鄒喜紅，楊真亮，袁冬梅，趙秋林，余 勇

(1.重慶理工大學(xué)，汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054； 2.重慶青山工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 402761； 3.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院，重慶 401123)

2016124

DCT關(guān)鍵零部件道路模擬加速可靠性試驗(yàn)方法的研究*

鄒喜紅1，楊真亮1，袁冬梅1，趙秋林2，余 勇3

(1.重慶理工大學(xué)，汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054； 2.重慶青山工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 402761； 3.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院，重慶 401123)

本文中結(jié)合加速試驗(yàn)技術(shù)和道路模擬試驗(yàn)技術(shù)，提出了基于時(shí)頻域損傷等效和遠(yuǎn)程參數(shù)控制的雙離合器自動(dòng)變速器(DCT)關(guān)鍵零部件道路模擬加速可靠性試驗(yàn)方法。首先通過在襄樊汽車試驗(yàn)場(chǎng)采集DCT實(shí)際行駛道路載荷譜，基于局部應(yīng)力應(yīng)變法和Miner疲勞損傷累積理論分析了載荷譜的疲勞損傷。接著進(jìn)一步分析了實(shí)測(cè)載荷譜的時(shí)域損傷和頻域損傷特性，提出了在時(shí)域損傷和頻域損傷等效基礎(chǔ)上基于定量損傷的疲勞損傷編輯及評(píng)估方法，并對(duì)實(shí)測(cè)載荷譜進(jìn)行了編輯和濃縮。最后，基于遠(yuǎn)程參數(shù)控制理論，在研制的3自由度道路模擬試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)濃縮和加速后的載荷譜進(jìn)行了模擬迭代，對(duì)DCT關(guān)鍵零部件進(jìn)行了道路模擬加速可靠性試驗(yàn)。結(jié)果表明，所提出的載荷譜編輯方法不僅保留了載荷的時(shí)域損傷特性，同時(shí)也保留了載荷譜的頻域損傷特性，采用編輯后的載荷譜進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)，在大大縮短時(shí)間的同時(shí)能夠?qū)CT的關(guān)鍵零部件疲勞可靠性進(jìn)行準(zhǔn)確的考核。

雙離合自動(dòng)變速器；道路模擬；時(shí)域損傷；頻域損傷；加速試驗(yàn)

前言

雙離合自動(dòng)變速器(DCT)具有傳動(dòng)效率高、安裝空間緊湊、動(dòng)力不中斷、換擋速度快和燃油經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來市場(chǎng)需求旺盛，被認(rèn)為是目前國(guó)內(nèi)最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N新型自動(dòng)變速器[1]。但當(dāng)前DCT中的閥體、傳感器、TCU和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵零部件的疲勞可靠性相對(duì)較差，缺乏相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證手段和考核方法，已成為制約DCT產(chǎn)業(yè)化的重要因素之一。室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)具有周期短、成本低、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，已在汽車整車及其零部件疲勞可靠性試驗(yàn)中逐步得到應(yīng)用[2]。隨著變速器行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，產(chǎn)品更新速度不斷加快，縮短變速器開發(fā)周期、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力成為各個(gè)變速器廠家的當(dāng)務(wù)之急。DCT研制的短周期和低成本目標(biāo)對(duì)可靠性保障技術(shù)提出了高效性和經(jīng)濟(jì)性的要求，加速試驗(yàn)技術(shù)成為在時(shí)間和成本約束下保障汽車高可靠性和長(zhǎng)壽命的必然要求。

對(duì)于汽車零部件加速疲勞試驗(yàn)，工程上傳統(tǒng)的做法是直接將實(shí)測(cè)載荷譜中的小幅值刪除或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置載荷幅值閾值進(jìn)行可控過濾，這些方法由于沒有在損傷層面建立等效關(guān)聯(lián)，故其可信度有待進(jìn)一步驗(yàn)證。盡管在加速試驗(yàn)載荷譜的編輯方面出現(xiàn)了基于損傷編輯等方法[3]，但它們只在時(shí)域上進(jìn)行基于損傷的編輯，很少對(duì)目標(biāo)載荷譜的頻域損傷進(jìn)行驗(yàn)證，容易造成載荷譜的頻域失真，使目標(biāo)載荷譜很容易丟失有效頻率成分，造成加速試驗(yàn)結(jié)果偏差較大。

