純電動汽車傳動系統(tǒng)載荷譜研究

王健 姜德艷 周健 葛海龍

（上海捷能汽車技術(shù)有限公司）

載荷譜采集及編制作為純電動汽車傳動系統(tǒng)強(qiáng)度校核、可靠性設(shè)計(jì)及壽命預(yù)測的基礎(chǔ)和前提，對于實(shí)現(xiàn)電動汽車傳動系統(tǒng)核心零部件的開發(fā)設(shè)計(jì)、優(yōu)化改進(jìn)等都具有重要意義[1]。如何在有限的載荷樣本中提取出有用的載荷信息，并用一種比較穩(wěn)定可靠的方法預(yù)測整個(gè)壽命周期中的載荷分布情況，是載荷譜編制的關(guān)鍵問題[2]；同時(shí)針對純電動汽車僅有1個(gè)擋位速比（個(gè)別純電動汽車有2個(gè)），而且存在較為頻繁的制動能量回收工況的情況，在載荷譜的編制中如何確定好轉(zhuǎn)矩分擋，確保在貼近實(shí)際使用情況的前提下，盡可能地等效壓縮載荷譜時(shí)長，縮短研發(fā)周期，是純電動汽車載荷譜編制的又一關(guān)鍵問題。文章以某純電動汽車傳動系統(tǒng)為研究對象，通過載荷數(shù)據(jù)的采集、統(tǒng)計(jì)、分析，并提出轉(zhuǎn)矩分擋方法，有效解決了以上2個(gè)關(guān)鍵問題，編制出適用于純電動汽車傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及臺架試驗(yàn)載荷譜。

1 純電動汽車傳動系統(tǒng)隨機(jī)載荷譜采集

載荷譜是指產(chǎn)品工作過程中所受的載荷-時(shí)間歷程，是對零部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析、壽命預(yù)測、可靠性設(shè)計(jì)等研究的重要依據(jù)和基礎(chǔ)條件[3]。受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)或開發(fā)周期等各種外界條件的限制，在載荷譜實(shí)測的過程中很難得到整個(gè)工作壽命周期內(nèi)的載荷-時(shí)間歷程。因此，在載荷樣本的獲取過程中往往是盡可能選取有代表性的工況進(jìn)行測試。

1.1 實(shí)際用戶道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方案

用戶道路試驗(yàn)載荷數(shù)據(jù)來源于用戶實(shí)際使用過程中汽車傳動系所受的載荷，真實(shí)性較高，需要實(shí)地調(diào)查用戶對于純電動汽車的使用狀況，依此確定試驗(yàn)道路的種類、不同路況的比例等。為較為準(zhǔn)確地獲取純電動汽車的設(shè)計(jì)載荷譜，基于公司大數(shù)據(jù)平臺，研究純電動汽車用戶的實(shí)際路況信息，并根據(jù)我國道路情況調(diào)整傳統(tǒng)道路試驗(yàn)的路譜組成比例，從而形成針對純電動汽車行駛特點(diǎn)所特有的道路采集方案，盡可能提高樣本數(shù)據(jù)的精確可靠性。文章選取高速工況（25%）、城市A工況（30%）、城市B工況（30%）及鄉(xiāng)村工況（15%）的綜合路面信息作為載荷采集的道路譜。

在基于路譜進(jìn)行載荷數(shù)據(jù)采集時(shí)，整車配重是傳動系統(tǒng)載荷分布的另一重要影響因素，綜合純電動汽車客戶端使用情況，在試驗(yàn)時(shí)將整車配重分為4種，如表1所示。

表1 路譜試驗(yàn)配載表

1.2 測試方案及信號采集

以某型純電動車作為目標(biāo)車，在不同路況條件下進(jìn)行載荷譜采集，需要采集的信號包括電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及傳動系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)矩。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速采用霍爾傳感器進(jìn)行采集；輸入轉(zhuǎn)矩采用非接觸式遙測技術(shù)進(jìn)行采集，通過在傳動軸上粘貼電阻應(yīng)變計(jì)作為信號的發(fā)生裝置，采用非接觸式射頻系統(tǒng)作為信號的傳輸與接收裝置。經(jīng)過試驗(yàn)，初步得到了較為理想的各路試驗(yàn)信號，部分路況的輸入轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號，如圖1所示。

