鄒喜紅 李金曉 胡秋洋 席帥杰 付凌鋒 袁冬梅

重慶理工大學(xué)汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶，400054

0 引言

隨著環(huán)境問題和能源問題日益嚴(yán)峻，純電動汽車作為新能源汽車的代表，電機、電控系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)等的研發(fā)與測試成為行業(yè)關(guān)注的重點[1]。電機作為電動汽車的動力源，輸出轉(zhuǎn)矩具有響應(yīng)迅速、控制穩(wěn)定等優(yōu)點，但由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，且電動汽車傳動系呈現(xiàn)弱阻尼特性，因此在給定指令轉(zhuǎn)矩后，電機輸出轉(zhuǎn)矩會在指令轉(zhuǎn)矩值上下波動，這樣不僅影響轉(zhuǎn)矩的平滑度，而且會使電動汽車傳動系產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重時甚至損壞[2]。電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車在傳動系構(gòu)造上差異顯著，差速器為影響電動汽車行駛及性能穩(wěn)定的重要零部件之一，其性能直接影響車輛行駛的平順性、舒適性和操縱穩(wěn)定性[3-4]，因此將其沖擊疲勞性能納入測試評價系統(tǒng)尤其必要。

近年來，國內(nèi)外逐漸開始重視電動汽車傳動系沖擊疲勞的檢測與研究。與傳統(tǒng)汽車傳動系試驗相比，雖然將電動汽車電機產(chǎn)生的沖擊載荷納入了試驗研究范圍，但針對電動汽車傳動系尤其是單個差速器部件的相關(guān)研究仍相對較少。陳延偉等[5]基于LabVIEW RT技術(shù)，設(shè)計了雙閉環(huán)汽車傳動系沖擊性能檢測系統(tǒng)。張邦成等[6-7]在分析汽車傳動系所受載荷的基礎(chǔ)上，利用室內(nèi)耐久性試驗臺架測試了汽車傳動系零部件在加速起步及緊急制動工況下的耐久性能。以上學(xué)者的被試研究對象為傳統(tǒng)燃油汽車傳動系，為電動汽車傳動系沖擊疲勞研究提供了思路。曹占勇等[8]在MATLAB/Simulink平臺上通過機電耦合的方法設(shè)計了基于永磁同步電機矢量控制策略的傳動系扭振仿真模型，該模型有助于解決由電氣控制引起的車輛傳動系轉(zhuǎn)矩波動問題，但他們并未提出有效的試驗方法。李占江[9]針對純電動汽車電機+電控機械自動變速箱(AMT)的傳動形式進行了傳動系統(tǒng)沖擊抑制控制研究，但研究重點為考慮齒輪嚙合間隙以及急加減速工況下的傳動系扭轉(zhuǎn)振動抑制控制策略。王亮等[10]設(shè)計了可全面檢測汽車差速器性能及疲勞壽命的汽車差速器總成試驗臺，但該試驗臺在測試差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞方面仍有不足。在國外，日本的尼桑公司和美國的福特公司都開發(fā)過汽車傳動系沖擊性能試驗臺[11]。

綜上，本文在液壓伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計了完整的電動汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗臺，通過采用液壓伺服直線缸作動器對被試電動汽車差速器施加多頻率、多幅值扭轉(zhuǎn)沖擊載荷，同時采集被試電動汽車差速器多個測點相應(yīng)的應(yīng)變信號，確定最為合適的沖擊載荷加載方式，為測試考核電動汽車差速器的扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞特性提供了一種行之有效的方法。

1 試驗臺架設(shè)計

動力在減速器總成內(nèi)的傳遞路徑如下[12-13]：經(jīng)主動齒輪傳至被動齒輪，帶動通過差速器接盤與被動齒輪相連的差速器殼，再由一字軸依次帶動嚙合的行星齒輪及半軸齒輪傳遞至兩側(cè)半軸，從而驅(qū)動電動汽車行駛?？紤]現(xiàn)有試驗裝置條件及被試差速器的裝夾方式等因素，決定通過固定半軸兩端逆向加載，在被試差速器殼體上施加扭轉(zhuǎn)沖擊載荷。扭轉(zhuǎn)作動器可直接施加扭矩，但通常其扭矩可調(diào)范圍不大，且與被試差速器的連接較為困難，因此采用MTS 244型液壓伺服直線缸作動器，通過工裝將直線方向上的力或位移轉(zhuǎn)變?yōu)楸辉嚥钏倨鳉んw上的扭矩。電動汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗系統(tǒng)由載荷控制裝置、載荷發(fā)生裝置、載荷傳遞裝置、數(shù)據(jù)傳輸裝置及安全裝置組成，試驗系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 電動汽車差速器扭轉(zhuǎn)疲勞試驗系統(tǒng)

