針對電動汽車減速器齒輪疲勞壽命研究存在加載信號簡單、難以反映實際行駛中的真實受載問題，提出了一種以實際行駛載荷譜為輸入的電動汽車減速器齒輪疲勞壽命分析方法。制定減速器試驗場實際行駛載荷譜采集方案，組建測試系統，采集了電動汽車減速器實際行駛載荷譜；在此基礎上，建立了電動汽車減速器剛-柔耦合系統動力學模型，并進行了運動學和動力學驗證；以采集的實際行駛載荷譜為輸入，提取齒輪嚙合力，結合有限元分析模型，對減速器齒輪損傷和壽命進行了分析。結果表明，基于實際載荷譜的電動汽車減速器齒輪疲勞壽命分析當前，電動汽車驅動普遍采用電機-減速器方案。長期運行在最佳工況，降低能源損耗，因此，減速器已成為電動汽車傳動系統中不可或缺的核心關鍵部件之一[1]。用于減速器的載荷譜通過實車目標部位布置高精度傳感器，實時條件方面尚存在一些欠缺。將載荷譜應用于虛擬試驗中，可使得仿真結果更切合實際。減速器的疲勞可靠性對電動汽車動力傳動系統甚至整車的疲勞可靠性具有決定性的影響，而齒輪是其最重要的零件之一，其真實疲勞壽命關乎減速器的疲勞可靠性[2]。隨著計算機技術發展，汽車減速器齒輪開發前期以仿真分析為主，后期產品驗證則以試驗為主[3]91-92。本文中基于實際載荷譜的齒輪疲勞壽命仿真分析具有較高的可信度和一定的參考價值，若要獲取準確的齒輪疲勞壽命分析，則需要進行疲勞壽命試驗法驗證，但試驗法成本高昂、周期長。國內外專家學者也多通過虛擬試驗進行疲勞壽命分析。袁菲等[4]通過概率統計和有限元法研究了隨機載荷譜作用下的齒輪應力譜，使用線性累積損傷理論對齒輪副進行了疲勞壽命預測元模型的嚙合部位進行靜態和瞬態分析，得到齒輪嚙合最大應力趙方洲等[6]基于模態疊加法理論，施加程序設定載荷于減速器總成剛柔耦合模型，得到應力載荷譜進而分析齒輪疲勞壽命。郭玉梁等[7]基于Miner線性損傷累積理論，通過施加設定載荷對弧XinYY等[8-9]選用有限元法研究了齒輪擬合過程，得到齒輪在時變剛度作用下的接觸應力，從而預測齒輪壽命。LiG等[10]對行星齒輪傳動系統進行了研究，為提升在多變載荷下的工作可靠性和壽命值，提出了基于威布爾分布計算用于優化齒可以看出，目前的減速器齒輪壽命分析主要是基于靜態載荷或者單一標準工況下計算接觸應力和彎曲應力，從而對壽命進行分析，與實際運行情況有較大的差距。因此，本文中通過減速器實際行駛載荷譜采集，建立減速器剛柔耦合系統動力學仿真模型，以實際行駛載荷譜為輸入，提取齒輪在汽車行駛時的受載情況，為減速器齒輪疲勞壽命準確分析和預測提供了一種行之有效的方法。1.1采集方案電動汽車減速器主要承受來自電機波動的轉速載荷以及路面行駛負載轉矩載荷，為此，對電動汽車實際行駛時的減速器轉矩轉速為便于整車及其他零部件的開發，本次采集除減速器轉矩轉速載荷之外，還采集了車輪六分力和車身應變等，測試系統如圖1所選用CAN總線獲取減速器轉速信號，利用六分力的橫向轉矩獲取減速器轉矩信號，所有信號通過高性能數采設備進行同步采集。采集工況基于某企業的試驗場耐久性試驗規范，包括強化工況和強化工況分為F1~F5共5個小循環，車速控制在50km/h以內，每個工況采集3個循環，保證數據的重復性良好。同一個駕駛員采集3個數據樣本后更換駕駛員再次采集。好的數據作為最終試驗數據樣本。部分采集數據如圖2所示。