解析卡车变速箱疲劳试验

现代卡车的变速箱主要有手动、自动两种，手动变速箱主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩。自动变速箱AMT从机械结构上看，跟手动变速箱一致，只是它用电控系统取代了人工操作换挡。由于结构上的特点，它跟手动变速箱拥有几乎一样的传动效率、承受扭力强度、耐用度。而纯自动变速箱AT是由液力变扭器、行星齿轮、液压变距系统和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。


图1 变速箱

整车上变速箱内部的所有的齿轮工作状态就是所有齿轮同时承受着变化的扭矩和变化的转速，经过一定的时间，就会出现齿轮断齿或者齿面点蚀等失效形式发生，支撑齿轮的轴承们同样承受着相应的变化的径向力，经过更长的一定时间后也会发生轴承的各种类型失效；像AT变速箱经常伴随着离合器失效。

怎样才能对变速箱齿轮轴承等系统进行有效的台架加速疲劳验证呢？

台架上的耐久试验一般具备两个特征，首先是加速的疲劳耐久台架试验，即在台架上验证同样的时间产生的齿轮或者轴承损伤要远远大于变速箱在整车上运行同样的时间产生的损伤，必须体现出明显的加速优势。其次是失效形式必须与整车上用户实际使用下一致，我们在台架上运行变速箱疲劳试验，一定的台架时间后，齿轮或者轴承或者离合器或者液力变矩器产生失效形式必须和用户道路上使用变速箱下的失效形式一致。这样我们验证的效果就达到了，否则是一个失败的台架疲劳试验。


图2 驱动桥齿轮疲劳试验台架

变速箱内部的齿轮是最重要的部件，下面就以齿轮为例思考一下变速箱的疲劳试验。我们知道一个经典的齿轮失效形式是断齿和点蚀，那么我们怎么才能让齿轮在台架上复现出这种失效形式呢？因为整车上有这种经典的失效形式，那么整车上必然有引起这种失效形式的本质原因，否则也不会出现这种失效形式了。接下来的工作就是在整车上找到驱动变速箱工作的因子，我们知道是发动机带动液力变矩器工作，发动机输出的扭矩和转速当然就是我们要找的很重要的因素，这时候假设变速箱没有连接任何输出，就像车辆悬浮在空气中，尽管有发动机的不断驱动，那么这个变速箱也是在空转，貌似变速箱也不会发生疲劳失效，因此变速箱的负载也是一个很重要的因素去促使变速箱失效，给我们的直觉就是负载越大，变速箱失效的越快，也就是常年超重的车辆使用的时间相对短很多。关于为什么需要台架去加速验证，我想大家都知道这是一个企业为了更加有利的生存需要，必须更短时间内推出更多的升级产品，产品单一是件很恐怖的事情，谁都无法承受。

那么如何在台架上加载才能出现这种失效形式呢？

我们知道扭矩越大，齿轮的弯曲应力和接触应力就越大，每次这个齿发生啮合的过程中也是这个齿的齿轮应力发生从零到最大再到零的过程中，这算是一个循环，根据材料S-N曲线的理论，这种循环发生的次数多到一定程度后，齿轮产生的损伤也就达到了材料的抗疲劳能力，那么就会出现失效。因为台架是加速的，我们肯定是希望越短的时间验证完越好，时间越短，各种费用也就越少，因此我们需要摸索如何才能实现时间的最短。直觉上驱动变速箱的输入端转的越快，那么试验验证结束的越早；直觉上变速箱的负载端扭矩越大，试验验证结束的也越早。我们想象中应该是选一个较大的扭矩值，然后把这个扭矩值加载到变速箱负载端，时间长了以后就会出现期望的失效的形式，不妨多准备几个变速箱用来摸索试验方法。我们知道国家标准规定的负载要求或者加载要求肯定是没有问题的，我们不妨将台架上的变速箱负载在国家标准的要求下放大10%后加载到台架上，当然这时变速箱在台架上的负载比整车上变速箱的最大负载大了，但是也没必要质疑试验的合理性，因为这只是一种试验手段而已，台架试验上的负载扭矩不一定非得低于等于整车上负载扭矩，然后在试验台上跑，持续观察齿轮的失效形式，但是得保证每次尝试下的齿轮油温是一样的，仅仅保持试验中的扭矩这一个变量。思路是这个样，就是多准备一些待试验的变速箱，逐渐的增加负载扭矩观察齿轮失效形式，通过这种思路必然能找到一个扭矩，加载这个扭矩到试验台上，使验证时间能最短，而且能保证好的试验效果。

我们通过一个平台的变速箱摸索出了这个扭矩范围和应力范围值，那么这就对我们做其它平台的变速箱试验给予重要的指导意义，整车上的变速箱的负载在工作过程中很少达到最大的理论扭矩值，大部分时间的扭矩水平还是比较低的，但是我们台架试验上的加载的扭矩值必然稍微超过最大理论扭矩值，这时候驱动桥在台架上跑相当于一直在整车上高负荷运转，就像一辆卡车严重的超载，这时候发动机最大负荷下，变速箱一档最大速比下，整车刚刚能拉动这些超载货物，然后经过很长时间才慢慢地把速度提起来，这种情景下的使用必然比整车上正常载重的使用下发生的失效时间要早多了。

本篇文章介绍的卡车变速箱疲劳试验设计中非常有效的思考过程，我们按照上述方法摸索到了高效做变速箱疲劳试验的一种灵感，如何在最短的时间内做正确的试验，当然还有很多其它方面的注意事项，这里不在一一赘述。