基于道路载荷谱的城市公交车辆传动耐久性试验方法

米 林，彭 逸，谭 伟，王苏磊

(重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室， 重庆 400054)



基于道路载荷谱的城市公交车辆传动耐久性试验方法

米 林，彭 逸，谭 伟，王苏磊

(重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室， 重庆 400054)

城市公交车辆行驶路线相对固定，道路载荷重复性高。为了更精确地评估城市公交车辆传动耐久性，提出了基于用户载荷谱的新型测试方法。首先，采集某时段的城市公交车辆在行驶过程中的变速器输出轴道路载荷谱，结合行驶挡位，将道路载荷分解到变速器输入轴，计算其行驶里程中其各挡位的输入轴载荷分布情况，细化到不同载荷等级区间，并计算频次。其次，采用等效损伤理论，将不同等级的载荷等效至最大损伤载荷并折算加载循环次数。最后，根据设计行驶里程与实际道路载荷谱行驶里程，外推最大损伤载荷下的循环加载次数，提出关联用户道路载荷的变速器耐久性试验方法。研究结果表明：在变速器耐久性试验中，通过该方法得到了城市公交车辆常用行驶挡位的可靠性试验循环加载次数，同时更准确地测试了城市公交车辆变速器的耐久性。

变速器；寿命试验；加速疲劳；道路载荷谱

在国内，城市公交车辆通常所匹配的变速器为5挡变速器。在实际行驶过程中，由于公交站台较多，平均相隔1 km就有1个站台，且城市道路存在红绿灯较多、交通拥堵等情况，因此城市公交车辆起步、制动频繁，部分挡位换挡频率较高，常处于低速低挡的情况，平均行驶时速一般在30～40 km/h，最高时速一般不超过60 km/h，且行驶路线相对固定。

汽车变速器耐久试验一般主要根据经验或习惯对传动系统进行加载，该方法不能有效结合用户的使用情况，因此导致一些试验结果与实际失效模式差距较大。由于城市公交车辆变速器的试验方法多数由乘用车或载重汽车的试验方法演变而来，针对性不强，与实际使用故障不符，因此为了更精确地评估城市公交车辆传动耐久性，对城市公交车辆变速器的疲劳寿命试验方法进行研究，提出了基于用户载荷谱的新型测试方法。

1 变速器疲劳寿命失效的模式与疲劳寿命分析

国内外研究表明：变速器零件损坏以疲劳破坏为主。疲劳破坏是指零件或构件受到低于材料屈服极限的交变应力、应变的反复作用，经过一定的循环次数后，在应力集中的部位出现裂纹萌生、扩展直至最终断裂的过程[1-2]。在此过程中，由于齿轮的啮合产生振动或冲击，并反作用于轴类零件和箱体，因此又加剧了变速器出现疲劳破坏这一过程。

疲劳破坏的过程主要分为4个阶段：裂纹成核、微观裂纹扩展、宏观裂纹扩展和最终断裂。

在实际工程应用中，裂纹成核和微观裂纹扩展又被称为裂纹萌生阶段，而宏观裂纹扩展称为裂纹扩展阶段。在裂纹形成或结构完全失效的时候，便可检测到由于零件弯曲或轴向疲劳失效引起的蛤壳状。

零件在给定应力水平S的循环载荷下的累计损伤D为：

(1)

其中：a为疲劳损伤裂纹长度；af为断裂时的裂纹长度；a0为初始裂纹长度；n为达到裂纹长度a时外加载荷的循环次数；Nf值为在达到最终断裂的裂纹长度af时的外加载荷循环次数。

根据Miner准则(线性损伤模型)，可以计算出在不同应力水平的共同作用下零件的疲劳损伤：

(2)

其中：D为疲劳累积损伤；ni为在应力水平si作用下的循环数；Nfi为在应力水平si作用下的疲劳寿命。

2 用户关联道路载荷谱的采集

根据疲劳结构理论，汽车变速器齿轮的疲劳损伤主要由循环载荷引起。当汽车输入载荷一定时，其所引起的疲劳损伤也是一致的。基于这一理论，将采集到的汽车行驶道路载荷谱进行数据处理，将变速器输出端的扭矩-转数等效到变速器的输入端，同时引入等效损伤转速，便可认为试验室台架上用驱动电机或测功机对变速器施加一定的转数和扭矩所引起的损伤值和道路载荷谱中的损伤值是等效的。车辆道路载荷谱的数据采集主要包括在各个挡位下的变速器输出轴的转数和扭矩[4-5]。

