汽車傳動系高速變速耐久性斷裂部件試驗研究

門玉琢, 于海波, 劉 博， 李明達

(1.長春工程學院 機電工程學院，長春 130012； 2.中國第一汽車股份有限公司 技術中心，長春 130011)

汽車傳動系高速變速耐久性斷裂部件試驗研究

門玉琢1, 于海波2, 劉 博1， 李明達1

(1.長春工程學院 機電工程學院，長春 130012； 2.中國第一汽車股份有限公司 技術中心，長春 130011)

為研究某載貨汽車高速路耐久性變速強化試驗階段出現的傳動系部件斷裂問題。利用非接觸式轉矩遙測儀實車測試了傳動軸轉矩、車速等相關數據，應用LMS-TecWare疲勞載荷處理軟件計算傳動軸正負轉矩產生的疲勞損傷分布載荷譜，并據此分析斷裂故障產生機理。高速路五種工況循環變速試驗結果表明，奇數升降擋工況三中，3擋減1擋時出現了所有工況最大“反拖”負向沖擊轉矩，由此產生的扭轉應力超過了部件屈服極限而發生局部塑性變形，引起永久性損傷和裂紋擴展，試驗每循環一次產生的疲勞損傷為2.356 5×10-7，隨著試驗循環次數的增加累積損傷也隨之增大，經一定次數循環變速試驗傳動系部件最終發生低周疲勞斷裂。

汽車傳動系；變速試驗；斷裂；轉矩

汽車耐久性試驗是考核和驗證其可靠性的一種重要手段，由于在普通路面上做行駛試驗直至薄弱環節失效，一般要行駛幾萬公里甚至十幾萬公里[1]。為縮短可靠性試驗時間，試驗場試驗條件變得越來越苛刻，這主要是通過建造更惡劣的試驗道路和加快行駛車速來實現的[1]。汽車行駛時不斷受到由于路面不平而引起的沖擊載荷，其中大部分是循環動態隨機裁荷，同時還受到轉向側向力、驅動力和制動力等作用，這些力一般都隨著時間發生變化而改變[2]。當系統上施加隨時間變化的工作載荷時，會激起系統的多個振動模態[3]，在離開加載點足夠遠的某一點的系統動態響應表現為應力-時間歷程，它與載荷-時間歷程相比較，在振幅、相位和頻率上都不一樣[4-5]。這樣的應力-時間歷程包含兩方面的內容，即外部載荷的作用和結構對這些載荷的動態響應。在實際的測試中只能測量結構上某些特定點的響應，通常把從結構中某一點測得的輸出響應函數都統稱為應力-時間歷程[6]。

傳動軸作為車輛動力傳動系統的重要部件，其可靠性對行車安全至關重要。從目前國內外已有研究成果看，各大汽車公司主要偏向于車輛承載結構的研究，而傳動系統故障診斷、分析相對復雜，相關研究資料較少，尤其在試驗場強化變速試驗階段。

根據某型載貨汽車傳動系高速耐久性變速強化試驗結果，測量試驗車輛傳動軸轉矩、車速等數據，計算變速試驗對傳動系造成的疲勞損傷，分析傳動系部件斷裂機理。

1 傳動系的轉矩損傷

車輛傳動系統負責將發動機所產生的動力傳輸到車輪，從而驅動車輛運動。傳動系統常見的故障如變速器齒輪軸承、傳動軸、半軸及差速器的損壞、磨損、變形及失去平衡等[7-8]。因此，車輛傳動系統轉矩的測量直接關系到車輛的動力機械系統是否達到標準的重要指標。動力傳動系作為汽車的一個重要總成，它的可靠性對行車安全至關重要，傳動軸轉矩-轉數分布是針對軸等旋轉零件的一種區間計數方法，廣泛應用于齒輪系的設計和分析[9]。為了創建轉矩-轉速分布載荷譜，需要同時測量出傳動軸的轉矩和轉速(見圖1)。

圖1 傳動軸轉矩-轉速生成流程

已知轉速時間歷程(RPM(t))中的不連續時間間隔(Δti，i=1，m)，計算傳動軸在給定轉矩Ti下的轉數ni。轉軸在轉矩Ti下的轉數可表示為：

(1)

