基于试验场道路的变速器台架载荷谱研究

徐军　程小强　杨平

摘 要：通过实车采集试验样车在试验场道路上行驶时的CAN BUS数据，可直接获得发动机转速、扭矩和档位等信号;把传统的载荷-时间频次关系，转变为载荷-发动机飞轮旋转频次关系，同时记录各载荷等级对应的各个挡位的频次，这样可获得在各个档位下，不同载荷等级对应转速区间内的飞轮旋转频次，根据齿轮材料的S-N曲线和疲劳累积 Miner理论，计算出各档位的疲劳强度，然后基本疲劳损伤等效原理选取各档位下产生较大疲劳强度的扭矩和转速，作为台架试验输入的载荷和转速，可有效避免载荷和转速选取的盲目性，为科学的制定台架试验载荷谱提供了依据。关键字：载荷等级;疲劳;转速;档位

中图分类号：U467.3  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）03-119-04

前言

汽车动力传动系统的可靠性试验是考核和验证传动系耐久性的一种重要手段，如何科学合理的制定台架试验载荷谱是行业面临的重要课题。与传统的道路试验相比，台架试验方法不仅省时、省力、成本低，而且试验针对性强，具有较好的试验精度和可重复性。 目前国内已有一些学者进行过动力传动系统台架试验与用户道路或试验场道路关联的研究，门玉琢等[1]结合实际用户调查获得的路面比例与车辆载重数据，根据疲劳累积损伤的威布尔分布方程和传动系损伤计算模型，计算累积失效概率为90%的用户总累積损伤，然后基于疲劳等效原理，将用户的载荷谱转化成台架能识别的载荷谱;李文礼等[2]基于采集的实车数据，在重构的载荷谱中找到不同转矩载荷等级所对应的转速和挡位信息，获得不同载荷等级下不同档位和转速的统计分布，在对随机载荷谱进行处理，获得台架试验载荷谱;邵志良等[3]实车采集了试验场整车耐久试验载荷谱，然后根据疲劳损伤理论计算各档位的考核强度，从而得出双离合变速器的台架试验载荷谱。

本文通过实车采集样车在试验场道路行驶时的CAN BUS数据，提取变速箱的输入转速、转矩和档位信号;以疲劳累计损伤理论为基础，获得不同档位下，不同载荷等级对应的转速区间内的飞轮旋转频次，从而计算出各档位的疲劳强度，然后根据疲劳损伤相等原则，分别计算各档位的台架载荷谱的转速、转矩和工况时间。

1 传动系统损伤理论

传动系的损伤计算有别于承载结构，它基于转矩及与其对应转速的联合计数数据。传动系转矩-转数分布是针对轴等旋转零件损伤计算的一种区间计数方法，广泛应用于齿轮系的设计和分析中[1]。

在众多描述疲劳累积损伤的数学模型中， 线性累积损伤原理因其简单而被工程技术人员广为接受[4]，线性损伤理论假设损伤是累积相加的，没有考虑载荷循序等的影响。传动轴转矩—转速疲劳损伤为：

通过配对区间计数算法可以确定转矩-转速分布图中的每个转矩区间的转数，然后利用上述的疲劳损伤理论，可计算出不同档位下，不同载荷等级对应转速区间内的疲劳损伤。

2 试验道路数据采集与处理

本次道路试验的路谱采集在重庆长安西部试验场完成，车型为一款SUV车型，直接将数据采集设备VDR连接OBD端口，可采集到发动机转速，飞轮端输出扭矩，变速器档位等CAN 数据，采集的工况为整车综合耐久试验，等效于90%用户实际使用24万km，具体工况如上。

整车采集的单个循环道路载荷谱时域信号如下图1所示，采样频率为256Hz。

通过ncode-Glyphworks 软件可把整个载荷谱分割成所需的子工况数据，由于转矩信号中包含一些尖峰，这些信号不能真实反应变速器所受的扭矩，可通过ncode中的butter worth filter模块识别和去除这些噪声信号，如图2：

3 载荷等级区间内对应的疲劳计算

3.1 转矩载荷等级划分

从图2的数据可知，转矩载荷范围为-110—240N.m，将载荷幅值按30N.m等间距划分，以各级载荷幅值为中心进行载荷等级划分，即可获得载荷等级范围，对载荷谱数据统计观察发现最大值幅值附近载荷极少，因此本文把较大的两个载荷等级，归化为一个等级。最终的载荷等级如表2。

