基于道路試驗(yàn)的手動(dòng)變速器載荷譜研究及驗(yàn)證

位君 李鵬 王義

摘 要：變速器是汽車的重要零部件之一，對(duì)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及可靠性有著重要的影響，因此變速器的耐久可靠性顯得尤為重要。以某手動(dòng)機(jī)械變速器為研究對(duì)象，利用道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集了整車可靠性試驗(yàn)載荷譜，將道路試驗(yàn)載荷譜轉(zhuǎn)化為實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)加載載荷譜，通過(guò)仿真分析和變速器臺(tái)架耐久試驗(yàn)，驗(yàn)證了變速器載荷譜的有效性。

關(guān)鍵詞：道路載荷譜;手動(dòng)變速器;仿真計(jì)算;臺(tái)架試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B? 文章編號(hào)：1671-7988（2019）04-84-04

前言

汽車手動(dòng)變速器通過(guò)離合器與發(fā)動(dòng)機(jī)相連接，變速器主從動(dòng)齒輪之間進(jìn)行動(dòng)力和轉(zhuǎn)矩的傳遞，因此變速器的狀態(tài)與汽車的使用壽命有很大的關(guān)系。在考核變速器使用壽命時(shí)所采用的試驗(yàn)載荷譜扮演著重要角色，同時(shí)需考慮客戶及使用工況的差異性，因此變速器試驗(yàn)載荷譜的準(zhǔn)確性顯得尤為重要。針對(duì)典型的道路工況，采集整車試驗(yàn)的載荷譜，并以此載荷譜為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)換為符合實(shí)際工況的試驗(yàn)參數(shù)，從而能夠較真實(shí)地模擬汽車行駛時(shí)變速器的運(yùn)行工況^[1]。

1 變速器道路載荷譜采集

1.1 信號(hào)采集

變速器的信號(hào)采集一般包括以下信號(hào)：發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速器擋位、兩側(cè)半軸扭矩及轉(zhuǎn)速信號(hào)等。變速器的扭矩信號(hào)可通過(guò)兩種方法獲取：一種在發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端或輸入軸位置直接進(jìn)行測(cè)量，但該方法測(cè)量較為不便，因此可通過(guò)兩側(cè)半軸扭矩、變速器傳遞效率、變速器各擋位總速比換算到輸入軸端;變速器輸入軸的轉(zhuǎn)速信號(hào)也可通過(guò)兩種方式獲取：一種是直接采用發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，但該方法存在一定偏差;另一種方法是通過(guò)兩側(cè)半軸的轉(zhuǎn)速換算到輸入軸轉(zhuǎn)速;針對(duì)研究的手動(dòng)變速器具備擋位信號(hào)，因此擋位信息可以直接從CAN 上讀取;由于半軸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，所以在半軸位置需要采用非接觸式傳感器進(jìn)行信號(hào)采集^[2]。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由于采集的半軸扭矩信號(hào)為模擬信號(hào)，而變速器的擋位信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)為CAN信號(hào)，因此二者需要進(jìn)行同步轉(zhuǎn)換，可以依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩等信號(hào)作為參考值^[3]，采集系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

2 試驗(yàn)場(chǎng)道路及試驗(yàn)工況

整車道路試驗(yàn)信號(hào)采集在北京試驗(yàn)場(chǎng)及海南試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，車型為某中型SUV，完成整車動(dòng)力總成耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)里程為7萬(wàn)公里，試驗(yàn)場(chǎng)地道路狀況如下：

整車動(dòng)力總成耐久試驗(yàn)工況見(jiàn)表1所示。

3 道路譜與變速器載荷譜的轉(zhuǎn)化

某典型工況下的道路譜信息主要包含發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、半軸扭矩、半軸轉(zhuǎn)速及處理后的擋位信號(hào)。

將采集到的時(shí)域信號(hào)處理成典型臺(tái)架試驗(yàn)載荷譜，一般采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行處理。目前主流統(tǒng)計(jì)方法有峰值計(jì)數(shù)法、范圍計(jì)數(shù)法、雨流計(jì)數(shù)法等^[4]。本文采用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行處理，最終等效得到適用于變速器的臺(tái)架試驗(yàn)載荷譜，如表2所示。

4 變速器仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 變速器仿真分析

4.1.1 變速器仿真分析模型的建立

應(yīng)用Romax軟件分別建立軸、軸承、同步器、花鍵及齒輪的幾何模型，箱體材料為ADC12，齒輪材料為20CrMnTiH，表面硬化處理，將箱體建立有限元數(shù)據(jù)及邊界條件并導(dǎo)入Romax中（箱體前殼法蘭面進(jìn)行全約束），模型如圖8所示。

4.1.2 仿真結(jié)果及分析

將等效的變速器試驗(yàn)載荷譜輸入到Romax中，并通過(guò)軟件分析計(jì)算得到各擋位齒輪的強(qiáng)度安全系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通常要求齒輪的接觸安全系數(shù)大于0.9，齒輪彎曲安全系數(shù)大于1.1。仿真分析結(jié)果表明：各擋位齒輪接觸及彎曲強(qiáng)度均滿足要求。

?4.2 變速器總成臺(tái)架耐久試驗(yàn)

變速器總成臺(tái)架耐久試驗(yàn)是驗(yàn)證變速器可靠性的重要環(huán)節(jié)，主要考核齒軸、軸承及殼體等零件的耐久性能，將等效的變速器試驗(yàn)載荷加載到試驗(yàn)臺(tái)架，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)樣箱進(jìn)行拆解，檢查結(jié)果表明各擋位齒輪無(wú)明顯失效，齒面無(wú)點(diǎn)蝕、膠合現(xiàn)象，輪齒無(wú)彎曲折斷等失效現(xiàn)象，如圖11所示。

5 總結(jié)

以實(shí)際試驗(yàn)場(chǎng)道路為基礎(chǔ)，實(shí)車采集了某SUV車型手動(dòng)變速器的道路載荷譜，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得到了用于變速器試驗(yàn)的載荷譜;

仿真分析及臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明各擋位齒輪無(wú)失效現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了變速器試驗(yàn)載荷譜的有效性，同時(shí)為后續(xù)變速器開(kāi)發(fā)提供理論與試驗(yàn)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 王林剛.基于道路載荷譜的汽車變速器加載試驗(yàn)技術(shù)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

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[3] 邵志良等.基于試驗(yàn)場(chǎng)道路譜的雙離合變速器載荷譜研究[J].上海：上海汽車，2015（10）：33-35.

[4] 佟德純.工程信號(hào)處理與設(shè)備診斷[M].北京：科學(xué)出版社，2008.