電動(dòng)汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗(yàn)方法

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(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)汽車作為新能源汽車的代表，電機(jī)、電控系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等的研發(fā)與測(cè)試成為行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)[1]。電機(jī)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，輸出轉(zhuǎn)矩具有響應(yīng)迅速、控制穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但由于電磁感應(yīng)效應(yīng)，且電動(dòng)汽車傳動(dòng)系呈現(xiàn)弱阻尼特性，因此在給定指令轉(zhuǎn)矩后，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)在指令轉(zhuǎn)矩值上下波動(dòng)，這樣不僅影響轉(zhuǎn)矩的平滑度，而且會(huì)使電動(dòng)汽車傳動(dòng)系產(chǎn)生沖擊，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞[2]。電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油汽車在傳動(dòng)系構(gòu)造上差異顯著，差速器為影響電動(dòng)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(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)尤其必要。

近年來，國內(nèi)外逐漸開始重視電動(dòng)汽車傳動(dòng)系沖擊疲勞的檢測(cè)與研究。與傳統(tǒng)汽車傳動(dòng)系試驗(yàn)相比，雖然將電動(dòng)汽車電機(jī)產(chǎn)生的沖擊載荷納入了試驗(yàn)研究范圍，但針對(duì)電動(dòng)汽車傳動(dòng)系尤其是單個(gè)差速器部件的相關(guān)研究仍相對(duì)較少。陳延偉等[5]基于LabVIEW RT技術(shù)，設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)汽車傳動(dòng)系沖擊性能檢測(cè)系統(tǒng)。張邦成等[6-7]在分析汽車傳動(dòng)系所受載荷的基礎(chǔ)上，利用室內(nèi)耐久性試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試了汽車傳動(dòng)系零部件在加速起步及緊急制動(dòng)工況下的耐久性能。以上學(xué)者的被試研究對(duì)象為傳統(tǒng)燃油汽車傳動(dòng)系，為電動(dòng)汽車傳動(dòng)系沖擊疲勞研究提供了思路。曹占勇等[8]在MATLAB/Simulink平臺(tái)上通過機(jī)電耦合的方法設(shè)計(jì)了基于永磁同步電機(jī)矢量控制策略的傳動(dòng)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(dòng)系轉(zhuǎn)矩波動(dòng)問題，但他們并未提出有效的試驗(yàn)方法。李占江[9]針對(duì)純電動(dòng)汽車電機(jī)+電控機(jī)械自動(dòng)變速箱(AMT)的傳動(dòng)形式進(jìn)行了傳動(dòng)系統(tǒng)沖擊抑制控制研究，但研究重點(diǎn)為考慮齒輪嚙合間隙以及急加減速工況下的傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)抑制控制策略。王亮等[10]設(shè)計(jì)了可全面檢測(cè)汽車差速器性能及疲勞壽命的汽車差速器總成試驗(yàn)臺(tái)，但該試驗(yàn)臺(tái)在測(cè)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(dòng)系沖擊性能試驗(yàn)臺(tái)[11]。

綜上，本文在液壓伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了完整的電動(dòng)汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗(yàn)臺(tái)，通過采用液壓伺服直線缸作動(dòng)器對(duì)被試電動(dòng)汽車差速器施加多頻率、多幅值扭轉(zhuǎn)沖擊載荷，同時(shí)采集被試電動(dòng)汽車差速器多個(gè)測(cè)點(diǎn)相應(yīng)的應(yīng)變信號(hào)，確定最為合適的沖擊載荷加載方式，為測(cè)試考核電動(dòng)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(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

