基于Romax的電驅(qū)總成等效里程核算及驗(yàn)證

崔華芳 張明朗 劉洋

摘 要：隨著新能源汽車在我國的全面發(fā)展，各類不同的形式的動(dòng)力總成應(yīng)運(yùn)而生。由于電動(dòng)機(jī)特有的外特性，大部分新能源客車及A級乘用車的動(dòng)力總成均采用了集成式的單擋變速箱，同一速比下需面對復(fù)雜的道路工況，且不同車型的總成壽命需求不盡相同，對總成可靠性的驗(yàn)證也提出了更高的要求。文章通過某一電動(dòng)客車電動(dòng)總成可靠性驗(yàn)證過程為例，以輪齒接觸疲勞損傷為基礎(chǔ)并基于Romax對等效里程進(jìn)行理論校核，比對整車實(shí)際路譜，設(shè)計(jì)相應(yīng)的臺(tái)架工況，結(jié)合實(shí)際的測試結(jié)果，說明等效里程核算的有效性及必要性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力總成;可靠性;Romax;疲勞損傷

中圖分類號：U467? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）12-105-04

Abstract： With the all-round development of new energy vehicles in China， various types of power assemblies emerge as the times require. Due to the unique external characteristics of motors， most of the powertrain of new energy buses and class A passenger cars adopt single-gear transmission. Under the same speed ratio， they need to face complex road conditions， and the assembly life needs of different models are different， which also puts forward higher requirements for the verification of assembly reliability. Based on the contact fatigue damage of gears and Romax， the equivalent mileage is theoretically checked through the reliability verification process of a bus powertrain， and the corresponding bench working conditions are designed by comparing the actual road spectra of the whole vehicle. Combining with the actual test results， the effectiveness and necessity of equivalent mileage calculation are illustrated.

Keywords： Power assemblies; Reliability; Romax; Contact fatigue damage

前言

動(dòng)力總成的設(shè)計(jì)壽命需求基本等同于整車需要，對于總成的充分驗(yàn)證可以確認(rèn)是其否能夠滿足要求。實(shí)際的路譜復(fù)雜多變，整車難以完全的運(yùn)行壽命需求里程，一則試驗(yàn)時(shí)間過長，二則試驗(yàn)成本過高。

動(dòng)力總成等效里程的核算主要目的是在于設(shè)計(jì)相應(yīng)的臺(tái)架試驗(yàn)工況，縮短臺(tái)架可靠性試驗(yàn)的驗(yàn)證時(shí)間并充分驗(yàn)證總成的耐久能力。

通過對多輛實(shí)車的路譜數(shù)據(jù)分析，總結(jié)其數(shù)據(jù)特征，以便于編制臺(tái)架工況。因齒輪的各類校核的理論方法都比較成熟，所以以齒輪的接觸疲勞損傷理論為基礎(chǔ)，根據(jù)ISO6336第6部分中工況的處理方式對實(shí)際路譜工況進(jìn)行分解，整理成為可以用來校核計(jì)算的形式。而后設(shè)計(jì)臺(tái)架工況，在Romax中建立樣品模型，運(yùn)算相應(yīng)工況，對比臺(tái)架和實(shí)際路譜的損傷值，折算出等效里程。

1 理論基礎(chǔ)及依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 名義應(yīng)力法則（S-N曲線法）

運(yùn)用名義應(yīng)力法估算零件的疲勞壽命是以Miner線性累積損傷法則為核心，單級恒幅交變應(yīng)力下零件的疲勞壽命可根據(jù)對應(yīng)的應(yīng)力水平下的S-N曲線查取。對于承受高于疲勞極限的循環(huán)應(yīng)力作用時(shí)，假設(shè)各應(yīng)力循環(huán)之間是相互獨(dú)立的，每個(gè)循環(huán)應(yīng)力都產(chǎn)生了一定的永久損傷，這種損傷是可以線性疊加，當(dāng)達(dá)到臨界值時(shí)就會(huì)發(fā)生破壞。多級應(yīng)力水平下，當(dāng)總損傷D'累積為1時(shí)，零件即發(fā)生疲勞破壞，即：

