純電動汽車變速箱超越離合器壽命分析與測試

摘要：變速箱是動力總成中最關(guān)鍵的部分，其中雙擋變速箱相對于傳統(tǒng)的單擋變速箱，能夠有效提高整車的動力性能和經(jīng)濟(jì)性。由于所研究的超速離合器必須與二擋式純電動車搭配使用，故該離合器必須符合二擋式純電動車之動力傳動系。據(jù)此，從齒輪傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)特性的仿真分析、疲勞壽命的計(jì)算、換擋沖擊試驗(yàn)等方面，深入探討了超越離合器的性能。

關(guān)鍵詞：純電動汽車；超越離合器；壽命分析

中圖分類號：U469 收稿日期：2023-05-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.033

1 前言

當(dāng)前，純電動汽車沒有配備多擋變速器，都僅僅使用單擋變速器，即：電機(jī)傳送到車輪上的動力都由單擋減速器來傳遞。根據(jù)電機(jī)的外部特性曲線可以知道電機(jī)擁有兩個特性，分別是高速恒定功率和低速恒定力矩。因此，在純電動車上安裝一個單擋的減速裝置，其缺點(diǎn)是顯而易見的。

2 超越離合器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及三維建模

2.1 工作原理

滾子超速離合器由滾子、預(yù)壓彈簧、外星輪（外環(huán)）、內(nèi)環(huán)等構(gòu)成。通過輥?zhàn)釉讵M窄的楔形區(qū)內(nèi)進(jìn)退運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間的接合和分離。內(nèi)環(huán)和外環(huán)之間的轉(zhuǎn)速差異決定了此時(shí)的輥?zhàn)邮切ㄐ芜€是松弛，相應(yīng)于超車離合器的接合還是脫離。超越離合器是一種倒裝的機(jī)械自動變速器I-AMT，其主要部件包括軸齒、外星輪的超越離合器、殼體、差速器、后置干式離合器、換擋執(zhí)行器［1］。圖1是I-AMT的簡單構(gòu)造圖，在該構(gòu)造中，輸入軸由一個花鍵輪轂與一個摩擦片相連，中空軸由一個飛輪盤固定地相連，中空軸與輸入軸能夠互相旋轉(zhuǎn)，中空軸的定位能夠由一個軸承和一個外殼來完成，中空軸與中空軸的配合是一種過盈配合。內(nèi)環(huán)中軸都是干涉裝配，一個齒輪傳動裝置與它的外部行星輪相連接。因此，要想實(shí)現(xiàn)無動力換擋，最重要的就是超越離合器。

2.2 超越離合器的設(shè)計(jì)

2.2.1 超越離合器接觸面的選擇

超越離合器的內(nèi)環(huán)接觸表面應(yīng)選用圓弧表面。而外環(huán)接觸表面的選型有很多種，主要有平面、對數(shù)螺線、偏心弧形三種［2］。其中，盡管平直接觸面的制造工藝簡單、價(jià)格低廉，但使用一段時(shí)間后，由于平直接觸面的嚴(yán)重磨損，其楔形夾具的角度會發(fā)生變化，使得外環(huán)與滾子之間的楔形夾具難以實(shí)現(xiàn)緊密的楔形夾持，導(dǎo)致出現(xiàn)打滑。由于對數(shù)螺旋面具有良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不易對接觸面產(chǎn)生磨損，楔角大小不會隨著設(shè)備的運(yùn)行而發(fā)生變化。獨(dú)特的設(shè)計(jì)模式延長了設(shè)備的使用壽命，提高了設(shè)備工作的可靠性，但由于此設(shè)備具有獨(dú)特的設(shè)計(jì)模式及思路，產(chǎn)品成本較高。偏心弧形接觸表面采用一條偏心弧形取代其截取的對數(shù)螺線形表面，這樣既保證了超越離合器的工作可靠性及使用周期，也容易生產(chǎn)制造，各項(xiàng)成本低。通過對改設(shè)備的接觸面進(jìn)行分析，綜合考慮設(shè)備工作的可靠性、運(yùn)行周期及生產(chǎn)成本等方面，采用了一種偏心弧形接觸表面。

