基于道路模擬激勵(lì)譜的AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)疲勞壽命分析

楊 平,石曉輝

(1.重慶工商職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車學(xué)院,重慶 401520; 2.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400541)

電控機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)是在傳統(tǒng)手動(dòng)齒輪式變速器基礎(chǔ)上加裝一套電控自動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)改進(jìn)而來的,它糅合了自動(dòng)變速器(AT)和手動(dòng)變速器(MT)兩者的優(yōu)點(diǎn).由于它長期工作在路面和發(fā)動(dòng)機(jī)這兩大激勵(lì)源的振動(dòng)、沖擊之下,AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)的疲勞可靠性就成了AMT變速器最重要的性能之一.

確定結(jié)構(gòu)疲勞可靠性的方式主要有兩種:① 根據(jù)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果進(jìn)行疲勞分析即實(shí)驗(yàn)法,但換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)位于選換擋箱體內(nèi)部,不易貼片,不便于測(cè)試,且試驗(yàn)周期長;② 根據(jù)CAE應(yīng)力(變)結(jié)果進(jìn)行疲勞分析即數(shù)值仿真法,但大多數(shù)仿真計(jì)算主要依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)置邊界條件,未能按照真實(shí)的載荷譜進(jìn)行可控壽命分析與計(jì)算,極大地制約著汽車結(jié)構(gòu)零部件疲勞可靠性的研究與發(fā)展[1].綜合兩種計(jì)算方式的優(yōu)缺點(diǎn),本文對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)疲勞壽命的研究,采用虛擬與實(shí)際相結(jié)合的試驗(yàn)方法,即基于道路模擬的AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)壽命的有效預(yù)估,試驗(yàn)結(jié)果能應(yīng)用于產(chǎn)品的開發(fā)中.

本文在汽車試驗(yàn)場采集了大量載荷譜,對(duì)載荷譜進(jìn)行了分析和模擬迭代,準(zhǔn)確快速地復(fù)現(xiàn)了AMT變速器在試驗(yàn)場試驗(yàn)路段的振動(dòng)特性;結(jié)合道路模擬試驗(yàn)技術(shù),建立了AMT換擋箱體的虛擬振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái),提取了換擋機(jī)構(gòu)在各個(gè)擋位下一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的動(dòng)態(tài)仿真載荷譜,利用MSC.Fatigue軟件對(duì)AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了疲勞壽命分析,完成了換擋機(jī)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)估.

1 換擋機(jī)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)的技術(shù)路線

路面激勵(lì)通過汽車行駛系統(tǒng)傳遞至變速箱體與車架的連接點(diǎn),使變速器總成及其內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng),其動(dòng)載荷將引起換擋關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力變化,進(jìn)而可能導(dǎo)致疲勞破壞[2].研究路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)綜合作用下?lián)Q擋機(jī)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法,對(duì)研究AMT總成可靠性具有重要意義.本文將道路模擬試驗(yàn)技術(shù)和多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)相結(jié)合,針對(duì)某款A(yù)MT換擋機(jī)構(gòu)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)分析,其技術(shù)路線如圖1所示.

圖1 疲勞壽命預(yù)測(cè)的技術(shù)路線Fig.1 Technical route of fatigue life-span estimation

2 道路模擬試驗(yàn)

2.1 載荷譜的采集和分析

載荷譜為盡可能反映執(zhí)行機(jī)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài),在目標(biāo)考核部位布置了加速度傳感器.加速度傳感器測(cè)量載荷譜的方法考慮了輪胎的包容特性、汽車結(jié)構(gòu)件的傳遞特性以及發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)汽車產(chǎn)生的激勵(lì)作用,在理論上將整車的振動(dòng)系統(tǒng)簡化為多點(diǎn)激勵(lì)的自由振動(dòng)系統(tǒng),對(duì)特定點(diǎn)的振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)作為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.本文將AMT選換擋箱體的振動(dòng)激勵(lì)響應(yīng)作為研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并以此響應(yīng)作為道路模擬的目標(biāo)迭代信號(hào).道路載荷譜采集的試驗(yàn)方法和規(guī)范嚴(yán)格按照《汽車道路試驗(yàn)方法通則》(GB/T 12534—1990)執(zhí)行,利用nCode公司的SoMat-eDAQ數(shù)據(jù)采集儀及相關(guān)設(shè)備,在試驗(yàn)場對(duì)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行了多次重復(fù)采樣.圖2所示為某通道記錄的加速度時(shí)間歷程響應(yīng)信號(hào).

