基于道路試驗的手動變速器載荷譜研究及驗證

位君 李鵬 王義

摘 要：變速器是汽車的重要零部件之一，對汽車的動力性、經濟性以及可靠性有著重要的影響，因此變速器的耐久可靠性顯得尤為重要。以某手動機械變速器為研究對象，利用道路試驗數據采集系統，采集了整車可靠性試驗載荷譜，將道路試驗載荷譜轉化為實際臺架試驗加載載荷譜，通過仿真分析和變速器臺架耐久試驗，驗證了變速器載荷譜的有效性。

關鍵詞：道路載荷譜;手動變速器;仿真計算;臺架試驗

中圖分類號：U467? 文獻標識碼：B? 文章編號：1671-7988（2019）04-84-04

前言

汽車手動變速器通過離合器與發動機相連接，變速器主從動齒輪之間進行動力和轉矩的傳遞，因此變速器的狀態與汽車的使用壽命有很大的關系。在考核變速器使用壽命時所采用的試驗載荷譜扮演著重要角色，同時需考慮客戶及使用工況的差異性，因此變速器試驗載荷譜的準確性顯得尤為重要。針對典型的道路工況，采集整車試驗的載荷譜，并以此載荷譜為基礎，轉換為符合實際工況的試驗參數，從而能夠較真實地模擬汽車行駛時變速器的運行工況^[1]。

1 變速器道路載荷譜采集

1.1 信號采集

變速器的信號采集一般包括以下信號：發動機扭矩、發動機轉速、變速器擋位、兩側半軸扭矩及轉速信號等。變速器的扭矩信號可通過兩種方法獲取：一種在發動機飛輪端或輸入軸位置直接進行測量，但該方法測量較為不便，因此可通過兩側半軸扭矩、變速器傳遞效率、變速器各擋位總速比換算到輸入軸端;變速器輸入軸的轉速信號也可通過兩種方式獲取：一種是直接采用發動機的轉速，但該方法存在一定偏差;另一種方法是通過兩側半軸的轉速換算到輸入軸轉速;針對研究的手動變速器具備擋位信號，因此擋位信息可以直接從CAN 上讀取;由于半軸旋轉振動，所以在半軸位置需要采用非接觸式傳感器進行信號采集^[2]。

1.2 數據采集系統

由于采集的半軸扭矩信號為模擬信號，而變速器的擋位信號和轉速信號為CAN信號，因此二者需要進行同步轉換，可以依據發動機的轉速、發動機扭矩等信號作為參考值^[3]，采集系統示意圖如圖1所示。

2 試驗場道路及試驗工況

整車道路試驗信號采集在北京試驗場及海南試驗場進行，車型為某中型SUV，完成整車動力總成耐久試驗，試驗里程為7萬公里，試驗場地道路狀況如下：

整車動力總成耐久試驗工況見表1所示。

3 道路譜與變速器載荷譜的轉化

某典型工況下的道路譜信息主要包含發動機扭矩、發動機轉速、半軸扭矩、半軸轉速及處理后的擋位信號。

將采集到的時域信號處理成典型臺架試驗載荷譜，一般采用統計學方法進行處理。目前主流統計方法有峰值計數法、范圍計數法、雨流計數法等^[4]。本文采用雨流計數法進行處理，最終等效得到適用于變速器的臺架試驗載荷譜，如表2所示。

4 變速器仿真分析及試驗驗證

4.1 變速器仿真分析

4.1.1 變速器仿真分析模型的建立

應用Romax軟件分別建立軸、軸承、同步器、花鍵及齒輪的幾何模型，箱體材料為ADC12，齒輪材料為20CrMnTiH，表面硬化處理，將箱體建立有限元數據及邊界條件并導入Romax中（箱體前殼法蘭面進行全約束），模型如圖8所示。

4.1.2 仿真結果及分析

將等效的變速器試驗載荷譜輸入到Romax中，并通過軟件分析計算得到各擋位齒輪的強度安全系數。根據經驗及相關的試驗數據，通常要求齒輪的接觸安全系數大于0.9，齒輪彎曲安全系數大于1.1。仿真分析結果表明：各擋位齒輪接觸及彎曲強度均滿足要求。

?4.2 變速器總成臺架耐久試驗

變速器總成臺架耐久試驗是驗證變速器可靠性的重要環節，主要考核齒軸、軸承及殼體等零件的耐久性能，將等效的變速器試驗載荷加載到試驗臺架，試驗結束后對樣箱進行拆解，檢查結果表明各擋位齒輪無明顯失效，齒面無點蝕、膠合現象，輪齒無彎曲折斷等失效現象，如圖11所示。

5 總結

以實際試驗場道路為基礎，實車采集了某SUV車型手動變速器的道路載荷譜，根據統計學方法得到了用于變速器試驗的載荷譜;

仿真分析及臺架試驗結果表明各擋位齒輪無失效現象，從而驗證了變速器試驗載荷譜的有效性，同時為后續變速器開發提供理論與試驗支撐。

參考文獻

[1] 王林剛.基于道路載荷譜的汽車變速器加載試驗技術的研究[D].合肥：合肥工業大學，2012.

[2] 符代竹.基于載荷譜的MT變速器疲勞設計及試驗研究[D].重慶，重慶大學，2006.

[3] 邵志良等.基于試驗場道路譜的雙離合變速器載荷譜研究[J].上海：上海汽車，2015（10）：33-35.

[4] 佟德純.工程信號處理與設備診斷[M].北京：科學出版社，2008.