圖1 純電動汽車傳動系統(tǒng)載荷譜

2 測試隨機(jī)載荷統(tǒng)計(jì)處理

2.1 測試載荷數(shù)據(jù)預(yù)處理

載荷譜采集完成后，需要對測試所得的載荷-時(shí)間歷程進(jìn)行數(shù)據(jù)平穩(wěn)性檢驗(yàn)、各態(tài)歷經(jīng)性檢驗(yàn)、正態(tài)分布檢驗(yàn)及測量精度檢驗(yàn)，并且需要在信號檢驗(yàn)分析前作預(yù)處理，以剔除奇異項(xiàng)和消除趨勢項(xiàng)。載荷奇異點(diǎn)是指信號數(shù)據(jù)的變化不符合正常變化規(guī)律發(fā)生的突變現(xiàn)象，通常奇異點(diǎn)的產(chǎn)生與信號測量、記錄、模數(shù)轉(zhuǎn)換及傳輸過程中的干擾和偶然因素有關(guān)[4]。去除奇異點(diǎn)首先需要合理地選出奇異點(diǎn)，文章主要采用標(biāo)準(zhǔn)方差檢驗(yàn)法進(jìn)行奇異值剔除。

2.2 雨流計(jì)數(shù)法

雨流計(jì)數(shù)法又稱為“塔頂法”，主要用于工程領(lǐng)域，特別是在疲勞壽命計(jì)算中運(yùn)用非常廣泛[5]。雨流計(jì)數(shù)法的主要優(yōu)點(diǎn)是，認(rèn)為塑性變形的存在是疲勞損傷產(chǎn)生的必要條件，且其塑性性質(zhì)表現(xiàn)為應(yīng)力-應(yīng)變的遲滯回線，在計(jì)數(shù)原則上有一定的力學(xué)基礎(chǔ)。其主要功能是把實(shí)測載荷歷程簡化為若干個(gè)載荷循環(huán)，供疲勞壽命估算和編制疲勞試驗(yàn)載荷譜使用。它以雙參數(shù)法為基礎(chǔ)，考慮了動強(qiáng)度和靜強(qiáng)度2個(gè)變量，符合疲勞載荷本身固有的特性。

雨流計(jì)數(shù)法原理為：1）將載荷歷程曲線旋轉(zhuǎn)90°放置，如圖2所示，將載荷歷程看作多層屋頂，有雨流滴沿最大峰或谷處開始往下流。2）起始于波谷的雨流，遇到比它更低的谷值便停止；起始于波峰的雨流，遇到比它更高的峰值便停止。3）當(dāng)雨流遇到來自上面屋頂流下的雨時(shí)就停止流動，并構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)。4）根據(jù)雨滴流動的起點(diǎn)和終點(diǎn)，畫出各個(gè)循環(huán)，將所有循環(huán)逐一取出來，并記錄其峰谷值。5）每一雨流的水平長度可以作為該循環(huán)的幅值。

圖2 雨流計(jì)數(shù)法示意圖

3 純電動汽車傳動系統(tǒng)載荷譜編制

3.1 載荷譜的外推

在載荷譜的編制和疲勞壽命預(yù)測過程中，由于時(shí)間和成本等多方面因素的制約，實(shí)測的載荷樣本數(shù)據(jù)是有限的。然而，為了預(yù)測零部件全壽命內(nèi)的疲勞破壞情況，這些有限的樣本數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此對現(xiàn)有載荷譜進(jìn)行外推統(tǒng)計(jì)是極其有必要的。針對載荷譜測試工況的里程數(shù)，結(jié)合該純電動汽車的全壽命里程要求，采取按里程外推法進(jìn)行外推[6]，外推的頻次矩陣（Flife）計(jì)算方法為：

