张宁涛， 马 勇， 程立勇

(1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司， 浙江 宁波 315336； 2.武汉工程大学， 武汉 430000)

变速器台架耐久试验工况由载荷谱转化而来，而载荷谱的来源主要分为两种：一种是根据既定的道路特征路况采集实车数据，并将变速器各挡位实际受载转化为载荷谱；另一种是将道路特征路况输入仿真软件，通过道路模型仿真形成载荷谱。目前某型号变速器项目研发中使用的载荷谱为模型仿真所得，通过齿轮极限摸底发现现有齿轮副存在过设计及过考核风险，因此将引入整车载荷谱，详细阐述台架工况转化方法，并对两种工况及试验结果进行对比。

1 双线性疲劳损伤理论介绍

对于齿轮齿面疲劳损伤通常有不同理论及计算方法，其中就包括单线性疲劳损伤和双线性疲劳损伤以及非线性损伤等理论。由于非线性损伤理论繁琐的迭代过程[1-8]和使用单线性损伤规则进行损伤评估存在不足，因此使用双线性疲劳损伤的评价方法对机械式变速器的齿轮损伤进行预测。

1.1 双线性损伤理论原理

以0点为损伤起始点，(B,B′)为预测破坏点，累积损伤度为1。按照单线性损伤累积方式统计，则损伤度从0逐步线性累积至1(B,B′)，如图1中显示为0-A-B；在双线性损伤累积过程中，损伤过程假想为两部分，第1步为裂纹萌生阶段，图中表现为0-A′；第2步为裂纹扩展阶段，图中表现为A′-B′，两个阶段的焦点A′称为拐点，表示裂纹从萌生开始向扩展转变。关于损伤理论参考文献[1，9]。

图1 双线性损伤累积过程

双线性损伤理论可以有效降低非线性损伤反复迭代运算的复杂程度，同时可以降低单线性损伤的考核程度。

1.2 两应力级工况转换计算方法

在台架试验工况转化过程中，最终目的是根据载荷谱转化为台架工况在相应转速、扭矩下的单循环运行时间及循环数Block。

双线性疲劳损伤计算的核心转化过程参考文献[1]，即

(1)

通过式(1)可以计算出不同阶段下的拐点系数。

如若单一档位的试验工况包含两个应力级，则齿轮最高应力级下的裂纹萌生(阶段Ⅰ)和裂纹扩展(阶段Ⅱ)过程中的拐点系数计算公式为

(2)

齿轮最低应力级下的裂纹萌生和裂纹扩展过程中的拐点系数计算公式为

(3)

式中：N1,f和N2,f分别为各自应力等级下对应的运行总循环次数(齿轮啮合次数)，单位r；Dknee1和Dknee2为各自应力级下的拐点系数。

阶段Ⅰ和阶段Ⅱ在台架工况循环次数分别为BlockⅠ和BlockⅡ，计算公式为

(4)

(5)

式中，n1和n2分别为单一大循环下最高应力级和最低应力级所需运行的小循环数，即齿轮啮合次数，单位r。

最终台架运行循环数Block计算公式为

Block=BlockⅠ+BlockⅡ

(6)

Block即为计算最终得试验工况大循环次数，其中两个不同应力级在单一大循环下分别连续运行n1和n2。

1.3 多应力级工况转换计算方法

如若单一档位下试验工况包含两个以上应力级，则在计算相应Dknee基础上还应分别计算相关参数Φ和Z，公式为

(7)

(8)

通过求得的Φ和Z计算各应力级下计算后的阶段Ⅰ运行周期为NⅠ、阶段Ⅱ运行NⅡ、总运行Nf、关系式为

(9)

Nf=NⅠ+NⅡ

(10)

BlockⅠ和BlockⅡ，计算公式为

BlockⅠ=

(11)

BlockⅡ=

(12)

通过式(6)计算出单一档位下多应力级工况的试验总循环数Block。

2 台架耐久工况转化过程

通过双线性损伤理论，分别将某型号变速器仿真载荷谱和整车实采载荷谱转化为台架耐久试验工况，按照相同方法进行转化。

由于某型号变速器档位较多，计算过程冗长，因此以下内容只列述转化后的二档齿轮工作面试验工况结果。

2.1 仿真载荷谱转化为台架工况

原台架二档齿轮耐久试验工况分为两个应力级[1,10]进行先后测试，台架测试应力级如表1所示。

表1 台架测试工况

根据双线性损伤理论，并按照目前台架试验工况单循环齿轮啮合次数，计算得各拐点系数如表2所示。

表2 拐点系数计算结果

通过上述计算结果可得二档工作面台架耐久试验工况应运行循环数Block=50.75，台架耐久试验工况相对载荷谱的过载系数为1.2，因此最终Block=50.75× 1.2≈61，即台架试验运行61循环便可对二档齿轮工作面进行全寿命考核。

2.2 整车载荷谱转化为台架工况

策划整车试验采集特征路况数据，选取不同城市及特征路况，按照不同路况占比将数据进行整合为载荷谱。

整车轮端扭矩传感器在变速器差速器端采集到的二档齿轮工作面扭矩区间为0～3 000 N·m，由于覆盖区间较大，因此按照每300 N·m一个层级等分为10个扭矩层级，并将扭矩转化为应力级用于以下计算。

根据相同转化方法，分别计算出各拐点系数,如表3所示。

表3 拐点系数计算结果

并依次计算出参数Φ和Z，参数计算结果如表4所示。

表4 应力级参数计算结果

根据上述参数及拐点系数计算出整车载荷谱转化至台架耐久试验工况的试验循环数Block=31.5，经1.2倍过载系数，最终Block=31.5×1.2≈38。

3 台架测试系统介绍

目前项目研发过程中用来进行变速器耐久试验的设备为一套动力总成台架。该台架包含3个交流异步测功机，1个为驱动端测功机，用于变速器驱动端动力输入，另外两个为加载测功机，用于变速器半轴端输出。台架结构见图2。其中驱动测功机为扭矩控制，加载测功机为转速控制[11]。

图2 台架结构

驱动测功机与变速器输入轴之间以及两个加载测功机与变速器半轴之间均安装有扭矩法兰，可以实时测量并读取各点扭矩，转速信号来源于测功机编码器，从PLC获取。从而实现试验过程中闭环控制。测功机基本参数见表5。

同时驱动测功机端与被试变速箱之间加装固定速比的升速箱，保证试验过程中的加载转速及驱动扭矩覆盖测试区间。

表5 测功机基本参数

4 台架测试结果

按照第2章中从仿真载荷谱以及整车实采载荷谱依次转化而来的针对二档齿轮工作面的台架耐久试验工况，分别在第3章中介绍的台架测试系统中进行测试。

选取两台相同状态变速器，装机前分别对二档齿轮进行确认，保证样件为全新状态。试验过程中通过外部冷却设备对变速器进行冷却，变速器油温均保持在90±3 ℃范围以内，同时变速器润滑油泵油量均设置为3 L/min。

经分别对两种工况进行测试[12]，由仿真载荷谱转化而来的台架工况试验后，二档工作面出现点蚀一个齿面，点蚀面积为6×2 mm2，如图3所示。

图3 齿面测试结果

由整车实采载荷谱转化成的台架工况，试验后二档齿轮工作面完好，齿面情况如图4所示。

图4 齿面测试结果

由此可见，目前某型号变速器研发过程中的台架齿轮耐久试验中齿轮存在过考核的风险/状况。

5 结语

台架耐久试验工况的来源、工况的合理性及适用性对于变速器轻量化设计、耐久性考核、满足目标用户使用需求及研发生产成本优化具有重要意义。