CN111929062A - 电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的荷载频次确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的荷载频次确定方法，涉及电动汽车技术领域，通过对关键零件的受力分析得到了危险截面作为应变测试点，通过实测应变与扭矩的关系将S‑N曲线转化为扭矩‑疲劳寿命曲线，确定试验荷载的幅值范围，测试加载相同频率不同幅值的荷载下的应变，并对应变数据进行统计分析，分析结果表明应变随着加载幅值基本呈线性变化；在试验荷载的幅值范围内选择m个试验幅值，根据扭矩‑疲劳寿命曲线获取m个试验幅值所对应的疲劳寿命值，并建立方程组，以求解各个加载幅值所对应的加载频次。本发明解决了如何客观的确定出用于电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的试验荷载加载频次的技术问题。

Description

电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的荷载频次确定方法

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域，尤其是电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的荷载频次确定方法。

背景技术

随着环境问题和能源问题日益严峻，纯电动汽车作为新能源汽车的代表，电机、电控系统、机械传动系统等的研发与测试成为行业关注重点。电机作为电动汽车的动力源，输出转矩具有响应迅速、控制稳定等优点。但由于电磁感应原理，且电动汽车传动系呈现弱阻尼特性，在给定指令转矩后，电机输出转矩会在指令转矩值上下波动，不仅影响转矩的平滑度，更会使得电动汽车传动系产生冲击，严重时甚至损坏。

由于电动汽车与传统燃油汽车在传动系构造上的显著差异，使得差速器成为影响电动汽车行驶及性能稳定的重要零部件之一，将其冲击疲劳性能纳入测试评价尤其必要。近年以来，国内外逐渐重视汽车传动系冲击疲劳的检测与研究，但针对电动汽车传动系尤其是差速器的相关研究内容仍相对较少。目前，有关电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的标准仍有欠缺，尤其是对试验荷载的加载频次缺乏客观规范，基本上是人为主观确定，导致与实际行驶时的疲劳破坏情况相差较大。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明提供了一种电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的荷载频次确定方法，解决如何客观的确定出用于电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的试验荷载加载频次的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的荷载频次确定方法，包括以下步骤：

确定电动汽车差速器中关键零件的应变测试点：关键零件包括一字轴，以一字轴的危险截面作为应变测试点并安装应变片，危险截面为容易发生断裂的截面；

将关键零件材料的S-N曲线转化为扭矩-疲劳寿命曲线：对电动汽车差速器施加不同的扭矩荷载，并测试不同扭矩荷载下关键零件的应变数据，再根据关键零件的材料系数将应变转化为应力；根据应力与扭矩荷载的对应关系将关键零件的S-N曲线转化为扭矩-疲劳寿命曲线；

根据扭矩-疲劳寿命曲线以及电动汽车电机的工作特性参数确定试验荷载的幅值范围：从扭矩-疲劳寿命曲线中获取能够引起疲劳损伤的最小扭矩T_min，根据电动汽车的工作特性参数计算最大推荐试验荷载T_max，并以T_min～T_max作为试验荷载的幅值范围；

确定试验荷载加载频次：测试加载相同频率不同幅值的荷载下的应变，并对应变数据进行统计分析：以试验幅值为横坐标，应变数据的均方值为纵坐标，作同频率不同幅值的应变数据统计曲线，分析结果表明应变随着加载幅值基本呈线性变化；在试验荷载的幅值范围内选择m个试验幅值，根据扭矩-疲劳寿命曲线获取m个试验幅值所对应的疲劳寿命值，并建立以下方程组，以求解各个加载幅值所对应的加载频次：

式中，A1…Am分别表示第1到第m个试验幅值，N_A1...N_Am分表表示对应试验幅值下的疲劳寿命，k_m-1表示在同频率不同幅值的应变数据统计曲线上从试验幅值A(m-1)到试验幅值Am所对应线段的斜率；x_A1...x_Am分别表示对应试验幅值的加载频次。

进一步的，一字轴的危险截面按如下方式确定：

一字轴受到差速器壳体和行星齿轮相反方向的力，将一字轴看作刚体的前提下，一字轴与差速器壳体及行星齿轮的接触区域所受的力为均布力q₁、q₂，根据如下公式计算q₁、q₂：

式中，L₁表示一字轴总长度；L₂表示一字轴两端安装的两行星齿轮的外端面之间的距离；L₃表示一字轴两端安装的两行星齿轮的内端面之间的距离；T表示一字轴所受扭矩值，T＝T₀·i，T₀表示减速器总成输入扭矩值，i表示主减速比；

