基于油冷管失效的振動試驗方法的研究

2014-03-25 02:39:04賈傳林濮龍鋒

環境技術 2014年4期

施杰，賈傳林，張汝，秦昀，濮龍鋒

（1.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201； 2.蘇州廣博力學環境實驗室有限公司，蘇州 215122）

引言

油冷管是連接汽車變速箱到前端油冷器的重要連接管路。管子直接承載變速箱油的換熱工作，管內工作介質是變速箱潤滑油，其溫度和壓力可達150攝氏度和350Kpa。油冷管結構如圖1所示，AEM橡膠和鋼管壓接，與變速箱連接處鋼管與鋁制壓板鐓壓成型，與水箱的油冷器連接處通過快速接頭方式進行連接。

油冷管在整車的激振環境條件下造成的泄漏是主要失效模式。由于變速箱所處位置靠近發動機動力輸出源，因此油冷管變速箱連接一側接口處的油泄是經常出現的。由以上分析可得，以實車的振動路譜來修正臺架試驗標準是必要的。

綜合以往文獻，劉洋、胡善清等在多通道高速數據采集系統設計中采用TS201處理芯片從硬件設計和軟件設計兩方面詳細討論了多通道高速數據采集以及高速數據預處理的設計與實現；彭思達、紀昌春、蔣永、仇春強在發動機低頻振動信號采集系統設計與實現中分析了發動機穩定怠速工況(750 ± 100r/min)低頻的振動信號特點；蔡巍巍、湯寶平、黃慶卿在面向機械振動信號采集的無線傳感器網絡節點設計中嘗試采用新型微機電系統(MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems)，利用加速度傳感器采集振動信號并且選用了2.4GHz 頻段的低功耗無線射頻芯片CC2430作為無線通訊模塊；高安生、閻菲在多路振動信號采集與處理系統的研究中，介紹了微機控制液壓振動試驗臺研制過程中多路振動信號采集與處理方法；孫啟甲在實車空調系統異響診斷技術研究中提出了頻響函數路徑共振驗證，通過階次分析共振來確認診斷位置。

圖1 油冷管走向和連接形式

本文基于M公司B型油冷管的失效現象，采集了實際道路負荷，采用快速傅立葉變換成頻域信號，找到接近共振點能量，修訂臺架試驗的隨機振動掃頻曲線，使得失效模式得到良好的復現。

1 產品失效模式與理論分析

如圖2所示，是經過M公司整車高速路試的結果，油冷管在變速箱一側，出現油冷管鐓壓位置出現泄漏(通過保壓水檢方法)，見剖解圖3中明顯顯示鐓壓位置內側出現裂紋，這里屬于變速箱油進口位置。

循環的外部載荷是引起試驗樣件應變疲勞的主要原因。圖3的失效模式可以近似為拉伸應力所造成的，其應力計算為：

σ= P/A

圖2 泄漏位置和剖解結果

圖3 剖解放大圖

其中：P為所施加的載荷；A 為試件變形后的橫截面積。

如上式所示，隨著載荷的增加，材料進入屈服，經過強化直至最后的斷裂。

載荷從0到P的過程，試件拉伸變形是逐漸的，應變的增量dε等于長度增量dl和變形后長度l之比：

忽略彈性體變形，假設發生變形后體積不變，則有：

因此應變公式又可以寫為：

當考慮彈性變形時，總的應變應該是彈性應變εe和塑性應變εp之和。值得注意的是隨著外力卸載，彈性變形是可以恢復的，而塑性應變作為應變殘余留在試件中。

彈性應力根據虎克定律：

塑性應力根據holomon關系式：

式中，K為強度系數；n為應變指數，無量綱。

因此應力和應變關系可寫為下式：

因此應力的大小直接關系到最后失效位置和時間歷程。對于工作狀態的油冷管，其受力主要部分是管內工作介質潤滑油的流動壓力。據以往數據，常見內壓可達300kpa左右，本身力的基數就不大，此外由于油冷管總成有1/3長度是AEM膠管，可以吸收大部分管內的壓力或者壓力脈動。因此外部振動激勵使得油管尤其在連接處的應力集中最終造成油管的管體破損。

由于是在道路試驗的高速環路工況下發現的油管泄漏現象，因此路面的影響不明顯。而油冷管的失效位置是靠近發動機的一側，所以本文主要針對路試結果研究了發動機激勵的影響。

常用的實際道路信號主要有位移信號和加速度信號，尤其以加速度信號的時域譜收集最為常見，位移信號主要是研究危害程度以及進行失效分析。此外臺架的試驗主要采用隨機振動來驗定特定激振譜條件下產品的抗振性能，因此本文以加速度信號采集為主來進行研究。加速度作用的效果可以用損傷公式表示，如下式：

