混合動力車型傳動系耐久性試驗方法研究

鄭建明 劉志浩 張建軍 羅明友 湯一飛

（中國第一汽車集團有限公司 研發(fā)總院，長春，130011）

首先，路譜采集分析。通過對全國已知的C級車典型用戶工況進行統(tǒng)計分析，確定長春地區(qū)市區(qū)、郊區(qū)及高速公路等路面采集的比例關(guān)系，為混合動力車型路譜采集提供依據(jù)。

其次，損傷分析。使用LMS TecWare軟件，建立混合動力車型傳動系中變速器輸入軸、各擋齒輪的偽損傷分析方法，通過Minitab軟件進行頻數(shù)累加分析，然后對各擋位平均損傷對比分析，確定用戶工況數(shù)據(jù)中各擋位齒輪最大損傷與路面比例的對應(yīng)關(guān)系。

再次，壽命估計。通運用過威布爾概率分布估計，計算出95%用戶的損傷值；

最后，方法建立。通過用戶路譜數(shù)據(jù)與試驗場路譜數(shù)據(jù)對比分析，得到等效用戶使用壽命的傳動系統(tǒng)加速耐久性試驗方法。

主題詞：混合動力 耐久性 路譜 損傷 估計

混合動力車型傳動系耐久性試驗是整車驗證的重中之重，它關(guān)系著離合器、變速器、驅(qū)動電機及動力電池等關(guān)鍵部件的產(chǎn)品成熟度。目前國外已有非常成熟的試驗方法，但多為企業(yè)機密，且缺乏公開的文獻參考，因此建立一套自主混合動力車型傳動系的考核驗證方法成為當(dāng)務(wù)之急，科學(xué)合理的制定出傳動系耐久性試驗方法已成為混合動力車型產(chǎn)品開發(fā)的重點和難點。本文以自主紅旗H7混合動力車型為研究對象，應(yīng)用CAN總線測試、數(shù)理統(tǒng)計、可靠性壽命預(yù)測、疲勞損傷等先進技術(shù)及理論，進行用戶路譜及傳統(tǒng)車試驗場路譜測試，經(jīng)過兩者比對分析，補充混合動力車型工作模式特點，綜合建立紅旗H7混合動力車型的傳動系統(tǒng)耐久性試驗方法。

1 紅旗H7混合動力車型構(gòu)型簡介

紅旗H7混合動力車型為前置后驅(qū)并聯(lián)式強混構(gòu)型，主要由發(fā)動機、離合器耦合電機（CCM）、雙離合器自動變速箱（DCT）、動力電池及整車控制器（HCU）等部件組成。其中，離合器耦合電機由離合器和驅(qū)動電機組成，發(fā)動機與離合器耦合電機連接、電機輸出端與DCT輸入端連接、DCT輸出端與后橋驅(qū)動軸連接，DCT變速器由奇數(shù)軸離合器、偶數(shù)軸離合器、各擋結(jié)合齒輪、同步器及輸出軸等構(gòu)成，其中五擋齒輪處于常嚙合狀態(tài)。紅旗H7混合動力車型構(gòu)型如圖1所示。

圖1 H7 PHEV車型結(jié)構(gòu)簡圖

2 混合動力傳動系耐久性試驗方法制定流程

本文通過四種方法建立混合動力車型傳動系耐久性試驗流程。

1)社會調(diào)查法，通過調(diào)查了解用戶的各種使用工況數(shù)據(jù)信息，綜合整理分析路況比例；

2)現(xiàn)場試驗法，實地采集長春地區(qū)及試驗場真實路譜信息，進行分析；

3)數(shù)理統(tǒng)計法，通過使用軟件及數(shù)理統(tǒng)計，分別分析用戶及試驗場工況偽損傷；

4)對比分析法，通過對比分析用戶及試驗場相關(guān)部件偽損傷，補充混合動力車型工作模式，調(diào)整工況，綜合建立混合動力車型傳動系耐久性試驗方法。

傳動系耐久性試驗方法制定流程如圖2所示。

圖2 混合動力傳動系耐久性試驗方法制定流程

3 傳動系耐久性試驗方法制定

3.1 市場用戶信息分析

3.1.1 用戶路面比例統(tǒng)計

通過調(diào)查典型地區(qū)C級車用戶各種使用工況，綜合分析各因素影響情況，確定各路面測試比例。工況調(diào)查主要包括市區(qū)、郊區(qū)、高速公路及壞路等，地區(qū)調(diào)查主要包括黑龍江省、吉林省、遼寧省、山東省、江蘇省、上海市、天津市及重慶市等中國南北方典型地區(qū)。調(diào)查信息主要包括車輛基本信息、行駛里程、車輛用途、路面比例、典型路面、乘坐人數(shù)、駕駛員信息等。經(jīng)分析路面狀況對傳動系耐久性影響最大，因此本文以路面比例為主要依據(jù)，結(jié)合混合動力車型特點，綜合搭建混合動力車型傳動系耐久性試驗方法，用戶路面比例統(tǒng)計如表1所示。