圖2 加速度原始載荷譜Fig.2 Acceleration original load spectrum

由于參數(shù)設(shè)置、干擾信號(hào)等的影響,采集的載荷譜會(huì)疊加許多非真實(shí)信號(hào),這些偽信號(hào)使后續(xù)模擬試驗(yàn)不能復(fù)現(xiàn)實(shí)車試驗(yàn)時(shí)的路況信息,從而失去模擬試驗(yàn)的意義,所以必須對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理[3].常用的濾波方法有低通濾波、高通濾波和帶通濾波[4].為盡可能消除低頻噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)高頻激勵(lì)的干擾,這里進(jìn)行0.6～40 Hz的帶通濾波.濾波前后對(duì)比如圖3所示.從圖3中可以判斷,經(jīng)過濾波處理,發(fā)動(dòng)機(jī)的高頻噪聲信號(hào)得到了有效處理.

2.2 模擬迭代試驗(yàn)

為真實(shí)模擬AMT變速器在實(shí)際行駛中的垂向平動(dòng)、俯仰和側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng),設(shè)計(jì)了AMT三通道道路模擬試驗(yàn)平臺(tái)(見圖4),利用驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速輸入,以便AMT能夠進(jìn)行正常換擋.變速器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過原車上的4套懸置安裝在支撐夾具上,4套支撐夾具參考了變速器的實(shí)際裝夾位置,并綜合考慮了夾具的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和動(dòng)力學(xué)等特性,較好地反映了AMT在實(shí)車上的安裝情況.本次道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)包括振動(dòng)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程參數(shù)控制系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)和選換擋控制系統(tǒng).選換擋控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)擋位的變換、換擋力矩和換擋位移的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的換擋不暢和換擋失敗現(xiàn)象.

圖3 加速度時(shí)間歷程信號(hào)濾波處理前后對(duì)比Fig.3 Comparison of acceleration time historysignal filtering treatment

圖4 AMT三通道道路模擬試驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 AMT three-way road simulationtesting platform

在與實(shí)車試驗(yàn)的相同位置設(shè)置同樣的加速度傳感器,把傳感器信號(hào)連接線通過數(shù)據(jù)采集器牽引至控制器中,完成測(cè)試系統(tǒng)的連接工作,用選取的目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行模擬迭代，具體過程如下.

(1) 用RPC軟件生成的白噪聲力驅(qū)動(dòng)信號(hào)和白噪聲位移驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為水平作動(dòng)器、垂直作動(dòng)器的初始加載信號(hào)X(f),同時(shí)回收目標(biāo)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)信號(hào)Y(f).求解系統(tǒng)的頻響函數(shù)H(f)，即

(1)

式中:Sxy(f)為輸入與輸出的互功率譜;Sxx(f)為輸入的自功率譜.

(2) 用編輯好的目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)和測(cè)量的系統(tǒng)頻響函數(shù)逆矩陣H-1(f),按式X1(f)=H-1(f)Y(f)計(jì)算初始激勵(lì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)X1(f).

(3) 用X1(f)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),通過傳感器回收響應(yīng)信號(hào)Y1(f),將Y1(f)與目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)Y(f)進(jìn)行比較，獲得誤差信號(hào)ΔY,通過誤差信號(hào)與系統(tǒng)頻響函數(shù)逆矩陣計(jì)算校正信號(hào)為

ΔX(f)=H-1(f)ΔY(f)

(4) 校正信號(hào)ΔX(f)乘上衰減系數(shù)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)X1(f)相加得到第二次驅(qū)動(dòng)信號(hào)X2(f).重復(fù)以上步驟,直到響應(yīng)信號(hào)Yn(f)與目標(biāo)響應(yīng)信號(hào)Y(f)的誤差在可以接受的范圍內(nèi)為止[5-7].圖5為目標(biāo)測(cè)點(diǎn)期望響應(yīng)信號(hào)與模擬迭代信號(hào)的時(shí)域?qū)Ρ葓D.從時(shí)域信號(hào)的重合度對(duì)比結(jié)果可以看出模擬迭代的精度較高.用最后一次迭代的激勵(lì)信號(hào)建立驅(qū)動(dòng)信號(hào)文件,圖6所示為試驗(yàn)路段迭代后其中一通道的最終激勵(lì)信號(hào).

