羅瑞雪，辛元強(qiáng)

(中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

0 引言

近些年來(lái)，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，我國(guó)汽車(chē)保有量呈現(xiàn)出了飛速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，由此帶來(lái)的環(huán)境污染和能源緊張問(wèn)題顯得尤為突出。為緩解能源和環(huán)境的壓力，國(guó)家先后出臺(tái)了一系列引導(dǎo)政策來(lái)大力支持各類(lèi)新能源汽車(chē)特別是電動(dòng)汽車(chē)，促使了新能源汽車(chē)的迅猛發(fā)展。

新能源汽車(chē)是指采用非常規(guī)的車(chē)用燃料作為動(dòng)力來(lái)源，綜合車(chē)輛的動(dòng)力控制和驅(qū)動(dòng)方面的先進(jìn)技術(shù)而形成的技術(shù)原理先進(jìn),具有新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)的汽車(chē)。比較常見(jiàn)的新能源汽車(chē)有純電動(dòng)汽車(chē)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)、氫能源汽車(chē)等。其中電動(dòng)汽車(chē)以電機(jī)作為其動(dòng)力來(lái)源，并因其加速快、平順性好、噪聲小、污染少以及國(guó)家給予的一系列優(yōu)惠政策等優(yōu)勢(shì)受到了市場(chǎng)的喜愛(ài)，得到了大力發(fā)展[1]。而驅(qū)動(dòng)橋作為汽車(chē)動(dòng)力傳遞過(guò)程中重要的組成部分，將其電動(dòng)化也成為了目前越來(lái)越重要的趨勢(shì)。目前，在部分種類(lèi)的汽車(chē)上，電動(dòng)車(chē)橋已替代了傳統(tǒng)車(chē)橋并得到了較好的運(yùn)用。因此，越來(lái)越多的整車(chē)廠以及驅(qū)動(dòng)橋生產(chǎn)廠都在著手大力研發(fā)與生產(chǎn)電動(dòng)車(chē)橋。

1 電動(dòng)車(chē)橋的分類(lèi)

汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋位于傳動(dòng)系統(tǒng)的末端，其基本功能是增大由傳動(dòng)軸或者直接由變速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)矩分配給左、右驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，并使左、右驅(qū)動(dòng)車(chē)輪具有汽車(chē)行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)所要求的差速功能[2]。電動(dòng)車(chē)橋應(yīng)具有高集成、高轉(zhuǎn)速、高效率、高密度、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。目前常見(jiàn)的電動(dòng)車(chē)橋可根據(jù)其動(dòng)力的輸入方式分為3種：垂直輸入式、中央集成式和輪邊或輪轂驅(qū)動(dòng)式。

1.1 垂直輸入式電動(dòng)車(chē)橋

垂直輸入式電動(dòng)車(chē)橋是在傳統(tǒng)車(chē)橋動(dòng)力總成的基礎(chǔ)上將輸入端的發(fā)動(dòng)機(jī)或者是發(fā)動(dòng)機(jī)以及變速器替換成驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)如圖1所示。這類(lèi)電驅(qū)動(dòng)橋的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋相比并沒(méi)有發(fā)生變化，只是動(dòng)力總成的構(gòu)成上有差異。因此，垂直輸入式電動(dòng)車(chē)橋技術(shù)目前已處于十分成熟的階段，很大程度上節(jié)省了開(kāi)發(fā)及制造成本，廣泛應(yīng)用于大部分電動(dòng)商用車(chē)。但這一結(jié)構(gòu)集成化低，所占空間大，能量損失大，導(dǎo)致整體傳遞效率低。

圖1 垂直輸入式電動(dòng)車(chē)橋動(dòng)力總成

1.2 中央集成式電動(dòng)車(chē)橋

中央集成式電動(dòng)車(chē)橋是將電機(jī)、減速器以及驅(qū)動(dòng)橋(或電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)橋)集成為一體，輸入輸出軸平行或者同軸，通常為兩級(jí)或兩級(jí)以上減速，其動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)如圖2所示。這類(lèi)電動(dòng)車(chē)橋的主減速器結(jié)構(gòu)較新穎，總成集成度較高，這種高度集成的方式減少了傳遞所需的零部件，縮短了動(dòng)力的傳遞路徑，減小了能量損失，增大了系統(tǒng)的傳遞效率，并在很大程度上節(jié)約了空間，有利于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)橋的集成化、輕量化[3]。目前這種結(jié)構(gòu)的電動(dòng)車(chē)橋大部分用于電動(dòng)物流車(chē)、擺渡車(chē)、電動(dòng)乘用車(chē)上。此類(lèi)電動(dòng)車(chē)橋由于主減速器甚至整體車(chē)橋總成結(jié)構(gòu)改變，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)成本提高，生產(chǎn)制造難度增大。

