电驱动车辆，其急减速工况为制动发电工况。

该道路载荷谱一个循环的总行驶里程约1618m，用时183s，平均车速32km/h。如果依据该道路载荷谱对减速箱进行疲劳寿命测试，按照70万公里的寿命，共需约21997小时，折合约916天。如此看来，依据该道路载荷谱将不能在短时间内对减速箱的齿轮和轴承等关键零部件进行有效的评价，将严重影响产品的开发周期。因此，我们需要对该道路载荷谱进行强化和压缩，加速减速箱疲劳寿命的考核和评价。

2.3   道路载荷谱的分析

为了更好的分析该路谱，需要知道各载荷水平的占比情况，为此需要得到减速箱输入端的扭矩状况。通过汽车动力学计算公式，利用加速度的方式反算出减速箱的输入扭矩[5]，其扭矩曲线如图3所示：

图中正扭矩为驱动工况，负扭矩为制动工况。由此，在分析载荷水平占比的时候将道路谱分成驱动和制动两种工况。载荷水平按照最大扭矩的百分比进行分类统计，具体如表3所示：

根据表3中的载荷占比，按照70万公里的寿命里程可以估算出每种载荷水平下车辆的行驶里程数。以平均车速32km/h进行计算可以得出每种载荷水平下的减速箱的输出轴循环次数，如表3所示。

根据本文中提及的计算公式（4），将每种扭矩水平均等效至减速箱最大输入扭矩900Nm，可得出总的循环次数，即完成了对原始道路载荷谱的压缩和强化，具体数据如表4所示。

从表中可以看出，经过等效压缩和强化以后，驱动工况下减速箱输出轴的循环次数为2240万次，制动工况下减速箱输出轴的循环次数为452万次。在此强化工况下对减速箱进行加载测试，如果以减速箱输入转速为2000rpm来计算，其循环时间分别约为570小时和115小时。如果按照一天24小时运转，不到一个月即可完成对减速箱疲劳寿命的考核和评价，大大缩短了产品验证的周期。

3    结论

掌握载荷谱的变化规律是进行疲劳试验和疲劳寿命估计的先决条件。但是实际操作过程中，又不能完全参照道路载荷谱进行疲劳寿命试验，否则会导致整个验证周期的拉长。为此，通过本文可以看出依据疲劳损伤理论和材料S-N曲线，进行压缩和强化的载荷谱，既保证了疲劳寿命的验证符合原始道路载荷谱的变化规律，又能加速整个验证的周期。本文所提供的道路载荷谱压缩和强化的方式为汽车关键零部件疲劳寿命的验证提供了理论依据。

参考文献：

[1]王林. 基于道路载荷谱的汽车变速器加载试验技术的研究[D].合肥工业大学硕士论文，2012.

[2]王栓柱.金属疲劳[M].福建科学技术出版社， 1985年.

[3]濮良贵，纪名刚. 机械设计.北京：高等教育出版社，2001年，第七版.

[4]高镇同.疲劳性能测试[M].国防工业出版社，1980年，1月.

[5]余志生.汽车理论[M].清华大学技术出版社，2000， 2-36.