純電動汽車傳動系統載荷譜研究

王健 姜德艷 周健 葛海龍

（上海捷能汽車技術有限公司）

載荷譜采集及編制作為純電動汽車傳動系統強度校核、可靠性設計及壽命預測的基礎和前提，對于實現電動汽車傳動系統核心零部件的開發設計、優化改進等都具有重要意義[1]。如何在有限的載荷樣本中提取出有用的載荷信息，并用一種比較穩定可靠的方法預測整個壽命周期中的載荷分布情況，是載荷譜編制的關鍵問題[2]；同時針對純電動汽車僅有1個擋位速比（個別純電動汽車有2個），而且存在較為頻繁的制動能量回收工況的情況，在載荷譜的編制中如何確定好轉矩分擋，確保在貼近實際使用情況的前提下，盡可能地等效壓縮載荷譜時長，縮短研發周期，是純電動汽車載荷譜編制的又一關鍵問題。文章以某純電動汽車傳動系統為研究對象，通過載荷數據的采集、統計、分析，并提出轉矩分擋方法，有效解決了以上2個關鍵問題，編制出適用于純電動汽車傳動系統的設計及臺架試驗載荷譜。

1 純電動汽車傳動系統隨機載荷譜采集

載荷譜是指產品工作過程中所受的載荷-時間歷程，是對零部件進行強度計算分析、壽命預測、可靠性設計等研究的重要依據和基礎條件[3]。受經濟、技術或開發周期等各種外界條件的限制，在載荷譜實測的過程中很難得到整個工作壽命周期內的載荷-時間歷程。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行測試。

1.1 實際用戶道路試驗數據采集方案

用戶道路試驗載荷數據來源于用戶實際使用過程中汽車傳動系所受的載荷，真實性較高，需要實地調查用戶對于純電動汽車的使用狀況，依此確定試驗道路的種類、不同路況的比例等。為較為準確地獲取純電動汽車的設計載荷譜，基于公司大數據平臺，研究純電動汽車用戶的實際路況信息，并根據我國道路情況調整傳統道路試驗的路譜組成比例，從而形成針對純電動汽車行駛特點所特有的道路采集方案，盡可能提高樣本數據的精確可靠性。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。

在基于路譜進行載荷數據采集時，整車配重是傳動系統載荷分布的另一重要影響因素，綜合純電動汽車客戶端使用情況，在試驗時將整車配重分為4種，如表1所示。

表1 路譜試驗配載表

1.2 測試方案及信號采集

以某型純電動車作為目標車，在不同路況條件下進行載荷譜采集，需要采集的信號包括電動機的轉速及傳動系統輸入轉矩。電動機的轉速采用霍爾傳感器進行采集；輸入轉矩采用非接觸式遙測技術進行采集，通過在傳動軸上粘貼電阻應變計作為信號的發生裝置，采用非接觸式射頻系統作為信號的傳輸與接收裝置。經過試驗，初步得到了較為理想的各路試驗信號，部分路況的輸入轉速和轉矩信號，如圖1所示。

圖1 純電動汽車傳動系統載荷譜

2 測試隨機載荷統計處理

2.1 測試載荷數據預處理

載荷譜采集完成后，需要對測試所得的載荷-時間歷程進行數據平穩性檢驗、各態歷經性檢驗、正態分布檢驗及測量精度檢驗，并且需要在信號檢驗分析前作預處理，以剔除奇異項和消除趨勢項。載荷奇異點是指信號數據的變化不符合正常變化規律發生的突變現象，通常奇異點的產生與信號測量、記錄、模數轉換及傳輸過程中的干擾和偶然因素有關[4]。去除奇異點首先需要合理地選出奇異點，文章主要采用標準方差檢驗法進行奇異值剔除。

2.2 雨流計數法

雨流計數法又稱為“塔頂法”，主要用于工程領域，特別是在疲勞壽命計算中運用非常廣泛[5]。雨流計數法的主要優點是，認為塑性變形的存在是疲勞損傷產生的必要條件，且其塑性性質表現為應力-應變的遲滯回線，在計數原則上有一定的力學基礎。其主要功能是把實測載荷歷程簡化為若干個載荷循環，供疲勞壽命估算和編制疲勞試驗載荷譜使用。它以雙參數法為基礎，考慮了動強度和靜強度2個變量，符合疲勞載荷本身固有的特性。