為此，本文中結(jié)合道路模擬試驗(yàn)技術(shù)和加速試驗(yàn)技術(shù)，提出了基于時(shí)頻域損傷等效和遠(yuǎn)程參數(shù)控制的DCT關(guān)鍵零部件道路模擬加速可靠性試驗(yàn)方法。首先在襄樊汽車試驗(yàn)場(chǎng)采集了DCT實(shí)際行駛道路載荷譜，基于時(shí)域損傷和頻域損傷對(duì)選取的期望響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行綜合損傷編輯，既保證了載荷譜在時(shí)域上的加速性，又減少了編輯后的載荷譜在頻域上的失真，有效地濃縮了期望響應(yīng)信號(hào)，同時(shí)結(jié)合遠(yuǎn)程參數(shù)控制方法，在室內(nèi)高精度再現(xiàn)了DCT關(guān)鍵零部件濃縮期望響應(yīng)信號(hào)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行DCT關(guān)鍵零部件疲勞可靠性試驗(yàn)，大大提高了試驗(yàn)效率和準(zhǔn)確性，為DCT高效開發(fā)提供了重要手段。

1 DCT道路載荷譜采集

DCT信號(hào)采集包括兩類信號(hào)：一是采集DCT關(guān)鍵部位的加速度信號(hào)作為目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)；二是采集應(yīng)變信號(hào)用于強(qiáng)度分析和室內(nèi)模擬監(jiān)測(cè)。通過對(duì)DCT的受力分析，在DCT上布置了7個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)和6個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，其中部分測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。加速度傳感器主要布置在DCT的閥體、傳感器、電子元件和變速器總成懸置等位置，應(yīng)變片主要布置在DCT懸置的側(cè)板與底部和雙離合器附近肋板等應(yīng)力較大的區(qū)域。道路載荷譜采集選擇襄樊試車場(chǎng)的綜合路、工況路、高速環(huán)道和山區(qū)路，各個(gè)路段的比例應(yīng)保證所選的試驗(yàn)場(chǎng)路段總和的路譜雨流矩陣與用戶目標(biāo)使用路面的路譜雨流矩陣一致[4]，數(shù)據(jù)采集過程中用GPS車速儀對(duì)車速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，各路況行駛車速嚴(yán)格按照某企業(yè)疲勞耐久性試驗(yàn)方法進(jìn)行，每種路段各采樣3個(gè)循環(huán)，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性和重復(fù)性[5]。

圖1 部分傳感器安裝位置圖

由于在室內(nèi)模擬試驗(yàn)中采用三通道道路模擬試驗(yàn)機(jī)，故選取圖1(a)中靠近DCT關(guān)鍵部位的兩個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)和懸置上一個(gè)加速度測(cè)點(diǎn)在工況路下垂直方向的振動(dòng)加速度信號(hào)作為目標(biāo)迭代信號(hào)；選取肋板處的應(yīng)變較大的測(cè)點(diǎn)信號(hào)用于強(qiáng)度分析以及模擬迭代的監(jiān)測(cè)。

2 基于時(shí)頻域損傷等效的載荷譜編輯與濃縮方法

2.1 載荷譜的預(yù)處理

采集的原始道路載荷譜中混入了如零點(diǎn)漂移、趨勢(shì)項(xiàng)和高頻噪聲等非真實(shí)的信號(hào)。實(shí)踐表明，道路模擬試驗(yàn)機(jī)在0～50Hz頻段內(nèi)具有較好的動(dòng)態(tài)特性[6]，因此對(duì)原始響應(yīng)信號(hào)采用0.5～50Hz低通濾波，從而消除了原始信號(hào)中的零點(diǎn)漂移和趨勢(shì)項(xiàng)，并去除毛刺，刪除過渡路段信號(hào)，進(jìn)行功率譜密度分析，選取最佳載荷譜，圖2是經(jīng)過預(yù)處理得到的一段550s的閥體附近肋板處應(yīng)變信號(hào)。