本试验中典型路面选取重庆李家沱公交车场到磁器街301路公交车往返行驶路段(图1)，对其进行1天10次往返的道路载荷数据采集，总行驶距离大约为304 km。由于采集时间较长，道路载荷谱样本数据量较大，因此将采样频率设为1 Hz。

图1 重庆301路公交车行驶路线

该公交车变速器额定输入转速为1 500 r/min，额定输入扭矩为800 N·m，由于公交车辆变速器1挡使用率约为2%，因此在行驶304 km的路程中，使用1 挡行驶的路程为6 km。将道路载荷谱以各个挡位进行数据抽取，在各挡位下按扭矩范围进行时间、区间划分，根据公式

(3)

计算出给定扭矩Ti下的输出轴转数。

按区间划分后，变速器在1挡位置时输出轴的扭矩和转数如表1所示。

由于采集的道路载荷谱属于短期的载荷，且变速器整个寿命周期的使用循环次数较大，因此需采用循环外推法来预测变速器长时间的循环载荷。循环外推法是将扭矩-转数分布上的转数乘以一个较大的循环次数外推系数，使转数曲线图坐标上移，然后将扭矩外推到变速器所匹配的发动机的最大输出扭矩(变速器输出轴)两端的极值上[6]。

表1 1挡输出轴的扭矩和转数

采用循环外推法，将变速器1挡行驶的输出轴扭矩-转数外推400倍后就可以得到该变速器1挡行驶2 400 km的输出轴扭矩和转数,如表2所示。

表2 采用循环外推法后1挡输出轴的扭矩和转数

由于公交车辆变速器传动比范围广，低挡位时变速器输出扭矩较大，而且变速器疲劳寿命试验是在试验台架上进行的，因此对于输出端的扭矩和转数的控制相对困难，应根据1挡传动比将输出端的扭矩和转数变换到输入端。1挡传动比为6.88，根据公式：

(4)

(5)

即可得到输入端的扭矩和转数，其中：Ti为变速箱输入轴扭矩；To为变速箱输出轴扭矩；Ri为变速箱输入轴转数；Ro为变速箱输出轴转数；i为传动比。

同时引入等效损伤转数方程：

(6)

其中：b=0.1为抗疲劳曲线的斜率；TB=800N·m为变速器试验中输入轴控制的扭矩；Req为等效损伤转数。

计算时，将车辆惯性滑行时的扭矩(负)变换为正扭矩，得到等效损伤转数，如表3所示。

由表3可知:当扭矩在756 ～814N·m时，将对变速器产生比其他扭矩更大的损伤。因此，在试验台架上对变速器进行疲劳寿命试验时，额定输入扭矩为800N·m是比较合理的。由表3可以得出：在1挡时输入轴的总等效损伤转数为894 298 转，试验转速为1 500r/min，由此计算出在试验台架上产生的与实际采集的道路载荷谱相对应的等效损伤所需要的试验时间为：T=894 298/1 500/60=9.94h。

用同样的方法，计算出该变速器其他各挡位在试验台架上产生的与实际采集的道路载荷谱相对应的等效损伤所需要的试验时间，如表4所示。

3 变速器加速疲劳试验研究

对该公交车辆行驶304km的道路载荷谱进行采集，经循环外推法外推400倍得到该车辆行驶12 000km的变速器各个挡位的等效损伤转数和在试验台架上的试验时间，从中可以得出在试验台架上对该变速器的各个挡位进行试验的总时间为675.6h。该试验总时间较长，试验费用较高，因此需要对其进行加速疲劳试验，缩短试验时间，节约试验成本。

表3 1挡输出轴的扭矩和等效损伤转数

表4 各挡位等效损伤所需要的试验时间

加速疲劳试验是指在齿轮等零部件材料的强度范围以内，在变速器的输入端输入一定范围的超过变速器额定输入转矩进行试验，一般的加速疲劳试验的输入扭矩为额定输入扭矩的120%、140%、160%等[7-8]。但是在进行加速疲劳寿命试验时，必须保证变速器的失效位置和失效机理与正常疲劳寿命试验时相同。由于车辆在行驶过程中需要在每个挡位之间切换，不会保持某一个挡位长时间的行驶，因此在对每个挡位进行加载试验时，各个挡位的连续加载时间不超过2 h。

1966年Conover等[9]通过对45钢进行加载疲劳试验得出：无论是采取间隔分布、正态分布还是对数分布的加载方式，虽然出现疲劳破坏时的循环载荷次数不同，但是其S-N曲线斜率相同，如图2所示。