本試驗系統(tǒng)采用由連接件及搖臂等工裝夾具組成的載荷傳遞裝置實現(xiàn)作動器直線方向上位移的伸長與被試差速器殼體上扭矩的轉(zhuǎn)變，同時保證運動上不發(fā)生干涉，如圖2所示。電動汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗臺簡圖見圖3。連接件一端與作動器前端的球鉸以螺栓相連，另一端與搖臂以連接銷相連。球鉸的主要作用為連接作動器與工裝夾具，傳遞作動器發(fā)出的力與位移，確保作動器在試驗過程中正常工作的同時還可保護作動器不發(fā)生損壞。連接銷可使連接件與搖臂在試驗過程中正常、靈活傳遞載荷。搖臂則起到力臂的作用，通過緊固螺栓與被試差速器接盤連接，能夠極大地復(fù)現(xiàn)被試差速器的實際運行環(huán)境。

1.連接銷 2.連接件 3.搖臂 4.軸承 5.差速器接盤 6.一字軸 7.行星齒輪 8.連接螺栓 9.半軸齒輪

1.L板1 2.半軸 3.連接件 4.球鉸鏈 5.力傳感器 6.作動器支承座 7.伺服閥1 8.伺服閥2 9.液壓管路 10.球鉸鏈 11.L板2 12.位移傳感器 13.液壓伺服直線缸作動器 14.搖臂

電動汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗臺的完整工作過程如下：控制器作為載荷控制裝置向液壓站及液壓伺服作動器組成的載荷發(fā)生裝置發(fā)出信號指令，作動器直線方向輸出力或位移載荷信號，通過球鉸與連接件傳遞到搖臂，轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ厥┘佑诒辉嚥钏倨鳉んw，同時傳感器反饋力和位移信號至控制器，以完成被試差速器的循環(huán)往復(fù)扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗。

為避免試驗過程中作動器振動過大，對其做墊高處理。相應(yīng)載荷傳遞裝置做相同處理，最終確定力臂長度即連接銷中心點至被試差速器中心點的距離為205 mm。在實際試驗加載過程中，作動器及載荷傳遞裝置會產(chǎn)生不可避免的微小振動，力臂長度會發(fā)生細(xì)微的變化，但對扭矩及后續(xù)應(yīng)變信號采集工作的影響較小，可忽略不計。

2 加載方法

依照目前的試驗條件與技術(shù)水平，在沖擊試驗中完全模擬實際沖擊環(huán)境的可能性較低，現(xiàn)有的沖擊設(shè)備僅能輸出若干保持一定精度的典型重復(fù)性沖擊過程[14]。

與靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)載荷相較，沖擊載荷具有強度大、耗時短等特點，但在固體材料中傳播時會因為試驗裝置不可避免的摩擦、干涉以及材料本身的性質(zhì)等非確定性因素以其他形式耗散，因此在確定最優(yōu)載荷加載波形時，應(yīng)力求在做到?jīng)_擊過程對被試差速器的影響與實際沖擊的影響相似的前提下，依照載荷加載波形符合沖擊強度較大且停留時間相對較短的原則，同時考慮進入工作介質(zhì)中的實際能量以及沖擊試驗機構(gòu)的能量傳遞效率[15-17]。

根據(jù)被試件對沖擊環(huán)境試驗的不同要求，國內(nèi)外有關(guān)試驗標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的沖擊波形一般為正弦波、半正弦波、梯形波等[18]。液壓伺服直線缸作動器作為試驗臺的載荷輸出裝置，能夠輸出正弦波、三角波、矩形波等多種高強度載荷波形信號。矩形波與正弦波、三角波相較載荷幅值停留時間較長，正弦波與三角波相較所包含的能量更多，綜合考慮，本文選用正弦波進行加載。

根據(jù)正弦波形特征，對被試差速器進行試驗加載需確定加載頻率、加載幅值兩個參數(shù)。為進一步探索加載應(yīng)力波與被試差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞響應(yīng)間的關(guān)系，采用應(yīng)變測試系統(tǒng)對加載波形的頻率和幅值進行確定。

