匹配渦輪增壓發(fā)動機的機械式變速器可靠性分析與驗證

李曼麗++雷君++王恒

摘 要：本文對匹配渦輪增壓發(fā)動機的機械式變速器可靠性分析與驗證進行了研究。首先針對中國城市整車實際使用工況及渦輪增壓發(fā)動機扭矩特性，修正適合渦輪增壓發(fā)動機的變速器臺架耐久試驗規(guī)范?；诖艘?guī)范為載荷譜，利用Romaxdesigner建立變速器參數(shù)化仿真模型，結(jié)合疲勞累積損傷理論及材料S-N曲線對軸齒、軸承等關鍵部件損傷率精準分析，從而評估變速器總成的可靠性。并通過某款變速器匹配渦輪增壓發(fā)動機進行可靠性分析試驗驗證。

關鍵詞：機械式變速器；可靠性分析；疲勞累積損傷理論

中圖分類號：U463.212 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）01-0039-05

Reliability Analysis and Verification of the Mechanical Transmission Matching the Turbo Engine

LI Man-li， LEI Jun， WANG Heng

（ Dongfeng Motor Corporation Technical Center， Wuhan430058， China ）

Abstract： This article studied the reliability analysis and verification of the mechanical transmission matching the turbo engine. Firstly， modified the transmission bench endurance test specification according to the vehicle actual working condition of China urban and turbo engine torque characteristic. Based on the specification for the load spectrum， transmission parameterized simulation model was created using Romaxdesigner software. Damage rate of the axial， tooth， bearings and other key components were analyzed precisionly to assess the reliability of the transmission assembly， combining the theory of fatigue cumulative and material S-N curve. Finally，the method was verified through a transmission matching the turbo engine.

前 言

變速器是整車傳動系統(tǒng)重要組成部分，直接影響整車的動力性與經(jīng)濟性、可靠性、NVH等性能。近年來隨著渦輪增壓發(fā)動機的廣泛應用，其匹配機械式變速器車型由于價格、油耗、駕駛樂趣及操縱感等方面的優(yōu)勢，仍占據(jù)較大市場。

不同于自然吸氣發(fā)動機，渦輪增壓發(fā)動機具有低轉(zhuǎn)速高扭矩的特性。機械式變速器匹配渦輪增壓發(fā)動機，在試驗驗證過程中，可能出現(xiàn)齒輪、軸承等關鍵零部件的失效。因而進行機械式變速器可靠性分析很有必要，根據(jù)分析結(jié)果制定出合適的對策。機械式變速器結(jié)構(gòu)復雜，本文僅對變速傳動機構(gòu)進行可靠性分析研究，對其他種類的變速器匹配也有借鑒意義。

1 變速器可靠性分析

機械產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下規(guī)定時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。機械產(chǎn)品在設計階段應規(guī)定其可靠性指標或估計、預測產(chǎn)品在規(guī)定條件下的工作能力、狀態(tài)或壽命，保證產(chǎn)品具有所需要的可靠度[1]。變速器可靠性分析，指通過一些方法或規(guī)范對變速器進行驗證，并統(tǒng)計不失效的比例，從而判斷其可靠性。

變速器結(jié)構(gòu)復雜、集成度高，不同類型的變速器有獨特的結(jié)構(gòu)，每個零部件或子系統(tǒng)都有獨特的失效模式和壽命曲線[2]。軸齒是變速器變速傳動機構(gòu)基本原件；軸承是變速器軸的支撐原件，在變速器系統(tǒng)中起著很重要的作用[3]。本文主要對變速傳動機構(gòu)的軸齒、軸承等關鍵零部件可靠性進行分析，主要完成變速箱臺架耐久試驗規(guī)范研究和變速器總成可靠性分析研究，總體思路如圖1：

2 變速器臺架耐久試驗規(guī)范研究

臺架耐久試驗是考核變速器的關鍵項目。制定合適的臺架耐久試驗規(guī)范是變速器匹配的前提，除了整車參數(shù)，還應考慮變速器所匹配發(fā)動機的扭矩特性和整車實際使用工況。

2.1 整車使用工況

針對中國路況，乘用車大多在城市工況使用。隨著城市人口增長、城市汽車保有量增加、道路系統(tǒng)限制、紅綠燈要求、最高車速限制（一般最高80Km/h）等，乘用車低檔起步、加速比較頻繁[4]。

通過對比分析：中國城市工況低速里程

約為歐洲城市工況的1.5倍。變速器匹配應考慮中國與其他國家整車使用工況的差異性，針對城市工況汽車低速檔使用較頻繁的特點，合理制定變速器臺架耐久試驗規(guī)范。

2.2 發(fā)動機扭矩特性

渦輪增壓發(fā)動機與自然吸氣發(fā)動機扭矩特性比較：渦輪增壓發(fā)動機低速下加油門，扭矩迅速提升并達到最大，低速檔承受的載荷更惡劣。變速器匹配時應根據(jù)適用的臺架耐久試驗規(guī)范進行驗證，從而指導變速器的性能設計。

圖3為某款1.4T渦輪增壓發(fā)動機與2.0L自然吸氣發(fā)動機輸出扭矩特性對比，得出渦輪增壓發(fā)動機扭矩特性：1750rpm時，扭矩迅速提升并達到最大；1500～2500rpm時，扭矩比自然吸氣發(fā)動機高10%～20%。

