雙離合器變速器振動與沖擊載荷譜的采集與分析

譙凱，鄒喜紅，石曉輝，熊鋒，劉彥龍

(汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054)

雙離合器變速器振動與沖擊載荷譜的采集與分析

譙凱，鄒喜紅，石曉輝，熊鋒，劉彥龍

(汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054)

在分析雙離合器變速器(DCT)實際運動和受力情況的基礎(chǔ)上，選取表征DCT關(guān)鍵零部件運動和受力特征的載荷譜測點，按某企業(yè)整車耐久性試驗方法在襄陽汽車試驗場采集大量載荷譜。對采集的振動沖擊載荷譜進行了時域和頻域分析，提取了載荷譜特征。結(jié)果表明:采集的道路載荷譜真實可靠，具有很好的重復(fù)性，為分析和評價DCT關(guān)鍵零部件疲勞可靠性提供了科學(xué)有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

雙離合器變速器;載荷譜;采集

雙離合器變速器(DCT)整機效率高，在燃油經(jīng)濟性和成本之間達到了較好的平衡，因而具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。目前，DCT的閥體、傳感器和電子元件等關(guān)鍵零部件的疲勞可靠性是我國DCT產(chǎn)業(yè)化急需解決的關(guān)鍵問題之一，而影響這些關(guān)鍵零部件疲勞可靠性的最主要激勵來自于汽車實際行駛時的振動和沖擊。因此，準確提取汽車實際行駛時的DCT振動沖擊載荷譜，掌握實際行駛載荷譜的變化規(guī)律是進行DCT關(guān)鍵零部件疲勞試驗、疲勞壽命估計、疲勞強度設(shè)計和仿真計算的先決條件。目前歐美國家對載荷譜的研究大都經(jīng)過近40年的試驗驗證，已經(jīng)逐漸走向成熟，針對不同領(lǐng)域建立了大量載荷譜數(shù)據(jù)庫。但由于技術(shù)封鎖等原因，相關(guān)載荷譜提取及其分析方法很難獲得。相對而言，國內(nèi)在載荷譜方面的研究起步較晚，尤其是對汽車動力傳動系實際行駛載荷譜方面的研究還很欠缺。為此，本文在分析DCT實際運動和受力情況下，建立了車輛實際行駛時DCT振動與沖擊載荷譜采集方法，分析了DCT振動與沖擊載荷譜的特征，為DCT及其關(guān)鍵零部件壽命估算、室內(nèi)臺架試驗和CAE分析提供了科學(xué)有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 道路載荷譜采集

試車道路載荷譜的采集試驗是為了得到汽車在實際道路行駛中的載荷信息，在實際運用地區(qū)的公共道路或者試驗場進行試車道路試驗，以獲取道路載荷譜。對實車道路載荷譜的采集是后續(xù)室內(nèi)臺架試驗、仿真分析的可靠依據(jù)［2］。

1.1 測點選擇及布置

在實車行駛中，路面沖擊和車輛動力系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)是引起DCT振動的主要激勵源。加速度信號能較準確地描述DCT總成的振動特性，因而本次試驗采用加速度傳感器法。根據(jù)工程經(jīng)驗及用戶使用情況，考慮到DCT閥體、傳感器、電子元件等關(guān)鍵零部件對振動沖擊最為敏感，因此選取這些位置附近的點布置加速度傳感器。由于應(yīng)變信號能反映變速器的結(jié)構(gòu)強度，可為相關(guān)分析、模擬迭代、疲勞監(jiān)控及今后變速器總成、零部件的室內(nèi)模擬試驗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所以本次試驗在分析結(jié)構(gòu)受力的基礎(chǔ)上選擇在便于布置的應(yīng)力集中區(qū)域布置應(yīng)變測點。測點的選取既要突出重點又要照顧整體，只有這樣才能有效獲得所需要的各種信息［3］。部分測點的布置情況如圖1所示，其中AC1、S1等為傳感器編號。

圖1 部分測點的布置情況

1.2 測試系統(tǒng)組建及系統(tǒng)調(diào)試

被測對象為某汽車公司新研發(fā)的DCT，搭載于該公司生產(chǎn)的某款車型上。試驗儀器包括具有16通道低電平輸入、16通道高電平輸入的SOMat eDAQ數(shù)字采集系統(tǒng)，以及筆記本電腦等外部設(shè)備。應(yīng)用軟件包括Flex Test GT系統(tǒng)軟件、SOMat TCE系統(tǒng)管理軟件和數(shù)據(jù)采集軟件、MTS RPC Pro數(shù)據(jù)管理和處理軟件。按規(guī)范步驟布置傳感器，對傳感器的測量連接線進行標號，并連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備中進行標定和調(diào)試。測試系統(tǒng)的流程如圖2所示。連接好的測試系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 測試系統(tǒng)流程

