基于Romax的電驅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展，各類不同的形式的動力總成應運而生。由于電動機特有的外特性，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并基于Romax對等效里程進行理論校核，比對整車實際路譜，設計相應的臺架工況，結合實際的測試結果，說明等效里程核算的有效性及必要性。

關鍵詞：動力總成;可靠性;Romax;疲勞損傷

中圖分類號：U467? 文獻標識碼：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

動力總成的設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是其否能夠滿足要求。實際的路譜復雜多變，整車難以完全的運行壽命需求里程，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計相應的臺架試驗工況，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。

通過對多輛實車的路譜數據分析，總結其數據特征，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，根據ISO6336第6部分中工況的處理方式對實際路譜工況進行分解，整理成為可以用來校核計算的形式。而后設計臺架工況，在Romax中建立樣品模型，運算相應工況，對比臺架和實際路譜的損傷值，折算出等效里程。

1 理論基礎及依據標準

1.1 名義應力法則（S-N曲線法）

運用名義應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，單級恒幅交變應力下零件的疲勞壽命可根據對應的應力水平下的S-N曲線查取。對于承受高于疲勞極限的循環應力作用時，假設各應力循環之間是相互獨立的，每個循環應力都產生了一定的永久損傷，這種損傷是可以線性疊加，當達到臨界值時就會發生破壞。多級應力水平下，當總損傷D'累積為1時，零件即發生疲勞破壞，即：

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

名義應力法也有不足之處：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際零件與標準試樣之間的等效關系，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;三是不同應力比R和不同應力集中系數Kt下的S-N曲線是不同的，它們的獲取需要花費大額經費，而且試驗周期很長。盡管有上述缺陷，但這種方法易于實施，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 核算依據標準

齒輪的校核計算主要依據標準是ISO6336系列《直齒輪和斜齒輪承載能力的計算》的第六部分《變化負荷下工作壽命計算》，其中主要講述了接觸應力計算中各相關系數如何計算或選擇，工況如何劃分，介紹了名義應力法則，并且列舉了一個實際齒輪傳動機構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科技公司所開發的齒輪傳功系統虛擬樣機設計分析工具軟件。主攻領域為風電行業，其他服務領域涉及汽車、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。該軟件在傳功系統領域，尤其是風電齒輪箱設計方面享有很高的知名度。

如圖5、圖6和圖7分別為設計參數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間變化。從圖中可以看到，整個卸油過程可以分為4個階段：

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個大氣壓中，液壓缸內油壓迅速下降，此時活塞彈簧力Fs小于靜摩擦力Fm和回油阻力Foil的合力，活塞靜止不動。

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

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

階段4：關閉后液壓缸壓力突降階段。活塞運動到下止點后，速度突然變為0，但油液由于慣性繼續往液壓缸外流，導致液壓缸內油壓突降，產生水錘現象。

3.2 活塞摩擦力對回油過程影響

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

如圖8為不同活塞摩擦力對液壓腔內壓力的影響對比。當活塞摩擦力為250N時，其液壓缸內油壓要較活塞摩擦力為100N的小約0.2bar，而活塞摩擦力為400N液壓缸內壓力也要較摩擦力250N時候小0.2bar，說明摩擦力增加會導致液壓缸內壓力降低。

但油壓的變化對活塞的關閉時間影響較小，如圖9所示，活塞摩擦阻力為100N時，活塞完全關閉時間為0.038s，而當活塞摩擦力為250N時，完全關閉時間為0.039s，當活塞摩擦力增大到400N時候，完成關閉時間為0.064s。活塞摩擦力400N較100N摩擦力增大了4倍，但關閉時間僅增大68%。

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

3.3 油溫變化對回油過程影響

離合器回油設計的工作溫度一般較高，如該離合器，設計油溫為90°C。但在實際工況中，偏離工作油溫的情況也是經常出現的，如常溫或低溫環境下啟動汽車，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，對比幾個典型的工作溫度，對比工況如下表2所示：

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

4 結論

（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閉時間，可以為離合器回油參數的設計提供指導。

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

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

參考文獻

[1] 任永強，張軍，劉凱.DCT離合器分離結合時間仿真分析[J].組合機床與自動化加工技術，2012（10）：36-38.

[2] 馬彪.車輛動力換擋離合器充油過程動態特性仿真[J].北京理工大學學報，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， 2013（3）：96-99.

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