動(dòng)力在減速器總成內(nèi)的傳遞路徑如下[12-13]：經(jīng)主動(dòng)齒輪傳至被動(dòng)齒輪，帶動(dòng)通過差速器接盤與被動(dòng)齒輪相連的差速器殼，再由一字軸依次帶動(dòng)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(dòng)電動(dòng)汽車行駛?？紤]現(xiàn)有試驗(yàn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗(yàn)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(yàn)系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 電動(dòng)汽車差速器扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)作動(dòng)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(shí)保證運(yùn)動(dòng)上不發(fā)生干涉，如圖2所示。電動(dòng)汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗(yàn)臺(tái)簡圖見圖3。連接件一端與作動(dòng)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(dòng)器與工裝夾具，傳遞作動(dòng)器發(fā)出的力與位移，確保作動(dòng)器在試驗(yàn)過程中正常工作的同時(shí)還可保護(hù)作動(dòng)器不發(fā)生損壞。連接銷可使連接件與搖臂在試驗(yàn)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(shí)際運(yùn)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(dòng)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(dòng)器 14.搖臂

電動(dòng)汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗(yàn)臺(tái)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(dòng)器組成的載荷發(fā)生裝置發(fā)出信號(hào)指令，作動(dòng)器直線方向輸出力或位移載荷信號(hào)，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(shí)傳感器反饋力和位移信號(hào)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(yàn)。

為避免試驗(yàn)過程中作動(dòng)器振動(dòng)過大，對(duì)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(diǎn)至被試差速器中心點(diǎn)的距離為205 mm。在實(shí)際試驗(yàn)加載過程中，作動(dòng)器及載荷傳遞裝置會(huì)產(chǎn)生不可避免的微小振動(dòng)，力臂長度會(huì)發(fā)生細(xì)微的變化，但對(duì)扭矩及后續(xù)應(yīng)變信號(hào)采集工作的影響較小，可忽略不計(jì)。

2 加載方法

依照目前的試驗(yàn)條件與技術(shù)水平，在沖擊試驗(yàn)中完全模擬實(shí)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(qiáng)度大、耗時(shí)短等特點(diǎn)，但在固體材料中傳播時(shí)會(huì)因?yàn)樵囼?yàn)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(shí)，應(yīng)力求在做到?jīng)_擊過程對(duì)被試差速器的影響與實(shí)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(qiáng)度較大且停留時(shí)間相對(duì)較短的原則，同時(shí)考慮進(jìn)入工作介質(zhì)中的實(shí)際能量以及沖擊試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的能量傳遞效率[15-17]。

根據(jù)被試件對(duì)沖擊環(huán)境試驗(yàn)的不同要求，國內(nèi)外有關(guān)試驗(yàn)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(dòng)器作為試驗(yàn)臺(tái)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(qiáng)度載荷波形信號(hào)。矩形波與正弦波、三角波相較載荷幅值停留時(shí)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(jìn)行加載。

根據(jù)正弦波形特征，對(duì)被試差速器進(jìn)行試驗(yàn)加載需確定加載頻率、加載幅值兩個(gè)參數(shù)。為進(jìn)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(cè)試系統(tǒng)對(duì)加載波形的頻率和幅值進(jìn)行確定。

3 應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

3.1 應(yīng)變測(cè)試原理

在差速器應(yīng)變測(cè)試過程中，當(dāng)被試差速器受到外力作用產(chǎn)生變形時(shí)，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(cè)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(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)

3.2 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布設(shè)

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布設(shè)是構(gòu)建應(yīng)變電測(cè)系統(tǒng)時(shí)最為關(guān)鍵的一步。電動(dòng)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(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)了一字軸斷裂的情況，因此重點(diǎn)對(duì)一字軸測(cè)點(diǎn)布設(shè)進(jìn)行分析。

3.2.1一字軸測(cè)點(diǎn)確定

在差速器實(shí)際運(yùn)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(diǎn)。一字軸所受扭矩可由下式計(jì)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(shí)測(cè)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(xiǎn)截面存在于彎矩最大處截面，此時(shí)剪切力為0。根據(jù)式(3)，F(xiàn)=0時(shí)有

此時(shí)一字軸彎矩達(dá)到最大。代入數(shù)據(jù)得

由計(jì)算結(jié)果可知危險(xiǎn)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(duì)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(cè)點(diǎn)確定

