变速箱系统的耐久性能开发方法研究

摘要：针对某一新款车型的开发过程中遇到的变速器耐久性能上存在的不确定性问题，通过分解实车采集载荷获得在同一档位多个扭矩区间的寿命分布情况，利用抗扭转寿命曲线（T-N曲线）进行转化，将多扭矩区间的寿命换算到目标扭矩下寿命情况，求和后对比行业标准来判断是否符合市场需求。

关键词：变速器耐久；实车采集；档位载荷分解；半轴扭矩

引言

变速器是全车动力传递，连接发动机及底盘的重要系统，它的耐久性表现对于整车耐久性表现起了关键性作用[1]。在某车型开发中，选取了某一款已经量产的变速器系统，由于整车重量、发动机输出功率和扭矩的变化，变速箱系统搭载在新车型上是否会出现耐久失效，同时，该车型分别在国内和国际市场投放，同一款变速器的耐久性能是否能够满足不同市场耐久需求，成为车型开发中不确定性问题。

1.变速器系统载荷采集及数据预处理

变速器内部结构复杂，空间狭小不易布置传感器。一般都选择与其连接的传动系统上布置传感器，例如半轴扭矩传感器、车轮六分力传感器。相比车轮六分力传感器，半轴扭矩传感器结构简单，购买和改制成本都相对低廉，且采集数据上无差异。在测试车辆半轴上粘贴应变片，组成桥路连接，将桥路与外购的滑环连接就形成一个半轴扭矩传感器。通过在扭转工作缸上标定，得到应变与扭矩之间的关系见，建立趋势线得到应变和扭矩间的线性关系为：扭矩=0.501×应变+11.05。

考虑到后期分析需要，实车采集数据包含半轴扭矩数据、车速数据、发动机转速数据等。对采集数据信号进行消除奇异点处理，并将车速信号转化为半轴转速信号，利用应变与扭矩之间的趋势线将采集到的应变信号转化为半轴扭矩信号。

2.各档位载荷分解和结果分析

现代汽车手动变速器由5-6个档位组成，每个档位都有不同的速比，所以每个档位的载荷不相同，对应每个档位的寿命要求也不相同，一档是车辆行驶中关键档位，使用最为频繁，使用时变速箱系统乃至与其相关的发动机系统、传动系统都受到很大载荷，具有较高的研究代表性，故本文的研究对象选取一档，其他档位的方法与其相似。

2.1 半轴扭矩与半轴转数关系的建立

扭矩-转速分布图是针对轴等旋转零部件的一种区间计数方法，广泛应用于齿轮系的设计和分析[2]。已知转速时间历程（rpm）的不连续的时间间隔（?ti，i =1，m），计算转轴在给定扭矩（Ti）下的转数（ni）。转轴在扭矩Ti下可以表示为：

ni = （1）

利用式（1）分析试验场实车采集数据可以得到，国内市场版变速箱一档行驶时半轴采集到的扭矩分布和半轴转速情况，见表1。表中的正（+）扭矩和负扭矩（-）分别表示采集车辆受发动机输出扭矩行驶和惯性滑行状态下行驶。

2.2 变速器寿命分析

变速器行业标准规定寿命台架输入转速为发动机最大扭矩点转速，输入扭矩为发动机最大，要求一档在此条件下输入轴完成10.8×105转的运转，档位不出现失效[3]。而整车采集的结果为多个区间，这就需要利用抗扭转寿命曲线（T-N曲线）进行转化。

利用大量试验可以得到抗扭转寿命曲线，这条曲线可以表示为：

Ti = T’f（Ni）b （2）

式中：Ti为扭矩；T’f为疲劳强度系数；b为疲劳强度指数，不同的零部件，不同的损伤模式，疲劳强度指数也不同，这里以变速器中最容易损坏的轴承为例b=-。

由于实车采集的数据是位于变速器输出端，行业标准中规定的是输入端，这

就需要在分析前期进行统一，变速箱输入轴的扭矩和转数可以表示为：

T入 =T出/GR （3）

N入=N出×GR （4）

式中：T入为变速箱输入扭矩；T出为变速箱输出扭矩；N入为变速箱输入轴的总转数；N出为输出轴的总转速；GR为变速箱一档和主减速的传动比乘积，本研究传动比乘积为14.89。为了便于计算忽略了机械效率的损失。