对一字轴进行剪力和弯矩分析，以一字轴一端面上的点为原点，位置x处，0≤x≤L₁，剪切力及弯矩为：

当0≤x≤a时，按如下公式计算剪切力F和弯矩M：

F＝q₁x；

当a≤x≤b时，按如下公式计算剪切力F和弯矩M：

F＝q₁a-q₂(x-a)；

当

时，按如下公式计算剪切力F和弯矩M：

F＝q₁a-q₂(b-a)；

式中，

根据剪切力及弯矩的计算结果绘制剪切力分布图及弯矩分布图，从剪切力分布图及弯矩分布图中可知危险截面存在于到原点距离为a、b的a、b截面之间，考虑到贴片的便捷与可行，在一字轴一端的b截面处正反对称粘贴2片单向应变片，同时，在一字轴一另一端与b截面对称位置处正反对称粘贴2片单向应变片。

与现有技术相比，本发明具有的优点包括：

1、对于试验荷载加载幅值范围的确定以S-N曲线为基础，通过实测应变与扭矩的关系将S-N曲线转化为扭矩-疲劳寿命曲线，排除不能引发疲劳损伤的扭矩区间，克服了直接依据现有的疲劳寿命试验推荐荷载范围容易导致试验荷载不具有疲劳损伤而引起试验周期延长的缺陷。同时通过最大推荐试验荷载T_max进行约束，避免试验荷载过大而导致疲劳损伤以外的破坏形式。

2、本发明综合考虑了疲劳破坏的易发位置、材料特性以及荷载幅值来科学、客观的确定出试验荷载加载频次，并且针对每种试验荷载幅值均能准确计算出相应的试验荷载加载频次。

3、经过应变测试与数据分析后，确定出扭转冲击疲劳性能随加载幅值呈线性变化，并首次将扭矩-疲劳寿命曲线与应变数据统计曲线结合起来，建立方程组，准确求解出各个加载幅值所对应的加载频次，克服了现有技术中依靠主观经验来确定的缺陷。

4、现有技术中一般测试差速器壳体的扭矩，再进行相应的计算得到差速器壳体的疲劳寿命。本发明能够针对差速器中多个关键零件进行疲劳损坏情况的预测，明确了各个应变测试点的位置，相对于扭矩来说，应变更能直接反应受到扭转冲击时的变形和损伤程度，为试验荷载加载幅值与试验荷载加载频次的确定，提供更加准确的参考依据。

附图说明

图1是应变测试系统架构图；

图2是一字轴受力示意图；

图3是一字轴剪力分布图；

图4是一字轴弯矩分布图；

图5是电动汽车差速器应变片粘贴示意图；

图6是一字轴材料的扭矩-疲劳寿命曲线图；

图7是同幅值不同频率的应变数据统计曲线图；

图8是同频率不同幅值的应变数据统计曲线图；

图9是样本一在进行本具体实施方式中的疲劳破坏示意图；

图10是样本二在进行本具体实施方式中的疲劳破坏示意图；

图11是样本三在进行本具体实施方式中的疲劳破坏示意图。

具体实施方式

为了更好的体现本发明的可行性与实际应用价值，本具体实施方式将一个完整的电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验进行详细说明。电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的各步骤分别如下。

一)、确定试验荷载加载波形

与静态或准静态载荷相较，冲击载荷具有强度大、耗时短等特点，使被试件结构在应力波的作用下呈现局部范围内的变形和断裂。

依照目前的试验条件与技术水平，在冲击试验中完全模拟实际冲击环境的可能性较低。现有的冲击设备仅能输出若干保持一定精度的典型重复性冲击过程。扭矩作动器作为试验台的载荷输出装置，能够输出正弦波、三角波、方波等多种高强度载荷波形信号，以一定的速度频率撞击被试差速器，以达到使其发生疲劳破坏的目的。

最优应力波形在力学性能上与时间和速率均存在联系。就本具体实施方式中的载荷发生装置可输出的加载波形而言，矩形波与正弦波及三角波相较载荷幅值停留时间较长，正弦波相较既能反应冲击特征又便于控制。综合考虑，本具体实施方式采用正弦波进行加载。

二)、确定电动汽车差速器中关键零件的应变测试点

在差速器应变测试过程中，当被试差速器受到外力产生变形时，电阻应变片的电阻也随之发生变化，通常将电阻应变片接入惠斯通电桥，通过数采系统测量并采集电路的电压或电流参数变化来获取电阻应变片的阻值变化。应变测试系统架构如图1所示。

应变测点布设是构建应变电测系统时最为关键的一步。电动汽车差速器的主要受力构件为一字轴、行星齿轮、半轴齿轮及壳体，在实际运行过程中最易出现疲劳破坏的部位为一字轴及半轴齿轮。重点对一字轴和半轴齿轮测点布设进行分析。

