2016124
邹喜红1，杨真亮1，袁冬梅1，赵秋林2，余 勇3
(1.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； 2.重庆青山工业有限责任公司，重庆 402761； 3.重庆市科学技术研究院，重庆 401123)
[摘要] 本文中结合加速试验技术和道路模拟试验技术，提出了基于时频域损伤等效和远程参数控制的双离合器自动变速器(DCT)关键零部件道路模拟加速可靠性试验方法。首先通过在襄樊汽车试验场采集DCT实际行驶道路载荷谱，基于局部应力应变法和Miner疲劳损伤累积理论分析了载荷谱的疲劳损伤。接着进一步分析了实测载荷谱的时域损伤和频域损伤特性，提出了在时域损伤和频域损伤等效基础上基于定量损伤的疲劳损伤编辑及评估方法，并对实测载荷谱进行了编辑和浓缩。最后，基于远程参数控制理论，在研制的3自由度道路模拟试验台上对浓缩和加速后的载荷谱进行了模拟迭代，对DCT关键零部件进行了道路模拟加速可靠性试验。结果表明，所提出的载荷谱编辑方法不仅保留了载荷的时域损伤特性，同时也保留了载荷谱的频域损伤特性，采用编辑后的载荷谱进行道路模拟试验，在大大缩短时间的同时能够对DCT的关键零部件疲劳可靠性进行准确的考核。
关键词：双离合自动变速器；道路模拟；时域损伤；频域损伤；加速试验
双离合自动变速器(DCT)具有传动效率高、安装空间紧凑、动力不中断、换挡速度快和燃油经济性好等诸多优点，近年来市场需求旺盛，被认为是目前国内最具发展潜力的一种新型自动变速器[1]。但当前DCT中的阀体、传感器、TCU和执行机构等关键零部件的疲劳可靠性相对较差，缺乏相关的试验验证手段和考核方法，已成为制约DCT产业化的重要因素之一。室内道路模拟试验具有周期短、成本低、重复性好等优点，已在汽车整车及其零部件疲劳可靠性试验中逐步得到应用[2]。随着变速器行业竞争的日趋激烈，产品更新速度不断加快，缩短变速器开发周期、提高产品竞争力成为各个变速器厂家的当务之急。DCT研制的短周期和低成本目标对可靠性保障技术提出了高效性和经济性的要求，加速试验技术成为在时间和成本约束下保障汽车高可靠性和长寿命的必然要求。
对于汽车零部件加速疲劳试验，工程上传统的做法是直接将实测载荷谱中的小幅值删除或者根据经验值设置载荷幅值阈值进行可控过滤，这些方法由于没有在损伤层面建立等效关联，故其可信度有待进一步验证。尽管在加速试验载荷谱的编辑方面出现了基于损伤编辑等方法[3]，但它们只在时域上进行基于损伤的编辑，很少对目标载荷谱的频域损伤进行验证，容易造成载荷谱的频域失真，使目标载荷谱很容易丢失有效频率成分，造成加速试验结果偏差较大。
为此，本文中结合道路模拟试验技术和加速试验技术，提出了基于时频域损伤等效和远程参数控制的DCT关键零部件道路模拟加速可靠性试验方法。首先在襄樊汽车试验场采集了DCT实际行驶道路载荷谱，基于时域损伤和频域损伤对选取的期望响应信号进行综合损伤编辑，既保证了载荷谱在时域上的加速性，又减少了编辑后的载荷谱在频域上的失真，有效地浓缩了期望响应信号，同时结合远程参数控制方法，在室内高精度再现了DCT关键零部件浓缩期望响应信号。在此基础上进行DCT关键零部件疲劳可靠性试验，大大提高了试验效率和准确性，为DCT高效开发提供了重要手段。
DCT信号采集包括两类信号：一是采集DCT关键部位的加速度信号作为目标响应信号；二是采集应变信号用于强度分析和室内模拟监测。通过对DCT的受力分析，在DCT上布置了7个加速度测点和6个应变测点，其中部分测点布置如图1所示。加速度传感器主要布置在DCT的阀体、传感器、电子元件和变速器总成悬置等位置，应变片主要布置在DCT悬置的侧板与底部和双离合器附近肋板等应力较大的区域。道路载荷谱采集选择襄樊试车场的综合路、工况路、高速环道和山区路，各个路段的比例应保证所选的试验场路段总和的路谱雨流矩阵与用户目标使用路面的路谱雨流矩阵一致[4]，数据采集过程中用GPS车速仪对车速进行实时监测，各路况行驶车速严格按照某企业疲劳耐久性试验方法进行，每种路段各采样3个循环，以验证数据的可靠性和重复性[5]。
图1 部分传感器安装位置图
由于在室内模拟试验中采用三通道道路模拟试验机，故选取图1(a)中靠近DCT关键部位的两个加速度测点和悬置上一个加速度测点在工况路下垂直方向的振动加速度信号作为目标迭代信号；选取肋板处的应变较大的测点信号用于强度分析以及模拟迭代的监测。
2.1 载荷谱的预处理