在眾多描述疲勞累積損傷的數學模型中，線性累積損傷原理因其簡單而被工程技術人員廣為接受，盡管還存在不可預測性和沒有考慮載荷序列影響等缺點[10]。線性累積損傷原理假設損傷(壽命耗盡)是累積相加的，傳動軸轉矩—轉速相關線性疲勞累積損傷為：

(2)式中:ni為高速路變速試驗傳動軸在轉矩Ti下的轉數，Ni為在相同轉矩Ti時的疲勞壽命(失效轉數);Ti由轉矩—壽命(T-N)曲線確定，見圖2。總的損傷表示每個單獨損傷(di)的累積過程，由ni和Ni的比值來定義。

圖2 傳動軸轉矩-壽命(T-N)曲線

通過配對區間計數算法可以確定轉矩-轉速分布圖中在每個轉矩下的轉數。傳動系統基準抗疲勞與壽命曲線(T-N)為：

(3)

傳動系在一特定轉矩下，轉速時間歷程中按照給定的離散時間間隔對傳動軸的轉數進行計數，變速器輸入軸轉矩和轉數可表示為：

(4)

REV1=REVP·GR

(5)

式中:T1為變速器輸入軸轉矩;Tp為傳動軸轉矩;REV1變速器輸入軸總轉數;REVP為傳動軸總轉數;GR為變速器傳動比。

研究變速器在給定目標扭矩(Ttarget)下的轉數(REVeq)，建立變速試驗的等效疲勞損傷模型為：

(6)

式中:b為疲勞強度指數;REVin和Tin為變速器在不同輸入扭矩下的轉數和轉矩;Ttarget為變速器目標輸入控制扭矩。應用(6)可以計算與每組Tin和REVin等效疲勞損傷轉數。

2 傳動軸轉矩測試

載荷分析是汽車零部件疲勞可靠性試驗的基礎，試驗測量的載荷譜一般指應變譜、應力譜、扭矩譜等[11]。傳動軸作為汽車動力傳動系的主要部件，其輸出的扭矩是可靠性試驗中重要的測試參數。

測量傳動軸轉矩本文應用的是CAEMAX型單通道非接觸式扭矩遙測儀，它適用于乘用車、商用車、工程車及軍車等車輛轉矩及轉速的測量，該系統由應變計、Dx采集編碼模塊(見圖3)及Dx接收機(見圖4)組成。

圖3 Dx采集編碼模塊

圖4 Dx接收機

測試前，在傳動軸的外表面與軸線成45°及135°的兩個方向上粘貼電阻應變片，并結成全橋電路，再由Dx采集編碼模塊測出對應的應變值，并將采集的數據通過無線傳輸至車內的Dx接收機中，此時轉矩和應變的關系為：

(7)

式中:E為被測材料的彈性模量;D為被測軸直徑;μ為被測軸材料泊松比;ε為被測軸的應變值。

測試中，用戶可將應變片與Dx采集編碼模塊安裝在車輛的半軸或傳動軸上，并將Dx接收機放置于車內。一個Dx采集編碼模塊可以接兩個全橋或四個半橋應變片，Dx采集編碼模塊與傳動軸及實車裝配見圖5與圖6。標定試驗過程與標定系數見圖7和圖8。

圖5 非接觸式傳動軸轉矩遙測傳感器

圖6 轉矩遙測儀實車裝配

圖7 傳動軸轉矩標定試驗

圖8 傳動軸扭矩標定曲線

由于實測的傳動軸扭矩-時間載荷歷程的隨機性與真實工作狀態千變萬化，為了分析和試驗方便，壓縮試驗時間，都必須對實測的扭矩-時間歷程加以簡化，以得到能反映真實情況且具有代表性的“典型載荷譜”。

3 數據測試與處理

3.1 數據測試

轉矩及車速傳感器安裝完成后，采集高速路變速強化試驗數據，變速強化試驗主要在以下五種工況下進行：

工況1：連續升降擋，以5擋變速器為例，即按1擋、2擋、3擋、4擋、5擋的順序升擋，然后再按5擋、4擋、3擋、2擋、1擋的順序降擋；

工況2：1擋全油門起動加速到該擋最高車速，帶擋減速到最大扭矩點轉速換2擋，再加速到該擋最高車速，以此類推到5擋，帶擋減速到4擋最高車速換4擋，與升擋原理相同，直到減速到空擋；

