基于Romax的電驅(qū)總成等效里程核算及驗證

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力總成應(yīng)運(yùn)而生。由于電動機(jī)特有的外特性，大部分新能源客車及A級乘用車的動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，對總成可靠性的驗證也提出了更高的要求。文章通過某一電動客車電動總成可靠性驗證過程為例，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)計相應(yīng)的臺架工況，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

CLC NO.： U467 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2019）12-105-04

前言

動力總成的設(shè)計壽命需求基本等同于整車需要，對于總成的充分驗證可以確認(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，一則試驗時間過長，二則試驗成本過高。

動力總成等效里程的核算主要目的是在于設(shè)計相應(yīng)的臺架試驗工況，縮短臺架可靠性試驗的驗證時間并充分驗證總成的耐久能力。

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算的形式。而后設(shè)計臺架工況，在Romax中建立樣品模型，運(yùn)算相應(yīng)工況，對比臺架和實(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）

名義應(yīng)力法也有不足之處：一是沒有計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算》的第六部分《變化負(fù)荷下工作壽命計算》，其中主要講述了接觸應(yīng)力計算中各相關(guān)系數(shù)如何計算或選擇，工況如何劃分，介紹了名義應(yīng)力法則，并且列舉了一個實(shí)際齒輪傳動機(jī)構(gòu)例子來說明齒輪壽命計算過程。各類仿真計算軟件的計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)計分析工具軟件。主攻領(lǐng)域為風(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、混合動力和電動汽車等。該軟件在傳功系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其是風(fēng)電齒輪箱設(shè)計方面享有很高的知名度。

Romax系列軟件包含Romax Designer，Romax Dynamics、Synchronizer Simulation和Gear Manufacture四大模塊，同時還推出了針對風(fēng)電行業(yè)的RomaxWIND軟件包。本次我們校核計算中使用的是Romax Designer模塊，該模塊功能主要是完成齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計分析，包括平行軸傳動系、相交軸傳動系、行星齒輪傳動系的完整解決方案以及軸承、系統(tǒng)振動噪聲分析等高級分析功能。

2 動力總成等效里程核算

2.1 車型信息

2.3 臺架工況的設(shè)計

結(jié)合歷史經(jīng)驗臺架工況的設(shè)計會分為幾部分，從不同的角度考核傳動系統(tǒng)。結(jié)合對道路數(shù)據(jù)的處理分析和總結(jié)，參考3個車型的實(shí)際道路運(yùn)行數(shù)據(jù)，按車速進(jìn)行劃分，設(shè)計了啟停、城市、高速3種工況進(jìn)行考核，結(jié)合臺架本身考核的加速性，為縮短考核時間，增加了油門全開的極限工況進(jìn)行考核。臺架工況總共由4種工況進(jìn)行考核，各工況的組成比例，需要按一定的系數(shù)進(jìn)行分配，具體的分配比例需要結(jié)合商用車具體車型運(yùn)行路況的車速工況分布的特性、齒輪損傷的校核和電驅(qū)動系統(tǒng)本身的溫升特性結(jié)合來開展，各考核工況示意圖如下圖所示。

確定4大類工況后，相應(yīng)的工況會由4類工況組合而成，相關(guān)工況的比例及循環(huán)次數(shù)需要結(jié)合車型的設(shè)計目標(biāo)、實(shí)際路譜的數(shù)據(jù)分布特征、實(shí)際路譜計算的到齒輪損傷值及動力總成本身的溫升特性進(jìn)行設(shè)置，使臺架工況與路譜數(shù)據(jù)核算得到的損傷值基本一致，按最終的比例組合工況作為臺架試驗的輸入。

2.4 模型的建立及參數(shù)的選擇

本次動力總成系統(tǒng)等效里程的核算選取第一對齒輪中的小齒輪的損傷作為核算依據(jù)，根據(jù)該齒輪參數(shù)在Romax中建立模型，如圖所示：

參數(shù)選擇方面，臺架工況使用系數(shù)選擇1.5，路譜數(shù)據(jù)使用系數(shù)選擇1.25，其余系數(shù)由軟件根據(jù)模型計算或缺省得到。

另外，在齒輪材料設(shè)置中我們選擇允許有限的齒面點(diǎn)蝕，即允許微點(diǎn)蝕的產(chǎn)生。微點(diǎn)蝕是一種出現(xiàn)在彈流潤滑和邊界潤滑狀態(tài)下赫茲滾動與滑動接觸面之間的失效現(xiàn)象。每個微點(diǎn)蝕實(shí)際上是一個表面淺微裂紋，相對于接觸區(qū)域來說，每個微點(diǎn)蝕非常小，其深通常為10～20um。多個微點(diǎn)蝕合并后會形成一個連續(xù)的破裂表面，肉眼看起來外觀陰暗無光澤，因此，微點(diǎn)蝕也常稱為灰斑。微點(diǎn)蝕的持續(xù)擴(kuò)展可能導(dǎo)致輪齒接觸精度降低、動載荷和噪聲增加。微點(diǎn)蝕現(xiàn)象的影響因素復(fù)雜，包括載荷、速度、滑動情況、溫度、接觸面形貌、膜厚比及潤滑劑的化學(xué)成分，通常出現(xiàn)在低速重載齒輪傳動中。

2.5 模型計算輸出結(jié)果

在最終生成的報告中我們可以得到小齒輪在各個工況下接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力等，如下圖。同時可以得到左右齒面的接觸疲勞損傷值，如下表6，為某車的齒輪齒面接觸疲勞損傷結(jié)果。

通過軟件計算得到的各個工況下的齒輪損傷值以及Miner法則我們可以制定與路譜損傷值相等的且等效里程為70萬公里的臺架工況，并通過實(shí)際的測試去驗證結(jié)果。

3 試驗對比驗證

3.1 臺架的搭建

將整個電驅(qū)動系統(tǒng)搭載在臺架上，按預(yù)定工況進(jìn)行可靠性考核，期間監(jiān)控運(yùn)行過程中的主要參數(shù)，如電驅(qū)系統(tǒng)電功率參數(shù)、車輪轉(zhuǎn)速扭矩、油溫及樣品振動情況等，完成預(yù)定的考核工況，考核過程中樣品未出現(xiàn)功能失效等異常，完成預(yù)定考核工況后，進(jìn)行樣品拆解。

3.2 樣品的拆解

本次等效里程的核算選取第一對齒輪中的小齒輪的損傷作為核算依據(jù)，并允許產(chǎn)生有限的齒輪點(diǎn)蝕，在拆解過程中，我們重點(diǎn)關(guān)注了小齒輪的情況，如下圖10和圖11。

如上圖11所示，我們發(fā)現(xiàn)小齒輪的齒面有部分灰斑產(chǎn)生，說明我們的校核計算結(jié)果和實(shí)際測試還是比較接近的。

4 結(jié)論

（1）通過ISO6336中的計算方式并結(jié)合Romax仿真軟件，我們設(shè)計了可以等效于路譜70萬公里的臺架工況，并通過實(shí)際的測試表明計算結(jié)果和實(shí)際測試還是比較接近的。

（2）后續(xù)需要改進(jìn)的部分：本次校核中使用系數(shù)是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的推薦值而來，實(shí)際上使用系數(shù)有結(jié)合實(shí)際使用工況而計算的方法，使用系數(shù)的選取對于結(jié)果的影響還是相對來說比較大的。之后的選取中可以通過標(biāo)準(zhǔn)中的計算方法計算得到使用系數(shù)。

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