劉新田,　鄭松林,　陳　鐵,　馮金芝

(1.上海理工大學 機械工程學院,上?！?00093; 2.機械工業(yè)汽車機械零部件強度與

可靠性評價重點實驗室,上?！?00093; 3.上海工程技術(shù)大學 汽車工程學院,上?！?01620)

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基于低載強化的輪邊減速系統(tǒng)耐久性試驗研究

劉新田1,3,鄭松林1,2,陳鐵1,馮金芝1,2

(1.上海理工大學 機械工程學院,上海200093; 2.機械工業(yè)汽車機械零部件強度與

可靠性評價重點實驗室,上海200093; 3.上海工程技術(shù)大學 汽車工程學院,上海201620)

摘要：基于上海市標準道路循環(huán)工況,外推輪邊減速系統(tǒng)關(guān)鍵部件載荷譜.根據(jù)材料低載強化特性確定減速系統(tǒng)磨合試驗規(guī)范.基于Miner線性累積損傷理論,制定了電驅(qū)動系統(tǒng)耐久性試驗規(guī)范,預(yù)估了減速系統(tǒng)耐久性里程.實施了耐久性臺架試驗,試驗結(jié)果表明:樣機滿足設(shè)計的耐久性里程要求,齒輪的彎曲疲勞強度具有足夠的可靠性儲備,具有一定的輕量化空間.在保證可靠性、耐久性的前提下,該方法為汽車關(guān)鍵零部件的輕量化提供參考.

關(guān)鍵詞：輪邊減速系統(tǒng); 耐久性試驗; 載荷譜; 低載強化

面對全球能源短缺和城市空氣污染日益嚴重的嚴峻形勢,電動汽車已成為可持續(xù)發(fā)展的新能源車型之一.隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的逐漸突破,電驅(qū)動系統(tǒng)引入車輪,構(gòu)成了非簧載質(zhì)量的主體,可以降低車輪附近的車架和整車的重心,減輕整車質(zhì)量,提高車輛行駛穩(wěn)定性.在性能和節(jié)能環(huán)保方面,與內(nèi)燃機車輛相比,電動汽車具有不可替代的優(yōu)勢.

車輛的可靠性、耐久性與整車及其零部件的失效、壽命、維修及安全息息相關(guān)[1].從20世紀60年代后期,國外學者開始研究快速評價技術(shù)[2].隨著疲勞損傷機理的研究和工程應(yīng)用[3],很多汽車企業(yè)都制定了汽車零部件的功能性和耐久性評價規(guī)范,例如:大眾汽車公司的變速箱耐久性試驗規(guī)范(磨合35 min后,發(fā)動機最大扭矩下加載試驗70 min,當量于用戶實際使用30×104km);鈴木汽車的前橋(250%靜載荷下100萬次)和后橋(200%靜載荷下100萬次)臺架試驗規(guī)范;切諾基越野車的傳動軸臺架試驗規(guī)范(2.0倍的額定輸入扭矩下30萬次)等.

我國在汽車耐久性試驗方面的研究起步較晚,長春汽車研究所估算了解放牌汽車關(guān)鍵零部件的疲勞壽命,獲得了實車壽命和臺架試驗?zāi)M壽命之間的當量關(guān)系[4].東風汽車公司與德國弗勞恩霍夫協(xié)會結(jié)構(gòu)耐久性與系統(tǒng)可靠性研究所合作,獲取了中國典型道路試驗載荷譜,研究了卡車關(guān)鍵零部件的疲勞壽命.顧柏良等[5]提出了基于遠程參數(shù)控制的汽車室內(nèi)道路模擬試驗方法.王德俊等[6]總結(jié)了疲勞載荷譜編制準則.高鎮(zhèn)同等[7]開展了機械結(jié)構(gòu)件的疲勞可靠性研究.鄭松林等[8-10]根據(jù)低幅載荷的鍛煉效應(yīng),建立了隨機譜載荷作用下的疲勞壽命預(yù)估模型,充分發(fā)揮了結(jié)構(gòu)件的強度潛能,為產(chǎn)品研發(fā)人員設(shè)計質(zhì)量更輕的汽車零部件提供參考.近年來,國內(nèi)外學者在電驅(qū)動系統(tǒng)可靠性、耐久性試驗方法等方面的研究還不夠深入,缺乏完善的輪邊電驅(qū)動系統(tǒng)耐久性試驗方法和判斷標準[11].