动力在减速器总成内的传递路径为：动力经由主动齿轮传至被动齿轮，带动与被动齿轮相连的差速器壳，再由内嵌于差速器壳的一字轴依次带动行星齿轮及半轴齿轮旋转。在此过程中，一字轴受到差速器壳和行星齿轮相反方向的力，在将其看作刚体的前提下，如图2所示，与差速器壳及行星齿轮的接触区域所受的力为均布力均布力q₁、q₂，根据如下公式计算q₁、q₂：

式中，L₁表示一字轴总长度；L₂表示一字轴两端安装的两行星齿轮的外端面之间的距离；L₃表示一字轴两端安装的两行星齿轮的内端面之间的距离；T表示一字轴所受扭矩值，T＝T₀·i，T₀表示减速器总成输入扭矩值，i表示主减速比。

对一字轴进行剪力和弯矩分析，以一字轴一端面上的点为原点，位置x处，0≤x≤L₁，剪切力及弯矩为：

当0≤x≤a时，按如下公式计算剪切力F和弯矩M：

F＝q₁x；

当a≤x≤b时，按如下公式计算剪切力F和弯矩M：

F＝q₁a-q₂(x-a)；

当

时，按如下公式计算剪切力F和弯矩M：

F＝q₁a-q₂(b-a)；

式中，

根据剪切力及弯矩的计算结果绘制剪切力分布图及弯矩分布图，分别如图3与图4所示，从剪切力分布图及弯矩分布图中可知危险截面存在于到原点距离为a、b的a、b截面之间，考虑到贴片的便捷与可行，在一字轴一端的b截面处正反对称粘贴2片单向应变片，同时，在一字轴一另一端与b截面对称位置处正反对称粘贴2片单向应变片。

半轴齿轮作为电动汽车差速器的重要零件，具有在传动平稳性好的前提下达到较大的承载能力等特点。在其实际使用过程中，由于设计制造缺陷或过载振动冲击等原因，可能出现齿面的磨损、胶合乃至断裂等疲劳现象，导致差速器失效，影响电动汽车的正常行驶。根据半轴齿轮的受力分析结果及实际破坏情况，考虑贴片的便捷与可行，在半轴齿轮与行星齿轮的两对对称啮合齿大端齿侧分别粘贴2片单向应变片。

电动汽车差速器壳体的主要作用是支撑齿轮组并承受来自主减速器的转矩及振动，因此必须满足一定的强度和刚度要求。经分析，电动汽车差速器壳体的应力集中部位在窗口根部，考虑应力方向以及贴片的便捷与可行，在窗口根部靠近接盘侧对称各粘贴1片三向应变片。

确定应变测点后，严格按照应变安装标准操作流程规范对被试电动汽车差速器进行打磨、贴片、防护、测试等准备工作，应变片安装效果如图5所示。

三)、将关键零件材料的S-N曲线转化为扭矩-疲劳寿命曲线：对电动汽车差速器施加不同的扭矩荷载，并测试不同扭矩荷载下关键零件的应变数据，再根据关键零件的材料系数将应变转化为应力；根据应力与扭矩荷载的对应关系将关键零件的S-N曲线转化为扭矩-疲劳寿命曲线，本具体实施方式中被试差速器一字轴及齿轮材料均为20CrMnTi，查阅《机械工程材料性能数据手册》得到其S-N曲线。一字轴材料的扭矩-疲劳寿命曲线如图6所示。

四)、确定试验荷载的幅值范围

目前国内有关差速器扭转冲击疲劳试验的标准仍有欠缺，参照《QC/T 293-2019汽车半轴技术条件和试验台架方法》中与本试验方法特性相似的半轴扭转疲劳寿命试验方法，试验载荷波形为正弦波，推荐试验频率为0.5Hz～5Hz，试验载荷为0.1M_j～1.1M_j(M_j为半轴额定转矩)。被试差速器所配电动汽车参数如表1。

表1被试差速器所配电动汽车参数

Tab.1 Parameters of electric vehicle equipped with testeddifferential

由于电动汽车电机的工作特性，选取推荐试验载荷范围为0.1·i·M_max～1.1·i·M_max(M_max为电机最大转矩；i为传动系传动比，即固定传动比与主减速器传动比的乘积)。