2.2.2 滾珠受力分析

分析超越離合器滾珠受力：在超越離合器內(nèi)圈作為從動件來輸出動力，外圈作為主動件來傳遞扭矩時(shí)，滾珠會被楔緊在一個比較小的楔形空間中。

2.2.3 預(yù)緊彈簧的計(jì)算

因超越離合器存在較大的間隙，滾珠在間隙內(nèi)自由滾動幅度較大，為約束滾珠在楔形間隙的運(yùn)動，設(shè)計(jì)并使用預(yù)緊彈簧，預(yù)緊彈簧的主要作用是限制滾柱在楔形間隙的自由滾動。超越離合器在轉(zhuǎn)到過程中，其傳遞的扭矩隨著轉(zhuǎn)速增大而減小，滾珠所受的楔緊力與離心力也會不斷變化。在兩個力的作用下，滾珠在楔形間隙的空間位置不斷變化，導(dǎo)致滾珠與接觸面之間存在不間斷的碰撞與摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致滾柱將接觸面破壞；在升擋超車時(shí)，由于預(yù)壓彈簧，使輥?zhàn)邮冀K與內(nèi)環(huán)、外環(huán)的楔面接觸，當(dāng)超車離合器變擋時(shí)，輥?zhàn)有ㄈ胙杆冁i定，減少輥?zhàn)邮艿降臎_擊，并使接觸面不受損傷［3-4］。

2.3 超越離合器有限元模型建立

2.3.1 模型網(wǎng)格單元類型選擇

ABAQUS元件庫中的數(shù)量龐大的元件庫，可以方便地對各種集合體及結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，其中最常用的就是應(yīng)力-位移實(shí)體元件庫。單元型式的正確選取將直接影響到數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精度。在應(yīng)用實(shí)體細(xì)胞時(shí)，三維結(jié)構(gòu)的大小應(yīng)該是一樣的。在平面上，可選用四邊形、三角形等形狀；在三維空間中，有楔形、六面體和四面體三種形式。在超車離合器采油裝置中，選擇了二次四面體裝置［5-6］。

2.3.2 網(wǎng)格檢驗(yàn)

計(jì)算結(jié)果的精確度與網(wǎng)格質(zhì)量密切相關(guān)。在對網(wǎng)格剖分過程中，由于某些網(wǎng)格剖分會產(chǎn)生不理想的外形，在使用 FEM軟件的分析過程中，會產(chǎn)生網(wǎng)格構(gòu)形的預(yù)警信號，嚴(yán)重時(shí)還會造成網(wǎng)格構(gòu)型的破壞，所以在劃分網(wǎng)格的時(shí)候，一定要檢查網(wǎng)格的質(zhì)量。通過檢驗(yàn)，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)滿足連續(xù)性的要求，網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。其中，外環(huán)和內(nèi)環(huán)分別為827 059和221 310。

3 超越離合器的疲勞壽命分析

3.1 模型的靜力學(xué)分析

ABAQUS是一款用于機(jī)械工程、材料工程、電子工程、電氣工程、土木工程等工業(yè)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)與場域分析的一款大型有限元軟件。ABAQUS的主要模塊包括三大模塊，它能夠?qū)τ脩羲璧牟牧系奶匦赃M(jìn)行仿真，不但可以對其他材料庫進(jìn)行界面設(shè)置，還可以讓用戶自己創(chuàng)建新的材料庫。

由于本文僅對內(nèi)環(huán)、外環(huán)進(jìn)行了靜力仿真，所以除超限離合器外，其余部分都是約束狀態(tài)。就內(nèi)環(huán)而言，其內(nèi)部環(huán)形表面作為一個固定的限制條件，在第一擋時(shí)，在前進(jìn)面上，在倒退擋時(shí)，在后退面上。轉(zhuǎn)矩的傳遞由七個輥實(shí)現(xiàn)，所以外環(huán)所承擔(dān)的每一個輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)矩是59.3 N/m，而由于內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)矩是由輥?zhàn)觽鬟f的，所以輥?zhàn)幼饔迷趦?nèi)環(huán)上的作用力也是59.3 N/m。

3.2 用FE-SAFE軟件進(jìn)行疲勞壽命分析

3.2.1 疲勞分析的基本方法

疲勞失效是指一種材料在反復(fù)變化的應(yīng)力和應(yīng)變下，甚至其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一個常數(shù)，但由于應(yīng)力、應(yīng)變等因素的影響，其破壞程度會逐步改變，并產(chǎn)生損傷，最終引起裂紋擴(kuò)展，最終產(chǎn)生斷裂。材料的疲勞破壞通常分為三個階段，即由初始的裂紋產(chǎn)生、由初始的裂紋擴(kuò)展、直至最后的破壞［7］。