考慮到輪邊減速系統(tǒng)載荷譜不易測取,且在整車開發(fā)試制之前不能實現(xiàn)道路試驗,可以采用臺架試驗開展減速系統(tǒng)耐久性壽命研究.基于標準道路循環(huán)工況,考慮材料的低載強化特性,制訂了磨合規(guī)范和耐久性試驗規(guī)范,完成了室內(nèi)快速耐久性臺架試驗,提出了輪邊減速系統(tǒng)耐久性試驗與評價方法.

1輪邊減速系統(tǒng)

輪邊/輪轂電驅(qū)動系統(tǒng)包括電機系統(tǒng)、減速系統(tǒng)等,如圖1所示.輪邊減速系統(tǒng)質(zhì)量作為簧下質(zhì)量的一部分,它直接承受來自路面的沖擊與振動,這導(dǎo)致輪邊減速系統(tǒng)的工況更加惡劣.汽車在行駛過程中,路面的各向作用力由輪胎傳至輪轂,并由輪轂軸承傳遞至減速器殼體上,最后通過懸架傳遞至車架.減速系統(tǒng)殼體要承受制動力矩、縱向力、垂向力、側(cè)向力及電機轉(zhuǎn)矩的反力矩,受力情況比較復(fù)雜.制動力矩通過制動底板傳遞至減速器殼體,側(cè)向力則通過輪轂、輪轂軸承傳遞至減速器殼體,并通過懸架傳遞至車架[12-13].

圖1　電驅(qū)動系統(tǒng)

2齒輪載荷譜

2.1載荷分布特性

根據(jù)汽車行駛方程式和標準道路循環(huán)工況[14],確定減速系統(tǒng)及零件載荷.在怠速時,驅(qū)動電機與減速系統(tǒng)動力分離,各零部件不受載荷作用,剔除怠速工況載荷.刪除怠速工況后,減速系統(tǒng)輸入載荷譜如圖2所示.T為扭矩,t為時間.

圖2　減速系統(tǒng)輸入載荷譜

采用雨流計數(shù)法得到減速系統(tǒng)輸入扭矩幅值-概率直方圖,如圖3所示.f為概率,T為扭矩.由圖3可知,樣本最大扭矩幅值較小(30 N·m),這是因為樣本容量有限.在低扭和高扭區(qū)域各出現(xiàn)一個峰值,呈現(xiàn)混合分布狀態(tài).低、高扭矩相互耦合,頻次互相疊加,出現(xiàn)很不明顯的中扭區(qū)域(14 ～18 N·m).

圖3　減速系統(tǒng)輸入扭矩幅值-概率直方圖

2.2外推極值載荷

在減速系統(tǒng)工作過程中,極值載荷通常表現(xiàn)為齒輪受到的沖擊載荷.圖3所示載荷樣本較少,利用統(tǒng)計學理論外推載荷樣本至更廣泛的范圍內(nèi),獲取在該工況下減速系統(tǒng)的極大載荷,這樣既可以反映載荷分布特征,也防止漏測不常出現(xiàn)的極大載荷.

研究表明,106次超值累積循環(huán)對于包括很少發(fā)生的最嚴重情況在內(nèi)的全部載荷具有足夠的代表性[15],采用表達式(1)描述.

(1)

式中:F(·)表示累積分布函數(shù);Tmax為載荷樣本統(tǒng)計時的最大扭矩.

根據(jù)式(1),將第二級減速輸入(目標齒輪)的超值累積頻次擴展到106次循環(huán)時,外推后最大扭矩Tmax=206 N·m.

外推前后累積頻次分布對比如圖4所示.N為累計頻次.

圖4　外推前后累積頻次分布對比圖

2.3編制載荷譜

根據(jù)減速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù),目標齒輪的彎曲疲勞強度較薄弱.采用Morrow直線修正法[7],通過式(2)～(4)將目標齒輪的應(yīng)力均值向應(yīng)力幅值轉(zhuǎn)換,外推后對應(yīng)的彎曲應(yīng)力幅值、頻次如表1所示.外推后齒根最大彎曲應(yīng)力為疲勞極限的185.4%,超過疲勞極限的循環(huán)次數(shù)占總次數(shù)的39.51%.

