新能源电动汽车电驱系统标准解读：传动系统疲劳寿命试验(一)

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导语

机械耐久(可靠性)试验、高温运行耐久试验(HTOE)和带载温度循环试验(PTCE)，并归为三合一电驱动系统寿命试验的“三座大山”，其中，传动系统疲劳寿命试验属于机械耐久(可靠性)试验之一。一般而言，电机电控和减速器分别选用GBT18488/GBT29307和 QC/T1022作为疲劳寿命考核要求,但是三合一系统的疲劳寿命试验鲜有涉及，"三合一电驱动系统的疲劳寿命试验要如何定义？",是个非常有意思的话题。

为了更好地解读这个问题，按以下逻辑，分三部分展开探讨：

一、整车寿命与传动系统疲劳寿命的等效关系；

二、现有标准能否满足考核要求；

三、三合一电驱系统疲劳寿命试验如何定义？

本文对第一部分做解读。

一、整车寿命与传动系统疲劳寿命试验的等效关系

先说结论： 整车寿命与传动系统各个子部件的疲劳寿命，通过疲劳累积损伤D来建立等效关系 ， 理论公式如下：

其中，D为零部件的疲劳累积损伤；T_1为零部件承载的扭矩；N为在扭矩T_1下的循环次数，对于旋转件 而言，等效于时间t与转速n的乘积；K为材料系数，与零部件的材料、热处理工艺和损伤机制有关系。

"理论有了，那么和哪些整车参数有关系呢？如何具体进行折算?"

记住，每当谈及整车，你都要默默在心头念三遍"客户是上帝"、"客户是上帝"、"客户是上帝"，只有真正搞明白他们想要什么，你才能知道 how to do。

首先，你就要问整车要他的"生辰八字"：

1）路谱，包含：时间-车速数据、寿命里程。路谱，如下图所示，为某一整车工况的路谱的一段，一般由诸多典型工况组合而成，如NEDC就是一种最简单的路谱；寿命里程，如10年30万公里。结合路谱单个循环对应行驶里程，计算出总的循环次数：n_cycle。

2）整车参数：如车重、风阻系数、迎风面积、轮胎参数等参数。结合路谱，据此计算获得整车轮端扭矩-转速需求数据，如下图所示绿线和红线。

新能源电动汽车整车参数

其次，你就要问自己系统的"生辰八字"：

3）传动系统的布置架构，例如齿轴布置结构与速比配置、轴承布置形式和型号、油封的位置和型号、差速器系统结构尺寸信息等。

4）上述所涉及零部件的损伤机理，确认材料系数K。

最后，折算：

5）根据2）中的扭矩-转速需求数据，通过单位时间Δt和转速n，计算获得不同扭矩T_i下的循环次数N_i=Δt*n；

6）根据4）中K系数，计算不同零部件在获得一个循环周期下的疲劳累积损伤D_i

7）根据1）计算获得的路谱循环次数n_cycle获得总的疲劳累积损伤，如下式：

至此，我们可以依据疲劳累计损伤等效原则，对传动系统的疲劳寿命试验进行设计。

那么， "结论有了，上述等效计算的理论基础是什么呢? " ， 要了解这个问题，首先搞清楚以下两个问题：

"传动系统的疲劳耐久试验主要是对谁的考核?"

"考核对象清楚了，那么失效形式和机理是什么呢? "

"传动系统的疲劳耐久试验究竟是对谁的考核?"

电驱动系统的三大寿命试验各有侧重，而"传动系统疲劳耐久试验"顾名思义，主要是对三合一系统中机械传动部件的考核，即齿轮、轴、轴承、油封、差速器系统的疲劳耐久考核。(#借用下舍弗勒coaxle方案展示下机械部件的魅力#)

传动系统的疲劳耐久试验

"考核对象清楚了，那么失效形式和机理是什么呢?"

对于齿轮，主要是高周疲劳作用下的齿根断裂、齿面磨损（点蚀）和胶合；对于轴，同样是高周疲劳作用下的弯曲和剪切应力效应；对于轴承，主要是磨损导致的疲劳断裂；对于差速器系统，除了上述提到的齿根和齿面失效外，特别要注意针对焊接主减速齿的疲劳断裂问题；针对油封，主要是磨损问题。

"失效形式大致了解了，那么失效机理是什么呢?", 谈及疲劳寿命机理，不得不提到一条“妖娆”的曲线，即 S-N曲线，如下图所示：

疲劳寿命机理

对于三合一电驱动系统电机和变速器随动零件的寿命问题，属于高周疲劳中的有限寿命疲劳，对应着上图C-D段。试验中很难实现N_d次的循环(#千万次，太多啦#)，一般会定义一个循环次数N_0和对应的σ_r0来表征其疲劳极限寿命，如下式，其中m为材料常数：

据此，我们可以计算获得一定应力和循环次数下的疲劳寿命情况。

"But，对于三合一系统的机械部件的载荷和循环次数并非’一定的‘，而且非常复杂，受车重、行驶阻力、路谱等一些列因素影响 ，该怎么办呢?" 这里引入一个开头万能又牛逼的理论： 疲劳累积损伤理论 ，高大上的叫法是“Miner法则”。借用下图，一句话概括这个法则： 在不同应力σ_i作用下循环了N_i次会发生破坏，当循环次数n<N，即分别对应循环n_i次，则他们和的损伤为100%，表达式在图后，

根据上述两处理论，我们知道了疲劳寿命计算方法、知道了变载荷和循环次数下疲劳损伤累积计算方法。因此，对于三合一系统的机械部件而言，我们要到想获得对应零部件的损伤，只要聚焦三个参数上： 载荷、循环次数 和 材料系数 ，即文章开头提到的公式：

写在最后：

传动系统疲劳寿命试验，只能算是机械耐久（可靠性）试验这座"大山"中较大的一座山头，在他旁边还有众多"小山头"需要我们攀越，如交变、振动、动态密封、差速等，后续我们会对此一一解读，一起来描绘这条名为"可靠性"的山脉。

本文先初步对整车与系统疲劳的关系进行梳理，后续会在此基础上，对现有标准进行量化分析(二)，最后对三合一传动系统的疲劳寿命规范进行定义(三)。

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