3.2.2 FE-SAFE疲勞壽命分析過程

a.導(dǎo)入分析結(jié)果。通過FE-SAFE讀入ODB和ABAQUS文件，在此基礎(chǔ)上，再利用ABAQUS內(nèi)環(huán)進(jìn)行有限元法計(jì)算，并將其 Fil文件輸入到FE-SAFE軟件中，對其進(jìn)行了疲勞壽命分析。

b.載荷譜的編制。一般情況下，要估計(jì)其疲勞壽命，就需要了解其負(fù)荷譜。荷載譜是展現(xiàn)工件在不同工況下載荷大小與時(shí)間累積頻次的關(guān)系。通過載荷圖譜可以清晰地展現(xiàn)載荷的統(tǒng)計(jì)特征。因此，不但可以根據(jù)荷載的變化來進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的計(jì)算，而且還可以根據(jù)荷載的變化來進(jìn)行模擬試驗(yàn)。利用此方法將超越離合器分為內(nèi)外兩個部分分析其疲勞壽命，結(jié)論是內(nèi)外兩個部分的工作狀態(tài)相同。

c.S-N曲線。最簡單的基本S-N曲線是由循環(huán)應(yīng)力S與到破壞時(shí)的循環(huán)數(shù)（或壽命）N之間的關(guān)系來描述的。一般地，壓力壽命曲線是由一個冪函數(shù)來表示的。

3.2.3 仿真結(jié)果與分析

用戶在ABQUS中對FE-SAFE運(yùn)算后產(chǎn)生的ODB結(jié)果文件數(shù)據(jù)開展后處理，并對結(jié)果展開分析。圖2是內(nèi)部圓環(huán)云圖和計(jì)算的結(jié)果文件圖，圖中顯示導(dǎo)油孔是內(nèi)圈最壞的結(jié)點(diǎn)；載荷譜顯示147.5 h是一個單次循環(huán)周期；仿真結(jié)果顯示使用循環(huán)數(shù)是619次，滿足疲勞壽命的要求。

4 疲勞壽命與換擋沖擊試驗(yàn)測試

4.1 測試目的

超越離合器是純電動汽車在換擋與傳遞力矩的主要部件。因此，它的可靠性對于變速箱是否能夠正常工作至關(guān)重要。

4.2 控制器的搭建

為了能夠更好地進(jìn)行試驗(yàn)，必須要有一個可靠的控制器。本文在已有的TCU硬件的基礎(chǔ)上，對底層程序進(jìn)行重寫，控制器模型利用SIMULINK建立，通過CAN通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動電機(jī)的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對變速器的升擋控制、降擋控制和信息通信等功能。利用CAN來實(shí)現(xiàn)信息的通信，通過控制離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，實(shí)現(xiàn)控制換擋。該系統(tǒng)的換擋過程與自動變速器的啟動過程相似，可劃分為空沖程、離合器滑磨期等階段［8］。

在升擋過程中，在無滑磨區(qū)、空沖區(qū)，使離合器迅速動作，以減少換擋時(shí)間；在滑磨期，離合器慢慢合攏，主從兩個部分之間的速度差異逐漸降低，使換擋過程順利。在降擋過程中，必須避免斷電現(xiàn)象，因?yàn)閿嚯姴坏珪ψ兯倨鞯膫鲃有十a(chǎn)生影響，還會對汽車的舒適性、安全性產(chǎn)生影響。在超常離合器的同步性中，存在著一定程度的碰撞，為了解決碰撞問題，必須調(diào)整降擋過程。在降擋過程中，為了降低沖擊，必須使內(nèi)外圈的轉(zhuǎn)速平穩(wěn)地同步，但對控制算法的要求也比較高，本文采取的是固定降擋曲線的方法，所以會有很大的降擋沖擊，就像升擋曲線一樣，在滑磨階段會慢慢的分離，在空行程階段會快速的分離。

4.3 測試臺架的搭建

由于要對齒輪箱超速離合器進(jìn)行疲勞壽命及換擋沖擊試驗(yàn)，以確定其滿足設(shè)計(jì)要求，所以必須搭建試驗(yàn)平臺。

圖3顯示了CATIA的裝配模式，同時(shí)也顯示了測試平臺的真實(shí)處理過程。

4.4 測功機(jī)疲勞壽命測試

測功機(jī)又稱差速測功機(jī)、傳動測功機(jī)，主要用于汽車工業(yè)對輪齒組的可靠性、機(jī)械整體性等方面的測試。本文中所采用的測力儀主要用于對齒輪箱中各部件的壽命進(jìn)行測試。