圖5 模擬信號(hào)與期望響應(yīng)信號(hào)的比較Fig.5 Comparison between simulation signal andexpected response signal

圖6 作動(dòng)器激勵(lì)信號(hào)Fig.6 Actuator excitation signal

3 試驗(yàn)平臺(tái)多體動(dòng)力學(xué)仿真模型

換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)處的應(yīng)力譜數(shù)據(jù)在實(shí)測(cè)試驗(yàn)中不便得到,因此,這里借助多體運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真獲取疲勞壽命分析的載荷數(shù)據(jù).本文研究的選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電控-電動(dòng)式,電控電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠利用渦輪蝸桿、齒輪齒條和絲桿螺母等的傳動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)換擋.該款選換擋機(jī)構(gòu)主要由選擋電動(dòng)機(jī)、換擋電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、換擋軸和換擋撥塊構(gòu)成.選擋電動(dòng)機(jī)通過蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)減速以后帶動(dòng)換擋軸軸向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)選擋,換擋軸通過蝸桿蝸輪減速以后驅(qū)動(dòng)換擋軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換擋.在UG(三維建模軟件)中采用正向建模和逆向建模相結(jié)合的方法,建立了換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部分的三維模型;結(jié)合變速器的實(shí)車裝夾方式,將設(shè)計(jì)的夾具裝置分別與3個(gè)懸置約束配合,并將夾具底端裝配在同一平板上,用于模擬變速器的實(shí)際安裝狀態(tài).

將建立好的試驗(yàn)平臺(tái)導(dǎo)入ADAMS軟件中,通過前期分析發(fā)現(xiàn)換擋撥叉和撥塊受力較大,因此,將撥叉和撥塊處理成柔性體,其余部件為剛體.在ADAMS軟件中,夾具與箱體的柔性連接用襯套來模擬,省去了原先結(jié)構(gòu)復(fù)雜的懸置系統(tǒng);添加與實(shí)際道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)相一致的連接裝置約束關(guān)系;檢查試驗(yàn)平臺(tái)的可靠性和仿真運(yùn)行軌跡,避免干涉和失效.

執(zhí)行機(jī)構(gòu)除承受路面激勵(lì)和發(fā)動(dòng)機(jī)高頻振動(dòng)以外,還承受換擋時(shí)自身帶來的換擋阻力,總結(jié)起來主要為兩大類:靜載荷和動(dòng)載荷.用迭代試驗(yàn)獲取的3個(gè)通道的激勵(lì)信號(hào)分別加載3個(gè)作動(dòng)器,以模擬執(zhí)行機(jī)構(gòu)受到的動(dòng)載荷,靜載荷由換擋力矩?fù)Q算得到.撥叉在換擋過程中承受來自撥塊的換擋力,可以視為非對(duì)稱循環(huán)載荷.根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的擋位位置和力矩變化曲線,在ADAMS中對(duì)撥叉和撥塊的工作區(qū)域添加了隨時(shí)間變化的應(yīng)力-時(shí)間函數(shù),模擬換擋機(jī)構(gòu)工作時(shí)的受力狀態(tài),圖7為一次換擋過程中撥叉與撥塊所受的應(yīng)力-時(shí)間曲線,圖8為最終搭建的AMT道路模擬多體動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)平臺(tái).

圖7 一次換擋過程撥叉撥塊所受應(yīng)力-時(shí)間變化曲線Fig.7 Stress-time variation curve undertaken byfork and block in the course of one shifting

4 AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)虛擬試驗(yàn)及驗(yàn)證

把道路模擬迭代試驗(yàn)獲取的驅(qū)動(dòng)文件分別賦予3個(gè)作動(dòng)器進(jìn)行聯(lián)合加載,模擬AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)車行駛振動(dòng)受載情況.然后將同一位置處提取的道路模擬頻譜數(shù)據(jù)與仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,并通過模型、參數(shù)的反復(fù)修正與調(diào)整,得到了與試驗(yàn)結(jié)果相吻合的仿真數(shù)據(jù).其中一測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域?qū)Ρ惹闆r如圖9所示.從圖9可以看出:試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致,幅值相當(dāng)接近,相位也基本一致,且峰值頻率都集中在10～20 Hz范圍內(nèi),由此可以判斷行駛載荷譜得到了很好地再現(xiàn),動(dòng)態(tài)仿真模型準(zhǔn)確可靠.

圖9 試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.9 Comparison of testing and simulation data

5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)疲勞壽命預(yù)估

該疲勞壽命分析流程主要分為4個(gè)流程,如圖10所示.在將有限元分析模型提交給Nastran軟件進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)撥叉與撥塊兩處出現(xiàn)應(yīng)力集中,受到的應(yīng)力較大,為危險(xiǎn)區(qū)域,而其他區(qū)域的應(yīng)力值相當(dāng)?shù)?有較大的安全儲(chǔ)備,因此,本文著重考核撥叉和撥塊的疲勞壽命.

