基于臺架的汽車等速萬向節壽命強化試驗方法研究

摘要：本文以某款車型上球籠式等速萬向節所承受的經典路況扭矩譜為研究對象，首先對等速萬向節壽命預測公式進行修正;其次利用線性累積Miner損傷法則，對轉換后的臺架壽命基準程序進行損傷等效性驗證;然后提出強化臺架基準程序的4種方法;最后通過臺架實例驗證，從而有助于縮短萬向節的開發和試驗周期，提高萬向節的研發效率。

關鍵詞：Miner損傷法則;萬向節

中圖分類號：U471

文獻標識碼：A

0引言

等速萬向節是汽車傳動系統的重要部件之一，也是應用最為普遍的萬向節之一。萬向節壽命研究直接關系到汽車傳動系統的可靠性和汽車行駛安全，而等速萬向節的臺架試驗是考察汽車耐久試驗最為經濟的方法之一，通過強化某些參數，可以縮短試驗時間，縮短萬向節研發周期。

1等速萬向節的壽命理論分析

等速萬向節指的是輸入軸和輸出軸之間的角速度相等，起到傳遞扭矩和控制汽車行駛方向的作用。等速萬向節壽命的典型失效模式，是在萬向節內部的零件表面區域受到接觸應力的相互作用，最終形成麻坑、剝落或點蝕。

1.1等速萬向節的接觸應力分析

影響球籠式萬向節性能和壽命的因素有節型大小、油脂潤滑性能、試驗工況、接觸應力、設計參數、材料選擇以及加工精度等。球籠式萬向節在傳遞扭矩時，其內部的鐘形殼、保持架、鋼球和星形套之間，受到相互擠壓作用力，且基本上是點接觸，該力稱為點接觸應力[1]。接觸應力一般以Hertz Heinrich的接觸應力為理論基礎。接觸應力分布高度集中，作用在光滑平面上一個很小的橢圓區域上，且接觸區域的幾何尺寸小于鋼球外徑和球道曲率半徑的0.01%。

1.2球籠式萬向節的額定扭矩

通過已知的許用接觸應力，計算出承載能力Q，然后通過萬向節的轉矩公式得到球籠式萬向節的動態額定扭矩Tnom[2]：

式中d——鋼球直徑

R——旋轉中心半徑

Α——壓力角

γ——傾角

Macielinski定義了動態表面接觸應力為2150N/mm2，適用于標準工況下轉速為100r/min、夾角為3°和壽命為1500h。

1.3球籠式萬向節壽命計算的修正系數

Macielinski在Hertz接觸理論和軸承理論的基礎上，提出基于轉速、角度、扭矩的球籠式萬向節壽命計算方法[3]，在萬向節臺架試驗中，常用小時壽命Lh表示：

式中n——轉速

T——扭矩

Tnom——標準工況下的額定扭矩

Β——角度

C——常數，取決于轉速n，對于轉速n≤1000r/min，

C=25339，指數m=0.577;對于轉速ngt;1000r/min，C=470756，指數m=1

f（Factors）——其他影響因素，如油脂潤滑性能在實際工程應用中，預測壽命往往比實際壽命高，給萬向節工程開發帶來安全隱患。本文基于上述原因，對公式（2）中的速度系數進行修正：即當轉速0lt;n≤500r/m時，常數C為1000，n和m的關系修正為指數關系m=e^-0.003n，從而提高了萬向節壽命預測的準確性。

1.4線性累積Miner損傷法則

對萬向節壽命預測公式修正后，還需要對某個具體工況進行損傷評價，萬向節的損傷計算是球籠式等速萬向節設計和選型的核心問題。對于萬向節壽命試驗，利用Miner法則[4]，其損傷D可以表示為：

式中Li——第i種工況的運轉時間

Lhi——為第i種工況下失效時所對應的小時壽命

2球籠式等速萬向節強化試驗方法

球籠式等速萬向節強化試驗方法是指在保證不改變萬向節失效模式的前提下，基于等損傷原則，通過強化臺架基準程序中的某些參數，使萬向節加速失效，以便在較短時間內獲得必要信息，來評估萬向節在正常條件下的壽命指標，進而縮短試驗總時間。

2.1扭矩譜的選用以及臺架基準程序轉換

受經濟或者開發時間等條件的限制，在萬向節采集載荷譜的過程中，得到整個壽命周期的載荷和時間歷程是很困難的。所以，在載荷譜獲取過程中，往往是盡可能選取有代表性的工況進行測試。本文選擇具有代表性的某款車型，以它的球籠等速萬向節ACi3300在典型路面的扭矩譜為研究對象。