圖2 中央集成式電動(dòng)車(chē)橋動(dòng)力總成

1.3 輪邊或輪轂驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)車(chē)橋

輪邊或輪轂驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)車(chē)橋動(dòng)力總成的電機(jī)裝在輪邊或輪轂里，直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，可實(shí)現(xiàn)矢量控制，其動(dòng)力總成的結(jié)構(gòu)如圖3所示，目前用于小部分商用車(chē)及某些特定功能的車(chē)輛上。這種方式便于實(shí)現(xiàn)電子差速與轉(zhuǎn)矩的協(xié)調(diào)控制，減少了差速器、離合器、變速器等傳動(dòng)環(huán)節(jié)，減輕整車(chē)質(zhì)量，簡(jiǎn)化車(chē)輛結(jié)構(gòu)，高度集成的結(jié)構(gòu)使得能量利用率提高，因此傳遞效率高。但由于是多個(gè)電機(jī)在同時(shí)控制，因此在電機(jī)的協(xié)調(diào)控制方面是一個(gè)很大的難點(diǎn)，會(huì)大大增加開(kāi)發(fā)難度與成本，并加大制造難度。

圖3 輪邊驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)車(chē)橋總成

2 中央集成式電動(dòng)車(chē)橋試驗(yàn)現(xiàn)狀

隨著電動(dòng)汽車(chē)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的電動(dòng)車(chē)橋需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)中央集成式電動(dòng)車(chē)橋，在試驗(yàn)檢測(cè)上較傳統(tǒng)車(chē)橋以及其他結(jié)構(gòu)的電動(dòng)車(chē)橋來(lái)說(shuō)存在更大的難度，主要有以下原因：

(1)中央集成式電動(dòng)車(chē)橋的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)車(chē)橋有差異，輸入端與輸出端由垂直的結(jié)構(gòu)變成了平行或者同軸，且主減速器為兩級(jí)或以上減速，速比較大，輸入轉(zhuǎn)速較傳統(tǒng)車(chē)橋高，導(dǎo)致傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)橋檢測(cè)無(wú)論在試驗(yàn)方法還是評(píng)價(jià)指標(biāo)上都無(wú)法滿足其檢測(cè)要求[4]；

(2)目前汽車(chē)行業(yè)內(nèi)還未有針對(duì)中央集成式電動(dòng)車(chē)橋進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)的指導(dǎo)性文件[5]；

(3)中央集成式電動(dòng)車(chē)橋?yàn)橐环N新開(kāi)發(fā)的車(chē)橋，具有新的結(jié)構(gòu)。目前所進(jìn)行過(guò)的試驗(yàn)項(xiàng)目和次數(shù)都很少，沒(méi)有累積足夠的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

目前大多數(shù)企業(yè)對(duì)中央集成式電動(dòng)車(chē)橋進(jìn)行耐久試驗(yàn)所依據(jù)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是QC/T 533-1999《汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》[6]、QC/T 534-1999《汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)》[7]以及QC/T 1022-2015《純電動(dòng)乘用車(chē)用減速器總成技術(shù)條件》[8]，但這些標(biāo)準(zhǔn)都無(wú)法完全應(yīng)用到中央集成式電動(dòng)車(chē)橋上。QC/T 533-1999《汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)方法》、QC/T 534-1999《汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)》是目前驅(qū)動(dòng)橋試驗(yàn)檢測(cè)領(lǐng)域最常用的標(biāo)準(zhǔn)，但由于其發(fā)布年份較久遠(yuǎn)，當(dāng)時(shí)的理論與技術(shù)完全無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)階段各結(jié)構(gòu)類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)車(chē)橋發(fā)展形勢(shì)，且中央集成式電動(dòng)車(chē)橋與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋在結(jié)構(gòu)上有著很大的不同；QC/T 1022-2015《純電動(dòng)乘用車(chē)用減速器總成技術(shù)條件》中關(guān)于耐久的試驗(yàn)方法在某些程度上比較貼近中央集成式電動(dòng)車(chē)橋，但電減速器和中央集成式電動(dòng)車(chē)橋在外形和結(jié)構(gòu)上依然有很大差距，因此其評(píng)判指標(biāo)與臺(tái)架形式同樣不適用于電動(dòng)車(chē)橋。

因此，需專(zhuān)門(mén)研究中央集成式電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)的臺(tái)架結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)方法，需制定出科學(xué)有效的試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)體系。

