电动汽车减速器总成台架疲劳试验研究

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摘 要：自20世纪80年代以来，经济性、降油耗是汽车特别是乘用车的主要开发目标之一。在保证足够的刚度及强度条件下，压铸铝合金材料作为重要的轻量化替代材料之一，逐渐获得推广及应用，减速器总成作为电动汽车动力总成的重要部件，关系到电动汽车的动力性、可靠性和经济性，因此汽车主机厂和零部件企业都很重视减速器总成的疲劳试验。

关键词：电动汽车;减速器;总成台架;疲劳试验

1 台架失效分析

（1）失效模式：结合台架试验具体情况，判断铝壳主减本次台架试验主要失效模式为：主动准双曲面齿轮轴花键塑性扭转变形。

（2）失效检测：试验后对主动齿轮轴花键进行工艺材料检测，经检验后，均符合要求。

（3）台架状态复现：使用铁壳主减样品对失效状态进行台架复现，复现过程为台架启动加载→台架平稳运行→台架停机，对壳体关键位置进行位移检测。位移检测结果检验发现，在台架启动加载过程中，壳体出现瞬时大位移。准双曲面齿轮轴花键抗扭安全系数相对较弱而发生塑性扭转变形，导致样品发生过早失效情况。

（4）计算分析验证。1）外部影响因素分析。选取试验台架单侧输出部分进行分析，寻找本次试验外部影响因素，考虑到样品在台架试验启动过程中受到异常大冲击载荷，夹具与样品配合关系与输出轴应为主要分析对象。2）动力学仿真模型。①L：联接法兰与差速器壳体配合间隙。②M：传动轴与联接法兰质量。本次台架试验，L=0.4mm，M=19kg，空载输入，按此状态进行计算，分析研究大载荷产生的位置及影响。需要对台架启动过程的动态行为展开研究，采用虚拟样机动力学分析软件ADAMS建立试验台架，输出部分建立完整模型模拟台架启动过程，利用Pro/E软件建立三维精确模型，导入ADAMS，通过仿真输出结果观察各部件载荷，为分析失效原因提供参考。试验台架输出部分左右对称，为方便处理，只对右侧输出部分进行仿真计算。3）动力学仿真计算结果。本次台架试验状态，外部影响参数L=0.4mm，M=19kg，失效时仿真结果如下所述，因x方向值较小，将其略去。①行星齿轮与半轴齿轮接触力F1，4行星齿轮与半轴齿轮台架启动过程中接触力。②台架启动过程中半轴齿轮垫片与差速器右壳接触力F2，如图1所示。③台架启动过程中联接法兰与差速器右壳接触力F3，如图2所示。

2 测控程序设计

电动汽车驱动系统包括电机和控制器。控制器主要由功率模块（电源的电子开关线路）和控制模块（包括微处理器和相应软件）组成。车载电动系统控制网络是一个典型的分布式控制系统，主要由整车控制器、电机控制器、电池管理系统等控制节点组成。整车控制器担任核心计算和控制任务，是上层控制节点，而电机控制器、电池管理系统等是下层执行节点。车载电动系统控制网络一般采用CAN总线通信结构，所有控制节点物理上并联在若干个CAN总线上（不同的CAN总线间采用网关进行信息通信），采用CAN报文方式进行控制指令及相关信息的交互。在新能源汽车上，驱动电机的运行参数是根据整车控制策略需要来确定的。因此，电机控制器软件上设计有控制I/O接口，接收由整车控制器经逻辑运算后发出的实时控制指令。电机控制器接收的控制指令输入通常包括电机工作模式、扭矩设置、功率限制等，反馈给整车控制器的状态信息为电机工作电压、工作电流、定子转子温度等。在试验台架上，测控软件应当模拟整车控制器的CAN报文，才能实现对被测电机的控制。

CAN通信报文的格式和解析规则是由通信协议定义的，一般包含了数据帧ID、信号名称、信号起始位、位长、比例系数和偏移值等内容。CAN协议中可探查到驱动电机的性能参数及整车控制策略，因此属于保密技术文件范围，一般难以由试验委托方直接提供给被委托方。为解决此问题，在台架测控软件和电机控制器之间建立一个协议转换站。该协议转换站的主要功能是进行台架和电机控制器之间信息的双向转换工作。该协议转换站可接收试验台架的电机控制指令，并按整车CAN协议进行转换后发给电机控制器。

3 台架试验验证

为了验证台架的有效性，针对某型减速器总成进行程序疲劳试验。测试的减速器总成最高输入转速12000r/min，额定扭矩225N·m，传动比为8.898，与其直联的是永磁同步电机，额定功率45kW，额定转速4300r/min，峰值功率94kW，最高转速12000r/min。试验方案基于电機在额定功率下工作进行设定，程序疲劳试验方案如表1所示。台架按照设定好的程序自动进行试验，并实时记录转速-扭矩曲线。

一个步骤循环为618s，试验按照工况点的顺序循环，工况点之间能在设定的时间内进行切换，并到达设定的试验条件，满足试验需求。由于台架设计为减速器输入端扭矩控制模式、减速器左右输出端转速控制模式，因此输入端扭矩和输出端转速的控制精度对试验的准确度非常重要。分别为记录的第1个循环到第4个循环输出端转速和输入端扭矩。输出端转速的实测值与设定值最大相差-1r/min，控制精度为-2‰，满足QC/T1022-2015标准要求。输入端扭矩的实测值与设定值最大相差-2N·m，满足QC/T1022-2015标准要求。

4 结论

综上所述，在现有的机械变速器试验台架的基础上，通过技术改造，引入新的试验方法，搭建了电动汽车减速器的疲劳试验台架。经实际试验表明，该台架运行稳定可靠，能够满足电动汽车减速器的疲劳试验需求。

参考文献：

[1]李有东，杨培杰.铝合金在汽车上的应用及前景分析[J].上海汽车，2000（04）：28-30.

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