圖3 連接好的測試系統(tǒng)

1.3 路面選擇

試驗路段的選擇需要綜合考慮汽車的使用范圍及相應(yīng)的試驗標準。本研究選取襄陽汽車試驗場綜合路段和工況路段，所選路段集中了實際使用條件下的各種使用工況，且試驗條件較穩(wěn)定，可比性強。路面包括水泥路、條石路、坡道路、坑洼路、沙石路、礫石路、搓板路、共振路和高速環(huán)道等。圖4為兩種典型路面。

圖4 典型路面

1.4 載荷譜采集

采樣前駕駛?cè)藛T應(yīng)對各種路面進行主觀評價，然后在駕駛員身體能夠承受的車速范圍內(nèi)控制車速［4］。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集各典型路面各個布置點的加速度響應(yīng)信號。在本次道路載荷譜采集中，道路各種路面的分配比例和行駛車速通過某企業(yè)整車可靠性試驗方法確定。在數(shù)據(jù)采集過程中使用GPS車速儀對車速進行實時監(jiān)測。部分道路測試車速及其組合如下所示:

1)2 環(huán)(50 km/h過灣)→制動4(80～30 km/h)→制動1(90～30 km/h，2次)→制動2 (70～50 km/h)→制動1(80 km/h，熄火檢查)。

2)坡路→上坡16.6%(全油門加速，不超過40 km/h，坡頂減速至15 km/h)→下坡20%(40 km/h)→上坡30%→下坡20%(50 km/h)→上坡30%→下坡16.6%(30 km/h)→2環(huán)。

3)過南灣(80 km/h)→坑洼路(30 km/h)→鵝卵石路→共振路→砂石路(50 km/h制動)→2環(huán);

4)制動4(80～30 km/h)→制動1(90～30 km/h)→制動2(50 km/h制動，2次)→高速環(huán)道(120 km/h，42 km)

為驗證采集載荷譜的可靠性和重復(fù)性，每種路面上采樣3個循環(huán)的數(shù)據(jù)。圖5(a)、(b)、(c)是43138測點在綜合路上采集的3個方向的加速度原始信號，圖5(d)是測點72957在工況路段上采集的應(yīng)變原始信號。

圖5 原始信號

2 道路載荷譜分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

受環(huán)境溫度、測試系統(tǒng)誤差、外界信號干擾等因素影響，采集的原始響應(yīng)信號中容易混入零點漂移、趨勢項和高頻噪聲等非真實的信號。為保證載荷譜的可靠性和真實性，需要對采集到的信號進行必要的分析和處理。通常消除偽信號的方法有濾波、除均值和除偏置等［3］。如圖6中曲線1表示采集到的原始應(yīng)變信號出現(xiàn)了明顯的零點漂移。為了消除偽信號，對采集到的原始信號進行濾波處理。實踐表明，路面在垂直方向的激勵頻率主要集中在0.5～20 Hz頻段內(nèi)，可以對原始響應(yīng)信號進行0～50 Hz低通濾波。經(jīng)過對比可以看出:濾波后零點漂移得到了徹底的消除，而信號的幅值和趨勢沒有發(fā)生變化。

圖6 濾波前和濾波后的信號對比

另外，某些干擾或意外因素使測試數(shù)據(jù)中某幾個點絕對值異常大。異常峰值的出現(xiàn)會導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)的失真，特別是在疲勞損傷計算中會導(dǎo)致?lián)p傷大幅度的增加。圖7(a)中1 200 s附近出現(xiàn)的峰值為奇異值。為保證數(shù)據(jù)的可靠性須除去該奇異值，如圖7(b)所示。

圖7 去除奇異值前后信號對比

2.2 數(shù)據(jù)重復(fù)性檢查

為對采集的載荷譜數(shù)據(jù)進行重復(fù)性分析，對采集的原始數(shù)據(jù)進行提取，獲得各個循環(huán)的載荷譜時間歷程，然后對各個循環(huán)時間歷程進行功率譜密度分析。圖8(a)是綜合路43138測點Z方向各個循環(huán)的加速度功率譜密度。圖8(b)是綜合路72957測點Z方向各個循環(huán)的加速度功率譜密度。圖8(c)是高速路43138測點Z方向各個循環(huán)的加速度功率譜密度。圖8(d)是高速路72957測點垂直方向各個循環(huán)的加速度功率譜密度。由圖8可以看出，同一路面同一信號各個循環(huán)的功率譜密度基本上完全重合，因此采集的道路載荷譜重復(fù)性很好。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征值分析

