CN103674571A - 用于室内台架试验的汽车传动系载荷谱采集、编制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于室内台架试验的汽车传动系载荷谱采集、编制方法，步骤如下：1）获取实车工况信号；2）将同步获取的信号输入数据采集器，模拟信号转换为数字信号后输入计算机；3）利用变速器输出的扭矩值之和除以变速器传动比获得发动机扭矩信号；4）对发动机扭矩信号进行雨流法数据预处理；5）载荷谱时域外推；6）把正拖和反拖工况下的扭矩各分为8级；7）计算载荷等级所对应的发动机飞轮旋转频次和档位出现频次；8）程序载荷试验方法；9）随机载荷试验方法。本发明有效解决了汽车传动系室内台架试验工况编制没有依据，室内台架试验与汽车实际行驶工况严重脱离的问题，在室内台架上合理再现了传动系的加载工况。

Description

用于室内台架试验的汽车传动系载荷谱采集、编制方法

技术领域

本发明涉及的是一种汽车载荷谱处理领域的方法，具体是一种针对汽车传动系室内台架试验载荷谱的编制及加载实现方法。

背景技术

汽车传动系可靠性试验是考核和验证传动系耐久性的一种重要手段。如何进行合理的、符合用户使用条件的传动系可靠性试验是汽车传动系零部件行业面临的一个重要课题。汽车传动系中的零部件处于复杂的随机变载荷工作状态，汽车传动系（包括离合器、变速器、传动轴）零部件较多，它们之间通过各种形式的连接构成了力学特性较为复杂的传动链。汽车在行驶过程中传动系不仅受到来自发动机的周期性激励，还受到各种路面的随机激励和汽车起步、换挡、制动、加减速等工况对其的冲击力以及其内部总成的各种激励。由于汽车传动系可靠性试验的复杂性，传统的室内台架试验多以强度试验为主，依据习惯或经验对传动系零部件进行加载，而没有合理地考虑用户的使用情况。有些试验结果与用户实际失效模式差别较大。因此迫切需要研究制订与用户使用条件相关的汽车传动系室内台架可靠性试验方法。

目前对车辆承载构件的可靠性试验研究文献和方法较多，而对传动系可靠性试验特别是基于室内台架试验评价方法和载荷谱编制方法的研究文献相对较少。针对汽车承载构件的载荷谱编制方法一般只关注作用在构件上的力或扭矩以及其激励频率，而传动系是在发动机输入转速、档位和加载扭矩等对应工况参数下运行的，因此针对承载构件载荷谱的统计和编制方法不能直接应用于传动系试验。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种合理再现汽车传动系运行工况的用于室内台架试验的汽车传动系载荷谱采集、编制方法，解决了汽车传动系室内台架可靠性试验编谱没有依据，试验工况与实车工况相差较大的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

用于室内台架试验的汽车传动系载荷谱采集、编制方法，该方法包括如下步骤：

1）获取实车工况信号：

1.1）在变速器输出左右半轴上粘贴应变片，利用全桥式方法获得扭矩信号，利用RF遥测系统把采集到的扭矩信号通过无线传输的方式发送到数据采集器；

1.2）利用安装在发动机上的转速传感器获取飞轮齿圈上的转速脉冲，从而获得发动机转速信号；

1.3）在换挡手柄上安装位移传感器获取档位信号；

1.4）在变速器放油孔内安装温度传感器，通过温度传感器获得变速器油温信号；

1.5）在油门踏板和离合器踏板上安装位移传感器，获得离合器行程及油门开度信号；

2）将同步获取的发动机转速信号、扭矩信号、档位信号、离合器行程及油门开度信号和变速器油温信号输入数据采集器经过抗混滤波处理后，在数据采集器内将模拟信号转换为数字信号并输入计算机；

3）利用变速器输出左右半轴的扭矩值之和除以变速器传动比获得发动机扭矩信号；

4）对发动机扭矩信号进行雨流法数据预处理，把去除无效幅值后的载荷谱进行重构，得到的压缩载荷谱相对原始载荷谱数据点数会大大减少；同时，在对发动机扭矩信号处理的过程中，保留该时刻对应的发动机转速和档位信息；