圖2 DCT殼體關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)變時(shí)域歷程

2.2 載荷譜的編輯原理

載荷譜的編輯涉及疲勞計(jì)算，當(dāng)前計(jì)算疲勞常用兩類方法：名義應(yīng)力法(S-N法)和局部應(yīng)力應(yīng)變法(ε-N法)。

穩(wěn)態(tài)循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線表達(dá)式為

(1)

應(yīng)變壽命曲線表達(dá)式為

(2)

應(yīng)力壽命曲線表達(dá)式為

lgN=A+BlgS

(3)

Miner線性疲勞累積損傷法則表達(dá)式為

(4)

(5)

式中：εa為應(yīng)變幅值；εea為彈性應(yīng)變幅值；εpa為塑性應(yīng)變幅值；σa為應(yīng)力幅值；E為彈性模量；K′為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)；n′為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)；σf′為疲勞強(qiáng)度系數(shù)；εf′為疲勞延性系數(shù)；b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；c為疲勞延性指數(shù)；A和B為系數(shù)；N為疲勞壽命(循環(huán)次數(shù))；D為疲勞總損傷度；ni為各載荷水平下的循環(huán)次數(shù)；Ni為各載荷的疲勞壽命；σm為應(yīng)力均值。

本文中的疲勞分析利用的是變速器殼體的應(yīng)變信號(hào)，屬于低周疲勞范疇，故采用局部應(yīng)力-應(yīng)變法。在使用Miner準(zhǔn)則時(shí)通常要對(duì)平均應(yīng)力或平均應(yīng)變進(jìn)行修正，一般有Morrow法、Gerber法(式(5))和Sachs法。由于變速器殼體是延性材料，選用Gerber方法進(jìn)行平均應(yīng)變修正。

在載荷譜編輯中，兼顧載荷譜的時(shí)域損傷和頻域損傷，保留頻域損傷的95%以上，同時(shí)刪除載荷譜時(shí)域歷程中損傷特性不明顯的小幅值循環(huán)。保留時(shí)頻域損傷是為了保證信號(hào)的頻率成分和幅值盡可能完整而不失真，在加速的同時(shí)保證損傷等效。

2.3 實(shí)測(cè)載荷譜的時(shí)頻域疲勞損傷分析

本文中使用了局部應(yīng)力應(yīng)變法對(duì)實(shí)測(cè)載荷譜進(jìn)行了疲勞損傷分析，該DCT殼體的材料牌號(hào)為Al_Alloy_UML_UTS100,其應(yīng)變壽命曲線如圖3所示，其局部應(yīng)力-應(yīng)變性能參數(shù)為：屈服強(qiáng)度為76.923 1MPa，極限抗拉強(qiáng)度為100MPa,彈性模量E=7.3×104,疲勞強(qiáng)度系數(shù)σf′=167MPa,疲勞強(qiáng)度指數(shù)b=-0.095,疲勞延性指數(shù)c=-0.69，疲勞延性系數(shù)εf′=0.35,循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)n′=0.11,循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)K′=161MPa,彈性標(biāo)準(zhǔn)誤差SEe=0.1,塑性標(biāo)準(zhǔn)誤差SEp=0.1,循環(huán)標(biāo)準(zhǔn)誤差SEc=0.1，疲勞極限NC=2×108循環(huán)次。基于實(shí)測(cè)應(yīng)變譜的ε-N法計(jì)算疲勞壽命的流程如圖4所示。