道路載荷譜的統(tǒng)計特征值是描述其強度的重要指標。對于載荷譜而言，最大、最小值確定了最大動載荷，平均值表示了載荷是否有靜載荷分量，方差描述了信號的波動分量，標準差反映了路面的惡劣程度，均方根值代表了統(tǒng)計強度的指標。這些參數(shù)為結(jié)構(gòu)的改進設(shè)計、壽命分析和室內(nèi)模擬試驗提供了依據(jù)［5－6］。表1選取了3個具有代表性的測點，提取各種路面下加速度測點響應(yīng)的特征值，能初步判斷不同路面對DCT振動狀態(tài)的影響以及不同部位在一定路面上的敏感程度。

圖8 載荷譜重復(fù)性比較

表1 統(tǒng)計特征分析

從初步的統(tǒng)計結(jié)果可以看出:共振路的振動最劇烈，坑洼路次之，坡道路和砂石路運行較平穩(wěn)，即標準差越小的路面振動越小，標準差越大的路面振動越大。由表1可以看出:懸置處的測點加速度明顯比DCT上的其他測點大，表明DCT懸置具有較好的減振性能，使振動能量得到了有效的衰減。

2.4 自功率譜分析

功率譜反映了載荷在各頻率成分上的振動能量，對研究零部件的強度和疲勞壽命是非常重要的［7］。為排除干擾信號對振動能量的影響，對以上提取的不同路面數(shù)據(jù)采用0～50 Hz濾波后進行自功率譜分析，結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，路面引起的振動能量隨機分布在30 Hz以下的低頻部分，以12 Hz附近最為集中。在5～30 Hz頻段內(nèi)振動能量大小關(guān)系基本滿足共振路＞坑洼路＞礫石路＞砂石路＞坡道路，與統(tǒng)計特征分析結(jié)果一致。對于同一種路面，在同等振動頻率影響下，測點43138點Z向的功率譜密度幅值相比其他測點偏大，說明該點對路面沖擊更為敏感。

圖9 自功率譜分析

3 結(jié)論

1)載荷譜統(tǒng)計特征分析和自功率譜密度分析的結(jié)果一致，符合路面引起的汽車振動頻率范圍，各循環(huán)自功率譜密度曲線除少數(shù)頻率范圍有所差別外其余吻合度較高，表明DCT道路載荷譜真實可靠。

2)對于有零點漂移、異常峰值的信號，可以通過濾波、去除奇異點的方法消除偽信號，從而得到真實信號。

3)載荷譜振動能量分布表明典型路面對DCT的激振頻率主要集中在12 Hz附近，在設(shè)計時可調(diào)整懸置參數(shù)和質(zhì)量參數(shù)等避開頻率敏感成分，以免發(fā)生共振。

［1］牛樹宇，黃安華.雙離合自動變速器是我國未來自動變速器的最佳選擇［J］.農(nóng)機使用與維修，2009(5):21－22.

［2］楊平，石曉輝.摩托車典型道路載荷譜采集及分析［J］.機械設(shè)計與制造，2011(11):193－195.

［3］王霄鋒.汽車可靠性工程基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［4］王云鵬，李顯生.試驗場特定路面對汽車振動響應(yīng)的影響［J］.公路交通科技，1997(3):59－62.

［5］郭虎，鄧耀文.車輛隨機載荷譜的統(tǒng)計分析［J］.汽車科技，2003(6):43－45.

［6］江征風(fēng).測試技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2007.

［7］錢立軍，吳道俊.基于室內(nèi)道路模擬技術(shù)的整車加速耐久性試驗的研究［J］.汽車工程，2011(2):91－95.

(責(zé)任編輯 劉舸)

Sampling and Analysis of DCT Vibration and Shock Spectrum

QIAO Kai，ZOU Xi－h(huán)ong，SHI Xiao－h(huán)ui，XIONG Feng，LIU Yan－long
(Key Laboratory of Manufacture and Test Techniques for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing 400054，China)

Based on analysis of DCT real motion and force，the paper chooses representative points characterize DCT key parts’movement and stress.By referring to durability test methods of an enterprise，a large number of loading spectrum was acquired on Xiangyang Automobile Proving Ground and was analyzed on time history and frequency domain.The results show the acquired loading spectrum is reliable and well－repetitive，which provides effective data for evaluating the fatigue reliability of DCT key parts.

DCT;loading spectrum;sampling

U461

A

1674－8425(2014)05－0019－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.05.004

2013－11－29

國家自然科學(xué)基金資助項目(51205432);國家科技支撐計劃資助項目(2012BAH32F01);重慶市科技攻關(guān)計劃項目(cstc2012gg－yyjsB30002，cstc2011ggB60010);重慶理工大學(xué)創(chuàng)新基金資助項目(YCX2012303)

譙凱(1987—)，男，山東人，碩士研究生，主要從事汽車測試技術(shù)研究。

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

format:QIAO Kai，ZOU Xi－h(huán)ong，SHI Xiao－h(huán)ui，et al.Sampling and Analysis of DCT Vibration and Shock Spectrum［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(5):19－23.