表1 用戶路面比例統(tǒng)計/%

3.1.2 用戶路面比例統(tǒng)計分析

將上述表1數(shù)據(jù)應(yīng)用Minitab軟件進行頻數(shù)累計統(tǒng)計，如圖3～6所示，圖中虛線與柱狀圖首次交點即為90%用戶各工況下的使用極限比例。因此，90%用戶各工況下的比例極限如表2所示。

圖3 市區(qū)工況

圖4 郊區(qū)工況

圖5 高速公路

3.2 路譜采集

紅旗H7混合動力車型傳動系統(tǒng)主要包括CCM、輸入軸、DCT、輸出軸、主減速器、差速器、驅(qū)動軸。經(jīng)測試對比可知，CAN總線數(shù)據(jù)信號與真實值偏差很小，因此選取CAN總線數(shù)據(jù)進行計算。由于此混合動力車型傳動系耐久性試驗方法以傳統(tǒng)車試驗方法為基礎(chǔ)進行制定，因此主要采集傳動系中的關(guān)鍵參數(shù)進行測量，如變速器輸入軸扭矩、轉(zhuǎn)速等，得出輸入軸、變速器各擋位齒輪的偽損傷，求出強化系數(shù)，建立試驗場試驗方法。

圖6 壞路工況

表2 90%的用戶各工況下的里程極限

3.2.1 用戶工況路譜數(shù)據(jù)采集

由于C級車用戶使用的路面狀況與長春基本一致，僅是路面比例不同，因此選擇長春地區(qū)進行路譜數(shù)據(jù)采集，采集路況里程及路線如表3所示，包含市區(qū)、市郊、高速公路及連接路段等。對數(shù)據(jù)時域信號進行去毛刺處理（Skipe Filter），時域信號如圖7所示。

表3 用戶數(shù)據(jù)

圖7 用戶數(shù)據(jù)時域信號

3.2.2 試驗場工況路譜數(shù)據(jù)采集

按傳統(tǒng)車傳動系耐久性試驗方法使用紅旗H7混合動力車型進行試驗場路譜采集，方法由兩部分組成，其一是連續(xù)變速工況，其二是持續(xù)高速行駛工況，二者交替進行，直至依據(jù)傳動系壽命設(shè)定相應(yīng)的循環(huán)數(shù)。由于是重復(fù)循環(huán)試驗，因此僅采集幾個循環(huán)工況的數(shù)據(jù)即可。試驗場部分?jǐn)?shù)據(jù)時域信號所圖8所示。

3.3 用戶偽損傷計算

3.3.1 偽損傷計算理論依據(jù)

使用LMSTecWare軟件進行數(shù)據(jù)處理。由于是試驗方法制定研究，因此，可使用軟件自帶的S-N曲線進行各考核件的偽損傷計算。

常用的材料疲勞損傷計數(shù)方法有幅值計數(shù)法、穿級計數(shù)法、雨流計數(shù)法等，其中雨流計數(shù)法對載荷或應(yīng)變歷程進行計數(shù)的過程反映了材料的記憶特性，具有明確的力學(xué)特征，得到了廣泛認(rèn)可，因此本次損傷計算使用雨流計數(shù)法。

圖8 試驗場部分?jǐn)?shù)據(jù)時域信號

在Miner[1]疲勞累計損傷理論中，當(dāng)材料承受橫幅交變應(yīng)力作用時，每一個循環(huán)都使材料產(chǎn)生一定的損傷，每一個循環(huán)所造成的損傷為1/N（N為在該應(yīng)力下，材料的循環(huán)壽命）。這種損傷是可以積累的，變幅載荷的損傷D等于其循環(huán)比之和，即

其中:l——變幅載荷的應(yīng)力水平等級

ni——第i級載荷的循環(huán)次數(shù)

Ni——第i級載荷下的疲勞壽命

當(dāng)損傷積累到了臨界值Df時，即時，就發(fā)生疲勞破壞。

由于輸入軸及齒輪在傳遞扭矩時，每轉(zhuǎn)一圈，齒輪上每個結(jié)合齒只傳遞一次扭矩，因此可使用輸入軸轉(zhuǎn)速及扭矩、運用雨流計數(shù)法、Miner疲勞累積損傷理論計算輸入軸及各擋位齒輪的偽損傷。