式中，r'是應(yīng)力水平級數(shù)，T是周期總數(shù)（疲勞壽命），ni是第i級應(yīng)力水平下的循環(huán)數(shù)，Ni是第i級應(yīng)力水平單獨(dú)作用下的破壞循環(huán)數(shù)。若不計(jì)及應(yīng)力循環(huán)先后秩序的影響，利用此式可估算構(gòu)件的裂紋形成壽命。

名義應(yīng)力法也有不足之處：一是沒有計(jì)及缺口根部局部塑性變形和載荷順序的影響;二是不能精確地表示實(shí)際零件與標(biāo)準(zhǔn)試樣之間的等效關(guān)系，這主要是受到多種因素的制約，如零件的幾何形狀、尺寸大小和加載方式等;三是不同應(yīng)力比R和不同應(yīng)力集中系數(shù)Kt下的S-N曲線是不同的，它們的獲取需要花費(fèi)大額經(jīng)費(fèi)，而且試驗(yàn)周期很長。盡管有上述缺陷，但這種方法易于實(shí)施，被工程上廣為接納。且大部分的分析軟件中也是采用的這種方法，例如Romax。

1.2 核算依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

齒輪的校核計(jì)算主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是ISO6336系列《直齒輪和斜齒輪承載能力的計(jì)算》的第六部分《變化負(fù)荷下工作壽命計(jì)算》，其中主要講述了接觸應(yīng)力計(jì)算中各相關(guān)系數(shù)如何計(jì)算或選擇，工況如何劃分，介紹了名義應(yīng)力法則，并且列舉了一個(gè)實(shí)際齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)例子來說明齒輪壽命計(jì)算過程。各類仿真計(jì)算軟件的計(jì)算方法也基本是由此而來。

1.3 Romax簡介

Romax系列軟件由英國Romax科技公司所開發(fā)的齒輪傳功系統(tǒng)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)分析工具軟件。主攻領(lǐng)域?yàn)轱L(fēng)電行業(yè)，其他服務(wù)領(lǐng)域涉及汽車、工程車輛、和建筑、軸承、航空航天、鐵輪、輪船、混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車等。該軟件在傳功系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其是風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)方面享有很高的知名度。

如圖5、圖6和圖7分別為設(shè)計(jì)參數(shù)下的活塞回油過程液壓缸壓力、活塞受到合力和活塞行程隨時(shí)間變化。從圖中可以看到，整個(gè)卸油過程可以分為4個(gè)階段：

階段1：卸油初期的壓力迅速下降階段。大概在0～0.0005s，由于油管出口突然暴露在1個(gè)大氣壓中，液壓缸內(nèi)油壓迅速下降，此時(shí)活塞彈簧力Fs小于靜摩擦力Fm和回油阻力Foil的合力，活塞靜止不動(dòng)。

階段2：液壓缸油壓劇烈波動(dòng)階段。大概在0.0005s至0.004s，油壓開始在1.4bar上下振蕩，由于此時(shí)油壓波動(dòng)較大，此時(shí)活塞彈簧力Fs、靜摩擦力Fm和回油阻力Foil的合力變現(xiàn)出較大的波動(dòng)，但總體是彈簧力較大，所以活塞開始往關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)。

階段3：活塞受力平衡階段。0.004s至活塞關(guān)閉前，油液壓力在線性下降，活塞合力在0上下輕微波動(dòng)，活塞位移也幾乎是線性增加。

階段4：關(guān)閉后液壓缸壓力突降階段。活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)后，速度突然變?yōu)?，但油液由于慣性繼續(xù)往液壓缸外流，導(dǎo)致液壓缸內(nèi)油壓突降，產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。

