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計分析，確定長春地區市區、郊區及高速公路等路面采集的比例關系，為混合動力車型路譜采集提供依據。

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，確定用戶工況數據中各擋位齒輪最大損傷與路面比例的對應關系。

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。通過用戶路譜數據與試驗場路譜數據對比分析，得到等效用戶使用壽命的傳動系統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，它關系著離合器、變速器、驅動電機及動力電池等關鍵部件的產品成熟度。目前國外已有非常成熟的試驗方法，但多為企業機密，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務之急，科學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品開發的重點和難點。本文以自主紅旗H7混合動力車型為研究對象，應用CAN總線測試、數理統計、可靠性壽命預測、疲勞損傷等先進技術及理論，進行用戶路譜及傳統車試驗場路譜測試，經過兩者比對分析，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耐久性試驗方法。

1 紅旗H7混合動力車型構型簡介

紅旗H7混合動力車型為前置后驅并聯式強混構型，主要由發動機、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動電機組成，發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輸出端與后橋驅動軸連接，DCT變速器由奇數軸離合器、偶數軸離合器、各擋結合齒輪、同步器及輸出軸等構成，其中五擋齒輪處于常嚙合狀態。紅旗H7混合動力車型構型如圖1所示。

圖1 H7 PHEV車型結構簡圖

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)社會調查法，通過調查了解用戶的各種使用工況數據信息，綜合整理分析路況比例；

2)現場試驗法，實地采集長春地區及試驗場真實路譜信息，進行分析；

3)數理統計法，通過使用軟件及數理統計，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部件偽損傷，補充混合動力車型工作模式，調整工況，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 用戶路面比例統計

通過調查典型地區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。工況調查主要包括市區、郊區、高速公路及壞路等，地區調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。調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、駕駛員信息等。經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，結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，用戶路面比例統計如表1所示。

表1 用戶路面比例統計/%

3.1.2 用戶路面比例統計分析

將上述表1數據應用Minitab軟件進行頻數累計統計，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 市區工況

圖4 郊區工況

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主要包括CCM、輸入軸、DCT、輸出軸、主減速器、差速器、驅動軸。經測試對比可知，CAN總線數據信號與真實值偏差很小，因此選取CAN總線數據進行計算。由于此混合動力車型傳動系耐久性試驗方法以傳統車試驗方法為基礎進行制定，因此主要采集傳動系中的關鍵參數進行測量，如變速器輸入軸扭矩、轉速等，得出輸入軸、變速器各擋位齒輪的偽損傷，求出強化系數，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 用戶工況路譜數據采集

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，因此選擇長春地區進行路譜數據采集，采集路況里程及路線如表3所示，包含市區、市郊、高速公路及連接路段等。對數據時域信號進行去毛刺處理（Skipe Filter），時域信號如圖7所示。

表3 用戶數據

圖7 用戶數據時域信號

3.2.2 試驗場工況路譜數據采集

按傳統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，其一是連續變速工況，其二是持續高速行駛工況，二者交替進行，直至依據傳動系壽命設定相應的循環數。由于是重復循環試驗，因此僅采集幾個循環工況的數據即可。試驗場部分數據時域信號所圖8所示。

3.3 用戶偽損傷計算

3.3.1 偽損傷計算理論依據

使用LMSTecWare軟件進行數據處理。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方法有幅值計數法、穿級計數法、雨流計數法等，其中雨流計數法對載荷或應變歷程進行計數的過程反映了材料的記憶特性，具有明確的力學特征，得到了廣泛認可，因此本次損傷計算使用雨流計數法。

圖8 試驗場部分數據時域信號

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

其中:l——變幅載荷的應力水平等級

ni——第i級載荷的循環次數

Ni——第i級載荷下的疲勞壽命

當損傷積累到了臨界值Df時，即時，就發生疲勞破壞。

由于輸入軸及齒輪在傳遞扭矩時，每轉一圈，齒輪上每個結合齒只傳遞一次扭矩，因此可使用輸入軸轉速及扭矩、運用雨流計數法、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，外推系數選取應符合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用，尤其適用于機電類產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，被廣泛應用于各種壽命試驗的數據處理中。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。根據核密度估計理論，將實際采集數據的損傷進行全壽命外推系數計算，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