1.2載荷譜的預處理與分析為排除原始信號受到設備安裝誤差、測試系統以外的電磁信號干擾、人員操作等影響，致使原始信號中諧波含量高，需要對原始常用的信號預處理包括濾波和剔除奇異值[11]。用巴特沃斯[12]（Butterworth）濾波器進行濾波處理。分析得知，強化路應變的信號主要集中于0~25Hz，因此，帶通濾波的高頻限值確定為25Hz，低頻濾波范圍選用0.05~25Hz還不能直接加載，選用標準方差統計法進行奇異值判定后剔除。對各典型路面進行頻譜分析，得到各個路面的功率譜密度分布。發現強化工況各路面能量基本都在12Hz以下，集中頻率為1Hz一定時間內，路面的功率譜面積越大，耗能越多。本文中強化工況選取能量較大、路況惡劣、載荷強度大的路面載2.1齒輪三維模型建立減速器齒輪疲勞壽命的研究重點是旋轉疲勞。因此，需考慮齒輪所承受的轉速與轉矩激勵信號。為減小模型算力，在不影響齒輪正常工作狀態下對減速器油封、部件均進行相應參數修改，以保證齒輪正常運行。建立的減速器齒輪三維模型如圖4所示。部件，最終建立的減速器模型如圖5所示。法向壓力角/(°)螺旋角/(°)55-6-62.2齒輪有限元模型建立對齒輪三維網格離散化時，保留結構件的動力學特征以及力學特網格單元的數量、質量和網格單元類星體等決定著有限元計算精采用Hypermesh軟件對模型網格劃分[13]。理論上，網格單元數量越多、尺寸越小，計算結果更加真實；但計算時長與網格數量呈線性上升。因此，為保證計算精度，對結構件容易引起應力應變大的部位進行網格加密處理，而對應力變化較小的不重要區域，網格密度能設置齒輪材料參數：彈性模量2.06×105MPa、泊松比0.3、密度MPa，選用六面體1階單元對齒輪進行網格劃分，得到網格一級主、從動齒輪網格數量分別為187110和145638。一級主動齒輪有限元模型如圖6所示。2.3減速器剛柔耦合模型建立及驗證為得到更準確的減速器當量載荷，對齒輪進行柔性化處理。在Adams軟件中，剛柔耦合模型主要是進行MNF文件的提取，替換目標剛性體得到柔性化齒輪。柔性體的模態采用固定界面模態綜合法齒輪模態最低頻率約為4402.8Hz，在第1.2節提取的載荷譜轉速都低于1000r/min，在此轉速下的齒輪嚙合頻率為求得齒輪嚙合頻率在3500Hz左右，可知齒輪不存在共振問題。在輸入軸與減速器殼體的旋轉副上施加轉速驅動信號，在輸出端差速器殼體上施加轉矩負載信號。為確保得到的齒輪嚙合力疲勞載荷譜的準確性，需要對耦合模型運動學分析無需考慮重力加速度，而動力學分析應根據系統的實運動學驗證僅用來驗證各齒輪對的傳動比是否正確，以及零件裝配中是否存在運動學的干涉問題。減速器齒輪采用圓柱斜齒輪，其在傳動過程中除了承受切向力與行動力學驗證中主要對齒輪的受力情況進行對比和驗證。減速器輸入輸出轉速誤差和齒輪對嚙合力時域誤差分別如表3、表轉速/((°)/s）0速均值與理論計算值誤差均在0.1%以下；由表4可知，提取仿真出的各嚙合力均值與理論值，得出切向力、徑向力與軸向力誤差都小于10%。3.1載荷施加為確保加載實際載荷的轉速轉矩信號后，多體動力學模型能夠仿真得到準確的齒輪嚙合力，對采集的各路面信號進行數學統計特以淺灘路面為例，將前文提取的加載載荷輸入計算，得到其仿真設置輸入載荷和仿真參數，仿真步長設為0.0001，既反映出系統的高頻響應特性，也可得到相對準確的嚙合力載荷。積分求解器和積分格式選擇剛-柔耦合系統常用的Gstiff和SI2[14]。