3 應(yīng)變測試系統(tǒng)

3.1 應(yīng)變測試原理

在差速器應(yīng)變測試過程中，當(dāng)被試差速器受到外力作用產(chǎn)生變形時，電阻應(yīng)變片的電阻也隨之發(fā)生變化，通常將電阻應(yīng)變片接入惠斯通電橋，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量并采集電路的電壓或電流參數(shù)變化來獲取電阻應(yīng)變片的阻值變化[19-21]。應(yīng)變測試系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 應(yīng)變測試系統(tǒng)

3.2 應(yīng)變測點布設(shè)

應(yīng)變測點布設(shè)是構(gòu)建應(yīng)變電測系統(tǒng)時最為關(guān)鍵的一步。電動汽車差速器的主要受力構(gòu)件為一字軸、行星齒輪、半軸齒輪及殼體，在被試差速器實際運行過程中出現(xiàn)了一字軸斷裂的情況，因此重點對一字軸測點布設(shè)進行分析。

3.2.1一字軸測點確定

在差速器實際運行過程中，一字軸受到差速器殼和行星齒輪相反方向的力，在將其看作剛體的前提下，一字軸與差速器殼及行星齒輪的接觸區(qū)域所受的力為均布力q1、q2，如圖5所示，其中，A、B、A′、B′分別為一字軸與行星齒輪的接觸點。一字軸所受扭矩可由下式計算得到：

圖5 一字軸受力示意圖

T=T0i

(1)

式中，T為一字軸所受扭矩值；T0為減速器總成輸入扭矩值；i為主減速比。

根據(jù)∑M=0可得一字軸均布力q1及q2：

(4)

將實測所得尺寸L1=103 mm，L2=76 mm，L3=61 mm代入式(2)～式(4)，得到剪切力分布及彎矩分布情況如圖6、圖7所示。根據(jù)式(2)～式(4)有

圖6 一字軸剪切力分布

圖7 一字軸彎矩分布

由圖6、圖7可得危險截面存在于彎矩最大處截面，此時剪切力為0。根據(jù)式(3)，F(xiàn)=0時有

此時一字軸彎矩達(dá)到最大。代入數(shù)據(jù)得

由計算結(jié)果可知危險截面在a與b之間，考慮貼片的便捷性與可行性，在一字軸兩端b截面處正反對稱各粘貼2片共4片單向應(yīng)變片。

3.2.2齒輪及殼體應(yīng)變測點確定

在電動汽車差速器運行過程中，可能會出現(xiàn)因設(shè)計制造缺陷或過載振動沖擊而造成的半軸齒輪和行星齒輪齒面磨損、膠合乃至斷裂等疲勞現(xiàn)象，影響電動汽車的正常行駛[22-23]。根據(jù)受力分析結(jié)果及實際破壞情況，考慮貼片的便捷性與可行性，在半軸齒輪和行星齒輪的兩對嚙合齒大端齒側(cè)各對稱粘貼2片單向應(yīng)變片。

電動汽車差速器殼體主要起到支撐齒輪組并承受來自主減速器的轉(zhuǎn)矩及振動的作用[24]，應(yīng)力集中部位在窗口根部，考慮應(yīng)力方向以及貼片的便捷性與可行性，在窗口根部靠近接盤側(cè)各對稱粘貼1片三向應(yīng)變片。

3.3 應(yīng)變測試系統(tǒng)的構(gòu)建

確定應(yīng)變測點后，嚴(yán)格按照應(yīng)變安裝標(biāo)準(zhǔn)操作流程規(guī)范對被試電動汽車差速器進行打磨、貼片、防護、測試等準(zhǔn)備工作，如圖8所示。

圖8 電動汽車差速器應(yīng)變測點

隨后將構(gòu)建好應(yīng)變測試系統(tǒng)的被試電動汽車差速器安裝在扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗臺上，如圖9所示。測試系統(tǒng)中，應(yīng)變片均搭建為1/4橋路，采用SoMat eDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行共計14個通道的應(yīng)變信號采集。

圖9 電動汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗臺

4 應(yīng)變測試及結(jié)果分析

4.1 應(yīng)變測試及結(jié)果分析

目前國內(nèi)有關(guān)差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗的標(biāo)準(zhǔn)仍有欠缺，參照《QC/T 293—2019 汽車半軸技術(shù)條件和試驗臺架方法》中與本試驗方法特性相似的半軸扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗方法，試驗載荷波形為正弦波，推薦試驗頻率為0.5～5.0 Hz，試驗載荷為(0.1～1.1)Mj(Mj為半軸額定轉(zhuǎn)矩)。被試差速器所配電動汽車參數(shù)如表1所示。