圖3 材料應(yīng)變-壽命曲線

圖4 ε-N法疲勞壽命分析流程

工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)四峰-谷值雨流計(jì)數(shù)法有明顯的局限性，沒有完全再現(xiàn)載荷歷程。對(duì)上述實(shí)測(cè)應(yīng)變譜利用改進(jìn)的三峰-谷值雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)分析[7]，得到幅值-均值雙參數(shù)雨流計(jì)數(shù)直方圖，如圖5(a)所示。再結(jié)合材料特性曲線計(jì)算DCT殼體該測(cè)點(diǎn)的損傷度，得到損傷直方圖，如圖5(b)所示。同時(shí)將載荷時(shí)域歷程中每一循環(huán)產(chǎn)生的損傷值對(duì)半分，組成該循環(huán)的波峰和波谷處，而獲得的一個(gè)疊加后總的時(shí)間關(guān)聯(lián)損傷分布圖[8]，其與原始載荷譜對(duì)應(yīng)的損傷時(shí)間歷程如圖6所示，從時(shí)域損傷歷程中可以清楚地看到損傷發(fā)生的時(shí)刻。

圖5 應(yīng)變譜的雨流直方圖和損傷直方圖

圖6 與原始應(yīng)變譜對(duì)應(yīng)的損傷時(shí)間歷程

由圖可見，應(yīng)變譜只是在有限的幾個(gè)大幅值循環(huán)處對(duì)DCT殼體產(chǎn)生了較大損傷，其余片段對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷貢獻(xiàn)幾乎為零，因此過濾掉這些小幅值循環(huán)來加速試驗(yàn)是完全可行的。

由于變速器殼體應(yīng)變響應(yīng)信號(hào)為寬帶信號(hào)，Bendat方法僅適用于處理窄帶信號(hào)，因此計(jì)算應(yīng)變譜的功率譜密度函數(shù)，利用Dirlik方法[9]推出其應(yīng)變幅值-均值雨流分布矩陣，利用Gerber法進(jìn)行平均應(yīng)變修正，結(jié)合材料的特性曲線計(jì)算得到其頻域損傷歷程[10]，如圖7所示。

圖7 應(yīng)變譜頻域損傷歷程

首先計(jì)算實(shí)測(cè)載荷譜的單邊功率譜密度函數(shù)：

G(f)=WX(f)|H(f)|2

(6)

令i=0，1，2，3，4，計(jì)算載荷譜的前5階慣性矩(對(duì)應(yīng)i=0的所謂0階慣性矩實(shí)際上是代表該段載荷的平均功率)：

(7)

接著計(jì)算載荷譜預(yù)期的峰值穿越期望：

(8)

然后計(jì)算載荷譜應(yīng)變幅概率密度函數(shù)：

(9)

其中：

最后計(jì)算載荷譜幅值-均值雨流分布矩陣，即應(yīng)變幅值-頻次分布矩陣，方法如下：

N(εa)=E[P]·T·p(εa)

(10)

式中：N(εa)為時(shí)間長(zhǎng)度T、應(yīng)變幅值εa的應(yīng)變循環(huán)次數(shù)；E[P]為預(yù)期的峰值穿越期望；p(εa)為應(yīng)變幅概率密度函數(shù)；mi為PSD曲線的第i階慣性矩；G(f)為對(duì)應(yīng)于頻率f處的單邊PSD值；γ為不規(guī)則因子，WX(f)為實(shí)測(cè)應(yīng)變譜的功率譜密度函數(shù)；R為區(qū)域比例因子(Dirlik方法參數(shù))；xm為平均頻率；Z為歸一化振幅；D1，D2和D3為Dirlik方法參數(shù)；Q為質(zhì)量系數(shù)；H(f)為應(yīng)變響應(yīng)傳遞函數(shù)，可以利用模擬迭代的系統(tǒng)傳遞函數(shù)(式(11))近似代替。

(11)

式中：SCD(f)為輸入與輸出的互功率譜密度；SCC(f)為輸入的自功率譜密度。

然后再結(jié)合式(1)、式(2)和式(5)計(jì)算等效應(yīng)變幅值-頻次矩陣和應(yīng)變-壽命曲線，最后用式(4)計(jì)算出最終的頻域疲勞損傷。