采集的原始道路载荷谱中混入了如零点漂移、趋势项和高频噪声等非真实的信号。实践表明，道路模拟试验机在0～50Hz频段内具有较好的动态特性[6]，因此对原始响应信号采用0.5～50Hz低通滤波，从而消除了原始信号中的零点漂移和趋势项，并去除毛刺，删除过渡路段信号，进行功率谱密度分析，选取最佳载荷谱，图2是经过预处理得到的一段550s的阀体附近肋板处应变信号。
图2 DCT壳体关键点应变时域历程
2.2 载荷谱的编辑原理
载荷谱的编辑涉及疲劳计算，当前计算疲劳常用两类方法：名义应力法(S-N法)和局部应力应变法(ε-N法)。
稳态循环应力应变曲线表达式为
(1)
应变寿命曲线表达式为
(2)
应力寿命曲线表达式为
lgN=A+BlgS
(3)
Miner线性疲劳累积损伤法则表达式为
(4)
(5)
式中：εa为应变幅值；εea为弹性应变幅值；εpa为塑性应变幅值；σa为应力幅值；E为弹性模量；K′为循环强度系数；n′为循环应变硬化指数；σf′为疲劳强度系数；εf′为疲劳延性系数；b为疲劳强度指数；c为疲劳延性指数；A和B为系数；N为疲劳寿命(循环次数)；D为疲劳总损伤度；ni为各载荷水平下的循环次数；Ni为各载荷的疲劳寿命；σm为应力均值。
本文中的疲劳分析利用的是变速器壳体的应变信号，属于低周疲劳范畴，故采用局部应力-应变法。在使用Miner准则时通常要对平均应力或平均应变进行修正，一般有Morrow法、Gerber法(式(5))和Sachs法。由于变速器壳体是延性材料，选用Gerber方法进行平均应变修正。
在载荷谱编辑中，兼顾载荷谱的时域损伤和频域损伤，保留频域损伤的95%以上，同时删除载荷谱时域历程中损伤特性不明显的小幅值循环。保留时频域损伤是为了保证信号的频率成分和幅值尽可能完整而不失真，在加速的同时保证损伤等效。
2.3 实测载荷谱的时频域疲劳损伤分析
本文中使用了局部应力应变法对实测载荷谱进行了疲劳损伤分析，该DCT壳体的材料牌号为Al_Alloy_UML_UTS100,其应变寿命曲线如图3所示，其局部应力-应变性能参数为：屈服强度为76.923 1MPa，极限抗拉强度为100MPa,弹性模量E=7.3×104,疲劳强度系数σf′=167MPa,疲劳强度指数b=-0.095,疲劳延性指数c=-0.69，疲劳延性系数εf′=0.35,循环应变硬化指数n′=0.11,循环强度系数K′=161MPa,弹性标准误差SEe=0.1,塑性标准误差SEp=0.1,循环标准误差SEc=0.1，疲劳极限NC=2×108循环次。基于实测应变谱的ε-N法计算疲劳寿命的流程如图4所示。
图3 材料应变-寿命曲线
图4 ε-N法疲劳寿命分析流程
工程实践中，发现四峰-谷值雨流计数法有明显的局限性，没有完全再现载荷历程。对上述实测应变谱利用改进的三峰-谷值雨流计数法进行统计计数分析[7]，得到幅值-均值双参数雨流计数直方图，如图5(a)所示。再结合材料特性曲线计算DCT壳体该测点的损伤度，得到损伤直方图，如图5(b)所示。同时将载荷时域历程中每一循环产生的损伤值对半分，组成该循环的波峰和波谷处，而获得的一个叠加后总的时间关联损伤分布图[8]，其与原始载荷谱对应的损伤时间历程如图6所示，从时域损伤历程中可以清楚地看到损伤发生的时刻。
图5 应变谱的雨流直方图和损伤直方图
图6 与原始应变谱对应的损伤时间历程
由图可见，应变谱只是在有限的几个大幅值循环处对DCT壳体产生了较大损伤，其余片段对结构的损伤贡献几乎为零，因此过滤掉这些小幅值循环来加速试验是完全可行的。
由于变速器壳体应变响应信号为宽带信号，Bendat方法仅适用于处理窄带信号，因此计算应变谱的功率谱密度函数，利用Dirlik方法[9]推出其应变幅值-均值雨流分布矩阵，利用Gerber法进行平均应变修正，结合材料的特性曲线计算得到其频域损伤历程[10]，如图7所示。
图7 应变谱频域损伤历程
首先计算实测载荷谱的单边功率谱密度函数：
G(f)=WX(f)|H(f)|2
(6)
令i=0，1，2，3，4，计算载荷谱的前5阶惯性矩(对应i=0的所谓0阶惯性矩实际上是代表该段载荷的平均功率)：
(7)
接着计算载荷谱预期的峰值穿越期望：
(8)
然后计算载荷谱应变幅概率密度函数：
(9)
其中：
D3=1-D1-D2；
最后计算载荷谱幅值-均值雨流分布矩阵，即应变幅值-频次分布矩阵，方法如下：
N(εa)=E[P]·T·p(εa)
(10)