表1 電動汽車參數(shù)

根據(jù)電動汽車電機的工作特性，選取推薦試驗載荷范圍為(0.1～1.1)iMm(Mm為電機最大轉(zhuǎn)矩；i為傳動系傳動比，即固定傳動比與主減速器傳動比的乘積)，代入表1數(shù)據(jù)得推薦試驗載荷范圍為218～2401 N·m。

金屬部件的疲勞壽命主要取決于其材料的力學(xué)性能及外加應(yīng)力水平，一定范圍內(nèi)的加載頻率對其影響較小[25-26]。表示外加應(yīng)力水平和標(biāo)準(zhǔn)試樣疲勞壽命之間關(guān)系的曲線稱為材料S-N曲線，由試驗所得。被試電動汽車差速器一字軸及齒輪材料均為20CrMnTi，查閱《機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊》[27]可得S-N曲線。一字軸可視為等截面桿件，最大正應(yīng)力發(fā)生在彎矩最大的截面上，其值為

將d=14.5 mm、T=218～2401 N·m代入式(7)、 式(8)，S-N曲線可轉(zhuǎn)化為扭矩-疲勞壽命曲線，如圖10所示。

圖10 20CrMnTi扭矩-疲勞壽命曲線

由圖10可知，當(dāng)應(yīng)力小于560 MPa時，疲勞壽命超過薦定壽命107，說明已經(jīng)不再引起損傷，此時相對應(yīng)的一字軸及被試電動汽車差速器殼體所受扭矩值T均為1558 N·m。

綜上，根據(jù)扭矩-疲勞壽命曲線以及電動汽車電機的工作特性參數(shù)確定試驗載荷的幅值范圍：從扭矩-疲勞壽命曲線中獲取能夠引起疲勞損傷的最小試驗扭矩Tmin=1558 N·m；從《QC/T 293—2019 汽車半軸技術(shù)條件和試驗臺架方法》中根據(jù)電動汽車電機的工作特性參數(shù)獲取推薦最大試驗扭矩Tmax=2401 N·m，以1558～2401 N·m作為試驗載荷的幅值范圍，在此范圍內(nèi)取整，取最小值1600 N·m、中間值2000 N·m和最大值2400 N·m作為試驗幅值。

為分析和研究加載正弦波頻率和幅值對應(yīng)變的影響，控制液壓伺服直線缸作動器輸出載荷波動，擬定測試工況如表2所示。加載幅值分別為7.8 kN、9.8 kN、11.7 kN；加載頻率為0.5～5 Hz，間隔0.5 Hz。取30個工況，單個工況采集3組數(shù)據(jù)，共90組數(shù)據(jù)。

表2 應(yīng)變測試工況

對測得數(shù)據(jù)進行整合及預(yù)處理后，觀察到10個測點的應(yīng)變數(shù)據(jù)趨勢基本一致，受篇幅所限，僅以測點1部分?jǐn)?shù)據(jù)為例進行分析說明。圖11為測點1相同幅值不同頻率下部分應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線，圖12為測點1相同頻率不同幅值下的部分應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線?？梢钥闯?，雖然工裝間隙導(dǎo)致波峰波谷間存在平臺段，但應(yīng)變信號總體上能夠較好地跟隨響應(yīng)，可參考性較高。

(a) T=2000 N·m,f=1.0 Hz

(a) T=1600 N·m,f=0.5 Hz

4.2 結(jié)果分析

測點1相同幅值不同頻率應(yīng)變數(shù)據(jù)的極大極小值及均方根值如表3所示，應(yīng)變均方根值-加載頻率曲線見圖13。

表3 同幅值不同頻率測點1應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

圖13 相同幅值不同頻率測點1應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

從圖13中可以看出，在相同幅值的前提下加載一定范圍內(nèi)不同頻率的載荷信號，被試電動汽車差速器關(guān)鍵點的應(yīng)變會發(fā)生小幅變化。但經(jīng)計算知，應(yīng)變均方根值離散程度為0.26%，意味著基本不會影響電動汽車差速器的扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞性能，