由圖7應(yīng)變譜頻域損傷歷程可以看出，該應(yīng)變譜的損傷主要發(fā)生在0～40Hz內(nèi)，在后續(xù)的載荷譜編輯中要保證編輯濃縮后的載荷譜在此段頻域內(nèi)損傷基本保持不變，且功率譜密度分布趨勢(shì)一致才可以保證載荷在頻域上不失真。下面進(jìn)行損傷量化評(píng)估[11]，然后基于該定量評(píng)估對(duì)載荷譜進(jìn)行編輯，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)模擬加速可靠性試驗(yàn)。

2.4 基于定量損傷的疲勞損傷編輯及評(píng)估

按照?qǐng)D6和圖7所示的損傷歷程，即可在原始信號(hào)中刪除無損傷或小損傷的片段，將保留的載荷片段首尾用光滑曲線連接起來以減小對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架的沖擊。要注意信號(hào)的編輯涉及幅值和頻率兩個(gè)方面，如果將連續(xù)大載荷之間的小載荷都刪除，容易形成短時(shí)間內(nèi)信號(hào)幅值一直較大，導(dǎo)致液壓作動(dòng)器很難跟上高能連續(xù)輸出的節(jié)奏，容易造成迭代發(fā)散，所以要適當(dāng)保留信號(hào)中的小幅值循環(huán)。小載荷的保留比例應(yīng)至少保證該段載荷譜的大載荷的頻率低于設(shè)備在連續(xù)大載荷水平時(shí)的極限輸出頻率。

利用信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)該應(yīng)變譜保留頻域損傷的95%以上，并分別保留時(shí)域損傷量的100%和95%兩種情況下，標(biāo)記出可刪除片段，如圖8所示，將剩下的有損傷應(yīng)變譜片段通過光滑曲線連接起來，獲得編輯之后的應(yīng)變譜，并與原始應(yīng)變譜對(duì)比，如圖9所示。

圖8 保留100%和95%損傷值時(shí)原始信號(hào)刪除片段

圖9 保留100%和95%損傷值時(shí)編輯前后應(yīng)變譜

分析圖9和對(duì)應(yīng)的車輛行駛軌跡圖可知，編輯時(shí)刪掉的小載荷片段均是各特征路面之間連接的較光滑平坦的過渡路面，在這種路面上行駛車輛承受的振動(dòng)和力很小，所以DCT殼體的應(yīng)變也很小，這些過渡的小載荷不能全部刪除，原因前面已經(jīng)論述過。分析兩種編輯方案所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變譜可知，其長(zhǎng)度分別為166和74s，理論加速比達(dá)到3.3和7.4。

對(duì)編輯后的信號(hào)進(jìn)行評(píng)估，包括編輯前后的應(yīng)變譜頻率特性和損傷分布及損傷值對(duì)比，結(jié)果如表1、表2和圖10、圖11所示。

表1 信號(hào)編輯前后頻域損傷對(duì)比

表2 信號(hào)編輯前后時(shí)域損傷對(duì)比

圖10 編輯前后應(yīng)變譜頻域?qū)Ρ?/p>

圖11 編輯前后應(yīng)變譜二維雨流圖對(duì)比

由表1可見，信號(hào)編輯前后頻域損傷量基本保持不變，滿足了設(shè)定的頻域損傷95%的保留度。由圖10可以看出，頻域分布趨勢(shì)基本一致，兩者共同表明信號(hào)頻域保持度比較理想，不會(huì)對(duì)DCT結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有影響。圖11表明，應(yīng)變譜編輯后小載荷循環(huán)大大減少，且編輯前后信號(hào)的雨流計(jì)數(shù)分布趨勢(shì)一致。由表2可見，與頻域的情況類似，編輯前后產(chǎn)生的時(shí)域損傷總量較好地保持了設(shè)定的損傷保留比例。

最終，基于應(yīng)變載荷譜同步編輯得到目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)，即加速試驗(yàn)載荷譜。