依據上述方法，同理計算紅旗H7混合動力車型按傳統車傳動系耐久性試驗工況的偽損傷，得到傳統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 用戶工況數據處理

4.1.1 用戶工況平均損傷計算

根據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據進行中位數95%估計，確定對各擋位考核最強的工況。市區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

根據用戶平均損傷數據，對各擋位平均損傷大小進行排序，排序結果如表6所示。

傳統車傳動系統耐久性試驗規范等效用戶16萬公里，因此，假定用戶里程16萬公里時，根據表2及表6數據，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

根據表2、表7結果，計算用戶偽損傷數據的外推系數，并使用LMSTecWare軟件對數據進行外推。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，屬于非參數檢驗。由于核密度估計方法不利用有關數據分布的先驗知識，對數據分布不施加任何假定，是一種從數據樣本本身出發研究數據分布特征的方法，在統計學理論和應用領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，能夠從數據的本身出發對數據進行擴展。外推系數如表8～表9所示。

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

表8 損傷外推系數

表9 損傷外推系數

表10 總損傷威布爾分布估計

4.2 試驗場工況數據處理

4.2.1 試驗工況偽損傷計算

傳統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。根據傳統車傳動系統耐久性試驗規范在農安汽車試驗場采集工況數據，計算偽損傷。

4.2.2 試驗工況外推系數計算

根據實際采集的工況循環數與傳動系耐久性試驗規范規定的循環數，計算各考核樣件偽損傷外推系數。

4.2.3 試驗工況偽損傷外推

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

4.3 強化系數計算

將傳統車傳動系統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，如表12所示。

圖9 用戶雨流計數

圖10 用戶外推后雨流計數

續表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、發動機驅動模式、聯合驅動模式、行車發電模式、再生制動模式（能量回收）、機械制動模式。經分析，與傳統車不同的工作模式為純電動模式、聯合驅動模式及再生制動模式。

表12 強化系數

純電動模式及聯合驅動模式在低速大扭矩輸出的特點會對傳動系統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內由50 N·m升到200 N·m，而此時發動機扭矩剛剛由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正負交變載荷(圖12)，正負交變載荷比單向載荷對零部件壽命產生更大的影響，其中再生制動模式輸入軸扭矩與車速關系如表13所示。

表13 再生制動模式輸入軸扭矩與車速關系

圖11 H7 PHEV聯合驅動模式

圖12 H7 PHEV再生制動模式

4.4.2 工況調整

根據表12所示強化系數及紅旗H7混合動力車型工作模式分析，在原有傳統車傳動系耐久性試驗規范的基礎上做出如下調整：

1)在T1工況中增加低速大扭矩輸出工況，考核傳動系統耐扭矩沖擊能力。

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。

調整后傳動系耐久性試驗規范工況如圖13、14。

5 結果分析

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的試驗場耐久性試驗方法。

2)本次傳動系耐久性規范研究中，將反拖齒側的損傷也作為重要的指標進行分析，并制定相應的反拖工況，使混合動力系統傳動系耐久試驗驗證更全面準確。

3)本次規范中考慮到低速大扭矩輸出對傳動系統會形成較大的載荷沖擊，因此設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車傳動系耐久性試驗工況偽損傷，明確了傳統車傳動系耐久性試驗規范的局限性，為產品開發提供依據。

5)應用Minitab軟件進行例用戶頻數累加分析，在Miner疲勞理論基礎上，應用LMSTecWare軟件進行損傷計算，并應用威布爾分布進行損傷估計，保證了規范制定的規范性、科學性。

5.2 不足

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

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。