其中：T為試驗時間或者加載時間；Grms為隨機振動譜的平均加速度；n為壽命系數，一般機械應力取在4～6之間。

2 路譜分析和臺架轉化

本文依據失效油冷管所在的車艙內的安裝位置，在油冷管靠近變速箱進出口的連接塊上布置了兩個加速度傳感器，并進行了三向加速度時域數據信號采集。

這樣在臺架振動控制中，可以比較真實地反映到油冷管的振動實際情況，同時可以得到準確和平穩的振動臺體反饋信號。如圖4所示，左側是進口管加速度傳感器位置，右側是出口管加速度傳感器位置。

一般時域信號需要轉化為頻域信號來進行分析，對于一個N點離散序列f(n)，其離散傅立葉變換對其定義為：

圖4 加速度傳感器位置

1965年Cooley和Tukey發表了有關快速傅立葉變換的著名論文，使離散傅立葉變換的運算量大大下降。圖基-庫利(Cooley-Tukey)算法的基本思想是把一個N點長序列f(n)按照奇、偶分解成兩個短序列f1(k)和f2(k)，分別求出短序列的離散傅立葉變換結果F1(k)和F2(k)。f(n)的離散傅立葉變換結果按照如下的關系線性組合：

式中，k的取值范圍為0—N/2-1。

這樣就把常規的N2級別的計算量大大縮減。

本文利用了圖基-庫利(Cooley-Tukey)算法轉化時域信號，通過對比發現發動機2500轉時油冷管運動出現較大的加速度。如圖5、6是出口管位置和進口管位置兩個加速度傳感器的頻域數據。

圖5 2500rpm 時的進口油管位置加速度PSD

圖6 2500rpm 時的出口油管位置加速度PSD

從進口管位置的PSD譜型看到，加速度峰值出現在304Hz，單點峰值功率譜密度是0.16g2/Hz，大概是激振源轉速即發動機轉速2500rpm的7倍諧波。能量分布來看Z方向的功率譜密度最大，Y方向最小。從圖5可知在200Hz到400Hz范圍內，能量比較集中，振動劇烈。

從出口管位置的PSD譜型看到，加速度峰值出現在224Hz，單點功率譜密度是0.09g2/Hz，大概是激振源轉速即發動機轉速2500rpm的5倍諧波。能量分布來看Y方向的功率譜密度最大，Z方向最小。從圖6可知在200Hz到400Hz范圍內，能量比較集中，振動劇烈。

所以出現失效的進口管位置能量在z方向比較大，這是主要的失效誘因。并且依據管路在200Hz到400Hz范圍內能量集中的特點，有必要修正原M企業針對油冷管臺架振動的試驗頻譜(此前按照標準譜的臺架振動試驗并沒有振出問題)。隨機振動路譜能量大小是計算其GRMS即PSD頻域線下的包絡面積。

GRMS的計算如下式所示：

Grms=sqrt(areaA+areaB +areaC+areaD)

在100Hz到300Hz條件下原有譜單點0.05g2/Hz能量不足以代表實車狀態，因此需要進行修正如下表。表中增加了315Hz頻域點，并且提升功率譜密度，從0.05 g2/Hz提升到0.16g2/Hz。

表1 M 公司隨機振動譜和GRMS 計算結果

圖7 M 公司油冷管振動標準頻譜的對數坐標系顯示

試驗時間和步驟仍按照老的試驗標準，上下、水平、前后三個方向順次試驗，每個方向22h。

3 臺架搭建和新譜隨機掃頻試驗

本文使用電磁振動臺參數: 型號為某公司DC-3200電磁振動試驗系統，其額定激振力為3.2kN，額定位移為51mm p-p，額定速度為2m/s，額定加速度為100g，額定頻率范圍為5Hz～2000Hz。如圖9是工裝搭建。工裝分為兩部分，產品按照實車走向，靠近變速箱一側固定工裝固定在電磁振動臺面，水箱快速接頭一側的固定工裝固搭在地面上，以突出油冷管兩側位移差。進出試驗油管預裝滿潤滑油。如圖10是實際臺架布置。

反饋信號加速度傳感器按照道路數采位置固定在變速箱進出口支架旁如圖9，臺架掃頻信號控制如圖11。臺體振動輸出曲線均在控制上下極限范圍內，臺架試驗控制穩定。