3 DCT加速試驗(yàn)載荷譜模擬迭代

圖12為基于美國(guó)MTS道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的一套多通道道路模擬試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)有3個(gè)軸向液壓伺服作動(dòng)器輸入通道，各個(gè)激勵(lì)通道的運(yùn)動(dòng)互不干涉，可以較為準(zhǔn)確地模擬DCT實(shí)際道路行駛的升降、俯仰和側(cè)傾3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。為高精度再現(xiàn)DCT關(guān)鍵位置的實(shí)際行駛道路載荷譜，需要在室內(nèi)盡量反映DCT在實(shí)際車輛上的安裝位置[12]。用驅(qū)動(dòng)電機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速便于DCT進(jìn)行換擋，設(shè)計(jì)安裝夾具將DCT總成和驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝到道路模擬試驗(yàn)臺(tái)上。按照在試驗(yàn)場(chǎng)采集路譜測(cè)點(diǎn)的相同位置布置加速度傳感器和應(yīng)變片，利用編輯后的目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行模擬迭代。

圖12 DCT多通道道路模擬試驗(yàn)臺(tái)

(1) 首先系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)寬帶數(shù)字白噪聲信號(hào)C(f)作為液壓作動(dòng)器的輸入[13]：

C(f)=[C1(f)，C2(f)，C3(f)]T

同時(shí)采集3個(gè)目標(biāo)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)輸出，并進(jìn)行傅里葉變換得到D(f)：

D(f)=[D1(f)，D2(f)，D3(f)]T

式中：C1(f)，C2(f)，C3(f)，D1(f)，D2(f)和D3(f)分別為c1(t)，c2(t)，c3(t)，d1(t)，d2(t)和d3(t)的傅里葉變換。

再根據(jù)式(11)求解出系統(tǒng)3個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的頻響函數(shù)H(f)，如圖13所示。

圖13 頻率響應(yīng)函數(shù)

(2) 用編輯好的目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)和測(cè)量的系統(tǒng)頻響函數(shù)逆矩陣H-1(f)計(jì)算初始激勵(lì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)：

C1(f)=H-1(f)D(u)(f)

(12)

c1(t)=IFFT[C1(f)]

(13)

式中：H-1(f)為H(f)的逆矩陣；D(u)(f)為目標(biāo)期望響應(yīng)信號(hào)d(u)(t)的傅里葉變換；c1(t)為初始驅(qū)動(dòng)信號(hào)；C1(f)為c1(t)的傅里葉變換。

(3)c1(t)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架，通過傳感器回收響應(yīng)信號(hào)d1(t)，進(jìn)入第1次迭代過程：

σ(t)=d(u)(t)-d1(t)

(14)

ΔD1(f)=FFT(σ(t))

(15)

ΔC1(f)=H-1(f)·ΔD1(f)

(16)

Δc1(t)=IFFT(ΔC1(f))

(17)

c2(t)=c1(t)+α·Δc1(t)

(18)

式中：σ(t)為時(shí)域誤差響應(yīng)信號(hào)；ΔD1(f)為σ(t)的傅里葉變換；Δc1(t)為校正信號(hào)；α為衰減系數(shù)。

(4) 以修正后的激勵(lì)信號(hào)作為輸入，不斷重復(fù)前面的過程進(jìn)行模擬迭代，直到響應(yīng)信號(hào)dn(t)與期望響應(yīng)信號(hào)d(u)(t)間的誤差在可以接受的范圍內(nèi)為止。其中某段載荷譜的迭代過程和結(jié)果如圖14所示。可以看出，最終的迭代精度已經(jīng)達(dá)到10%附近，滿足后續(xù)試驗(yàn)的要求[14]。對(duì)比迭代監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變信號(hào)與其道路實(shí)測(cè)信號(hào)(見圖14(c))，發(fā)現(xiàn)臺(tái)架振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量的應(yīng)變信號(hào)與道路實(shí)測(cè)應(yīng)變信號(hào)重復(fù)性較好，無異常值，進(jìn)一步驗(yàn)證了迭代過程穩(wěn)定且收斂性良好。以最后一次迭代的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為室內(nèi)耐久試驗(yàn)的驅(qū)動(dòng)譜。