式中：F1——樣本載荷統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)的頻次矩陣；

M——比例系數(shù)。

3.2 轉(zhuǎn)矩分擋

純電動汽車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車有多個(gè)擋位和速比，其僅有1個(gè)擋位速比（個(gè)別純電動汽車有2個(gè)），而且區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的傳動系統(tǒng)主要用來驅(qū)動汽車行駛，純電動汽車的傳動系統(tǒng)存在較為頻繁的制動能量回收工況。如果純電動汽車載荷譜的編制依舊延用傳統(tǒng)方法采用最大轉(zhuǎn)矩進(jìn)行加速，將導(dǎo)致整個(gè)變速箱始終工作在峰值轉(zhuǎn)矩的極端情況下，產(chǎn)生諸多不必要的損傷，考核過于嚴(yán)苛，不符合實(shí)際使用情況。因此，純電動汽車載荷譜的編制過程中需要確定好轉(zhuǎn)矩分擋，在確保貼近實(shí)際使用情況的前提下盡可能地等效壓縮載荷譜時(shí)長，縮短研發(fā)周期。文章對使用雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)外推后的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì)，如圖3所示，并確定該車型的轉(zhuǎn)矩分擋情況，如表2所示。

圖3 純電動汽車傳動系統(tǒng)載荷分布直方圖

表2 純電動汽車傳動系統(tǒng)載荷譜轉(zhuǎn)矩分擋情況

3.3 設(shè)計(jì)載荷譜的等損傷轉(zhuǎn)化

實(shí)車采集及外推出的載荷譜都是全轉(zhuǎn)矩、全轉(zhuǎn)速范圍分布較為分散的離散點(diǎn)，載荷譜的編制原則是保證等損傷的同時(shí)將這些離散的載荷數(shù)據(jù)整合到分好的轉(zhuǎn)矩等級中。Miner線性疲勞累積損傷理論因其形式簡潔、計(jì)算簡單及操作方便等諸多優(yōu)勢在工程可靠性領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用[7]。

假設(shè)Si為第i級載荷幅值，ni為該載荷幅值的循環(huán)數(shù)。根據(jù)材料的S-N曲線（如圖4所示），獲得Si所對應(yīng)的壽命（Ni），其產(chǎn)生的損傷量（Di）為：Di=ni/Ni。然后在材料S-N曲線中查得目標(biāo)載荷幅值（Tj）所對應(yīng)的疲勞壽命（Nj）。根據(jù)等量損傷原則和Palmgren-Miner法則可以得到：

式中：nj——Tj的循環(huán)數(shù)。

圖4 材料S-N曲線

按照前面所述方法獲取并編制了某純電動汽車傳動系統(tǒng)載荷譜，如圖5所示，并利用該載荷譜對某型電動汽車傳動系統(tǒng)進(jìn)行了室內(nèi)臺架試驗(yàn)，隨后對其進(jìn)行了整車試驗(yàn)，傳動系統(tǒng)均順利通過試驗(yàn)，為純電動汽車傳統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證提供了有效的依據(jù)及支撐。

圖5 純電動汽車傳動系統(tǒng)載荷譜

4 結(jié)論

1）以某型純電動汽車為研究對象，基于公司大數(shù)據(jù)平臺，研究純電動汽車用戶的實(shí)際路況信息，結(jié)合我國道路情況調(diào)整傳統(tǒng)道路試驗(yàn)的路譜組成比例，形成針對純電動汽車行駛特點(diǎn)所特有的道路采集方案，提高載荷樣本數(shù)據(jù)的精確可靠性。

2）對純電動汽車傳動系統(tǒng)測試的載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入處理分析，選擇雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法進(jìn)行了載荷頻次統(tǒng)計(jì)，采用按里程外推法將雨流計(jì)數(shù)的載荷頻次外推到全壽命周期內(nèi)。

3）針對純電動汽車傳動系統(tǒng)單擋位居多且存在頻繁的制動能量回收工況等特點(diǎn)，提出純電動傳動系統(tǒng)載荷譜編制過程中的轉(zhuǎn)矩分擋原則，在確保貼近實(shí)際使用情況的前提下盡可能地等效壓縮載荷譜時(shí)長，縮短研發(fā)周期。

4）通過Miner線性累積損傷理論，結(jié)合齒輪軸承等材料S-N曲線，將外推載荷等損傷轉(zhuǎn)化到不同轉(zhuǎn)矩?fù)踔校幹瞥黾冸妱悠噦鲃酉到y(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)載荷譜，為純電動汽車傳統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)及試驗(yàn)驗(yàn)證提供了有效的依據(jù)及支撐。