3.3.2 偽損傷外推系數(shù)選取原則

由于不同用戶不同工況對輸入軸、各擋齒輪造成的損傷不同，而試驗方法需要覆蓋90%的用戶，因此，外推系數(shù)選取應(yīng)符合90%用戶的使用要求。

3.3.3 總偽損傷估計方法

威布爾分[2]布在可靠性工程中被廣泛應(yīng)用，尤其適用于機電類產(chǎn)品的磨損累計失效的分布形式。由于它可以利用概率值很容易地推斷出它的分布參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于各種壽命試驗的數(shù)據(jù)處理中。因此使用威布爾分布對各工況中軸、各擋位齒輪平均損傷進行估計。通過對每個考核件各路面工況下平均損傷進行排序，確定各考核件考核強度最大的工況，依此制定出滿足各考核件90%考核強度的里程比例，將用戶全壽命里程按照此比例進行分配。根據(jù)核密度估計理論，將實際采集數(shù)據(jù)的損傷進行全壽命外推系數(shù)計算，得出各擋位齒輪、輸入軸的最終偽損傷。

3.4 試驗場偽損傷計算

依據(jù)上述方法，同理計算紅旗H7混合動力車型按傳統(tǒng)車傳動系耐久性試驗工況的偽損傷，得到傳統(tǒng)車傳動系耐久試驗工況的最終偽損傷。

4.混合動力車型傳動系耐久性試驗方法建立

4.1 用戶工況數(shù)據(jù)處理

4.1.1 用戶工況平均損傷計算

根據(jù)采集到的用戶工況信息，運用LMSTecWare 3.5版本計算損傷，并計算各工況下每公里造成的平均損傷，用戶偽損傷計算示例如表4所示。

4.1.2 用戶工況平均損傷威布爾分布估計

使用威布爾分布對用戶工況平均損傷數(shù)據(jù)進行中位數(shù)95%估計，確定對各擋位考核最強的工況。市區(qū)工況平均損傷估計示例如表5所示。

4.1.3 用戶工況里程分配

根據(jù)用戶平均損傷數(shù)據(jù)，對各擋位平均損傷大小進行排序，排序結(jié)果如表6所示。

傳統(tǒng)車傳動系統(tǒng)耐久性試驗規(guī)范等效用戶16萬公里，因此，假定用戶里程16萬公里時，根據(jù)表2及表6數(shù)據(jù)，計算各工況下90%用戶的行駛里程，如表7所示。

表4 用戶偽損傷計算示例

表5 市區(qū)工況平均損傷估計

表6 平均損傷排序

表7 90%用戶的行駛里程/10 000 km

4.1.4 用戶損傷外推

根據(jù)表2、表7結(jié)果，計算用戶偽損傷數(shù)據(jù)的外推系數(shù)，并使用LMSTecWare軟件對數(shù)據(jù)進行外推。其中，外推的核心理論為核密度估計。核密度估計[3]是在概率論中用來估計未知的密度函數(shù)，屬于非參數(shù)檢驗。由于核密度估計方法不利用有關(guān)數(shù)據(jù)分布的先驗知識，對數(shù)據(jù)分布不施加任何假定，是一種從數(shù)據(jù)樣本本身出發(fā)研究數(shù)據(jù)分布特征的方法，在統(tǒng)計學(xué)理論和應(yīng)用領(lǐng)域均受到高度的重視。因此，本次偽損傷外推使用核密度估計，能夠從數(shù)據(jù)的本身出發(fā)對數(shù)據(jù)進行擴展。外推系數(shù)如表8～表9所示。

將外推后各用戶工況偽損傷數(shù)據(jù)進行威布爾分布中位數(shù)90%估計，并計算各擋位16萬公里對應(yīng)的總偽損傷，如圖9-10及表10所示。

表8 損傷外推系數(shù)

表9 損傷外推系數(shù)

表10 總損傷威布爾分布估計

4.2 試驗場工況數(shù)據(jù)處理

4.2.1 試驗工況偽損傷計算

傳統(tǒng)車傳動系耐久性耐久性試驗方法由五個工況組成，包括4個變速工況及1個高速行駛工況。根據(jù)傳統(tǒng)車傳動系統(tǒng)耐久性試驗規(guī)范在農(nóng)安汽車試驗場采集工況數(shù)據(jù)，計算偽損傷。

4.2.2 試驗工況外推系數(shù)計算

根據(jù)實際采集的工況循環(huán)數(shù)與傳動系耐久性試驗規(guī)范規(guī)定的循環(huán)數(shù)，計算各考核樣件偽損傷外推系數(shù)。

4.2.3 試驗工況偽損傷外推

根據(jù)外推系數(shù)，將各試驗工況的偽損傷外推并組合，得到傳統(tǒng)車傳動系統(tǒng)耐久性試驗的總偽損傷，如表11所示。

4.3 強化系數(shù)計算

將傳統(tǒng)車傳動系統(tǒng)耐久性試驗的總偽損傷與長春用戶16萬公里總偽損傷對比，計算強化系數(shù)，如表12所示。

圖9 用戶雨流計數(shù)

