現(xiàn)代卡車(chē)的變速箱主要有手動(dòng)、自動(dòng)兩種，手動(dòng)變速箱主要由齒輪和軸組成，通過(guò)不同的齒輪組合產(chǎn)生變速變矩。自動(dòng)變速箱AMT從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，跟手動(dòng)變速箱一致，只是它用電控系統(tǒng)取代了人工操作換擋。由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，它跟手動(dòng)變速箱擁有幾乎一樣的傳動(dòng)效率、承受扭力強(qiáng)度、耐用度。而純自動(dòng)變速箱AT是由液力變扭器、行星齒輪、液壓變距系統(tǒng)和液壓操縱系統(tǒng)組成，通過(guò)液力傳遞和齒輪組合的方式來(lái)達(dá)到變速變矩。


圖1 變速箱

整車(chē)上變速箱內(nèi)部的所有的齒輪工作狀態(tài)就是所有齒輪同時(shí)承受著變化的扭矩和變化的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，就會(huì)出現(xiàn)齒輪斷齒或者齒面點(diǎn)蝕等失效形式發(fā)生，支撐齒輪的軸承們同樣承受著相應(yīng)的變化的徑向力，經(jīng)過(guò)更長(zhǎng)的一定時(shí)間后也會(huì)發(fā)生軸承的各種類(lèi)型失效；像AT變速箱經(jīng)常伴隨著離合器失效。

怎樣才能對(duì)變速箱齒輪軸承等系統(tǒng)進(jìn)行有效的臺(tái)架加速疲勞驗(yàn)證呢？

臺(tái)架上的耐久試驗(yàn)一般具備兩個(gè)特征，首先是加速的疲勞耐久臺(tái)架試驗(yàn)，即在臺(tái)架上驗(yàn)證同樣的時(shí)間產(chǎn)生的齒輪或者軸承損傷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變速箱在整車(chē)上運(yùn)行同樣的時(shí)間產(chǎn)生的損傷，必須體現(xiàn)出明顯的加速優(yōu)勢(shì)。其次是失效形式必須與整車(chē)上用戶實(shí)際使用下一致，我們?cè)谂_(tái)架上運(yùn)行變速箱疲勞試驗(yàn)，一定的臺(tái)架時(shí)間后，齒輪或者軸承或者離合器或者液力變矩器產(chǎn)生失效形式必須和用戶道路上使用變速箱下的失效形式一致。這樣我們驗(yàn)證的效果就達(dá)到了，否則是一個(gè)失敗的臺(tái)架疲勞試驗(yàn)。


圖2 驅(qū)動(dòng)橋齒輪疲勞試驗(yàn)臺(tái)架

變速箱內(nèi)部的齒輪是最重要的部件，下面就以齒輪為例思考一下變速箱的疲勞試驗(yàn)。我們知道一個(gè)經(jīng)典的齒輪失效形式是斷齒和點(diǎn)蝕，那么我們?cè)趺床拍茏岧X輪在臺(tái)架上復(fù)現(xiàn)出這種失效形式呢？因?yàn)檎?chē)上有這種經(jīng)典的失效形式，那么整車(chē)上必然有引起這種失效形式的本質(zhì)原因，否則也不會(huì)出現(xiàn)這種失效形式了。接下來(lái)的工作就是在整車(chē)上找到驅(qū)動(dòng)變速箱工作的因子，我們知道是發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液力變矩器工作，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速當(dāng)然就是我們要找的很重要的因素，這時(shí)候假設(shè)變速箱沒(méi)有連接任何輸出，就像車(chē)輛懸浮在空氣中，盡管有發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷驅(qū)動(dòng)，那么這個(gè)變速箱也是在空轉(zhuǎn)，貌似變速箱也不會(huì)發(fā)生疲勞失效，因此變速箱的負(fù)載也是一個(gè)很重要的因素去促使變速箱失效，給我們的直覺(jué)就是負(fù)載越大，變速箱失效的越快，也就是常年超重的車(chē)輛使用的時(shí)間相對(duì)短很多。關(guān)于為什么需要臺(tái)架去加速驗(yàn)證，我想大家都知道這是一個(gè)企業(yè)為了更加有利的生存需要，必須更短時(shí)間內(nèi)推出更多的升級(jí)產(chǎn)品，產(chǎn)品單一是件很恐怖的事情，誰(shuí)都無(wú)法承受。