雨流計數法原理為：1）將載荷歷程曲線旋轉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）當雨流遇到來自上面屋頂流下的雨時就停止流動，并構成了一個循環。4）根據雨滴流動的起點和終點，畫出各個循環，將所有循環逐一取出來，并記錄其峰谷值。5）每一雨流的水平長度可以作為該循環的幅值。

圖2 雨流計數法示意圖

3 純電動汽車傳動系統載荷譜編制

3.1 載荷譜的外推

在載荷譜的編制和疲勞壽命預測過程中，由于時間和成本等多方面因素的制約，實測的載荷樣本數據是有限的。然而，為了預測零部件全壽命內的疲勞破壞情況，這些有限的樣本數據是遠遠不夠的，因此對現有載荷譜進行外推統計是極其有必要的。針對載荷譜測試工況的里程數，結合該純電動汽車的全壽命里程要求，采取按里程外推法進行外推[6]，外推的頻次矩陣（Flife）計算方法為：

式中：F1——樣本載荷統計計數的頻次矩陣；

M——比例系數。

3.2 轉矩分擋

純電動汽車區別于傳統汽車有多個擋位和速比，其僅有1個擋位速比（個別純電動汽車有2個），而且區別于傳統汽車的傳動系統主要用來驅動汽車行駛，純電動汽車的傳動系統存在較為頻繁的制動能量回收工況。如果純電動汽車載荷譜的編制依舊延用傳統方法采用最大轉矩進行加速，將導致整個變速箱始終工作在峰值轉矩的極端情況下，產生諸多不必要的損傷，考核過于嚴苛，不符合實際使用情況。因此，純電動汽車載荷譜的編制過程中需要確定好轉矩分擋，在確保貼近實際使用情況的前提下盡可能地等效壓縮載荷譜時長，縮短研發周期。文章對使用雨流計數法統計外推后的載荷數據進行分布統計，如圖3所示，并確定該車型的轉矩分擋情況，如表2所示。

圖3 純電動汽車傳動系統載荷分布直方圖

表2 純電動汽車傳動系統載荷譜轉矩分擋情況

3.3 設計載荷譜的等損傷轉化

實車采集及外推出的載荷譜都是全轉矩、全轉速范圍分布較為分散的離散點，載荷譜的編制原則是保證等損傷的同時將這些離散的載荷數據整合到分好的轉矩等級中。Miner線性疲勞累積損傷理論因其形式簡潔、計算簡單及操作方便等諸多優勢在工程可靠性領域得到了廣泛的運用[7]。

假設Si為第i級載荷幅值，ni為該載荷幅值的循環數。根據材料的S-N曲線（如圖4所示），獲得Si所對應的壽命（Ni），其產生的損傷量（Di）為：Di=ni/Ni。然后在材料S-N曲線中查得目標載荷幅值（Tj）所對應的疲勞壽命（Nj）。根據等量損傷原則和Palmgren-Miner法則可以得到：

式中：nj——Tj的循環數。

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汽車傳動系統載荷譜，如圖5所示，并利用該載荷譜對某型電動汽車傳動系統進行了室內臺架試驗，隨后對其進行了整車試驗，傳動系統均順利通過試驗，為純電動汽車傳統系統的設計開發及試驗驗證提供了有效的依據及支撐。

圖5 純電動汽車傳動系統載荷譜

4 結論

1）以某型純電動汽車為研究對象，基于公司大數據平臺，研究純電動汽車用戶的實際路況信息，結合我國道路情況調整傳統道路試驗的路譜組成比例，形成針對純電動汽車行駛特點所特有的道路采集方案，提高載荷樣本數據的精確可靠性。

2）對純電動汽車傳動系統測試的載荷譜數據進行了深入處理分析，選擇雨流循環計數法進行了載荷頻次統計，采用按里程外推法將雨流計數的載荷頻次外推到全壽命周期內。

3）針對純電動汽車傳動系統單擋位居多且存在頻繁的制動能量回收工況等特點，提出純電動傳動系統載荷譜編制過程中的轉矩分擋原則，在確保貼近實際使用情況的前提下盡可能地等效壓縮載荷譜時長，縮短研發周期。

4）通過Miner線性累積損傷理論，結合齒輪軸承等材料S-N曲線，將外推載荷等損傷轉化到不同轉矩擋中，編制出純電動汽車傳動系統設計和試驗載荷譜，為純電動汽車傳統系統的設計開發及試驗驗證提供了有效的依據及支撐。