圖14 迭代過程與結(jié)果

4 DCT關(guān)鍵零部件道路模擬加速可靠 性試驗(yàn)

采用相同的方法對(duì)各種路況的載荷譜進(jìn)行濃縮編輯和模擬迭代，依據(jù)襄樊試車場(chǎng)實(shí)車耐久4萬km的路面比例和不同擋位換擋次數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定室內(nèi)道路模擬加速可靠性試驗(yàn)的時(shí)間和擋位信息。將模擬迭代后對(duì)應(yīng)不同路面的各段驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行連接，加載到道路模擬試驗(yàn)機(jī)中，同時(shí)控制電機(jī)和TCU系統(tǒng)進(jìn)行DCT關(guān)鍵零部件道路模擬加速可靠性試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中對(duì)換擋力、位置和離合器壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并采集了監(jiān)測(cè)信號(hào)(圖15)和DCT的換擋信號(hào)。

圖15 監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變功率譜密度比較

圖中，曲線1為試車場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)變信號(hào)經(jīng)同步編輯后的信號(hào)，曲線2為室內(nèi)模擬試驗(yàn)采集的相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)。可以看出，兩者在0～25Hz的低頻范圍內(nèi)的幅值和變化趨勢(shì)吻合得很好，在高頻部分有一些差異，但是高頻振動(dòng)本身能量很小，所以對(duì)試驗(yàn)結(jié)果基本不產(chǎn)生影響。

試驗(yàn)中出現(xiàn)了一次4擋降3擋失敗的現(xiàn)象。在4擋降3擋時(shí)，換擋已經(jīng)成功，但由于振動(dòng)原因?qū)е聯(lián)Q擋傳感器的值出現(xiàn)了跳動(dòng)，造成程序在自檢過程中判斷為換擋失敗，進(jìn)入了二次掛擋。而該變速器在實(shí)車上也出現(xiàn)過此現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1) 在襄樊汽車試驗(yàn)場(chǎng)采集了DCT實(shí)際行駛道路載荷譜，并對(duì)其進(jìn)行了基于時(shí)域損傷和頻域損傷等效的綜合編輯，結(jié)果表明，編輯濃縮后載荷譜的時(shí)頻域損傷基本不變，時(shí)域長(zhǎng)度大大縮短，表明這種編輯方法是有效的。

(2) 采用多通道道路模擬試驗(yàn)方法對(duì)DCT的加速試驗(yàn)譜進(jìn)行了模擬迭代，結(jié)果表明，迭代計(jì)算時(shí)間大大縮短，迭代精度較高。

(3) 結(jié)合時(shí)頻域損傷等效和遠(yuǎn)程參數(shù)控制方法對(duì)DCT關(guān)鍵零部件進(jìn)行了道路模擬加速可靠性試驗(yàn)，結(jié)果表明，在進(jìn)一步縮短試驗(yàn)時(shí)間基礎(chǔ)上，對(duì)DCT關(guān)鍵零部件疲勞可靠性進(jìn)行了準(zhǔn)確考核，為快速準(zhǔn)確考核和檢驗(yàn)DCT關(guān)鍵零部件的疲勞可靠性提供了一種行之有效的方法。

[1] 吳佐銘,褚超美,黃明禮.雙離合自動(dòng)變速器技術(shù)研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(11):241-243.

[2] 王鐵,趙富強(qiáng),張瑞亮,等.變速器加速疲勞試驗(yàn)方法分析[J].汽車工程,2013,35(12):1078-1083.

[3] 錢立軍,吳道俊,楊年炯,等.基于室內(nèi)道路模擬技術(shù)的整車加速耐久性試驗(yàn)的研究[J].汽車工程,2011,33(2):91-96.

[4] 吳欣袁,練章華,王金宏.基于雨流計(jì)數(shù)法的減振器傳動(dòng)軸疲勞分析[J].石油機(jī)械,2011(11).