對齒輪箱來說，其疲勞壽命的計(jì)算方法主要有四種：增加的應(yīng)用型、單齒輪壽命測試方法、齒輪周期測試方法、S-N曲線測試方法。但是，目前還沒有針對兩擋電動汽車變速器的換擋周期規(guī)范，只能通過單擋壽命測試來評價(jià)。在這里對超越離合器的疲勞壽命試驗(yàn)，指的是在規(guī)定的載荷譜下對其進(jìn)行一定的加速疲勞測試。在測試完成之后，要將變速箱拆解，并對超越離合器的磨損狀態(tài)進(jìn)行觀察，如果出現(xiàn)了損壞，就要對損壞的具體情況以及造成的原因進(jìn)行分析。

通過內(nèi)環(huán)與外環(huán)在試驗(yàn)之前與試驗(yàn)之后的對比發(fā)現(xiàn)，加速疲勞試驗(yàn)后，內(nèi)圈的整體結(jié)構(gòu)未見其他破壞形式，但外側(cè)有明顯的劃痕，且劃痕不規(guī)則，表明滾子與內(nèi)圈接觸部位存在相對滑移。而對其外圈進(jìn)行了加速疲勞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其整體無破壞現(xiàn)象。在外環(huán)內(nèi)部可以看到，前向表面的刮痕明顯大于后向表面。這是因?yàn)樵谠O(shè)定負(fù)載譜時(shí)，前沖的時(shí)間要遠(yuǎn)大于后退的時(shí)間，且外圈刮傷的相對位置是固定的，因此，盡管滾子與外圈的接觸存在著相對的滑動，但是滑動的位置相對較小。整體而言，超限離合器試驗(yàn)合格。

4.5 換擋沖擊試驗(yàn)與分析

本部分著重介紹了超越離合器在變速過程中的變速沖擊試驗(yàn)，通過變速過程中的疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證變速過程中變速次數(shù)的變化是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。上述控制器控制著驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速、升降擋、倒擋。根據(jù)設(shè)計(jì)的使用要求和實(shí)際使用情況，因升擋時(shí)的沖擊很小，沖擊主要集中在降擋時(shí)，故可將循環(huán)換擋次數(shù)在循環(huán)加速試驗(yàn)中設(shè)置為10萬次。換擋循環(huán)可設(shè)計(jì)為升擋、降擋、倒退擋、換擋、進(jìn)擋、換擋循環(huán)以10 s為一個循環(huán)。

在變速時(shí)，采用PID控制器跟蹤變速目標(biāo)曲線，然后把它和摩擦片結(jié)合起來。在慣性相、超速離合器和摩擦片離合器是聯(lián)合傳遞扭矩的。換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠很好地跟蹤升擋曲線，換擋全程所需時(shí)間為1 s，超越離合器實(shí)際轉(zhuǎn)速變化與仿真結(jié)果大同小異，升擋環(huán)節(jié)中最大沖擊度是9.8 m/s3，并且沒有出現(xiàn)動力中斷。在換擋時(shí)，采用PID控制技術(shù)，追蹤換擋目標(biāo)曲線，以達(dá)到從摩擦片式離合器脫擋的目的。在慣量相位完成之后，進(jìn)入扭矩相位，在該相位中，超越離合器嚙合，扭矩開始傳遞。換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠很好地跟蹤升擋曲線，換擋全程所需時(shí)間為1 s，超越離合器實(shí)際轉(zhuǎn)速變化與仿真相似，在內(nèi)外圈結(jié)合的過程中，最大沖擊度為50.5 m/s3，有很大的降擋沖擊，但無動力中斷。

5 結(jié)語

本文主要針對雙擋變速器傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件——超越離合器展開了研究。通過建立超越離合器有限元模型，對其內(nèi)環(huán)外環(huán)進(jìn)行了靜態(tài)模擬，并通過對其疲勞壽命進(jìn)行仿真計(jì)算，搭建控制器、測試臺架、加工超越離合器，完成其疲勞壽命測試、換擋沖擊測試，驗(yàn)證其符合設(shè)計(jì)要求。

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作者簡介：

王繼宇，男，1983年生，工程師，研究方向?yàn)槠嚪?wù)工程。