将行业标准中规定的输入扭矩作为目标扭矩T目标，其方程式为：

N目标= N入×（T入/T目标）-1/b （5）

式中：N目标为目标扭矩下的转数。根据式（3）（4）（5）可以试验场采集数据中半轴在一档位置的扭矩和转数转化成在行业标准规定的目标扭矩下反映的寿命情况，见表1，为了稳妥将惯性滑行状态下行驶的负扭矩转变为正扭矩。

区间

编号 T出/kN.m N出 T入/N.m N入 N目标

1 1.2 4905 81 182628 16381

2 1.1 91700 74 3414275 235882

3 1 98093 67 3652306 189577

4 0.9 6000 60 223398 8453

5 0.8 24263 54 903366 24008

6 0.7 36631 47 1363887 24282

7 0.6 7415 40 276077 3095

8 0.5 10379 34 386429 2507

9 0.4 1513 27 56346 187

10 0.3 900 20 33500 47

11 0.2 3055 13 113747 47

12 0.1 10875 7 404909 21

13 -0.1 55044 7 2049453 106

14 -0.2 294489 13 10964708 4553

15 -0.3 502177 20 18697553 26204

16 -0.4 38492 27 1433184 4761

17 -0.5 20128 34 749426 4862

18 -0.6 11080 40 412523 4625

19 -0.7 5688 47 211763 3770

20 -0.8 8290 54 308671 8203

21 -0.9 1928 60 71795 2717

22 -1 754 67 28083 1458

23 -1.1 11467 74 426960 29497

24 -1.2 16023 81 596594 53511

25 -1.3 5243 87 195213 22262

26 -1.4 7543 94 280830 39999

27 -1.5 20843 101 776029 135947

表1一档目标输入扭矩下转数分布情况

将表1中“N目标”列进行求和，可以得到所有扭矩区间转化到目标扭矩下完成的圈数为846962转，这个转数小于行业标准中10.8×105转的要求，该量产变速器一档是符合新开发车型国内市场版耐久需求的。

2.3 变速器寿命试验方法建立和验证改进

通过上述对比分析，该车型国内市场版开发选用了已经通过行业标准验证的变速器，但是在该车型海外市场版开发过程中，通过对海外试验方法的实车采集和数据处理发现该变速器并不符合耐久的需求。利用采集转化后的数据在台架上开展相关验证，验证中出现了轴承损坏和齿面磨损的问题，通过在设计中改进，开发出专门针对海外市场版的变速箱，二次台架验证关闭了上述问题。

在后期完成的整车耐久验证中，同期开发两个版本的车型在不同的整车验证体系下，变速器系统均未发生失效，路试的结果证明了变速器系统满足市场要求。

3.结语

本文以某新开发车型为研究对象，采集变速器输出端半轴上的扭矩载荷和运转圈数，分解获得各个扭矩区间内的寿命情况，利用抗扭转寿命曲线转寿命化到目标扭矩下寿命情况，通过对比国家行业标准来判断变速器的寿命是否符合市场需求。利用台架在产品开发初期就发现变速器耐久匹配上存在的问题，提前对存在的问题加以整改，达到了整车路试一轮验证通过，减少开发周期，降低开发成本的目的。

参考文献：

[1]周方，胡子涛.手动变速器试验方法 [J] 研究论文，2010：Vol.48，No.12

[2]Yung-Li Lee，Jwo Pan， Richard B. Hathaway，Mark E. Barkey，Fatigue Testing and Analysis Theory and Practice [M] Burlington：Elsevier ButterworthHeinemann，2005

[3]QC/T568.1-2011，汽车机械式变速器总成台架试验方法第1部分：微型[S]