工況3：奇數升降擋，對于5檔變速器，即按1擋、3擋、5擋的順序升擋，再按5擋、3擋、1擋的順序降擋；

工況4：偶數升降擋，對于5速變速器，即按2、4擋的順序升擋，再按4擋、2擋的順序降擋；

工況5：起步連續升降擋，按1擋、2擋、3升擋，再按3擋、2擋、空擋順序減擋。變速試驗與數據統計結果見圖9與表1。

圖9 變速試驗車速與傳動軸轉矩Fig.9 Vehicle speed and drive shaft torque for variable test

表1 變速試驗時域數據統計結果

3.2 數據處理

試驗采集的原始數據由于環境溫度和濕度的影響，部分數據存在零漂、野點、趨勢項等問題，必須對數據進行預處理。將預處理后的傳動軸扭矩對轉速數據進行分級計數，轉化成不同扭矩、轉速下的傳動軸轉動次數或轉數分布矩陣(見圖10)。利用傳動軸轉矩分級計數矩陣，可計算各級轉矩對應的傳動軸疲勞損傷。計算結果見圖11與圖12，五種試驗工況損傷對比結果見表2。

圖10 傳動軸扭矩分級計數矩陣

圖11 傳動軸轉矩-損傷分布

圖12 傳動軸轉矩-累積損傷分布

從變速試驗時域數據可以看出，試驗工況三中3擋減1擋時出現了所有變速工況最大沖擊扭矩(-4 560.14 N·m)，該值遠遠大于設計扭矩1 800 N·m。圖11中，傳動軸扭矩<-2 000 N·m時，累積損傷曲線的負斜率明顯增大，說明沖擊負扭矩對傳動系的損傷貢獻度遠大于正向扭矩，負扭矩造成的損傷是正扭矩的3～4倍。變速試驗的減擋過程是傳動軸、半軸及差速器殼體斷裂的主要工況，傳動系受到來自地面給車輛的大幅值“反拖”負向沖擊轉矩載荷。

表2 五種試驗工況損傷對比

在變速試驗循環加載期間，負向沖擊載荷產生的最高扭轉應力超過了傳動系部分部件的屈服極限，在高應力區域發生局部塑性變形，這種塑性變形引起了傳動系相關部件的永久損傷和裂紋的擴展。隨著零部件所承受的加載循環次數的不斷增加，裂紋長度(損傷)也隨之增大，在較短的變速試驗時間內達到一定循環次數而發生低周疲勞斷裂。

傳動設計部門根據試驗結果，對傳動系統進行了改進，在保證強度的前提下，縮小傳動軸徑向尺寸減小傳動系的剛度以增加其抗扭特性，改進后的樣品已裝車正在進行試驗驗證。

4 結 論

(1)傳動系變速強化試驗中，減擋過程產生的負向大沖擊轉矩造成的疲勞損傷遠大于正向轉矩，負向沖擊載荷是導致傳動軸、半軸與差速器殼體斷裂的主要工況；

(2)變速試驗3擋減1降擋時出現的沖擊轉矩應力超過傳動系部件的屈服極限而產生了局部塑性變形，這種變形引起了永久損傷和疲勞裂紋擴展；

(3)隨著變速試驗循環次數的增加，傳動系部件累積損傷也逐漸增大，達到一定的循環次數之后發生了低周疲勞斷裂，該研究結果為傳動系統結構改進提供了參考依據。

[ 1 ] 門玉琢, 于海波, 郭平, 等. 基于用戶相關數據的乘用車試驗場變速強化試驗方法[J]. 汽車工程, 2014, 36(10): 1221-1223. MEN Yuzhuo, YU Haibo, GUO Ping, et al. Varying-speed enhancement test method on proving ground for passenger car based on correlated customers data[J]. Automotive Engineering, 2014, 36(10): 1221-1223.

[ 2 ] 張英爽, 王國強, 王繼新, 等. 工程車輛傳動系載荷譜編制方法[J]. 農業工程學報, 2011, 27(4):179-180. ZHANG Yingshuang1, WANG Guoqiang, WANG Jixin, et al. Compilation method of power train load spectrum of engineering vehicle [J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(4):179-180.