式中：N(εa)为时间长度T、应变幅值εa的应变循环次数；E[P]为预期的峰值穿越期望；p(εa)为应变幅概率密度函数；mi为PSD曲线的第i阶惯性矩；G(f)为对应于频率f处的单边PSD值；γ为不规则因子，WX(f)为实测应变谱的功率谱密度函数；R为区域比例因子(Dirlik方法参数)；xm为平均频率；Z为归一化振幅；D1，D2和D3为Dirlik方法参数；Q为质量系数；H(f)为应变响应传递函数，可以利用模拟迭代的系统传递函数(式(11))近似代替。
(11)
式中：SCD(f)为输入与输出的互功率谱密度；SCC(f)为输入的自功率谱密度。
然后再结合式(1)、式(2)和式(5)计算等效应变幅值-频次矩阵和应变-寿命曲线，最后用式(4)计算出最终的频域疲劳损伤。
由图7应变谱频域损伤历程可以看出，该应变谱的损伤主要发生在0～40Hz内，在后续的载荷谱编辑中要保证编辑浓缩后的载荷谱在此段频域内损伤基本保持不变，且功率谱密度分布趋势一致才可以保证载荷在频域上不失真。下面进行损伤量化评估[11]，然后基于该定量评估对载荷谱进行编辑，以实现室内模拟加速可靠性试验。
2.4 基于定量损伤的疲劳损伤编辑及评估
按照图6和图7所示的损伤历程，即可在原始信号中删除无损伤或小损伤的片段，将保留的载荷片段首尾用光滑曲线连接起来以减小对试验台架的冲击。要注意信号的编辑涉及幅值和频率两个方面，如果将连续大载荷之间的小载荷都删除，容易形成短时间内信号幅值一直较大，导致液压作动器很难跟上高能连续输出的节奏，容易造成迭代发散，所以要适当保留信号中的小幅值循环。小载荷的保留比例应至少保证该段载荷谱的大载荷的频率低于设备在连续大载荷水平时的极限输出频率。
利用信号处理技术，对该应变谱保留频域损伤的95%以上，并分别保留时域损伤量的100%和95%两种情况下，标记出可删除片段，如图8所示，将剩下的有损伤应变谱片段通过光滑曲线连接起来，获得编辑之后的应变谱，并与原始应变谱对比，如图9所示。
图8 保留100%和95%损伤值时原始信号删除片段
图9 保留100%和95%损伤值时编辑前后应变谱
分析图9和对应的车辆行驶轨迹图可知，编辑时删掉的小载荷片段均是各特征路面之间连接的较光滑平坦的过渡路面，在这种路面上行驶车辆承受的振动和力很小，所以DCT壳体的应变也很小，这些过渡的小载荷不能全部删除，原因前面已经论述过。分析两种编辑方案所对应的应变谱可知，其长度分别为166和74s，理论加速比达到3.3和7.4。
对编辑后的信号进行评估，包括编辑前后的应变谱频率特性和损伤分布及损伤值对比，结果如表1、表2和图10、图11所示。
表1 信号编辑前后频域损伤对比
项目原始信号100%损伤95%损伤频域总损伤量/10-109 0779 0658 678频域损伤保留度/%10099 8795 60
表2 信号编辑前后时域损伤对比
项目原始信号100%损伤95%损伤频域总损伤量/10-109 129 098 72频域损伤保留度/%10099 6795 61
图10 编辑前后应变谱频域对比
图11 编辑前后应变谱二维雨流图对比
由表1可见，信号编辑前后频域损伤量基本保持不变，满足了设定的频域损伤95%的保留度。由图10可以看出，频域分布趋势基本一致，两者共同表明信号频域保持度比较理想，不会对DCT结构的动态响应有影响。图11表明，应变谱编辑后小载荷循环大大减少，且编辑前后信号的雨流计数分布趋势一致。由表2可见，与频域的情况类似，编辑前后产生的时域损伤总量较好地保持了设定的损伤保留比例。
最终，基于应变载荷谱同步编辑得到目标响应信号，即加速试验载荷谱。
图12为基于美国MTS道路模拟试验系统开发的一套多通道道路模拟试验台，该试验台有3个轴向液压伺服作动器输入通道，各个激励通道的运动互不干涉，可以较为准确地模拟DCT实际道路行驶的升降、俯仰和侧倾3个自由度的运动。为高精度再现DCT关键位置的实际行驶道路载荷谱，需要在室内尽量反映DCT在实际车辆上的安装位置[12]。用驱动电机模拟发动机转速便于DCT进行换挡，设计安装夹具将DCT总成和驱动电机安装到道路模拟试验台上。按照在试验场采集路谱测点的相同位置布置加速度传感器和应变片，利用编辑后的目标响应信号进行模拟迭代。
图12 DCT多通道道路模拟试验台
(1) 首先系统产生一个宽带数字白噪声信号C(f)作为液压作动器的输入[13]：
C(f)=[C1(f)，C2(f)，C3(f)]T
同时采集3个目标测点的响应信号输出，并进行傅里叶变换得到D(f)：
D(f)=[D1(f)，D2(f)，D3(f)]T