3 中央集成式電動(dòng)車(chē)橋試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)方法

根據(jù)中央集成式電動(dòng)車(chē)橋目前的結(jié)構(gòu)以及試驗(yàn)需求來(lái)分類(lèi)，其耐久臺(tái)架試驗(yàn)可以分為動(dòng)力總成型中央集成式電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)以及單中央集成式電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)。

3.1 動(dòng)力總成型中央集成式電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)

動(dòng)力總成型中央集成式電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)是將電動(dòng)車(chē)橋與所匹配的電機(jī)安裝在一起構(gòu)成一個(gè)動(dòng)力總成，將這個(gè)動(dòng)力總成安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，其臺(tái)架結(jié)構(gòu)形式參考圖4，電動(dòng)車(chē)橋的輸出端與加載系統(tǒng)(應(yīng)含轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器)進(jìn)行連接，并配置動(dòng)力總成所需的控制器、控制系統(tǒng)、電源模擬器、冷卻系統(tǒng)等。按照給定的試驗(yàn)工況開(kāi)機(jī)試驗(yàn)，并進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量和采集；試驗(yàn)結(jié)束后整理采集的數(shù)據(jù)并拆解樣品以確定試驗(yàn)后樣品狀態(tài)。

選用該結(jié)構(gòu)形式的試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)中央集成式電動(dòng)車(chē)橋進(jìn)行耐久測(cè)試時(shí)，首先要確定試驗(yàn)工況。目前為止應(yīng)用較廣泛的道路工況主要包括：歐洲行駛工況NEDC、美國(guó)行駛工況USDC、日本行駛工況JDC以及中國(guó)城市公交工況。

因所測(cè)試的樣件為動(dòng)力總成，因此在確定試驗(yàn)工況時(shí)要同時(shí)結(jié)合電機(jī)和電動(dòng)車(chē)橋的設(shè)計(jì)扭矩與轉(zhuǎn)速。工況的設(shè)計(jì)可參考GB/T 29307-2012《電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法》[9]中給定的工況進(jìn)行，其循環(huán)示意可參考圖5。

圖4 動(dòng)力總成型中央集成式電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)臺(tái)架參考

圖5 動(dòng)力總成型中央集成式電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)循環(huán)參考

試驗(yàn)中，根據(jù)總成的具體設(shè)計(jì)參數(shù)以及試驗(yàn)需求確定每個(gè)階段的試驗(yàn)時(shí)間及總循環(huán)數(shù)，可參考表1、表2。

表1 動(dòng)力總成型中央集成式電動(dòng)車(chē)橋試驗(yàn)循環(huán)參考扭矩

其中：TN為持續(xù)轉(zhuǎn)矩， N·m；Tpp為峰值轉(zhuǎn)矩，N·m。

表2 動(dòng)力總成型中央集成式電動(dòng)車(chē)橋試驗(yàn)參考轉(zhuǎn)速

其中：nN為額定轉(zhuǎn)速，r/min；nM為最高轉(zhuǎn)速，r/min。

該結(jié)構(gòu)形式的電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У乜己穗姍C(jī)的壽命，測(cè)試電機(jī)與電動(dòng)車(chē)橋的協(xié)調(diào)性，監(jiān)測(cè)總成性能的衰減以及整個(gè)系統(tǒng)的功率損失等，其檢測(cè)結(jié)果對(duì)動(dòng)力總成整體性能的提升與改進(jìn)起著重要的作用。但對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其在峰值扭矩的工況下工作時(shí)持續(xù)的時(shí)間較短，通常只有數(shù)分鐘。因此，在進(jìn)行動(dòng)力總成型中央集成式電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)時(shí)，電動(dòng)車(chē)橋也不能長(zhǎng)時(shí)間在峰值扭矩下持續(xù)進(jìn)行耐久考核，該試驗(yàn)臺(tái)架形式對(duì)電動(dòng)車(chē)橋齒輪、差速器等其他零部件強(qiáng)度的考核是不夠的。因此該臺(tái)架形式的電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)在進(jìn)行高速工況考核的同時(shí)無(wú)法進(jìn)行高扭工況的考核。

3.2 單中央集成式電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)

單中央集成式電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)是單獨(dú)將電動(dòng)車(chē)橋通過(guò)合適的工裝要求安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，并與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、油溫傳感器等進(jìn)行連接，其臺(tái)架結(jié)構(gòu)形式參考圖6。按照預(yù)定的試驗(yàn)工況進(jìn)行開(kāi)機(jī)，待試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)逐一達(dá)到要求值時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量和采集。試驗(yàn)結(jié)束后整理采集的數(shù)據(jù)并拆解樣品以確定試驗(yàn)后樣品狀態(tài)。