那么如何在臺(tái)架上加載才能出現(xiàn)這種失效形式呢？

我們知道扭矩越大，齒輪的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力就越大，每次這個(gè)齒發(fā)生嚙合的過(guò)程中也是這個(gè)齒的齒輪應(yīng)力發(fā)生從零到最大再到零的過(guò)程中，這算是一個(gè)循環(huán)，根據(jù)材料S-N曲線的理論，這種循環(huán)發(fā)生的次數(shù)多到一定程度后，齒輪產(chǎn)生的損傷也就達(dá)到了材料的抗疲勞能力，那么就會(huì)出現(xiàn)失效。因?yàn)榕_(tái)架是加速的，我們肯定是希望越短的時(shí)間驗(yàn)證完越好，時(shí)間越短，各種費(fèi)用也就越少，因此我們需要摸索如何才能實(shí)現(xiàn)時(shí)間的最短。直覺(jué)上驅(qū)動(dòng)變速箱的輸入端轉(zhuǎn)的越快，那么試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)束的越早；直覺(jué)上變速箱的負(fù)載端扭矩越大，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)束的也越早。我們想象中應(yīng)該是選一個(gè)較大的扭矩值，然后把這個(gè)扭矩值加載到變速箱負(fù)載端，時(shí)間長(zhǎng)了以后就會(huì)出現(xiàn)期望的失效的形式，不妨多準(zhǔn)備幾個(gè)變速箱用來(lái)摸索試驗(yàn)方法。我們知道國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的負(fù)載要求或者加載要求肯定是沒(méi)有問(wèn)題的，我們不妨將臺(tái)架上的變速箱負(fù)載在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求下放大10%后加載到臺(tái)架上，當(dāng)然這時(shí)變速箱在臺(tái)架上的負(fù)載比整車(chē)上變速箱的最大負(fù)載大了，但是也沒(méi)必要質(zhì)疑試驗(yàn)的合理性，因?yàn)檫@只是一種試驗(yàn)手段而已，臺(tái)架試驗(yàn)上的負(fù)載扭矩不一定非得低于等于整車(chē)上負(fù)載扭矩，然后在試驗(yàn)臺(tái)上跑，持續(xù)觀察齒輪的失效形式，但是得保證每次嘗試下的齒輪油溫是一樣的，僅僅保持試驗(yàn)中的扭矩這一個(gè)變量。思路是這個(gè)樣，就是多準(zhǔn)備一些待試驗(yàn)的變速箱，逐漸的增加負(fù)載扭矩觀察齒輪失效形式，通過(guò)這種思路必然能找到一個(gè)扭矩，加載這個(gè)扭矩到試驗(yàn)臺(tái)上，使驗(yàn)證時(shí)間能最短，而且能保證好的試驗(yàn)效果。

我們通過(guò)一個(gè)平臺(tái)的變速箱摸索出了這個(gè)扭矩范圍和應(yīng)力范圍值，那么這就對(duì)我們做其它平臺(tái)的變速箱試驗(yàn)給予重要的指導(dǎo)意義，整車(chē)上的變速箱的負(fù)載在工作過(guò)程中很少達(dá)到最大的理論扭矩值，大部分時(shí)間的扭矩水平還是比較低的，但是我們臺(tái)架試驗(yàn)上的加載的扭矩值必然稍微超過(guò)最大理論扭矩值，這時(shí)候驅(qū)動(dòng)橋在臺(tái)架上跑相當(dāng)于一直在整車(chē)上高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，就像一輛卡車(chē)嚴(yán)重的超載，這時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)最大負(fù)荷下，變速箱一檔最大速比下，整車(chē)剛剛能拉動(dòng)這些超載貨物，然后經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才慢慢地把速度提起來(lái)，這種情景下的使用必然比整車(chē)上正常載重的使用下發(fā)生的失效時(shí)間要早多了。

本篇文章介紹的卡車(chē)變速箱疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)中非常有效的思考過(guò)程，我們按照上述方法摸索到了高效做變速箱疲勞試驗(yàn)的一種靈感，如何在最短的時(shí)間內(nèi)做正確的試驗(yàn)，當(dāng)然還有很多其它方面的注意事項(xiàng)，這里不在一一贅述。