圖10 疲勞壽命分析流程Fig.10 Fatigue life-span analysis process

疲勞壽命分析方法主要有名義應(yīng)力法和局部應(yīng)力-應(yīng)變法[8].前者是根據(jù)S-N曲線,應(yīng)用疲勞累積損傷理論進(jìn)行壽命估算,適合于經(jīng)104～105次以上循環(huán)失效的高周疲勞;后者是用局部應(yīng)力-應(yīng)變法估算裂紋形成壽命,用斷裂力學(xué)估算裂紋擴(kuò)展壽命,適合于104～105次以下循環(huán)失效的低周疲勞[9].這兩種方法均以材料的疲勞特性和疲勞累積損傷理論為基礎(chǔ).變速器換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)屬于高周疲勞,因此,本文選用名義應(yīng)力法.

以應(yīng)力幅值S為縱坐標(biāo),以其對(duì)應(yīng)的疲勞破壞時(shí)的載荷循環(huán)次數(shù)N為橫坐標(biāo),得到的曲線稱為S-N曲線,又稱為疲勞壽命曲線,應(yīng)力值σ的S-N曲線表達(dá)式為

(2)

式中:m,C均為材料常數(shù).

對(duì)式(2)兩邊取對(duì)數(shù),有

(3)

式中:A=lgC/m;B=-1/m.

式(3)表明應(yīng)力σ與壽命N間有對(duì)數(shù)線性關(guān)系.圖11為執(zhí)行機(jī)構(gòu)撥叉與撥塊材料的S-N曲線.

圖11 撥叉與撥塊的疲勞壽命曲線Fig.11 Fatigue life-span curve of fork and block

根據(jù)Miner 線性累積損傷法則,損傷率D的計(jì)算公式為

(4)

顯然,當(dāng)D=1時(shí),試樣吸收的能量達(dá)到極限值,機(jī)件發(fā)生疲勞破壞,亦即疲勞破壞的評(píng)判依據(jù)為

(5)

式中:ni為在應(yīng)力水平σi作用下的循環(huán)次數(shù),由載荷譜給出;Ni為在應(yīng)力水平σi作用下循環(huán)到破壞的壽命,由S-N曲線確定.

根據(jù)每個(gè)載荷塊的損傷,則可按Miner法則計(jì)算出疲勞壽命.將得到的材料疲勞性能參數(shù)、載荷信息以及結(jié)構(gòu)的幾何特征輸入MSC.Fatigue軟件中,通過計(jì)算得到的疲勞壽命云圖,如圖12所示.從壽命云圖可以看出:疲勞壽命分布與結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況大致相同,即高應(yīng)力區(qū)也是壽命較小的區(qū)域,其壽命最小值出現(xiàn)的部位和實(shí)際情況基本吻合,證明由該方法預(yù)測(cè)的換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)疲勞壽命可靠.計(jì)算結(jié)果顯示撥叉的最低壽命為2.67,撥塊的最低壽命為2.33,把它換算成換擋次數(shù),其壽命大致都為2×105次,在正常使用狀態(tài)下可以滿足換擋設(shè)計(jì)的要求.

圖12 撥塊與撥叉的疲勞壽命云圖Fig.12 Fatigue life-span cloud picture of block and fork

6 結(jié)論

(1) 采集了AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)道路載荷譜信號(hào),通過道路模擬迭代試驗(yàn)準(zhǔn)確高效地再現(xiàn)了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài),提取了道路模擬激勵(lì)譜,為AMT執(zhí)行機(jī)構(gòu)的虛擬振動(dòng)試驗(yàn)提供了可靠的輸入數(shù)據(jù).

(2) 虛擬響應(yīng)信號(hào)和期望響應(yīng)信號(hào)的對(duì)比結(jié)果表明,實(shí)車振動(dòng)狀態(tài)在ADAMS軟件中得到了很好的模擬和再現(xiàn),建立的虛擬振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)正確有效,精度較高.

(3) 提出一個(gè)將車架道路模擬試驗(yàn)技術(shù)、多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)、疲勞壽命分析技術(shù)相結(jié)合的換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)疲勞壽命考核流程和思路,可供設(shè)計(jì)人員快速準(zhǔn)確評(píng)估車架的疲勞壽命.