研究材料疲勞壽命時重點考慮結構件的力學性能和受載情況，一定范圍內的加載頻率對其影響較小[15]。施加固定轉速、隨機轉矩信號進行仿真，得到600r/min時理論嚙從圖7可以看出，加載隨機轉矩和固定轉速，測得的嚙合力基本在理論值附近波動，進一步驗證了模型的有效性。3.2仿真分析按照上述方法，選擇各路面平均轉速值為固定轉速和實測轉矩，將強化工況和動力工況的轉矩信號導入動力學模型中，得到各路連接計算得到的各強化工況和動力工況嚙合力作為疲勞分析輸入，分別得到強化工況嚙合力與動力工況嚙合力，如圖8所示。4.1疲勞分析基本理論及方法Miner線性疲勞累積損傷理論[16]認為，每一個應力循環都吸收等量凈功，循環相對獨立與先后順序無關，當凈功達到臨界值才會由式（2）和式（3）可分別求得等幅載荷和變幅載荷作用下的損傷，即對于變幅循環載荷，當累積損傷D2接近1時，即達到疲勞壽命極當前，確定零件疲勞壽命的方法有試驗法和疲勞分析法[3]91-93，應在疲勞分析法中，名義應力法和局部應力應變法在機械疲勞領域由文獻[17]170可知，由于汽車減速器斜齒圓柱齒輪的疲勞壽命往往應力循環次數在103以上，屬于高周疲勞問題，最大應力沒有因此，對減速器齒輪疲勞壽命預測選用名義應力法。名義應力法以應力為基礎，將構件所受載荷轉化為危險部位的應結合材料應力-壽命（S-N）曲線以及線性累積損傷理論，對構件其分析流程如圖9所示。4.2齒輪疲勞壽命分析將計算得到的齒輪嚙合力載荷結果進行雨流計數處理。在疲勞分析軟件中，根據一級齒輪材料的抗拉強度和材料類型，估算出材料S-N曲線。在結構形狀、尺寸大小和表面處理方式等方面都有差異[18]。為得到與齒輪近似的S-N曲線，減速器齒輪的缺口效應、尺寸效應采用應力梯度FKM法替代缺口疲勞系數來進行修正。表面處理一般為精磨或噴丸處理，查閱文獻[17]20-25，設置表面處選用Goodman公式[19]對平均應力進行修正，即σ-1為對稱循環載荷下材料疲勞極限。通過以上方式，可提高減速器齒輪疲勞壽命評估的準確性。4.3減速器齒輪疲勞壽命計算與結果分析將第3節中計算得到的齒輪有限元結果和嚙合力載荷導入疲勞壽命分析軟件，計算減速器齒輪的強化工況和動力工況疲勞損傷與壽嚙合力載荷按照3∶1進行加載，得到一級齒輪對的損傷云圖和壽命云圖，部分如圖10所示。將一級齒輪的疲勞壽命計算結果匯總于表5中。對比齒輪在強化工況和動力工況的最大損傷值和疲勞壽命，得知齒輪在動力工況下承受的損傷值為1.407×10-7，大于強化工況的損傷，齒輪強化工況壽命大于動力工況壽命。這是因為動力工況挑選的路面為急加速與急制動路面，而強化工況挑選的路面速度與轉矩波動較小。兩種工況的最大損傷部位均出現在齒輪根部，符合齒輪疲勞損傷疲勞壽命/次-85-755為了更好地校核齒輪的壽命是否達標，根據QC/T1022—2015《純電動乘用車用減速器總成技術條件》標準[21]，獲得減速器輸出齒輪的疲勞壽命循環次數，結合該車的傳動比和輪胎半徑等參根據廠家試車規范和表5中載荷譜疲勞壽命循環次數，得到一級齒強化工況超過標準要求，滿足設計條件。標準中的疲勞試驗是在恒定轉速和恒定轉矩的加載條件下的臺架速與急制動工況，齒輪基本都處于轉矩較大的狀態，因此，動力工況的疲勞壽命結果也可以接受。采用實際試驗場、實際行駛載荷譜對某電動汽車減速器齒輪進行建立了減速器剛柔耦合多體動力學仿真模型，