式中：C1(f)，C2(f)，C3(f)，D1(f)，D2(f)和D3(f)分别为c1(t)，c2(t)，c3(t)，d1(t)，d2(t)和d3(t)的傅里叶变换。
再根据式(11)求解出系统3个目标点的频响函数H(f)，如图13所示。
图13 频率响应函数
(2) 用编辑好的目标响应信号和测量的系统频响函数逆矩阵H-1(f)计算初始激励驱动信号：
C1(f)=H-1(f)D(u)(f)
(12)
c1(t)=IFFT[C1(f)]
(13)
式中：H-1(f)为H(f)的逆矩阵；D(u)(f)为目标期望响应信号d(u)(t)的傅里叶变换；c1(t)为初始驱动信号；C1(f)为c1(t)的傅里叶变换。
(3) c1(t)驱动试验台架，通过传感器回收响应信号d1(t)，进入第1次迭代过程：
σ(t)=d(u)(t)-d1(t)
(14)
ΔD1(f)=FFT(σ(t))
(15)
ΔC1(f)=H-1(f)·ΔD1(f)
(16)
Δc1(t)=IFFT(ΔC1(f))
(17)
c2(t)=c1(t)+α·Δc1(t)
(18)
式中：σ(t)为时域误差响应信号；ΔD1(f)为σ(t)的傅里叶变换；Δc1(t)为校正信号；α为衰减系数。
(4) 以修正后的激励信号作为输入，不断重复前面的过程进行模拟迭代，直到响应信号dn(t)与期望响应信号d(u)(t)间的误差在可以接受的范围内为止。其中某段载荷谱的迭代过程和结果如图14所示。可以看出，最终的迭代精度已经达到10%附近，满足后续试验的要求[14]。对比迭代监测点应变信号与其道路实测信号(见图14(c))，发现台架振动监测点测量的应变信号与道路实测应变信号重复性较好，无异常值，进一步验证了迭代过程稳定且收敛性良好。以最后一次迭代的驱动信号作为室内耐久试验的驱动谱。
图14 迭代过程与结果
采用相同的方法对各种路况的载荷谱进行浓缩编辑和模拟迭代，依据襄樊试车场实车耐久4万km的路面比例和不同挡位换挡次数的试验数据，确定室内道路模拟加速可靠性试验的时间和挡位信息。将模拟迭代后对应不同路面的各段驱动信号进行连接，加载到道路模拟试验机中，同时控制电机和TCU系统进行DCT关键零部件道路模拟加速可靠性试验。试验过程中对换挡力、位置和离合器压力进行实时监控，并采集了监测信号(图15)和DCT的换挡信号。
图15 监测点应变功率谱密度比较
图中，曲线1为试车场实测应变信号经同步编辑后的信号，曲线2为室内模拟试验采集的相同监测点的应变信号。可以看出，两者在0～25Hz的低频范围内的幅值和变化趋势吻合得很好，在高频部分有一些差异，但是高频振动本身能量很小，所以对试验结果基本不产生影响。
试验中出现了一次4挡降3挡失败的现象。在4挡降3挡时，换挡已经成功，但由于振动原因导致换挡传感器的值出现了跳动，造成程序在自检过程中判断为换挡失败，进入了二次挂挡。而该变速器在实车上也出现过此现象。
(1) 在襄樊汽车试验场采集了DCT实际行驶道路载荷谱，并对其进行了基于时域损伤和频域损伤等效的综合编辑，结果表明，编辑浓缩后载荷谱的时频域损伤基本不变，时域长度大大缩短，表明这种编辑方法是有效的。
(2) 采用多通道道路模拟试验方法对DCT的加速试验谱进行了模拟迭代，结果表明，迭代计算时间大大缩短，迭代精度较高。
(3) 结合时频域损伤等效和远程参数控制方法对DCT关键零部件进行了道路模拟加速可靠性试验，结果表明，在进一步缩短试验时间基础上，对DCT关键零部件疲劳可靠性进行了准确考核，为快速准确考核和检验DCT关键零部件的疲劳可靠性提供了一种行之有效的方法。
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A Study on the Method of Road Simulation AcceleratedReliability Test for DCT Key Components
Zou Xihong1, Yang Zhenliang1, Yuan Dongmei1, Zhao Qiulin2 & Yu Yong3
1.Chongqing University of Technology, Key Laboratory of Manufacture and Test Techniques for Automobile Parts, Ministry of Education,Chongqing 400054; 2.Chongqing Tsingshan Industrial, Chongqing 402761； 3.Chongqing Academy of Science and Technology, Chongqing 401123