由S-N曲线可知，因材料特性，在应力小于560MPa时，疲劳寿命超过10⁷，说明已经不再引起损伤，此时相对应的一字轴所受扭矩值T为1558Nm。根据动力在减速器总成内的传递路径分析可知，此时被试电动汽车差速器壳体所受扭矩值也为1558Nm，结合表1有推荐试验载荷范围218～2401Nm，因此实际试验载荷应在1558～2401Nm之间，试验幅值从低到高，最终确定试验幅值为1600Nm、2000Nm及2400Nm。

五)、确定试验荷载加载频率：

测试加载相同幅值不同频率的荷载下的应变，并对应变数据进行统计分析。

为分析和研究加载正弦波频率对应变的影响，拟定测试工况：试验幅值为2000Nm，加载频率为0.5～5Hz，间隔0.5Hz；共10个工况，单个工况采集3组数据，共30组数据，单个工况3组数据进行统计值平均。

本具体实施方式以一字轴测点A为例进行数据分析。测点A同幅值不同频率应变数据极大极小值及均方值如表2所示。

表2同幅值不同频率测点A应变数据统计分析

Tab.3 Statistical analysis of strain data of measur ing point A withthe same ampl itude and different frequencies

为获得更为直观的对比，以加载频率为横坐标，均方值为纵坐标作图7。

从统计分析图7中可明显看出，在相同幅值的前提下加载一定范围内不同频率的载荷信号，被试电动汽车差速器关键点的应变会发生小幅度变化，但根据均方值公式计算知均方值离散程度为0.26％，意味着基本不会影响电动汽车差速器的扭转冲击疲劳性能。根据《QC/T 293-2019汽车半轴技术条件和试验台架方法》的推荐试验频率，提高试验效率，可确定试验频率为5Hz。

六)、确定试验荷载加载频次

测试加载相同频率不同幅值的荷载下的应变，并对应变数据进行统计分析。

为分析和研究加载正弦波幅值对应变的影响，拟定测试工况：试验幅值为1600Nm、2000Nm及2400Nm，加载频率为0.5Hz；共3个工况，单个工况采集3组数据，共9组数据，单个工况3组数据进行统计值平均。测点A同频率不同幅值应变数据极大极小值及均方值如表3所示。

表3同频率不同幅值测点A应变数据统计分析

Tab.4 Statistical analysis of strain data of measur ing point A withthe same frequency and different ampl itudes

以试验幅值为横坐标，均方值为纵坐标作图8。

从图8可以看出，若AB段斜率为k₁，BC段斜率为k₂，在相同频率的前提下加载一定范围内不同幅值的载荷信号，被试电动汽车差速器关键点的应变基本呈现线性变化。根据扭矩-疲劳寿命曲线可得N₂₄₀₀＝6.0×10⁴、N₂₀₀₀＝1.0×10⁵、N₁₆₀₀＝1.0×10⁶，假设试验荷载加载频次分别为x₂₄₀₀、x₂₀₀₀、x₁₆₀₀，根据Miner疲劳理论和应变数据统计分析结果，有如下方程组：

经计算有：x₁₆₀₀＝4.51×10⁵，x₂₀₀₀＝3.19×10⁴，x₂₄₀₀＝1.38×10⁴。

七)、确定试验荷载加载方式

根据应变测试的结果及分析，确定出了试验荷载加载幅值与试验荷载加载频次，再结合试验荷载加载波形，最终确定电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验工况如表4所示。

表4电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验幅值

Tab.5 Torsional impact fatigue test ampl itude of electr ic vehicledifferential

电动汽车在实际行驶过程中，车速大致在40km/h～120km/h，且电机存在低转速时恒扭矩以及高转速时恒功率的工作特性，因此在试验过程中，将m(3)个试验幅值中的每个试验幅值的加载频次等分成n(10)份，按照荷载幅值由大到小再由小到大进行交替加载，荷载幅值由大到小或由小到大均为一次小循环，每次小循环中每个试验幅值的加载次数为相应加载频次的1/n(1/10)。

八)、试验验证

按照扭转冲击疲劳试验工况表对被试差速器进行试验。第一次试验进行至第7个小循环时被试差速器样本一一字轴出现疲劳破坏，此时加载幅值为2000Nm，循环次数为2563；第二次试验进行至第8个小循环时被试差速器样本二一字轴及啮合齿出现疲劳破坏，此时加载幅值为1600Nm，循环次数为12742；第三次试验进行至第8个小循环时被试差速器三一字轴出现疲劳破坏，此时加载幅值为1600Nm，循环次数为12453，样本一、样本二与样本三的疲劳损坏情况分别如图9～11所示。试验结果与实际行驶时疲劳破坏情况基本一致，验证了试验方法的有效性。因此，本发明方法能够很好的预测实际行驶工况下的电动汽车差速器扭转疲劳破坏情况，尤其是一字轴的疲劳破坏情况，同时也能很好的预测实际行驶工况下的电动汽车差速器扭转疲劳寿命，为电动汽车动力传动系重要零部件的扭转冲击试验方法及标准的制定提供了可靠的参考。