3.2 确定载荷等级时保留对应的转速和档位信息

通常雨流计数是根据载荷时间历程计算出各载荷的幅值、均值和幅值区间内的频次，然后基于S-N曲线计算得出各载荷的疲劳损伤，若直接用此方法应用于传动系的载荷谱处理，则会丢失转矩对应的转速和档位信息，因此本文在确定载荷等级时，保留载荷等级同步对应的档位和转速信息（如图3），把传统的载荷-时间的频次转化为，在不同档位下载荷-转速对应的飞轮旋转频次，进而计算出不同档位下，不同转速区间对应的载荷等级所产生的疲劳损伤，选取各档位下产生较大的疲劳损伤的转矩和转速作为台架载荷谱的输入载荷，然后基于等疲劳损伤原则，计算得出台架载荷的转矩、转速和工况时间。

3.3 不同档位、不同转速区间和载荷等级对应的疲劳损伤

变速器齿轮的S- N曲线不但与材料有关，而且与齿轮的几何参数、机加工方式、热处理、表面处理等有关，所以不同的公司根据自己的试验结果得出的齿轮S-N曲线也会存在差异[5]，根据已有的经验试验数据，齿轮弯曲疲劳的指数取6[3]，则b值为-1/6。通过对不同挡位下不同转速区间和不同载荷等级内飞轮旋转圈数进行统计（表1），结合公式1、2，可以计算出各档位下不同载荷等级对应的疲劳损伤（如表3）和单个档位下不同转速区间和载荷等级对应的疲劳损伤（如表4）。

4 道路载荷谱转成台架程序载荷谱

由于汽车传动系所受的载荷是随机载荷，若采用随机载荷试验，需使用动态特性特别高的昂贵设备，试验代价太大，所以常将其转化为程序载荷，采用程序控制变速箱疲劳耐久试验。如何选取符合整车道路试验的台架载荷谱（输入转矩、输入转速、档位的工况时间）是台架耐久试验的关键，通过把实际道路耐久试验中造成比较大损伤的转矩、转速和档位信息转到台架试验载荷谱，消除损伤小的转矩、转数和档位信息，然后再基于等损伤原则，分别计算出各档位的台架载荷谱所需的輸入转矩、转速和档位的工况时间。

如表3所示，统计计算了各档位下不同载荷等级对应的疲劳损伤，以档位1为例，在扭矩为100、130、160、190和220N.m时产生了较大的疲劳损伤，可选择作为台架载荷谱的输入转矩;表4为1挡时不同转速区间和不同载荷等级对应的疲劳损伤，在扭矩分别为100、130、160、190和220N.m时，对应的转速区间为1800-2300、2300-2800、2800-3300rpm时产生了较大的疲劳损伤，可作为台架试验载荷谱的输入转速，基于等疲劳损伤的原则，计算出了各转矩和转速对应的台架工况时间，如表5。

基于上述同样的原理，可以计算出其他档位下，不同转矩区间对应载荷等级的疲劳损伤，然后将其中产生较小损伤的转矩和转速剔除，选取产生较大疲劳损伤的转矩和转速作为台架载荷谱的输入，结果如上表6。

5 总结

本文基于采集的试验场道路试验载荷谱，把传统的载荷-时间的频次转化为不同档位下载荷-转速对应的飞轮旋转频次，进而计算出不同档位下不同转速区间对应的载荷等级所产生的疲劳损伤，从中选取各档位下产生较大疲劳损伤的转矩和转速作为台架载荷谱的输入载荷，然后基于等疲劳损伤原则，转化成用于台架试验的载荷谱，通过此方法可以将等效于90%用户24万km的道路载荷谱等效到程序载荷谱中来，其中保留了产生绝大多数疲劳损伤的转矩、转速和档位

信息，剔除了产生较小损伤的转矩和转速，既提高了零件的验证效率也保证了试验的有效性和合理性。

参考文献

[1] 门玉琢，刘博，李明达等.关联用户的汽车传动系载荷谱室内台架试验编制方法[J].汽车工程，2019，11（39）：1286-1293.

[2] 李文礼，石晓辉等.关联用户的汽车传动系载荷谱室内台架试验编制方[J].机械工程学报，2014，20（50）：143-150.

[3] 邵志良，杨志华等.基于试验场道路谱的双离合变速器载荷谱研究[J].设计研究，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] 陈东升，钟其水，陈欣.车辆变速器齿轮弯曲疲劳寿命的估算[J].机械设计，2002（5）.