在電動(dòng)汽車差速器運(yùn)行過程中，可能會(huì)出現(xiàn)因設(shè)計(jì)制造缺陷或過載振動(dòng)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(dòng)汽車的正常行駛[22-23]。根據(jù)受力分析結(jié)果及實(shí)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(duì)嚙合齒大端齒側(cè)各對(duì)稱粘貼2片單向應(yīng)變片。

電動(dòng)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(dòng)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(duì)稱粘貼1片三向應(yīng)變片。

3.3 應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建

確定應(yīng)變測(cè)點(diǎn)后，嚴(yán)格按照應(yīng)變安裝標(biāo)準(zhǔn)操作流程規(guī)范對(duì)被試電動(dòng)汽車差速器進(jìn)行打磨、貼片、防護(hù)、測(cè)試等準(zhǔn)備工作，如圖8所示。

圖8 電動(dòng)汽車差速器應(yīng)變測(cè)點(diǎn)

隨后將構(gòu)建好應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)的被試電動(dòng)汽車差速器安裝在扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗(yàn)臺(tái)上，如圖9所示。測(cè)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(jìn)行共計(jì)14個(gè)通道的應(yīng)變信號(hào)采集。

圖9 電動(dòng)汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗(yàn)臺(tái)

4 應(yīng)變測(cè)試及結(jié)果分析

4.1 應(yīng)變測(cè)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(yàn)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(yàn)臺(tái)架方法》中與本試驗(yàn)方法特性相似的半軸扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗(yàn)方法，試驗(yàn)載荷波形為正弦波，推薦試驗(yàn)頻率為0.5～5.0 Hz，試驗(yàn)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(dòng)汽車參數(shù)如表1所示。

表1 電動(dòng)汽車參數(shù)

根據(jù)電動(dòng)汽車電機(jī)的工作特性，選取推薦試驗(yàn)載荷范圍為(0.1～1.1)iMm(Mm為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；i為傳動(dòng)系傳動(dòng)比，即固定傳動(dòng)比與主減速器傳動(dòng)比的乘積)，代入表1數(shù)據(jù)得推薦試驗(yàn)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(duì)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(yàn)所得。被試電動(dòng)汽車差速器一字軸及齒輪材料均為20CrMnTi，查閱《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊(cè)》[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(shí)，疲勞壽命超過薦定壽命107，說明已經(jīng)不再引起損傷，此時(shí)相對(duì)應(yīng)的一字軸及被試電動(dòng)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(dòng)汽車電機(jī)的工作特性參數(shù)確定試驗(yàn)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(yàn)扭矩Tmin=1558 N·m；從《QC/T 293—2019 汽車半軸技術(shù)條件和試驗(yàn)臺(tái)架方法》中根據(jù)電動(dòng)汽車電機(jī)的工作特性參數(shù)獲取推薦最大試驗(yàn)扭矩Tmax=2401 N·m，以1558～2401 N·m作為試驗(yàn)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(yàn)幅值。

為分析和研究加載正弦波頻率和幅值對(duì)應(yīng)變的影響，控制液壓伺服直線缸作動(dòng)器輸出載荷波動(dòng)，擬定測(cè)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(gè)工況，單個(gè)工況采集3組數(shù)據(jù)，共90組數(shù)據(jù)。

表2 應(yīng)變測(cè)試工況

對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行整合及預(yù)處理后，觀察到10個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本一致，受篇幅所限，僅以測(cè)點(diǎn)1部分?jǐn)?shù)據(jù)為例進(jìn)行分析說明。圖11為測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)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(tái)段，但應(yīng)變信號(hào)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(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)1應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

圖13 相同幅值不同頻率測(cè)點(diǎn)1應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(hào)，被試電動(dòng)汽車差速器關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)變會(huì)發(fā)生小幅變化。但經(jīng)計(jì)算知，應(yīng)變均方根值離散程度為0.26%，意味著基本不會(huì)影響電動(dòng)汽車差速器的扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞性能，