Claims (5)

1.一种电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的荷载频次确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定电动汽车差速器中关键零件的应变测试点：关键零件包括一字轴，以一字轴的危险截面作为应变测试点并安装应变片，危险截面为容易发生断裂的截面；

将关键零件材料的S-N曲线转化为扭矩-疲劳寿命曲线：对电动汽车差速器施加不同的扭矩荷载，并测试不同扭矩荷载下关键零件的应变数据，再根据关键零件的材料系数将应变转化为应力；根据应力与扭矩荷载的对应关系将关键零件的S-N曲线转化为扭矩-疲劳寿命曲线；

根据扭矩-疲劳寿命曲线以及电动汽车电机的工作特性参数确定试验荷载的幅值范围：从扭矩-疲劳寿命曲线中获取能够引起疲劳损伤的最小扭矩T_min，根据电动汽车的工作特性参数计算最大推荐试验荷载T_max，并以T_min～T_max作为试验荷载的幅值范围；

确定试验荷载加载频次：测试加载相同频率不同幅值的荷载下的应变，并对应变数据进行统计分析：以试验幅值为横坐标，应变数据的均方值为纵坐标，作同频率不同幅值的应变数据统计曲线，分析结果表明应变随着加载幅值基本呈线性变化；在试验荷载的幅值范围内选择m个试验幅值，根据扭矩-疲劳寿命曲线获取m个试验幅值所对应的疲劳寿命值，并建立以下方程组，以求解各个加载幅值所对应的加载频次：

式中，A1...Am分别表示第1到第m个试验幅值，N_A1...N_Am分表表示对应试验幅值下的疲劳寿命，k_m-1表示在同频率不同幅值的应变数据统计曲线上从试验幅值A(m-1)到试验幅值Am所对应线段的斜率；x_A1...x_Am分别表示对应试验幅值的加载频次。

2.根据权利要求1所述的电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的荷载频次确定方法，其特征在于，一字轴的危险截面按如下方式确定：

一字轴受到差速器壳体和行星齿轮相反方向的力，将一字轴看作刚体的前提下，一字轴与差速器壳体及行星齿轮的接触区域所受的力为均布力q₁、q₂，根据如下公式计算q₁、q₂：

式中，L₁表示一字轴总长度；L₂表示一字轴两端安装的两行星齿轮的外端面之间的距离；L₃表示一字轴两端安装的两行星齿轮的内端面之间的距离；T表示一字轴所受扭矩值，T＝T₀·i，T₀表示减速器总成输入扭矩值，i表示主减速比；

对一字轴进行剪力和弯矩分析，以一字轴一端面上的点为原点，位置x处，0≤x≤L₁，剪切力及弯矩为：

当0≤x≤a时，按如下公式计算剪切力F和弯矩M：

F＝q₁x；

当a≤x≤b时，按如下公式计算剪切力F和弯矩M：

F＝q₁a-q₂(x-a)；

当

时，按如下公式计算剪切力F和弯矩M：

F＝q₁a-q₂(b-a)；

式中，

根据剪切力及弯矩的计算结果绘制剪切力分布图及弯矩分布图，从剪切力分布图及弯矩分布图中可知危险截面存在于到原点距离为a、b的a、b截面之间，考虑到贴片的便捷与可行，在一字轴一端的b截面处正反对称粘贴2片单向应变片，同时，在一字轴一另一端与b截面对称位置处正反对称粘贴2片单向应变片。

3.根据权利要求1所述的电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的荷载频次确定方法，其特征在于，关键零件还包括半轴齿轮，以半轴齿轮与行星齿轮的两对对称啮合齿大端齿侧作为应变测试点，并在半轴齿轮与行星齿轮的两对对称啮合齿大端齿侧分别粘贴2片单向应变片。

4.根据权利要求1所述的电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的荷载频次确定方法，其特征在于，关键零件还包括电动汽车差速器壳体，以电动汽车差速器壳体的窗口根部靠近接盘侧作为应变测试点，并在电动汽车差速器壳体的窗口根部靠近接盘侧对称各粘贴1片三向应变花。

5.根据权利要求1所述的电动汽车差速器扭转冲击疲劳试验的荷载频次确定方法，其特征在于，最大推荐试验荷载T_max的计算公式如下：

T_max＝1.1·i·M_max；

式中，i表示传动系数比，即固定传动比与主减速器传动比的乘积；M_max表示电机最大转矩。

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