道路載荷譜的壓縮與強化

林勇

摘? 要：本文以新能源純電公交車用減速箱為例，描述了對減速箱進行疲勞壽命試驗的必要性。通過等量疲勞損傷理論和材料S-N曲線，研究了如何對原始道路載荷譜進行壓縮和強化。

關鍵詞：減速箱;疲勞損傷理論;S-N曲線;道路載荷譜

中圖分類號：U467.3? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1005-2550（2019）02-0065-05

引言

齒輪減速箱對于新能源汽車而言是動力總成中的核心組成部分，其性能的好壞對整車有著直接的影響，尤其是疲勞壽命。雖然，減速箱的疲勞壽命由其最薄弱的零部件決定，如齒輪和軸承，但是又不能用最薄弱的零部件代替。因為零部件之間的裝配狀態、總成的潤滑狀態等因素對減速箱總成的壽命有著直接的影響。所以，研究減速箱的疲勞壽命，其實是研究減速箱總成的疲勞壽命[1]。

疲勞壽命試驗關注的是金屬部件的疲勞損傷。車輛在行駛過程中，齒輪和軸承等關鍵零部件一直處于交變載荷作用下，疲勞損傷逐漸累積，當達到疲勞壽命極限時，便會發生失效現象。所以，減速箱的疲勞壽命一般需要通過實際道路行駛進行試驗，這樣得到的載荷更真實，路況更符合實際。

但是，道路試驗的周期較長，成本較大，可操作性較差。因此，通過對道路載荷譜進行合理的壓縮和強化，進而在試驗臺架上進行穩態加載試驗是模擬實際道路工況載荷的一個有效的辦法。

而減速箱在設計階段還沒有真實的道路載荷譜，所以，只能采用之前已有的同類減速箱的載荷譜或者設計用載荷譜作為參考，經過處理以后

應用到臺架上進行加載試驗，進而實現對減速箱的疲勞壽命的驗證。

本文以已有的道路載荷譜為例，描述如何對其進行壓縮和強化，進而將其轉化成實際臺架所用載荷譜。

1? ? 道路譜壓縮和強化的依據

1.1? ?等量疲勞損傷理論

減速箱在運轉過程中，內部的齒輪、軸承等關鍵零部件處于交變載荷作用下，隨著時間的延長，會發生一些典型的疲勞失效現象，如輪齒斷裂、齒面點蝕、軸承失效等。為了更好的分析基于道路載荷譜的疲勞壽命試驗，需要用到疲勞累積損傷理論。

疲勞累積損傷理論主要用來分析金屬材料在變載荷幅值下疲勞壽命。金屬的疲勞是在交變載荷作用下損傷逐漸累積至產生裂紋或破壞的過程。目前疲勞累積損傷理論主要可以概括為三種，即線性累積損傷理論、雙線性累積損傷理論和非線性累積損傷理論[2]。其中，線性累積損傷理論是指在交變載荷作用下，疲勞損傷以線性累加，當累加到某一極限數值時，零件便疲勞破壞。

理論上認為，減速箱中的關鍵零部件，如齒輪或軸承在交變載荷作用下，每一級載荷水平的循環都會對齒輪產生一定程度的損傷量，當損傷量累積到一定程度，齒輪或軸承就會發生疲勞破壞。如圖1所示（線性累積損傷理論）。當損傷達到臨界值時，零件就會發生疲勞破壞。

2? ? 道路載荷譜的壓縮與強化

2.1 車輛信息

本次研究所用的車輛為純電新能源公交車，其基本參數如表1所示。

2.2? ?道路載荷譜曲線

該款車輛的道路載荷譜如圖2所示。

從曲線上可以看出，該路譜為急加速急減速工況，最高車速為70km/h。由于該車為純電驅動車輛，其急減速工況為制動發電工況。

該道路載荷譜一個循環的總行駛里程約1618m，用時183s，平均車速32km/h。如果依據該道路載荷譜對減速箱進行疲勞壽命測試，按照70萬公里的壽命，共需約21997小時，折合約916天。如此看來，依據該道路載荷譜將不能在短時間內對減速箱的齒輪和軸承等關鍵零部件進行有效的評價，將嚴重影響產品的開發周期。因此，我們需要對該道路載荷譜進行強化和壓縮，加速減速箱疲勞壽命的考核和評價。

2.3? ?道路載荷譜的分析

為了更好的分析該路譜，需要知道各載荷水平的占比情況，為此需要得到減速箱輸入端的扭矩狀況。通過汽車動力學計算公式，利用加速度的方式反算出減速箱的輸入扭矩[5]，其扭矩曲線如圖3所示：

圖中正扭矩為驅動工況，負扭矩為制動工況。由此，在分析載荷水平占比的時候將道路譜分成驅動和制動兩種工況。載荷水平按照最大扭矩的百分比進行分類統計，具體如表3所示：

根據表3中的載荷占比，按照70萬公里的壽命里程可以估算出每種載荷水平下車輛的行駛里程數。以平均車速32km/h進行計算可以得出每種載荷水平下的減速箱的輸出軸循環次數，如表3所示。

根據本文中提及的計算公式（4），將每種扭矩水平均等效至減速箱最大輸入扭矩900Nm，可得出總的循環次數，即完成了對原始道路載荷譜的壓縮和強化，具體數據如表4所示。

從表中可以看出，經過等效壓縮和強化以后，驅動工況下減速箱輸出軸的循環次數為2240萬次，制動工況下減速箱輸出軸的循環次數為452萬次。在此強化工況下對減速箱進行加載測試，如果以減速箱輸入轉速為2000rpm來計算，其循環時間分別約為570小時和115小時。如果按照一天24小時運轉，不到一個月即可完成對減速箱疲勞壽命的考核和評價，大大縮短了產品驗證的周期。

3? ? 結論

掌握載荷譜的變化規律是進行疲勞試驗和疲勞壽命估計的先決條件。但是實際操作過程中，又不能完全參照道路載荷譜進行疲勞壽命試驗，否則會導致整個驗證周期的拉長。為此，通過本文可以看出依據疲勞損傷理論和材料S-N曲線，進行壓縮和強化的載荷譜，既保證了疲勞壽命的驗證符合原始道路載荷譜的變化規律，又能加速整個驗證的周期。本文所提供的道路載荷譜壓縮和強化的方式為汽車關鍵零部件疲勞壽命的驗證提供了理論依據。

參考文獻：

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

[2]王栓柱.金屬疲勞[M].福建科學技術出版社， 1985年.

[3]濮良貴，紀名剛. 機械設計.北京：高等教育出版社，2001年，第七版.

[4]高鎮同.疲勞性能測試[M].國防工業出版社，1980年，1月.

[5]余志生.汽車理論[M].清華大學技術出版社，2000， 2-36.