基于Romax的电驱总成等效里程核算及验证

崔华芳 张明朗 刘洋

摘 要：随着新能源汽车在我国的全面发展，各类不同的形式的动力总成应运而生。由于电动机特有的外特性，大部分新能源客车及A级乘用车的动力总成均采用了集成式的单挡变速箱，同一速比下需面对复杂的道路工况，且不同车型的总成寿命需求不尽相同，对总成可靠性的验证也提出了更高的要求。文章通过某一电动客车电动总成可靠性验证过程为例，以轮齿接触疲劳损伤为基础并基于Romax对等效里程进行理论校核，比对整车实际路谱，设计相应的台架工况，结合实际的测试结果，说明等效里程核算的有效性及必要性。

关键词：动力总成;可靠性;Romax;疲劳损伤

中图分类号：U467  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）12-105-04

Abstract： With the all-round development of new energy vehicles in China， various types of power assemblies emerge as the times require. Due to the unique external characteristics of motors， most of the powertrain of new energy buses and class A passenger cars adopt single-gear transmission. Under the same speed ratio， they need to face complex road conditions， and the assembly life needs of different models are different， which also puts forward higher requirements for the verification of assembly reliability. Based on the contact fatigue damage of gears and Romax， the equivalent mileage is theoretically checked through the reliability verification process of a bus powertrain， and the corresponding bench working conditions are designed by comparing the actual road spectra of the whole vehicle. Combining with the actual test results， the effectiveness and necessity of equivalent mileage calculation are illustrated.

Keywords： Power assemblies; Reliability; Romax; Contact fatigue damage

CLC NO.： U467  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）12-105-04

前言

動力总成的设计寿命需求基本等同于整车需要，对于总成的充分验证可以确认是其否能够满足要求。实际的路谱复杂多变，整车难以完全的运行寿命需求里程，一则试验时间过长，二则试验成本过高。

动力总成等效里程的核算主要目的是在于设计相应的台架试验工况，缩短台架可靠性试验的验证时间并充分验证总成的耐久能力。

通过对多辆实车的路谱数据分析，总结其数据特征，以便于编制台架工况。因齿轮的各类校核的理论方法都比较成熟，所以以齿轮的接触疲劳损伤理论为基础，根据ISO6336第6部分中工况的处理方式对实际路谱工况进行分解，整理成为可以用来校核计算的形式。而后设计台架工况，在Romax中建立样品模型，运算相应工况，对比台架和实际路谱的损伤值，折算出等效里程。

1 理论基础及依据标准

1.1 名义应力法则（S-N曲线法）

名义应力法也有不足之处：一是没有计及缺口根部局部塑性变形和载荷顺序的影响;二是不能精确地表示实际零件与标准试样之间的等效关系，这主要是受到多种因素的制约，如零件的几何形状、尺寸大小和加载方式等;三是不同应力比R和不同应力集中系数Kt下的S-N曲线是不同的，它们的获取需要花费大额经费，而且试验周期很长。尽管有上述缺陷，但这种方法易于实施，被工程上广为接纳。且大部分的分析软件中也是采用的这种方法，例如Romax。

1.2 核算依据标准

齿轮的校核计算主要依据标准是ISO6336系列《直齿轮和斜齿轮承载能力的计算》的第六部分《变化负荷下工作寿命计算》，其中主要讲述了接触应力计算中各相关系数如何计算或选择，工况如何划分，介绍了名义应力法则，并且列举了一个实际齿轮传动机构例子来说明齿轮寿命计算过程。各类仿真计算软件的计算方法也基本是由此而来。

1.3 Romax简介

Romax系列软件由英国Romax科技公司所开发的齿轮传功系统虚拟样机设计分析工具软件。主攻领域为风电行业，其他服务领域涉及汽车、工程车辆、和建筑、轴承、航空航天、铁轮、轮船、混合动力和电动汽车等。该软件在传功系统领域，尤其是风电齿轮箱设计方面享有很高的知名度。

Romax系列软件包含Romax Designer，Romax Dynamics、Synchronizer Simulation和Gear Manufacture四大模块，同时还推出了针对风电行业的RomaxWIND软件包。本次我们校核计算中使用的是Romax Designer模块，该模块功能主要是完成齿轮传动系统的设计分析，包括平行轴传动系、相交轴传动系、行星齿轮传动系的完整解决方案以及轴承、系统振动噪声分析等高级分析功能。