圖6 單中央集成式電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)臺(tái)架參考

選用該形式的試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)中央集成式電動(dòng)車(chē)橋進(jìn)行耐久測(cè)試時(shí)，由于輸入端與輸出端平行，兩軸之間的距離較近，通常在150～300 mm之間，且由于橋殼的板簧或是連桿連接處需用支架進(jìn)行支撐，導(dǎo)致電動(dòng)車(chē)橋與臺(tái)架的驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接相連，會(huì)造成電動(dòng)車(chē)橋方向的過(guò)定位，而無(wú)法正常進(jìn)行試驗(yàn)。且在電動(dòng)車(chē)橋與驅(qū)動(dòng)電機(jī)直連的情況下，電動(dòng)車(chē)橋橋殼的剛性很容易與驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)生干涉，此時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的尺寸要求較高，不易找到尺寸、扭矩等參數(shù)合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。因此進(jìn)行電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)在布置臺(tái)架時(shí)會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電機(jī)與加載電機(jī)之間的干涉，極大地增加了臺(tái)架的安裝難度。為順利完成臺(tái)架的搭建，在規(guī)劃試驗(yàn)臺(tái)架時(shí)需要合理地選擇及布置轉(zhuǎn)接箱、中間支承、萬(wàn)向傳動(dòng)軸等部件，將有效避免臺(tái)架可能產(chǎn)生的干涉，保證試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

中央集成式電動(dòng)車(chē)橋通常為兩級(jí)減速，速比較傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋偏大，因此在以相同的車(chē)速行駛時(shí)，其輸入轉(zhuǎn)速會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)橋。因此在QC/T 534-1999《汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)》中，中值疲勞壽命大于50萬(wàn)次、最低壽命不小于30萬(wàn)次的壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)完全不適用于中央集成式電動(dòng)車(chē)橋。對(duì)于中央集成式電動(dòng)車(chē)橋，按其實(shí)際運(yùn)行工況，檢測(cè)條件可分為正轉(zhuǎn)正驅(qū)、反轉(zhuǎn)正驅(qū)與正轉(zhuǎn)反驅(qū)3個(gè)工況，并通過(guò)車(chē)橋10×104km的保修壽命與車(chē)橋所匹配的輪胎滾動(dòng)半徑來(lái)計(jì)算試驗(yàn)循環(huán)的總次數(shù)，可得參考試驗(yàn)檢測(cè)工況,如表3所示。

表3 單中央集成式電動(dòng)車(chē)橋試驗(yàn)參考工況(不含磨合)

該形式的電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)因輸入扭矩為電機(jī)的峰值扭矩，加大了電動(dòng)車(chē)橋的齒輪以及各種零部件考核強(qiáng)度，能夠有效地找出所測(cè)試樣件中最薄弱的部位，以便更好地對(duì)電動(dòng)車(chē)橋進(jìn)行改進(jìn)。但在臺(tái)架的搭建中為了避免橋與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的干涉，在輸入端選用了萬(wàn)向傳動(dòng)軸進(jìn)行連接，這種連接方式不能承受過(guò)高的轉(zhuǎn)速。因此，在用該種形式的臺(tái)架進(jìn)行中央集成式電動(dòng)車(chē)橋檢測(cè)時(shí)，建議把輸入端轉(zhuǎn)速控制在5 000 r/min以下，以保證試驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行。因此該臺(tái)架形式的電動(dòng)車(chē)橋耐久試驗(yàn)在進(jìn)行高扭矩工況考核的同時(shí)無(wú)法進(jìn)行高速工況的考核。

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)中央集成式電動(dòng)車(chē)橋進(jìn)行耐久試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該結(jié)合考核的目的及部位選擇最合適的試驗(yàn)方案。若重點(diǎn)在于實(shí)車(chē)工況時(shí)電機(jī)與電動(dòng)車(chē)橋之間的協(xié)調(diào)能力，需用高轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可選用動(dòng)力總成電動(dòng)車(chē)橋形式進(jìn)行耐久試驗(yàn)；若重點(diǎn)在考核電動(dòng)車(chē)橋齒輪及重要零部件，需用大扭矩進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可選用單中央集成式電動(dòng)車(chē)橋進(jìn)行耐久試驗(yàn)。也可根據(jù)試驗(yàn)方案，適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合2種試驗(yàn)方式，完成電動(dòng)車(chē)橋高扭高速工況的考核，以達(dá)到驗(yàn)證的目的。