表1　外推后目標齒輪彎曲應(yīng)力幅值和頻次表

(2)

(3)

(4)

式中:S1 000為1 000次循環(huán)時的疲勞強度;Sbe為試件疲勞極限;b為疲勞強度指數(shù);S1和N1分別為高周疲勞區(qū)S-N(應(yīng)力和疲勞壽命)曲線上任意點的應(yīng)力幅值和疲勞損傷循環(huán)次數(shù),S2和N2分別為高周疲勞區(qū)S-N曲線上的確定應(yīng)力幅值和當量疲勞損傷循環(huán)次數(shù);S′f為疲勞強度系數(shù);Sa為應(yīng)力幅值;Nf為疲勞壽命.

根據(jù)Miner線性累積損傷原則和表1中的數(shù)據(jù),繪制目標齒輪彎曲應(yīng)力-累積頻次圖如圖5所示.

完成外推載荷譜,制定壽命試驗準則:省略低于材料疲勞極限的小載荷循環(huán),將光滑試件疲勞極限的50%作為切口試驗的過濾門檻值,忽略門檻值內(nèi)小循環(huán)載荷[4].根據(jù)小載荷刪除原則,刪除應(yīng)力幅值小于等于98.2 MPa的載荷,如圖5所示.σ為結(jié)構(gòu)件所受應(yīng)力.

圖5　齒輪齒根彎曲應(yīng)力-累積頻次圖

根據(jù)齒輪彎曲應(yīng)力計算的經(jīng)驗公式,確定了扭矩和應(yīng)力的對應(yīng)關(guān)系.在刪除小載荷基礎(chǔ)上,根據(jù)等損傷準則[16-17],將幾個載荷引起的損傷與某一載荷等效,制定了目標齒輪9級載荷譜,如表2所示.

表2　目標齒輪扭矩載荷譜

3耐久性試驗

3.1磨合規(guī)范

某些金屬材料或結(jié)構(gòu)的低載強化特性研究表明,在某一最佳強化載荷下,材料或結(jié)構(gòu)的疲勞壽命隨低載磨合時間的變化趨勢如圖6所示[8],其中,Nmax為齒輪在最佳磨合次數(shù)下的疲勞壽命,N0為齒輪初始壽命.B為零件疲勞壽命最高值,C為零件疲勞壽命最低點,A為某工作載荷下零件初始的疲勞壽命,t為磨合時間(或次數(shù)).齒輪低載強化的試驗結(jié)果表明,低于疲勞極限的某一強化低幅載荷在適當?shù)膹娀螖?shù)下,齒輪的彎曲疲勞強度和疲勞壽命能夠得到不同程度的提高[9].如果在輪邊減速系統(tǒng)磨合期間內(nèi),使用最佳強化載荷和強化次數(shù)作為齒輪的磨合載荷和磨合時間,則減速器磨合結(jié)束后,變速箱的強度和壽命會得到提高.合理制訂減速系統(tǒng)的磨合規(guī)范,不但可以改善減速器齒輪的嚙合,提高傳動系齒輪的疲勞壽命,還可以選擇合適的磨合程序進行強化,使減速器滿足不同型號電動汽車對不同強度減速器耐久性的需求.

根據(jù)大量的低載強化試驗和疲勞強度驗證試驗結(jié)果[9],齒輪的S-N曲線采用式(5)描述.

σ=676.907 5-50.476 7lgn

(5)

式中,n為結(jié)構(gòu)件疲勞壽命.

參照變速箱磨合要求和疲勞壽命與低載磨合循環(huán)次數(shù)的關(guān)系,按減速系統(tǒng)疲勞極限的60%～70%磨合,使得齒輪的彎曲疲勞進入高周循環(huán),接觸次數(shù)應(yīng)大于10萬次,15萬次更佳.由于目標齒輪彎曲疲勞強度相對薄弱,若其滿足耐久性指標,則車輛在服役的過程中,其他齒輪都不會失效.參照目標齒輪彎曲疲勞強度和式(5),確定變速箱的疲勞極限為123 N·m(300 MPa),電機輸入轉(zhuǎn)矩為36 N·m(60%×60 N·m)或39 N·m(65%×60 N·m).制定的減速系統(tǒng)磨合程序如表3所示.