圖10 用戶外推后雨流計數(shù)

續(xù)表10 總損傷威布爾分布估計

表11 試驗工況外推損傷

4.4 工況調(diào)整

4.4.1 紅旗H7混合動力車型工作模式分析

紅旗H7混合動力車型工作模式包括：停車模式、怠速/暖機模式、停車充電模式、怠速停機模式、純電動模式、發(fā)動機驅(qū)動模式、聯(lián)合驅(qū)動模式、行車發(fā)電模式、再生制動模式（能量回收）、機械制動模式。經(jīng)分析，與傳統(tǒng)車不同的工作模式為純電動模式、聯(lián)合驅(qū)動模式及再生制動模式。

表12 強化系數(shù)

純電動模式及聯(lián)合驅(qū)動模式在低速大扭矩輸出的特點會對傳動系統(tǒng)造成較大的沖擊載荷，如圖11所示，停車起步全油門加速時，油門踏板全開后，電機扭矩在0.1 s內(nèi)由50 N·m升到200 N·m，而此時發(fā)動機扭矩剛剛由50 N·m升到70 N·m。因此在H7混合動力車型傳動系耐久性試驗方法中，低速大扭矩輸出的特性必須制定相應(yīng)的工況進行考核。

再生制動模式中，能量回收時反拖扭矩大會形成傳動系統(tǒng)正負(fù)交變載荷(圖12)，正負(fù)交變載荷比單向載荷對零部件壽命產(chǎn)生更大的影響，其中再生制動模式輸入軸扭矩與車速關(guān)系如表13所示。

表13 再生制動模式輸入軸扭矩與車速關(guān)系

圖11 H7 PHEV聯(lián)合驅(qū)動模式

圖12 H7 PHEV再生制動模式

4.4.2 工況調(diào)整

根據(jù)表12所示強化系數(shù)及紅旗H7混合動力車型工作模式分析，在原有傳統(tǒng)車傳動系耐久性試驗規(guī)范的基礎(chǔ)上做出如下調(diào)整：

1)在T1工況中增加低速大扭矩輸出工況，考核傳動系統(tǒng)耐扭矩沖擊能力。

2)在T1工況、T2工況中增加5擋、6擋、7擋正向驅(qū)動工況，增強高速擋的考核強度。

3)在T1工況、T2工況中增加1擋、2擋、3擋、4擋滑行工況，增強低速擋反拖的考核強度。

調(diào)整后傳動系耐久性試驗規(guī)范工況如圖13、14。

5 結(jié)果分析

5.1 成果

圖13 H7 PHEV車型傳動系耐久試驗T1工況圖

圖14 H7 PHEV車型傳動系耐久試驗T2、T3、T4工況圖

1)通過研究，確定了基于用戶工況正向建立傳動系耐久性試驗方法的流程，通過用戶調(diào)查，用戶路譜采集，試驗場路譜采集，對比分析兩者工況損傷，研究混合動力車型特有工作模式，綜合建立具有一定加速系數(shù)的試驗場耐久性試驗方法。

2)本次傳動系耐久性規(guī)范研究中，將反拖齒側(cè)的損傷也作為重要的指標(biāo)進行分析，并制定相應(yīng)的反拖工況，使混合動力系統(tǒng)傳動系耐久試驗驗證更全面準(zhǔn)確。

3)本次規(guī)范中考慮到低速大扭矩輸出對傳動系統(tǒng)會形成較大的載荷沖擊，因此設(shè)計了較多的低速全油門加速等工況進行此項可靠性的驗證。

4)通過分析用戶偽損傷及傳統(tǒng)車傳動系耐久性試驗工況偽損傷，明確了傳統(tǒng)車傳動系耐久性試驗規(guī)范的局限性，為產(chǎn)品開發(fā)提供依據(jù)。

5)應(yīng)用Minitab軟件進行例用戶頻數(shù)累加分析，在Miner疲勞理論基礎(chǔ)上，應(yīng)用LMSTecWare軟件進行損傷計算，并應(yīng)用威布爾分布進行損傷估計，保證了規(guī)范制定的規(guī)范性、科學(xué)性。

5.2 不足

由于項目試驗緊急，本次研究中有較多不足：1)采用用戶里程頻數(shù)統(tǒng)計方法計算所得結(jié)果將超過90%用戶，存在過強考核的風(fēng)險。

2)由于沒有考核樣件的S-N曲線，在計算疲勞損傷時使用LMSTecWare軟件自帶的疲勞壽命曲線進行，只計算偽損傷用于確定強化系數(shù)。