5）载荷谱时域外推

使用时域方法对经雨流方法压缩处理后的载荷谱进行外推，时域外推的具体步骤如下；

5.1）对实车采集到的原始载荷信号，过滤小循环，提取时域信号的拐点；

5.2）用门限峰值法方法提取极值，估计超过值的平均值，同时这些超过值服从广义Parto 分布中的指数分布；

5.3）结合超过门限值的分布，在现有载荷序列的基础上随机产生载荷序列，得到k 个载荷序列，将各个载荷时间序列连接起来即可得到外推的时域信号；

6）根据疲劳累积损伤理论把正拖和反拖工况下的扭矩各分为8级，取载荷谱中10⁶次出现一次的幅值作为最大载荷幅值；各级载荷幅值与最大幅值之比依次为1，0.95，0.85，0.725，0.575，0.425，0.275，0.125，以各级载荷幅值为中心，相邻两个等级载荷幅值的中点为边界，进行载荷等级划分，获得载荷等级范围；

7）在重构的载荷谱中找到不同扭矩载荷等级所对应的转速信息和档位信息，把传统的载荷---时间的频次关系，转变为载荷---发动机飞轮旋转圈数的频次关系，同时记录各载荷等级对应的各个档位的频次，通过提取载荷等级                                               

对应的发动机转速、档位和时间

来计算载荷等级

所对应的发动机飞轮旋转频次和档位出现频次；

8）程序载荷试验方法

对不同档位及不同转速区间内飞轮旋转圈数进行统计，获得各载荷等级下不同档位及不同转速区间对应的各工况时间比例；确定传动系部件的寿命里程后即可确定程序循环的时间，进而确定程序循环下各工况的时间比例；程序循环的载荷工况循环尽量按照中--高--低--中的顺序加载，这种顺序更接近传动系部件实际载荷的随机工况；

9）随机载荷试验方法

与原始载荷谱相比，经过时域外推压缩处理的载荷谱的时间历程大大缩减且保持了相同的疲劳损伤，但如果直接用于室内台架试验，虽然载荷损伤效果保持不变，但是相邻载荷之间的时间关系已经改变；根据台架机械系统及测功机的响应特性，可以用如下方法对压缩载荷进行处理：

9.1）重新定义采样率：如果台架系统响应特性较低，则很难满足载荷谱中频率过高成分的加载要求，可以通过定义新的采样率来降低过高的加载频率响应；

9.2）通过正弦曲线或余弦曲线、以及样条函数插值的方法对变化过陡的曲线进行插补；

9.3）定义升速斜率和降速斜率：对载荷谱中转速时间序列进行拟合，降低升降速斜率以便满足台架系统和测功机的响应特性要求；

9.4）根据台架系统所允许的最大扭矩和转速值，设定扭矩和转速上限值，防止畸点载荷过高而损坏台架系统。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的用于室内台架试验的汽车传动系载荷谱采集、编制方法，实车采集用户行驶载荷数据，采用雨流法对测得的载荷数据进行压缩处理，同时获得压缩载荷对应的转速和档位信息，得到基于不同载荷等级转速和档位的统计分布。利用门限峰值理论载荷外推方法获得包含转速和档位信息的传动系时域外推载荷谱。时域外推是将测试信号通过过滤直接外推得到所需里程的时间历程，这种方法相对于雨流法更适用于时域信号重构。运用重新定义采样率和样条插补方法对随机载荷进行处理，获得适合台架试验使用的随机载荷谱。为准确评价汽车传动系零部件的可靠性和制定科学的室内台架试验规范提供依据。

2、有效解决了汽车传动系室内台架试验工况编制没有依据，室内台架试验与汽车实际行驶工况严重脱离的问题，在室内台架上合理再现了传动系的加载工况。

附图说明

图1为传感器布置的结构示意图；

图2为某一载荷等级

对应的转速和档位图。

具体实施方式

    下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

用于室内台架试验的汽车传动系载荷谱采集、编制方法，该方法包括如下步骤：

1）获取实车工况信号（如图1所示，图中：1—变速器输出左右半轴的扭矩信号，2—发动机转速信号，3—油门开度信号，4—离合器行程行程信号，5—变速器油温信号，6—档位信号，7—由车轮ABS系统获得的车速历程信号）：

1.1）在变速器输出左右半轴上粘贴应变片，利用全桥式方法获得扭矩信号，利用RF遥测系统把采集到的扭矩信号通过无线传输的方式发送到数据采集器，解决了在旋转设备上安装线束的困难。