图2 联合循环的S-N曲线

由S-N曲线可知：随着载荷幅值的增加，零件达到破坏的循环次数会减少，相应的试验时间即可缩短，这就是加速疲劳寿命试验的原理。

在对汽车变速器零部件进行加速疲劳试验时，正常疲劳寿命试验的循环加载次数与加速疲劳寿命试验的循环加载次数之间的关系为：

(7)

其中：斜率K的值为6.5～7；T正常和T加速分别为正常疲劳寿命试验载荷和加速疲劳试验载荷；N正常和N加速分别为正常疲劳寿命试验的循环加载次数与加速疲劳寿命试验的循环加载次数。由上述公式以及各挡的加载试验载荷强化系数就可以计算出各挡的加速疲劳试验的时间，如表5所示，其中K值取6.6。

表5 变速器加速时间测试明细表

与正常疲劳寿命试验所需总时间675.6 h相比，加速疲劳寿命试验总时间为97.01 h，节约试验时间578.59 h，为正常疲劳寿命试验时间的13.5%。因此，采用加速疲劳寿命试验方法可以大量节约试验成本和时间。

4 变速器试验测试

李家沱公交车场到磁器街的301路公交车辆搭载的该新变速器在行驶了12万km时，其1挡出现了疲劳故障，根据其实际行驶时间，计算出该变速器1 挡的循环转数为894 298，而按照德国ZF(采埃孚)变速器公司的汽车机械式变速器台架试验方法，只需要做转数为720 000的疲劳寿命试验，1 挡齿轮就出现了同样的故障。

本文1 挡加速疲劳寿命试验时间为9.94 h，与德国ZF(采埃孚)变速器公司提出的规范时间少0.6%，其误差在10%以内。

在试验台架上对该变速器1挡进行正常疲劳寿命试验，当运行到800 000转时，发现齿轮出现了齿面点蚀现象(如图3所示)，结果相对合理、有效。

图3 齿面点蚀现象

5 结束语

本文对关联用户载荷谱的公交车辆变速器台架强化试验方法进行研究，结合实际研究对象，对城市公交车辆变速器的疲劳寿命失效机理和变速器道路载荷谱数据进行了相关分析，结合混合S-N曲线，提出加速疲劳寿命试验方法，并进行了试验，证明了加速疲劳寿命试验的合理性。研究结果表明：在变速器耐久性试验中，通过该方法得到了城市公交车辆常用行驶挡位的可靠性试验循环加载次数，同时更准确地测试了城市公交车辆变速器的耐久性。

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[9] CONOVER J C,JAECKEL H R,KIPPOLA W J.Simulation of field loading in fatigue testing[R].New York,USA:Society of Automotive Engineers,1996:1-18.

(责任编辑 刘 舸)

Transmission Durability Testing Method of Bus Based on Road Load Spectrums

MI Lin， PENG Yi， TAN Wei， WANG Su-lei

(1.Key Laboratory of Advanced Manufacturing and Test Technology for Automobile Parts,Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054,China)

Due to relatively fixed routes of public transportation, road load is with high repeatability. In order to evaluate transmission durability of bus accurately, a new test method based on user load spectrum was proposed. Firstly, road load spectrum of transmission output shaft while driving during certain period was collected. Loads of transmission output shaft has been decomposed on the transmission input shaft and input shaft loading condition was figured out in various gears. Meanwhile, frequency distribution of different load grades was obtained. Secondly, based on equivalent damage theory, different levels of load were regarded as equivalent to the maximum damage and number of load cycles was worked out. Finally, according to design mileage and the mileage of road load spectrum, cycle index of loading which causes maximum damage was extrapolated. Therefore, method of testing durability of transmission associated customers of the road load spectrum was established. This study shows that transmission durability tests increased the city bus drive reliability test cycle times and accurately tested the durability of bus transmissions.

transmission; life test; accelerated fatigue; road load spectrum

2016-12-18

米林(1964—)，男，博士，教授，主要从事控制测控技术、 汽车电子及新能源汽车方面研究，E-mail:linmi@cqut.edu.cn; 彭逸(1990—)，女，硕士研究生,主要从事机电系统测试与控制技术研究，E-mail:cos8023@outlook.com。

米林，彭逸，谭伟，等.基于道路载荷谱的城市公交车辆传动耐久性试验方法[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(4):15-20.

format：MI Lin，PENG Yi，TAN Wei，et al.Transmission Durability Testing Method of Bus Based on Road Load Spectrums[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(4):15-20.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.04.003

U467.3

A

1674-8425(2017)04-0015-06