[5] 譙凱,鄒喜紅,石曉輝,等.雙離合器變速器振動(dòng)與沖擊載荷譜的采集與分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014(5):19-23.

[6] 鄒喜紅,譙凱,石曉輝,等.基于遠(yuǎn)程參數(shù)控制的DCT關(guān)鍵零部件道路模擬試驗(yàn)[J].中國(guó)機(jī)械工程,2013(11):1537-1541.

[7] 畢繼紅,陳花麗,任洪鵬.基于簡(jiǎn)化載荷譜法與雨流計(jì)數(shù)法的接觸網(wǎng)疲勞壽命對(duì)比分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2012(4):116-119.

[8] 朱濤,宋健,李亮.復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)場(chǎng)工況的轉(zhuǎn)向拉桿室內(nèi)加速疲勞試驗(yàn)[J].公路交通科技,2010(2):129-132,137.

[9] BRACCESI C, CIANETTI F, TOMASSINI L. Random Fatigue. A new frequency domain criterion for the damage evaluation of mechanical components[J]. International Journal of Fatigue,2015,70:417-427.

[10] BRACCESI C, CIANETTI F, LORI G, et al. Evaluation of mechanical component fatigue behavior under random loads: indirect frequency domain method[J]. International Journal of Fatigue,2014,61:141-150.

[11] LONDHE Abhijit, KANGDE Suhas, KARTHIKEYAN Krishnan. Deriving the compressed accelerated test cycle from measured road load data[C].SAE Paper 2012-01-0063.

[12] 鄒喜紅,熊鋒,錢曉渝,等.基于道路模擬激勵(lì)譜的AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)虛擬振動(dòng)試驗(yàn)方法研究[J].機(jī)械傳動(dòng),2014(9):142-147.

[13] 石鋒,王紅鋼,劉再生,等.路譜臺(tái)架試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊,2012(19):10-14.

[14] 鄒喜紅,熊鋒,余勇,等.摩托車車架多軸向多激勵(lì)道路模擬試驗(yàn)方法研究[J].振動(dòng)與沖擊,2014(5):170-174.

A Study on the Method of Road Simulation AcceleratedReliability Test for DCT Key Components

Zou Xihong1, Yang Zhenliang1, Yuan Dongmei1, Zhao Qiulin2& Yu Yong3

1.ChongqingUniversityofTechnology,KeyLaboratoryofManufactureandTestTechniquesforAutomobileParts,MinistryofEducation,Chongqing400054; 2.ChongqingTsingshanIndustrial,Chongqing402761； 3.ChongqingAcademyofScienceandTechnology,Chongqing401123

In this paper, by combining the technologies of accelerated and road simulation tests, a road simulation accelerated reliability test method for the key components of double-clutch transmission (DCT) is proposed based on the equivalence between time domain and frequency domain damages and remote parameter control (RPC). Firstly, a real driving road load spectrum of DCT is collected on Xiangfan Automotive Proving Ground, and the fatigue damage of load spectrum is analyzed based on local stress-strain method and Miner’s rule of fatigue damage accumulation. Then the damage characteristics in both time and frequency domains of the measured load spectrum are further analyzed, and on the basis of equivalence between time domain and frequency domain damages, a editing and evaluating method of fatigue damage is proposed based on quantitative damage, with which a real load spectrum measured is edited and concentrated. Finally, based on RPC theory, the concentrated and accelerated load spectrum is simulated and iterated on a three DOF road simulation test bench developed, and a road simulation accelerated reliability test is conducted on the key components of DCT. The results show that the editing method of load spectrum proposed preserves the damage characteristics of load spectrum in both time and frequency domains, and the road simulation test with the edited load spectrum can accurately assess the fatigue reliability of DCT key components within a time period greatly shortened.

DCT; road simulation; time domain damage; frequency domain damage; accelerated test

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51205432)、重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ1400931)和西華大學(xué)汽車工程四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(szjj2014-071)資助。

原稿收到日期為2015年4月1日，修改稿收到日期為2015年5月12日。