1.2）利用安装在发动机上的转速传感器获取飞轮齿圈上的转速脉冲，从而获得发动机转速信号。

1.3）在换挡手柄上安装位移传感器获取档位信号。

1.4）在变速器放油孔内安装温度传感器，通过温度传感器获得变速器油温信号。

1.5）在油门踏板和离合器踏板上安装位移传感器，获得离合器行程及油门开度信号。

2）将同步获取的发动机转速脉冲信号、扭矩信号、档位信号、离合器行程及油门开度信号和变速器油温信号输入数据采集器经过抗混滤波处理后，在数据采集器内将模拟信号转换为数字信号并输入计算机。

3）利用变速器输出左右半轴的扭矩值之和除以变速器传动比（由档位获得）获得发动机扭矩信号。

4）对发动机扭矩信号进行伪读数的去除、平稳性检验、峰谷值检测、无效

幅值的省略等雨流法数据预处理（目的是去除对变速器疲劳损伤影响小的数据），把去除无效幅值后的载荷谱进行重构，得到的压缩载荷谱相对原始载荷谱数据（转速信号、扭矩信号和档位信号）点数会大大减少；同时，在对发动机扭矩信号处理的过程中，保留该时刻对应的发动机转速和档位信息。

5）载荷谱时域外推

很多情况下为了缩短开发时间和测试成本，载荷时间历程只能实现相对短时间内的测量，然后采用外推来获得全寿命载荷谱预测。合适的外推方法能够实现对总体样本载荷的准确估计，获得等效的疲劳损伤载荷谱，而且可以估计出实际路谱采集过程中没有测到的大载荷，使用时域方法对经雨流方法压缩处理后的载荷谱进行外推。时域外推的具体步骤如下：

5.1）对实车采集到的原始载荷信号（扭矩信号及扭矩信号对应的该时刻的发动机转速和档位信息），过滤小循环，提取时域信号的拐点。

5.2）用门限峰值法（POT）方法提取极值，估计超过值的平均值，同时这些超过值服从广义Parto 分布中的指数分布。

5.3）结合超过门限值的分布，在现有载荷序列（现有载荷序列是指对实车采集到的原始载荷信号经过过滤小循环处理后的数据）的基础上随机产生载荷序列，得到k个载荷序列（k为大于2的自然数），将各个载荷时间序列连接起来即可得到外推的时域信号。

6）根据疲劳累积损伤理论把正拖和反拖工况下的扭矩各分为8级，取载荷谱中10⁶次出现一次的幅值作为最大载荷幅值；各级载荷幅值与最大幅值之比依次为1，0.95，0.85，0.725，0.575，0.425，0.275，0.125，以各级载荷幅值为中心，相邻两个等级载荷幅值的中点为边界，进行载荷等级划分，获得载荷等级范围。

7）在重构的载荷谱中找到不同扭矩载荷等级所对应的转速和档位信息，把传统的载荷---时间的频次关系，转变为载荷---发动机飞轮旋转圈数的频次关系，同时记录各载荷等级对应的各个档位的频次（图2），通过提取载荷等级对应的发动机转速、档位和时间

来计算载荷等级

所对应的发动机飞轮旋转频次和档位出现频次。

8）程序载荷试验方法

对不同档位及不同转速区间内飞轮旋转圈数进行统计，获得各载荷等级下不同档位及不同转速区间对应的各工况时间比例。确定传动系部件的寿命里程后即可确定程序循环的时间，进而确定程序循环下各工况的时间比例。程序循环的载荷工况循环尽量按照中--高--低--中的顺序加载，这种顺序更接近传动系部件实际载荷的随机工况（参考文献：基于载荷谱的MT变速器疲劳设计及试验研究（第49页），作者：符代竹）。

9）随机载荷试验方法

与原始载荷谱相比，经过雨流计数方法压缩处理的载荷谱的时间历程大大缩减且保持了相同的疲劳损伤，但如果直接用于室内台架试验，虽然载荷损伤效果保持不变，但是相邻载荷之间的时间关系已经改变。根据台架机械系统及测功机的响应特性，可以用如下方法对压缩载荷进行处理：

9.1）重新定义采样率：如果台架系统响应特性较低（如：低于100Hz），则很难满足载荷谱中频率过高成分(如：150Hz)的加载要求，可以通过定义新的采样率来降低过高的加载频率响应。

