基于道路模拟试验的强化载荷谱编制方法

杨 平，邹喜红

（1.重庆广播电视大学重庆工商职业学院智能制造与汽车学院，重庆401520；2.重庆理工大学汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室，重庆400054）

双离合自动变速器（Dual Clutch Transmission，DCT）具有传动效率高、安装空间紧凑、动力不中断、换挡速度快和燃油经济性好等诸多优点，近年来市场需求旺盛，被认为是目前国内最具发展潜力的一种新型自动变速器［1］。但是，当前DCT中的阀体、传感器、自动变速箱控制单元（Transmission Control Unit，TCU）和执行机构等关键零部件的疲劳可靠性相对较差，缺乏相关的试验验证手段和考核方法，已成为制约DCT产业化的重要因素之一。随着变速器行业竞争的日趋激烈，产品更新速度不断加快，缩短变速器开发周期、提高产品竞争力成为各个变速器厂家的当务之急。DCT研制的短周期和低成本目标对可靠性保障技术提出了高效性和经济性的要求，室内强化试验成为在时间和成本约束下保障汽车高可靠性、长寿命的必然要求。

在道路模拟试验中，编制最为合理、有效的“真实”加速载荷谱不仅要求能够最大限度地再现车辆的服役载荷，使零部件的失效部位失效模式与实际道路实验相符，而且要求最大可能节约时间和精力，从而缩短研发周期［2］。目前，常用的强化载荷谱编制方法有很多，如轴峰谷抽取法、轨迹追踪法、时域损伤编辑法等，通过对比分析发现，时域损伤编辑法应用最为广泛及成熟，但现有研究更侧重对载荷谱强化编辑方法和强化系数的研究。然而，对强化编辑法从多技术角度综合评价，并进行方法对比、误差分析的研究相对较少。

本文选取删小幅值法、等损伤浓缩法和线性强化法，对试验场采集的载荷谱进行损伤保留、载荷强化等多维度综合分析。通过对变速器疲劳损伤计算，分析原始载荷谱和3种强化载荷谱对结构的疲劳损伤，并对强化特征和效率进行分析，进而研究载荷谱不同强化方法的效果及特征，达到缩短产品研发时间，提高产品质量，抢先赢得市场占有率的目的。

1 载荷谱采集与预处理

1.1 载荷谱的采集

在进行强化谱的编制时，必须得到车辆在实际道路行驶工况下的“真实”载荷，以此作为迭代的期望响应。为全面考核变速器在实际工况下的振动疲劳，在载荷谱采集试验前，对传感器布置、车速、换挡等信号的监测进行了分析与规划。例如，变速器悬置处的加速度信号可以准确描述DCT 总成在路面冲击下的振动特性，是研究悬置的振动疲劳及变速器内齿轮和轴承故障的重要输入条件，同时也可以作为室内道路模拟试验的目标期望响应信号。采集GPS 信号有利于标记被试车在试验场的实际位置信息，为后面进行实际载荷谱的典型路面提取、无效载荷删除等提供支持。试验路面包括用户典型工况，如山路、高速公路、颠簸路面等路面特征，试验条件严格按照GB/T 12534—1990《汽车道路试验方法通则》规定进行准备。

道路模拟试验是为了能够最大限度地再现车辆的真实服役载荷，使零部件的失效部位、失效模式与道路实验相符［2］。本课题针对要获取的目标载荷信号，布置了9 路三向加速度传感器（AC 1~AC9）、1 路变速器油温信号、3 路 GPS 信号、6 路CANBUS 信号、32 路 4 个车轮的六分力信号，并利用数据采集器SOMAT eDAQ 将各路信号同步采集并输出，部分测点如图1所示。

图1 测点布置Fig.1 Measure point

1.2 载荷谱的预处理

由于测试环境中的电磁噪声及测试系统中的电流干扰等因素，样本数据中存在零点漂移、奇异值、趋势项等非真实信号，因此，载荷谱原始信号在加速编辑前一般需进行预处理［3］。本文采用RPC软件对实测信号进行滤波、消除奇异点、无效载荷过滤和载荷外推等预处理。

（1）为尽可能消除低频噪声和发动机高频激励的干扰，根据路面随机载荷频谱特征，选用带通滤波对加速度信号进行0.6~40 Hz 滤波处理。结果表明，带通滤波能有效地去除发动机高频激励信号和低频噪声信号的影响。

（2）消除奇异点。奇异值表现为采样点少（高频）、随机性强或大幅值［4］，为提高后续信号分析处理的可信性，必须消除加速度信号的毛刺。

（3）无效载荷过滤。在实车载荷谱采集过程中，各强化路面之间存在过渡路段，某些工况以及路况原因还会出现挂空挡及怠速等待等情况，试验目的是通过强化试验考核变速器的疲劳失效过程，所以要将怠速等无效载荷进行过滤。

（4）载荷频次外推。原始载荷谱是基于汽车试验车的耐久性试验采集，只能进行部分路况或短时间的采集，获取的载荷谱不足以反映变速器在用户较长使用里程中承受的大部分载荷，载荷谱外推就恰好可以解决载荷样本的问题。根据某企业强化耐久试验规范，将合成的样本谱累积频次矩阵外推到当量用户实际道路全寿命周期循环（106次），以便得到母体样本中可能出现的符合真实情况的极值载荷历程［5］。雨流矩阵外推可以有效地预测对零部件疲劳影响很大的且可能出现的最大值载荷，相对于其他外推法较优，能够客观描述全寿命下的载荷分布。