3.2 活塞摩擦力對回油過程影響

摩擦力的變化會(huì)直接影響到活塞的受力大小，從而影響離合器的關(guān)閉時(shí)間長短。為了分析摩擦力對活塞回油過程的影響，分別取表1不同摩擦力進(jìn)行分析。

如圖8為不同活塞摩擦力對液壓腔內(nèi)壓力的影響對比。當(dāng)活塞摩擦力為250N時(shí)，其液壓缸內(nèi)油壓要較活塞摩擦力為100N的小約0.2bar，而活塞摩擦力為400N液壓缸內(nèi)壓力也要較摩擦力250N時(shí)候小0.2bar，說明摩擦力增加會(huì)導(dǎo)致液壓缸內(nèi)壓力降低。

但油壓的變化對活塞的關(guān)閉時(shí)間影響較小，如圖9所示，活塞摩擦阻力為100N時(shí)，活塞完全關(guān)閉時(shí)間為0.038s，而當(dāng)活塞摩擦力為250N時(shí)，完全關(guān)閉時(shí)間為0.039s，當(dāng)活塞摩擦力增大到400N時(shí)候，完成關(guān)閉時(shí)間為0.064s?；钊Σ亮?00N較100N摩擦力增大了4倍，但關(guān)閉時(shí)間僅增大68%。

從上述結(jié)果可以看到，摩擦力的增加導(dǎo)致回油阻力減少，但活塞在過程中受到的合力變化并不大，所以對活塞關(guān)閉時(shí)間的影響不大。

3.3 油溫變化對回油過程影響

離合器回油設(shè)計(jì)的工作溫度一般較高，如該離合器，設(shè)計(jì)油溫為90°C。但在實(shí)際工況中，偏離工作油溫的情況也是經(jīng)常出現(xiàn)的，如常溫或低溫環(huán)境下啟動(dòng)汽車，因而需要考慮偏離工作溫度的離合器回油情況。

在本文的研究中，對比幾個(gè)典型的工作溫度，對比工況如下表2所示：

對比分析結(jié)果如圖10所示，油溫為20°C時(shí)候，活塞完全關(guān)閉時(shí)間為0.0638s，要比90°油溫下的關(guān)閉時(shí)間長0.026s，但總體來說時(shí)間還是很短，對離合器分離時(shí)間影響很小。當(dāng)油溫為-20°C時(shí)候，由于油粘度太大，活塞完全關(guān)閉時(shí)間需要0.52s，該時(shí)間要較90°C工作油溫的關(guān)閉時(shí)間大10倍以上，因而在低溫下，離合器的換擋時(shí)間會(huì)變長，需要關(guān)注低溫下的換擋情況。

4 結(jié)論

（1）通過CFD分析方法可以獲得離合器分離過程中液壓缸油壓變化或活塞關(guān)閉時(shí)間，可以為離合器回油參數(shù)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

（2）活塞摩擦力對離合器活塞關(guān)閉時(shí)間有影響，但在正常的摩擦力范圍內(nèi)，對活塞關(guān)閉時(shí)間影響不大。

（3）-20°C低溫下，油的粘度較大，會(huì)顯著增加活塞關(guān)閉時(shí)間，因而需要關(guān)注低溫下離合器分離時(shí)間變成對換擋過程的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 任永強(qiáng)，張軍，劉凱.DCT離合器分離結(jié)合時(shí)間仿真分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012（10）：36-38.

[2] 馬彪.車輛動(dòng)力換擋離合器充油過程動(dòng)態(tài)特性仿真[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2000， 20（2）：188-192.

[3] 張靜，李和言，馬彪，等.蓄能器對換擋離合器充油過程影響研究[J]. 液壓與氣動(dòng)， 2013（3）：96-99.

[4] 陳飛，馬彪，李耿標(biāo)，等.離合器液壓供油系統(tǒng)壓力脈動(dòng)特性研究[J]. 機(jī)床與液壓，2017（19）：8-14.