[Abstract] In this paper, by combining the technologies of accelerated and road simulation tests, a road simulation accelerated reliability test method for the key components of double-clutch transmission (DCT) is proposed based on the equivalence between time domain and frequency domain damages and remote parameter control (RPC). Firstly, a real driving road load spectrum of DCT is collected on Xiangfan Automotive Proving Ground, and the fatigue damage of load spectrum is analyzed based on local stress-strain method and Miner’s rule of fatigue damage accumulation. Then the damage characteristics in both time and frequency domains of the measured load spectrum are further analyzed, and on the basis of equivalence between time domain and frequency domain damages, a editing and evaluating method of fatigue damage is proposed based on quantitative damage, with which a real load spectrum measured is edited and concentrated. Finally, based on RPC theory, the concentrated and accelerated load spectrum is simulated and iterated on a three DOF road simulation test bench developed, and a road simulation accelerated reliability test is conducted on the key components of DCT. The results show that the editing method of load spectrum proposed preserves the damage characteristics of load spectrum in both time and frequency domains, and the road simulation test with the edited load spectrum can accurately assess the fatigue reliability of DCT key components within a time period greatly shortened.
Keywords：DCT; road simulation; time domain damage; frequency domain damage; accelerated test
*国家自然科学基金(51205432)、重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJ1400931)和西华大学汽车工程四川省高校重点实验室开放课题(szjj2014-071)资助。
原稿收到日期为2015年4月1日，修改稿收到日期为2015年5月12日。
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