圖6　疲勞壽命與低載磨合循環(huán)次數(shù)關(guān)系

表3　減速系統(tǒng)磨合程序

3.2耐久性試驗規(guī)范

根據(jù)Miner線性累積損傷理論和目標齒輪扭矩載荷譜(表2),預(yù)估減速系統(tǒng)耐久性里程為3 000 km時的齒輪損傷

D=∑di=0.012 654 779

式中,di為第i載荷級下的損傷.

累積循環(huán)50個載荷塊,耐久性里程達到15×104km(減速系統(tǒng)耐久性指標),目標齒輪疲勞損傷為0.632 789 43,其損傷值小于1.目標齒輪損傷結(jié)果如表4所示.

表4　確定減速系統(tǒng)耐久性試驗規(guī)范過程

當損傷和達到1時,減速系統(tǒng)耐久性里程為24×104km,為目標值的1.6倍.根據(jù)Miner線性累積損傷假設(shè),該齒輪滿足耐久性要求.

在大扭矩下,由于臺架冷卻系統(tǒng)不能滿足減速系統(tǒng)冷卻要求、測功系統(tǒng)測試最大扭矩值偏小等原因,試驗載荷采用單級載荷.根據(jù)表2和表4制定了減速系統(tǒng)耐久性試驗程序如表5所示.在表5中,根據(jù)電機轉(zhuǎn)速和扭矩關(guān)系,確定了試驗轉(zhuǎn)速;根據(jù)損傷、疲勞壽命次數(shù)、試驗轉(zhuǎn)速等參數(shù)確定了試驗時間.

表5　減速系統(tǒng)耐久性試驗程序

3.3臺架搭建與測試

減速系統(tǒng)耐久性試驗臺架由測功系統(tǒng)(大功率伺服電機和飛輪)、電驅(qū)動系統(tǒng)(驅(qū)動電機和減速系統(tǒng))、dSPACE Simulator系統(tǒng)(上位機和控制器)、JN 338型智能數(shù)字式轉(zhuǎn)速扭矩測量儀、MK-D電動汽車電機控制器測試專用電源及冷卻系統(tǒng)等組成,如圖7所示.該臺架選用日本安川伺服電機(SGMGH-1EACA61)為測功系統(tǒng)電機,伺服電機控制器型號為SGMGH-1EADA,采用上海電驅(qū)動有限公司試制的235TYZ-XS02B型永磁同步電機為電驅(qū)動系統(tǒng)加載,利用dSPACE-Simulator硬件開展在環(huán)仿真模擬,選擇扭矩和速度模式共同控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速.

圖7　減速系統(tǒng)耐久性試驗臺架

根據(jù)齒輪工作過程中受載相對平穩(wěn)、單一的特點,將減速系統(tǒng)殼體通過螺栓、夾具等固連在底板上,利用驅(qū)動電機加載.在磨合過程中,采用表3中的方案2進行減速系統(tǒng)磨合,總的磨合轉(zhuǎn)數(shù)為92 201轉(zhuǎn),略大于磨合規(guī)范中的轉(zhuǎn)數(shù),保證減速系統(tǒng)零部件充分接觸、摩擦與定型.

根據(jù)試驗規(guī)范開展減速系統(tǒng)耐久性試驗.驅(qū)動電機的過熱保護溫度為130 ℃,給定驅(qū)動電機扭矩為60 N·m,實際扭矩為62 N·m,扭矩差為+2 N·m;轉(zhuǎn)速為2 500 r/min,轉(zhuǎn)速差為-54～+58 r/min.在試驗過程中,采集驅(qū)動電機、減速系統(tǒng)和測功電機信號,如圖8和圖9所示.w為轉(zhuǎn)速.同時實時檢測了驅(qū)動電機的工作溫度及減速系統(tǒng)中潤滑油的溫度,確保安全試驗.