可從測試頻率中選擇其中一種或幾種的組合作為試驗載荷加載頻率。由電動汽車在試驗場多種路面實測所得的電機輸出扭矩及半軸扭矩頻譜分析結(jié)果可知電機輸出扭矩主要集中在5 Hz以下[28]，結(jié)合《QC/T 293—2019 汽車半軸技術(shù)條件和試驗臺架方法》中有關(guān)扭轉(zhuǎn)疲勞的推薦試驗頻率、液壓伺服控制系統(tǒng)的載荷輸出能力及試驗效率，確定試驗頻率為5 Hz。

測點1相同頻率不同幅值應(yīng)變數(shù)據(jù)極大極小值及均方根值如表4所示，應(yīng)變均方根值-加載頻率曲線見圖14。

表4 相同頻率不同幅值測點1應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

圖14 相同頻率不同幅值測點1應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

由圖14可以看出，在相同頻率的前提下加載一定范圍內(nèi)不同幅值的載荷信號，被試電動汽車差速器關(guān)鍵點的應(yīng)變基本呈線性變化。

由所測得的實際應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果曲線的斜率確定疲勞損傷，即根據(jù)不同應(yīng)變所占的比重分配每一部分的疲勞損傷。在T=1558～2401 N·m內(nèi)選擇m個試驗幅值，根據(jù)扭矩-疲勞壽命曲線獲取m個試驗幅值所對應(yīng)的疲勞壽命值，并建立以下方程組以求解各個加載幅值所對應(yīng)的加載頻次：

式中，q1,q2,…,qm為m個試驗幅值對應(yīng)的加載頻次；N1,N2,…,Nm為m個試驗幅值對應(yīng)的疲勞壽命；km-1為在同頻率不同幅值的應(yīng)變統(tǒng)計數(shù)據(jù)曲線上從第m-1到第m個試驗幅值所對應(yīng)線段的斜率。

將疲勞壽命值分別取整為N3=6.0×104、N2=1.0×105、N1=1.0×106，假設(shè)試驗循環(huán)次數(shù)分別為q1、q2、q3，設(shè)圖14中P1P2段斜率為k1，P2P3段斜率為k2，根據(jù)應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，有

5 沖擊疲勞試驗加載方法

根據(jù)電動汽車電機低轉(zhuǎn)速時恒扭矩及高轉(zhuǎn)速時恒功率的工作特性，確定試驗載荷加載方式為：將m個試驗幅值中每個試驗幅值的加載頻次等分為n份，按照載荷幅值由大到小再由小到大進行交替加載，載荷幅值由大到小或由小到大均為一次小循環(huán)，每次小循環(huán)中每個試驗幅值的加載次數(shù)為相應(yīng)加載頻次的1/n。根據(jù)4.2節(jié)中應(yīng)變測試的結(jié)果及分析，將每級載荷分成10個小循環(huán)，按照載荷由大到小及由小到大交替進行，確定電動汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗工況如表5所示。

表5 電動汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗工況

6 試驗驗證

按照表5對被試差速器進行試驗。第一次試驗進行至第10個小循環(huán)時被試差速器樣本1一字軸出現(xiàn)疲勞破壞，此時加載幅值為2000 N·m，循環(huán)次數(shù)為110 288；第二次試驗進行至第11個小循環(huán)時被試差速器樣本2一字軸及嚙合齒出現(xiàn)疲勞破壞，此時加載幅值為1600 N·m，循環(huán)次數(shù)為127 425；第三次試驗進行至第11個小循環(huán)時被試差速器樣本3一字軸出現(xiàn)疲勞破壞，此時加載幅值為1600 N·m，循環(huán)次數(shù)為124 532，疲勞破壞情況如圖15所示。試驗結(jié)果與實際行駛時疲勞破壞情況基本一致，驗證了試驗方法的有效性。

(a) 樣本1(x=19.1 mm)

7 結(jié)論

在采用液壓伺服直線缸作動器作為載荷發(fā)生裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計了電動汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗臺。確定加載波形為正弦波后，建立了應(yīng)變測試系統(tǒng)，施加了多工況扭轉(zhuǎn)沖擊載荷，對獲得的重要部件測點的應(yīng)變數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計計數(shù)分析。通過對一字軸的受力分析得到了危險截面及最大應(yīng)力，結(jié)合S-N曲線確定了試驗循環(huán)次數(shù)，最終得到電動汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗方法，且經(jīng)多組試驗，與實際電動汽車差速器破壞形式一致，驗證了試驗方法的有效性。