首先通過Tecware軟件，對處理過的扭矩譜按照角度1為單位，提取包含扭矩和圈數的旋轉扭矩直方圖，然后把方向盤角度和車身上下顛簸距離折算為正角度。其次，根據載荷譜對應的發動機最高功率為50kW，ACi3300的最高速度為1500r/min，最終得到如表1所示的包含扭矩、角度及圈數的ACi3300臺架壽命基準程序。

循環數為276，每個循環56.9min，整個臺架基準程序總時間約為261.9h。

2.2臺架基準程序的損傷等效性分析

扭矩譜和臺架壽命試驗基準程序之間的損傷等效性是臺架基準程序轉換的關鍵，也是后續強化臺架試驗方法的基礎。通過公式（1）計算ACi3300的動態額定扭矩為483N·m，通過修正后的公式（2）分別計算轉換前后扭矩譜和臺架基準程序的小時壽命，進而計算損傷分別為1.03E+01，1.11E+00，壽命預測分別為15.53萬km和14.42萬km，兩者損傷相差7.7%，壽命預測相差7.1%，說明轉出的臺架基準程序安全可靠。

2.3臺架壽命試驗強化方法

基于261.9h（循環數276）的臺架壽命基準程序，在等損傷原則的限制下，通過以下4種強化方法以縮短試驗時間。

2.3.1扭矩比例法

載荷比例法是在臺架壽命基準程序的基礎上，所有載荷同時增大一定的比例系數。由于萬向節額定扭矩的限制，這里選擇放大1.1倍，通過圈數迭代計算，基于等損傷原則，循環數276維持不變，圈數總體減少33.15%，即時間從原先的261.9h縮短至196.4h，預計節約65.5h。

2.3.2角度提高法

在臺架壽命基準程序的基礎上，增大試驗角度。由于車身空間布置角度的限制，這里選取增加4°，通過圈數迭代計算，基于等損傷原則，循環數276維持不變，圈數總體減少31.21%，即試驗時間從原先的261.9h縮短至199.8h，預計節約63.1h。2.3.3扭矩和角度聯合法

混合法是指在臺架壽命基準程序的基礎上，同時增大部分扭矩的載荷系數和角度，以動態額定扭矩的2.7倍即1300N·m為界限來區分大小扭矩。即增大第1～12步工況中的小扭矩系數1.1倍，各個角度增大2°，第12～14步工況中的大扭矩和角度保持不變。通過圈數迭代計算，基于等損傷原則，循環數276維持不變，圈數總體減少33.15%（第1～14步工況中的圈數都要縮小），即時間從原先的261.9h縮短至192.6h，預計節約71.3h。

2.3.4損傷率調整法

對臺架壽命基準程序中損傷率小于10%工況進行角度和載荷調整，載荷增大1.1倍，角度增加4°，損傷率大于10%的第7、第9以及第12～14步的工況和大于2.8倍額定扭矩工況的扭矩，角度保持不變，基于等損傷原則，循環數276維持不變，通過圈數迭代計算，圈數總體減少36.78%，即時間從原先的261.9h縮短至196.0h，預計節約68.9h。

3強化方法的驗證與應用

分別用5組ACi3300樣件，對上述4種強化方法和基準程序進行臺架壽命實例驗證，結果見表2。

在臺架試驗驗證過程中，發現第1種扭矩比例法超過了臺架能力，只能舍棄某些工況。第2種和第3種的強化方法在第9步的工況，萬向節表面溫度超過100°C，為了不影響油脂潤滑性能，需要增加額外時間用來冷卻，和預計節約時間相差較大。而第4種損傷率調整法，有效避免大扭矩和大損傷工況的強化，溫升一切正常，萬向節失效模式和基準試驗相同，試驗時間和預計時間基本一致。

目前損傷率調整法已經成功應用在汽車主機廠的某些項目上，效果良好。

4結束語

本文結合傳動軸企業的實際工程應用需求，修正了萬向節壽命預測公式，研究了萬向節臺架壽命加速的幾種方法。最后經實例驗證，損傷率調整法為最佳的強化方法，可以大幅節約試驗時間，縮短萬向節開發周期，為萬向節的正向開發提供實驗依據。

【參考文獻】

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[2]盧曦，孫躍東.球籠式萬向節的承載轉矩的研究[J].軸承，2003（12）：8-10.

[3]石寶樞，邱胤原，許承龍.汽車等速萬向節傳動軸轉矩及使用壽命的計算[J].軸承，2018（12）：1-4.

[4]高宏興，高飛，張沙.用Miner法則計算齒輪的損傷率[J].機械工程師，2014（7）：252-253.

作者簡介：

周成，碩士，工程師，研究方向為汽車零部件試驗。