圖8　減速系統(tǒng)耐久性試驗轉(zhuǎn)速-時間圖

圖9　減速系統(tǒng)耐久性試驗扭矩-時間圖

以扭矩60 N·m、轉(zhuǎn)速2 500 r/min加載試驗135 min的過程中,減速系統(tǒng)沒有出現(xiàn)任何異常狀況,且電機溫度和減速器冷卻油溫均在正常范圍內(nèi).在試驗結(jié)束后,檢查減速系統(tǒng)殼體及關(guān)鍵零部件,未發(fā)現(xiàn)失效.結(jié)合理論計算和試驗驗證,減速系統(tǒng)齒輪滿足所規(guī)定的耐久性要求,而且電驅(qū)動系統(tǒng)齒輪齒根彎曲疲勞強度過剩,具有足夠的可靠度儲備.

4耐久性試驗評價

以輪邊/輪轂減速系統(tǒng)為載體,提出了減速系統(tǒng)耐久性評價流程,如圖10所示.基于標準道路循環(huán)工況,獲取目標齒輪載荷譜,運用材料低載強化特性確定了磨合試驗規(guī)范,利用Miner線性疲勞累計損傷理論[7]制訂了耐久性試驗規(guī)范,并通過臺架試驗驗證了減速系統(tǒng)耐久性.同時,利用應(yīng)力-強度干涉理論進行齒輪可靠性分析.

根據(jù)輪邊減速系統(tǒng)耐久性試驗評價(圖10),完成該減速系統(tǒng)載荷分析、試驗規(guī)范制定和試驗臺架搭建,并對試驗結(jié)果進行討論.

圖10　輪邊減速系統(tǒng)耐久性試驗評價

5結(jié)論

a. 在標準道路循環(huán)工況下,預(yù)估該樣機齒輪在99%可靠度下耐久性壽命能達到甚至超過24×104km,為預(yù)期壽命的1.6倍,齒根彎曲疲勞強度具有足夠的可靠性儲備,具有一定的輕量化空間.

b. 利用材料的低載強化特性,制定了試驗?zāi)ズ弦?guī)范,實施了臺架耐久性試驗,臺架試驗135 min(損傷值為0.63)當量于上海市城市道路上行駛15×104km,試驗結(jié)果表明,樣機滿足耐久性壽命要求.

c. 基于案例提出了減速系統(tǒng)耐久性試驗評價方法.在保證可靠性、耐久性的前提下,該方法為汽車關(guān)鍵零部件的可靠性和輕量化設(shè)計提供參考,也為開發(fā)滿足標準道路循環(huán)工況的汽車關(guān)鍵零部件提供技術(shù)依據(jù).

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Durability Test of Hub Reducer System Based on Low Load Strengthening

LIU Xintian1,3,ZHENG Songlin1,2,CHEN Tie1,FENG Jinzhi1,2

(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai,200093,China;2.CMIF Key Lab for Automotive Strength & Reliability Evaluation,Shanghai,200093,China;3.School of Automotive Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)

Abstract：Based on the working conditions of Shanghai standard road driving cycle,the load spectrum for the key components of wheel deceleration system was extrapolated.According to the strengthening effect of low amplitude loads,the running-in test specification for the reducer system was issued.A durability test specification was developed based on the Miner rule and the deceleration system durability mileage was estimated.The bench test for durability shows that the prototype design satisfies the durability mileage requirement,and the bending fatigue strength of the gear is of sufficient reliability,which gives the possibility for further light weight design.Under the prerequisite of assuring the reliability and durability requirements,the method can be applied in the light weight design of other key automotive components.

Keywords：hub reducer system; durability test; load spectrum; low-amplitude-load strengthening

中圖分類號：U 467.3

文獻標志碼：A

通信作者：鄭松林(1958-),男,教授.研究方向:汽車現(xiàn)代設(shè)計理論.E-mail:songlin_zheng@126.com

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)重大項目(2012AA110701);國家自然科學基金資助項目(51375313,51305269);上海市科委基礎(chǔ)研究重點項目(13JC1408500);上海汽車工業(yè)科技發(fā)展基金資助項目(1104);上海市教委重點學科建設(shè)資助項目(J50503)

收稿日期：2014-10-23

DOI：10.13255/j.cnki.jusst.2016.01.006

文章編號：1007-6735(2016)01-0031-07

第一作者： 劉新田(1980-),男,博士研究生.研究方向:汽車現(xiàn)代設(shè)計理論.E-mail:xintianster@gmail.com