2 动力总成等效里程核算

2.1 车型信息

2.3 台架工况的设计

结合历史经验台架工况的设计会分为几部分，从不同的角度考核传动系统。结合对道路数据的处理分析和总结，参考3个车型的实际道路运行数据，按车速进行划分，设计了启停、城市、高速3种工况进行考核，结合台架本身考核的加速性，为缩短考核时间，增加了油门全开的极限工况进行考核。台架工况总共由4种工况进行考核，各工况的组成比例，需要按一定的系数进行分配，具体的分配比例需要结合商用车具体车型运行路况的车速工况分布的特性、齿轮损伤的校核和电驱动系统本身的温升特性结合来开展，各考核工况示意图如下图所示。

确定4大类工况后，相应的工况会由4类工况组合而成，相关工况的比例及循环次数需要结合车型的设计目标、实际路谱的数据分布特征、实际路谱计算的到齿轮损伤值及动力总成本身的温升特性进行设置，使台架工况与路谱数据核算得到的损伤值基本一致，按最终的比例组合工况作为台架试验的输入。

2.4 模型的建立及参数的选择

本次动力总成系统等效里程的核算选取第一对齿轮中的小齿轮的损伤作为核算依据，根据该齿轮参数在Romax中建立模型，如图所示：

参数选择方面，台架工况使用系数选择1.5，路谱数据使用系数选择1.25，其余系数由软件根据模型计算或缺省得到。

另外，在齿轮材料设置中我们选择允许有限的齿面点蚀，即允许微点蚀的产生。微点蚀是一种出现在弹流润滑和边界润滑状态下赫兹滚动与滑动接触面之间的失效现象。每个微点蚀实际上是一个表面浅微裂纹，相对于接触区域来说，每个微点蚀非常小，其深通常为10～20um。多個微点蚀合并后会形成一个连续的破裂表面，肉眼看起来外观阴暗无光泽，因此，微点蚀也常称为灰斑。微点蚀的持续扩展可能导致轮齿接触精度降低、动载荷和噪声增加。微点蚀现象的影响因素复杂，包括载荷、速度、滑动情况、温度、接触面形貌、膜厚比及润滑剂的化学成分，通常出现在低速重载齿轮传动中。

2.5 模型计算输出结果

在最终生成的报告中我们可以得到小齿轮在各个工况下接触应力、弯曲应力等，如下图。同时可以得到左右齿面的接触疲劳损伤值，如下表6，为某车的齿轮齿面接触疲劳损伤结果。

通过软件计算得到的各个工况下的齿轮损伤值以及Miner法则我们可以制定与路谱损伤值相等的且等效里程为70万公里的台架工况，并通过实际的测试去验证结果。

3 试验对比验证

3.1 台架的搭建

将整个电驱动系统搭载在台架上，按预定工况进行可靠性考核，期间监控运行过程中的主要参数，如电驱系统电功率参数、车轮转速扭矩、油温及样品振动情况等，完成预定的考核工况，考核过程中样品未出现功能失效等异常，完成预定考核工况后，进行样品拆解。

3.2 样品的拆解

本次等效里程的核算选取第一对齿轮中的小齿轮的损伤作为核算依据，并允许产生有限的齿轮点蚀，在拆解过程中，我们重点关注了小齿轮的情况，如下图10和图11。

如上图11所示，我们发现小齿轮的齿面有部分灰斑产生，说明我们的校核计算结果和实际测试还是比较接近的。

4 结论

（1）通过ISO6336中的计算方式并结合Romax仿真软件，我们设计了可以等效于路谱70万公里的台架工况，并通过实际的测试表明计算结果和实际测试还是比较接近的。

（2）后续需要改进的部分：本次校核中使用系数是根据标准中的推荐值而来，实际上使用系数有结合实际使用工况而计算的方法，使用系数的选取对于结果的影响还是相对来说比较大的。之后的选取中可以通过标准中的计算方法计算得到使用系数。

参考文献

[1] 濮良贵，纪名刚.机械设计（第九版）[M].北京：高等教育出版社， 2014.

[2] 孙桓，陈作模.机械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] ISO 6336-6直齿轮和斜齿轮承载能力的计算.第6部分变化负荷下工作寿命计算[S].2006.

[4] ISO 6336-1直齿轮和斜齿轮承载能力的计算.第1部分基本原则、引言和一般影响因素[S].2007.

[5] 熊禾根，机械传动系统Romax Designer建模、分析及应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2015.