[ 3 ] 于蓬, 章桐, 孫玲, 等. 集中驅動式純電動車動力傳動系統扭轉振動研究[J]. 振動與沖擊, 2015, 34 (1):44-46. YU Peng, ZHANG Tong, SUN Ling, et al. Powertrain torsional vibration of a central-driven pure EV[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(1):44-46.

[ 4 ] 門玉琢, 于海波, 霍娜. 轎車后軸疲勞耐久性及振動模態參數掃頻[J]. 機械設計與制造, 2012 (9): 198-199. MEN Yuzhuo, YU Haibo, HUO Na. Fatigue durability and vibration modal parameter frequency sweep for car rear axle[J]. Machinery Design&Manufacture, 2012 (9): 198-199.

[ 5 ] MEN Yuzhuo, YU Haibo, HUO Na. Experimental study on durability fracture behavior and vibration modal sweep for vehicle rear axle[J]. Journal of Beijing Institute of Technology, 2013, 22(2): 207-209.

[ 6 ] 張邦成, 王躍光, 王占禮, 等. 汽車傳動系沖擊耐久工況臺架測試模擬[J]. 武漢理工大學學報, 2010, 32(2):76-77. ZHANG Bangcheng, WANG Yueguang, WANG Zhanli , et al. Simulation on impacting durability running conditions for automobile power train bench test[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2010, 32(2):76-77.

[ 7 ] BANNANTINE J A, COMER J J, HANDROCK J L. Fundamentals of metal fatigue analysis[M]. New Jersey: Prentice Hall, Englewood Cliffs, 2004.

[ 8 ] LEE Y L, PAN J, HATHAWAY R, et al. Fatigue testing and analysis theory and practice[M]. UK: Elsevier Inc, 2005.

[ 9 ] WILLIAMS C R, LEE Y, RILLY J T. Apractical method for statistical analysis of strain-life fatigue data[J]. International Journal of Fatigue, 2008, 25(5): 430-433.

[10] WANG Mingzhu, YAO Weixing, SUN Wei. Sample approach for fatigue life prediction of structures under random vibration[J]. China Mechanical Engineering, 2008, 19(8): 972-973.

[11] 門玉琢, 于海波, 韓愈. 用戶相關汽車動力傳動系可靠性試驗新方法[J]. 振動與沖擊, 2013, 32 (11):25-26. MEN Yuzhuo, YU Haibo, HAN Yu, New method of automotive reliability test correlated with customers based on output energy of powertrain[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013, 32 (11):25-26.

Varying and high speed tests for durability and fracture behavior of powertrain components

MEN Yuzhuo1, YU Haibo2, LIU Bo1, LI Mingda1

(1. School of Mechatronic Engineering, Changchun Institute of Technology, Changchun 130012, China;2. R&D Center, China FAW Co., Ltd. Changchun 130011, China)

In order to study powertrain components’ fracture behavior in durability and variable-speed enhancement tests, the non-contact torque telemeter was used to make real vehicle measurements for driving shaft torque, speed and other related data. LMS-TecWare fatigue load processing software was used to calculate the fatigue damage distribution loading spectrum and the fracture fault mechanism was analyzed. The cyclic variable-speed tests under five working conditions showed that under the odd lift and drop condition, when the 3rd gear is changed into the 1stgear, the maximum "reversing drag" negative impact torque occurrs; the torsional stress exceeds the components’ yield limit and results in the local plastic deformation, to cause permanent damage and crack extension; the fatigue damage produced for per cycle of tests is 2.356 5×10-7; the accumulated damage increases with increase in cycle number of tests; after a certain cycle number of tests powertrain components finally have a low-cycle fatigue fracture.

powertrain; variable-speed test; fracture; torque

國家自然科學基金(51378075;51678065)；吉林省發改委產業技術研究與開發專項(2015Y73)；吉林省科技廳重點科技攻關項目(20160204012SF)

2015-09-28 修改稿收到日期：2015-11-16

門玉琢 女，博士，副教授，1978年生

于海波 男，博士，高級工程師，1973年生

U461.7