2.3 變速器臺架耐久試驗規(guī)范研究

針對渦輪增壓發(fā)動機與自然吸氣發(fā)動機扭矩特性差異，以及中國城市整車使用工況，研究適用渦輪增壓發(fā)動機的變速器臺架耐久試驗規(guī)范——強化低速檔的考核，使臺架耐久試驗規(guī)范符合整車及發(fā)動機要求，保證動力總成匹配的可靠性。

對同一款變速器分別匹配上述2.0L自然吸氣發(fā)動機與1.4T渦輪增壓發(fā)動機的臺架耐久試驗載荷譜進行分析，如表1所示：

根據(jù)以上信息得出，變速器匹配自然吸氣發(fā)動機所使用的歐洲工況臺架試驗規(guī)范，不適用于渦輪增壓發(fā)動機。本文用彎曲疲勞損傷等級評價齒輪疲勞受力：

NC3（N表示齒輪循環(huán)次數(shù)，C表示齒輪傳遞的扭矩）

計算得出：變速器匹配渦輪增壓發(fā)動機，在中國工況進行驗證，臺架耐久試驗工況中的齒輪損傷等級NC3增大4.5倍。

經(jīng)過計算分析與大量試驗驗證：匹配1.4T的變速器對低速檔（1～2檔）臺架耐久試驗更嚴苛，低速檔臺時約占總臺時52%；匹配2.0L自然吸氣發(fā)動機低速檔臺時約占總臺時23%，如圖4所示：

3 變速器總成可靠性分析

變速器總成可靠性分析基于上述研究的臺架耐久試驗規(guī)范作為載荷譜，并利用Romaxdesigner 參數(shù)化仿真模型，考慮系統(tǒng)變形、變速器油位油溫等因素，同時結(jié)合疲勞累積損傷理論及材料S-N曲線對軸齒、軸承等關鍵部件損傷率進行精準分析并改善，從而評估總成的可靠性目標，較一般仿真分析根據(jù)安全系數(shù)評估可靠性更客觀實用。通過齒輪、軸承等結(jié)構(gòu)及工藝限制，針對性地制定加強方案。

3.1 當量扭矩的計算

某車型采用的載荷譜如圖5所示，根據(jù)齒輪疲勞累積損傷理論，將載荷譜通過公式轉(zhuǎn)換為當量載荷[5]。當量循環(huán)次數(shù)

Neq=N1+N2+…+Ni （2）

循環(huán)次數(shù)

Ni=ni ki hi （3）

式中：

Ni ——第 i 級載荷的循環(huán)次數(shù)

ni —— 第 i 級載荷下的齒輪轉(zhuǎn)速（rpm）

ki —— 第 i 級載荷下齒輪每轉(zhuǎn)一周同側(cè)齒面的接觸次數(shù)

hi ——第 i 級載荷作用齒輪的工作時間

p ——材料試驗指數(shù)，文中 p 值為3

根據(jù)以上公式，計算出齒輪的當量扭矩Ceq=181.9Nm。

3.2 參數(shù)化仿真建模

變速器臺架耐久規(guī)范作為變速器計算分析的載荷譜，保證了理論輸入與實際臺架規(guī)范的一致性。利用Romaxdesigner對齒輪、軸承等進行參數(shù)化建模，并考慮變速器油位因素規(guī)定變速器的油位；同時在裝配中考慮軸承的安裝調(diào)整，如圖6所示：

3.3 軸齒、軸承應力分析

考慮系統(tǒng)變形、變速器油位油溫等因素，同時結(jié)合疲勞累積損傷理論及材料S-N曲線對軸齒、軸承等關鍵部件損傷率進行精準分析，來評估總成的可靠性目標。

對齒輪和軸承應力分析如圖7和圖8所示。進行齒輪分析時，設置齒輪材料的S-N曲線如圖9所示?；诓牧系腟-N曲線及齒輪的受力情況來計算齒輪的疲勞損傷率。

損傷率是衡量齒輪、軸承等回轉(zhuǎn)零件壽命的關鍵指標，等于實際損傷等級/理論容許的損傷等級，即損傷率

（4）

式中：N0C03——材料的容許損傷等級

當損傷率>100%時，零件存在失效風險。

4 試驗驗證

在某款變速器匹配1.4T渦輪增壓發(fā)動機項目初期，變速器根據(jù)老規(guī)范通過臺架耐久試驗之后，在整車耐久試驗主減齒輪副、同步器接合齒、二軸前軸承均出現(xiàn)失效，初步判斷匹配自然吸氣發(fā)動機的變速器臺架耐久試驗規(guī)范不適用于匹配渦輪增壓發(fā)動機驗證。

基于上述臺架耐久規(guī)范研究，修訂新規(guī)范進行試驗，變速器仍出現(xiàn)齒輪斷齒、軸承散裂等失效問題。利用變速器總成可靠性研究中Romaxdesigner建模分析，識別風險零件，并結(jié)合變速器的結(jié)構(gòu)及工藝保證能力，有針對性地制定改善對策。

改善后的變速器匹配渦輪增壓發(fā)動機可通過臺架耐久試驗和整車耐久試驗。針對該款匹配渦輪增壓發(fā)動機的變速器可靠性改善項目如表2：

5 結(jié)束語

通過某款MT變速器匹配1.4T渦輪增壓發(fā)動機的實際驗證表明：本文研究的匹配變速器臺架耐久試驗規(guī)范，以及應用該規(guī)范基于Romaxdesigner 參數(shù)化仿真模型分析的變速器可靠性分析的方法，對變速器實際應用匹配渦輪增壓發(fā)動機是合理的。后續(xù)將在渦輪增壓直噴發(fā)動機等變速器匹配項目中進一步應用驗證，探索其他的變速器可靠性技術。

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