9.2）通过正弦曲线(或余弦曲线)和样条函数插值的方法对变化过“陡”（如：

>2000）的曲线进行插补。

9.3）定义升速斜率和降速斜率：对载荷谱中转速时间序列进行拟合，降低升降速斜率以便满足台架系统和测功机的响应特性要求。

9.4）根据台架系统所允许的最大扭矩和转速值，设定扭矩和转速上限值，防止畸点载荷过高而损坏台架系统。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.用于室内台架试验的汽车传动系载荷谱采集、编制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1）获取实车工况信号：

1.1）在变速器输出左右半轴上粘贴应变片，利用全桥式方法获得扭矩信号，利用RF遥测系统把采集到的扭矩信号通过无线传输的方式发送到数据采集器；

1.2）利用安装在发动机上的转速传感器获取飞轮齿圈上的转速脉冲，从而获得发动机转速信号；

1.3）在换挡手柄上安装位移传感器获取档位信号；

1.4）在变速器放油孔内安装温度传感器，通过温度传感器获得变速器油温信号；

1.5）在油门踏板和离合器踏板上安装位移传感器，获得离合器行程及油门开度信号；

2）将同步获取的发动机转速信号、扭矩信号、档位信号、离合器行程及油门开度信号和变速器油温信号输入数据采集器经过抗混滤波处理后，在数据采集器内将模拟信号转换为数字信号并输入计算机；

3）利用变速器输出左右半轴的扭矩值之和除以变速器传动比获得发动机扭矩信号；

4）对发动机扭矩信号进行雨流法数据预处理，把去除无效幅值后的载荷谱进行重构，得到的压缩载荷谱相对原始载荷谱数据点数会大大减少；同时，在对发动机扭矩信号处理的过程中，保留该时刻对应的发动机转速和档位信息；

5）载荷谱时域外推

使用时域方法对经雨流方法压缩处理后的载荷谱进行外推，时域外推的具体步骤如下；

5.1）对实车采集到的原始载荷信号，过滤小循环，提取时域信号的拐点；

5.2）用门限峰值法方法提取极值，估计超过值的平均值，同时这些超过值服从广义Parto 分布中的指数分布；

5.3）结合超过门限值的分布，在现有载荷序列的基础上随机产生载荷序列，得到k 个载荷序列，将各个载荷时间序列连接起来即可得到外推的时域信号；

6）根据疲劳累积损伤理论把正拖和反拖工况下的扭矩各分为8级，取载荷谱中10⁶次出现一次的幅值作为最大载荷幅值；各级载荷幅值与最大幅值之比依次为1，0.95，0.85，0.725，0.575，0.425，0.275，0.125，以各级载荷幅值为中心，相邻两个等级载荷幅值的中点为边界，进行载荷等级划分，获得载荷等级范围；

7）在重构的载荷谱中找到不同扭矩载荷等级所对应的转速信息和档位信息，把传统的载荷---时间的频次关系，转变为载荷---发动机飞轮旋转圈数的频次关系，同时记录各载荷等级对应的各个档位的频次，通过提取载荷等级                                               

对应的发动机转速、档位和时间

来计算载荷等级

所对应的发动机飞轮旋转频次和档位出现频次；

8）程序载荷试验方法

对不同档位及不同转速区间内飞轮旋转圈数进行统计，获得各载荷等级下不同档位及不同转速区间对应的各工况时间比例；确定传动系部件的寿命里程后即可确定程序循环的时间，进而确定程序循环下各工况的时间比例；程序循环的载荷工况循环尽量按照中--高--低--中的顺序加载，这种顺序更接近传动系部件实际载荷的随机工况；

9）随机载荷试验方法

与原始载荷谱相比，经过时域外推压缩处理的载荷谱的时间历程大大缩减且保持了相同的疲劳损伤，但如果直接用于室内台架试验，虽然载荷损伤效果保持不变，但是相邻载荷之间的时间关系已经改变；根据台架机械系统及测功机的响应特性，可以用如下方法对压缩载荷进行处理：

9.1）重新定义采样率：如果台架系统响应特性较低，则很难满足载荷谱中频率过高成分的加载要求，可以通过定义新的采样率来降低过高的加载频率响应；

9.2）通过正弦曲线或余弦曲线、以及样条函数插值的方法对变化过陡的曲线进行插补；

9.3）定义升速斜率和降速斜率：对载荷谱中转速时间序列进行拟合，降低升降速斜率以便满足台架系统和测功机的响应特性要求；

9.4）根据台架系统所允许的最大扭矩和转速值，设定扭矩和转速上限值，防止畸点载荷过高而损坏台架系统。

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