可從測(cè)試頻率中選擇其中一種或幾種的組合作為試驗(yàn)載荷加載頻率。由電動(dòng)汽車在試驗(yàn)場(chǎng)多種路面實(shí)測(cè)所得的電機(jī)輸出扭矩及半軸扭矩頻譜分析結(jié)果可知電機(jī)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(yàn)臺(tái)架方法》中有關(guān)扭轉(zhuǎn)疲勞的推薦試驗(yàn)頻率、液壓伺服控制系統(tǒng)的載荷輸出能力及試驗(yàn)效率，確定試驗(yàn)頻率為5 Hz。

測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)1應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

圖14 相同頻率不同幅值測(cè)點(diǎn)1應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(hào)，被試電動(dòng)汽車差速器關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)變基本呈線性變化。

由所測(cè)得的實(shí)際應(yīng)變數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(gè)試驗(yàn)幅值，根據(jù)扭矩-疲勞壽命曲線獲取m個(gè)試驗(yàn)幅值所對(duì)應(yīng)的疲勞壽命值，并建立以下方程組以求解各個(gè)加載幅值所對(duì)應(yīng)的加載頻次：

式中，q1,q2,…,qm為m個(gè)試驗(yàn)幅值對(duì)應(yīng)的加載頻次；N1,N2,…,Nm為m個(gè)試驗(yàn)幅值對(duì)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(jì)數(shù)據(jù)曲線上從第m-1到第m個(gè)試驗(yàn)幅值所對(duì)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(yàn)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(jì)分析結(jié)果，有

5 沖擊疲勞試驗(yàn)加載方法

根據(jù)電動(dòng)汽車電機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)恒扭矩及高轉(zhuǎn)速時(shí)恒功率的工作特性，確定試驗(yàn)載荷加載方式為：將m個(gè)試驗(yàn)幅值中每個(gè)試驗(yàn)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(jìn)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(gè)試驗(yàn)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(cè)試的結(jié)果及分析，將每級(jí)載荷分成10個(gè)小循環(huán)，按照載荷由大到小及由小到大交替進(jìn)行，確定電動(dòng)汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗(yàn)工況如表5所示。

表5 電動(dòng)汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗(yàn)工況

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照表5對(duì)被試差速器進(jìn)行試驗(yàn)。第一次試驗(yàn)進(jìn)行至第10個(gè)小循環(huán)時(shí)被試差速器樣本1一字軸出現(xiàn)疲勞破壞，此時(shí)加載幅值為2000 N·m，循環(huán)次數(shù)為110 288；第二次試驗(yàn)進(jìn)行至第11個(gè)小循環(huán)時(shí)被試差速器樣本2一字軸及嚙合齒出現(xiàn)疲勞破壞，此時(shí)加載幅值為1600 N·m，循環(huán)次數(shù)為127 425；第三次試驗(yàn)進(jìn)行至第11個(gè)小循環(huán)時(shí)被試差速器樣本3一字軸出現(xiàn)疲勞破壞，此時(shí)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(yàn)結(jié)果與實(shí)際行駛時(shí)疲勞破壞情況基本一致，驗(yàn)證了試驗(yàn)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(dòng)器作為載荷發(fā)生裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗(yàn)臺(tái)。確定加載波形為正弦波后，建立了應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，施加了多工況扭轉(zhuǎn)沖擊載荷，對(duì)獲得的重要部件測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)分析。通過對(duì)一字軸的受力分析得到了危險(xiǎn)截面及最大應(yīng)力，結(jié)合S-N曲線確定了試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)，最終得到電動(dòng)汽車差速器扭轉(zhuǎn)沖擊疲勞試驗(yàn)方法，且經(jīng)多組試驗(yàn)，與實(shí)際電動(dòng)汽車差速器破壞形式一致，驗(yàn)證了試驗(yàn)方法的有效性。