因此，本文按照雨流矩阵外推法［5］，基于采集的母体样本，对用户实际里程下的剩余样本进行预测，进而直接得到当量用户实际道路全寿命周期循环的时域载荷谱，在主要步骤上减少了外推中主观因素的影响，这在相关文献的研究和试验中也得到了验证［6］。该方法将经过预处理的4个挡位的样本数据外推到全寿命母体循环下，最终的外推结果如图2所示。

图2 分挡位雨流矩阵外推结果Fig.2 Extrapolation results of gear rain flow matrix

2 载荷谱强化编辑与分析

采用在时域内编辑进行的加速编辑法对预处理后的信号加速编辑，即删小幅值法、等损伤浓缩法和线性强化法。运用时域损伤编辑法编制加速强化谱，不仅能保留原始载荷谱的加载顺序和相位关系，同时还能保证强化谱与原始谱的加载频率一致，能准确体现原始载荷谱的损伤和频率特性。

2.1 删小幅值法

删小幅值法通过删除无损伤或小损伤载荷对应的时间历程，在不改变损伤或牺牲部分损伤的基础上实现载荷谱的加速。合理地删减小幅值载荷对加速变速器台架试验进程效果显著。据文献［7-8］，舍掉某界限值以下的部分循环载荷，不会对构件的疲劳产生明显影响，其界限通常设为最大载荷的10%~15%或者为疲劳极限的50%左右。通过分析载荷谱保留百分比和疲劳极限百分比的对应关系，选取载荷幅值最大值的15%进行小幅值信号的浓缩比较安全，可以避免删除对损伤影响较大的小载荷信号。如图3 所示，删小幅值法浓缩掉了各挡位中90%左右的载荷循环次数，强化效果比较明显。

图3 删小幅值法处理结果Fig.3 Processing results of small amplitude deletion method

2.2 等效损伤法

损伤保留法的基本思路是按照时域损伤历程曲线，同步标记原始载荷时域历程中的有损伤部分，根据损伤保留百分比的设置要求，在累积损伤曲线上，将无损伤和低于设置值的小载荷删除，将对结构损伤贡献较大的时域片段之间用半正弦信号连接，使载荷段之间平稳过渡形成新的与原始载荷损伤等效的强化载荷谱。在损伤保留的评判依据中，不仅要考虑载荷是否造成损伤，还应考虑载荷是否造成强化［9-10］。该方法可以控制载荷具体的损伤保留量，并且保留了原始载荷的次序。保留100%、95% 和90% 损伤的等效强化谱如图4所示。

图4 损伤保留法处理结果及对比Fig.4 Treatment results and comparison of damage retention method

2.3 线性强化法

删小幅值法和损伤保留法都没有改变原始载荷谱的幅值大小，室内强化试验效果将不能发挥到最大。本文在原始载荷删小幅值法的基础上，依据等效损伤原则，在S-N 曲线上反求其强化后对应幅值的频次，进而研究线性强化法的幅值强化效果。将删小量强化结果和1.2倍的线性强化结果进行对比，如图5 所示，幅值不仅在纵轴上完成了线性平移，在横轴上对数坐标下也完成了线性平移。

图5 等损伤法线性强化1.2倍结果Fig.5 Linear strengthening 1.2 times results of equal damage method

3 强化载荷谱损伤验证及加速效率分析

损伤是指材料在疲劳过程中还未发生破坏失效前裂的形成和扩展。本文结合强化试验目的，采用Miner 线性疲劳累积损伤理论对疲劳损伤进行分析，不会影响载荷谱强化的精度。Miner 线性损伤理论认为各级应力循环相互独立，疲劳总损伤由各级疲劳损伤叠加而得，当疲劳总损伤累积达到极限值时，认为结构失效［11-12］。

在RPC 软件中，计算各挡位原始载荷谱和3种强化谱的时域损伤、频域损伤和强化倍数，得到原始载荷与强化载荷谱的损伤结果，进而对强化方法进行损伤分析及验证，结果如表1 所示。由表1 可以看出，随着载荷强化程度的不断增加，强化倍数急剧增大，但各挡位的损伤量却是大小相当，即对被试件目标考核点造成的疲劳损伤基本一致，能用来代替原始信号做强化试验的载荷谱。由此可知，本文得到的强化载荷在与原始载荷具有相当疲劳损伤的作用下，试验效率得到大大提高。3 种强化试验结果中，载荷谱经过1.2倍的线性强化后，强化倍数最大，但其在时域和频域的损伤变化较小，说明等效效果好。因此，选择1.2 倍的线性强化载荷谱作为最终的强化谱。

表1 幅值强化损伤验证Tab.1 Amplitude enhanced damage verification

4 结语

实车载荷谱是室内疲劳强化试验和疲劳寿命预估的可靠保障，但在实际试验方案中，又不能直接利用原始道路载荷谱进行疲劳试验，否则会导致产品开发周期加长。为此，本文在某汽车试验场采集了DCT 实际行驶道路载荷谱，对载荷谱进行了无效载荷过滤、载荷外推等处理，应用时域损伤编辑法对实测载荷谱进行了压缩与强化，构建了不同强化倍数的道路模拟试验强化谱。为验证载荷谱强化效果的可信性，以3 种强化谱为研究对象，利用疲劳累计损伤理论进行损伤计算与验证，结果出现了与原始载荷相当的失效效果，时域长度大大缩短，从而在一定程度上验证了该强化方法的可行性。该方法可为整车及其零部件室内道路模拟试验用强化载荷谱的编制提供一定的参考。