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純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)載荷譜研究

2022-02-09 12:29:18·  來源：驅(qū)動(dòng)視界  
　
針對(duì)純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)變速箱與傳統(tǒng)多擋位變速箱的區(qū)別，為研究純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)載荷譜的采集及編制方法，以某純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)變速箱為研究對(duì)象，根據(jù)電動(dòng)汽車
針對(duì)純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)變速箱與傳統(tǒng)多擋位變速箱的區(qū)別，為研究純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)載荷譜的采集及編制方法，以某純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)變速箱為研究對(duì)象，根據(jù)電動(dòng)汽車客戶的應(yīng)用，調(diào)整路譜比例進(jìn)行載荷采集。
利用雨流計(jì)數(shù)法對(duì)實(shí)車測(cè)得載荷時(shí)間歷程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行全壽命載荷譜外推，結(jié)合純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)載荷分布特點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分擋，應(yīng)用疲勞等損傷理論，獲得純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)最佳的疲勞設(shè)計(jì)和臺(tái)架試驗(yàn)用載荷譜。
為純電動(dòng)汽車傳動(dòng)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。

載荷譜采集及編制作為純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)強(qiáng)度校核、可靠性設(shè)計(jì)及壽命預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)和前提，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車傳動(dòng)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(cè)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(duì)純電動(dòng)汽車僅有 1個(gè)擋位速比（個(gè) 別純電動(dòng)汽車有 2個(gè)），而且存在較為頻繁的制動(dòng)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(zhǎng)，縮短研發(fā)周期，是純電動(dòng)汽車載荷譜編制的又一關(guān)鍵問題。
文章以某純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)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(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及臺(tái)架試驗(yàn)載荷譜。
1. 純電動(dòng)汽車傳動(dòng)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(duì)零部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算分析、壽命預(yù)測(cè)、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(cè)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(cè)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(dòng)系所受的載荷，真實(shí)性較高，需要實(shí)地調(diào)查用戶對(duì)于純電動(dòng)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(dòng)汽車的設(shè)計(jì)載荷譜，基于公司大數(shù)據(jù)平臺(tái)，研究純電動(dòng)汽車用戶的實(shí)際路況信息，并根據(jù)我國(guó)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(duì)純電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)載荷分布的另一重要影響因素，綜合純電動(dòng)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(cè)試方案及信號(hào)采集
以某型純電動(dòng)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(hào)包括電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)矩。
電動(dòng)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(cè)技術(shù)進(jìn)行采集， 通過在傳動(dòng)軸上粘貼電阻應(yīng)變計(jì)作為信號(hào)的發(fā)生裝置，采用非接觸式射頻系統(tǒng)作為信號(hào)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(hào)， 部分路況的輸入轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩信號(hào)，如圖 1所示。

圖1 純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)載荷譜
2. 測(cè)試隨機(jī)載荷統(tǒng)計(jì)處理
2.1 測(cè)試載荷數(shù)據(jù)預(yù)處理
載荷譜采集完成后，需要對(duì)測(cè)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(cè)量精度檢驗(yàn)，并且需要在信號(hào)檢驗(yàn)分析前作預(yù)處理，以剔除奇異項(xiàng)和消除趨勢(shì)項(xiàng)。
載荷奇異點(diǎn)是指信號(hào)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(hào)測(cè)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(cè)載荷歷程簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)，并構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)。
4）根據(jù)雨滴流動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)汽車傳動(dòng)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(cè)過程中，由于時(shí)間和成本等多方面因素的制約，實(shí)測(cè)的載荷樣本數(shù)據(jù)是有限的。
然而，為了預(yù)測(cè)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(duì)現(xiàn)有載荷譜進(jìn)行外推統(tǒng)計(jì)是極其有必要的。
針對(duì)載荷譜測(cè)試工況的里程數(shù)，結(jié)合該純電動(dòng)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：
Flife=MF1
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(dòng)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(dòng)汽車有 2個(gè)），而且區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)主要用來驅(qū)動(dòng)汽車行駛，純電動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)存在較為頻繁的制動(dòng)能量回收工況。
如果純電動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)，縮短研發(fā)周期。
文章對(duì)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(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)載荷分布直方圖
表2 純電動(dòng)汽車傳動(dòng)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(jí)中。
Miner線性疲勞累積損傷理論因其形式簡(jiǎn)潔、計(jì)算簡(jiǎn)單及操作方便等諸多優(yōu)勢(shì)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(jí)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(duì)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(duì)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(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)載荷譜，如圖 5所示，并利用該載荷譜對(duì)某型電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)，隨后對(duì)其進(jìn)行了整車試驗(yàn)，傳動(dòng)系統(tǒng)均順利通過試驗(yàn)，為純電動(dòng)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(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)載荷譜
4. 結(jié)論
1）以某型純電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，基于公司大數(shù)據(jù)平臺(tái)，研究純電動(dòng)汽車用戶的實(shí)際路況信息，結(jié)合我國(guó)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(duì)純電動(dòng)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(duì)純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)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(duì)純電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)單擋位居多且存在頻繁的制動(dòng)能量回收工況等特點(diǎn)，提出純電動(dòng)傳動(dòng)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(zhǎng)，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?dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)載荷譜，為純電動(dòng)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。
參考文獻(xiàn)
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