余強

(上海汽車變速器，上海 201800)

0 引言

汽車電動化是汽車發(fā)展的趨勢，而集成化則是電驅(qū)總成的重要的發(fā)展趨勢。三合一電驅(qū)動系統(tǒng)由于高度集成了電機、電機控制器以及減速器，相比較分體式的電驅(qū)動系統(tǒng)具有更輕的質(zhì)量、更好的EMC性能、更便宜的價格。汽車在行駛過程中是由大量的加速、減速動態(tài)工況組成，而相比較傳統(tǒng)燃油車，純電動車通常為單速比，電驅(qū)動系統(tǒng)需要有更廣的工作轉(zhuǎn)速范圍、更快的加速能力。由此電驅(qū)動系統(tǒng)承受的轉(zhuǎn)速交變工況相比較發(fā)動機和變速器會更頻繁、更惡劣，對于旋轉(zhuǎn)部件來說，轉(zhuǎn)速的爬升和降速過程中就意味著承受的離心力的增加和減弱，為了保證三合一電驅(qū)動總成在車速動態(tài)變化過程中的旋轉(zhuǎn)部件的可靠性，進行電驅(qū)動總成的急變速試驗就顯得尤為重要。

1 概述

1.1 三合一電驅(qū)動總成急變速試驗的定義

急變速試驗，也可稱為轉(zhuǎn)速沖擊試驗，高加速/減速試驗等，它屬于電驅(qū)動總成耐久性試驗的一個項目，是一種在臺架上進行的考核電驅(qū)動總成在低負(fù)荷下轉(zhuǎn)速快速交變的可靠性試驗。

急變速試驗的工況可以參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定，也可以整車路譜轉(zhuǎn)化而來，用以模擬電動車在實際使用過程中的轉(zhuǎn)速變化情況。

1.2 急變速試驗的目的及考核對象

急變速試驗主要用于評估電驅(qū)動總成的機械強度，如電機軸承、減速器軸承、電機轉(zhuǎn)子、電機油封、位置傳感器及齒輪等。作為一種探測手段，還可考核以下的失效：

(1)電機與減速器花鍵的磨損、斷裂；

(2)轉(zhuǎn)子硅鋼片與轉(zhuǎn)子軸過盈配合失效，松動；

(3)電機轉(zhuǎn)子螺栓變形、斷裂；

(4)電機轉(zhuǎn)子壓板松動，損壞；

(5)轉(zhuǎn)子軸承蠕變，油脂脫油；

(6)位置傳感器信號漂移；

(7)減速器齒輪斷裂；

(8)減速器軸承蠕變、異響。

2 急變速試驗參考標(biāo)準(zhǔn)

針對三合一電驅(qū)動總成的試驗標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，不管是國內(nèi)還是國外，都基本上是個空缺。一般參考的標(biāo)準(zhǔn)都是分體式的試驗標(biāo)準(zhǔn)。在急變速試驗的參考標(biāo)準(zhǔn)目前只有在ISO 21782中有涉及，ISO 21782是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)于2019年發(fā)布的針對電動車、電驅(qū)動系統(tǒng)的測試規(guī)范，共有6個部分，在ISO 21782-6[2]電機和逆變器的工作負(fù)載測試中提及電機運行耐久共有3個部分：(1)高加速/減速耐久測試；(2)最大扭矩耐久測試；(3)超速試驗。標(biāo)準(zhǔn)中對于高加速/減速耐久測試工況的定義如下:空載以最大轉(zhuǎn)速重復(fù)順時針和逆時針方向旋轉(zhuǎn)。雙向轉(zhuǎn)動的電機測試工況如圖1所示，單向轉(zhuǎn)動的電機測試工況如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)中的循環(huán)次數(shù)、峰值轉(zhuǎn)速停留時間t1是需要供應(yīng)商與客戶達(dá)成一致的。

圖1 雙向電機測試工況

圖2 單向電機測試工況

圖2中，t為時間(s)；n為電機轉(zhuǎn)速(r/min);nm為最高轉(zhuǎn)速(r/min)；s為1個循環(huán)；t1為保持時間(s)。

需要說明的是，圖1和圖2中從零加速到峰值速度是等于目標(biāo)車輛的加速度，是需要從客戶的要求中來，而峰值停留時間t1應(yīng)減少到技術(shù)可能的最小值。標(biāo)準(zhǔn)中對于循環(huán)數(shù)有分級和定義見表1。

表1 急變速試驗工況循環(huán)數(shù)要求

ISO 21782-6標(biāo)準(zhǔn)中定義的工況存在以下問題：

(1)速度交變工況考核單一，與實際不符

標(biāo)準(zhǔn)中對于加速考核只有一種，從0到最高轉(zhuǎn)速，而實際使用過程中，通常會只線性加速到60、80或者100 km/h等，從0加速到最高轉(zhuǎn)速的工況，使用工況極少。

(2)從零加速到峰值，加速斜率不變

目前純電動車的電機轉(zhuǎn)速都很高，有的甚至可以達(dá)到2萬以上，在整車實際使用過程中，加速的斜率是會分區(qū)間，如0～6 000 r/min，加速時間比較短，而6 000～12 000 r/min加速時間會相對較長。

(3)加速循環(huán)數(shù)定義與整車設(shè)計壽命無法等效

當(dāng)前三合一電驅(qū)動總成的設(shè)計壽命一般都由整車定義，10年/30萬公里是比較常見的要求，在ISO 21782-6標(biāo)準(zhǔn)中沒有辦法完全與文中的設(shè)計壽命要求等效的。

3 試驗工況定義

3.1 理論基礎(chǔ)

F=mω2r

式中：F為離心力；m為物體質(zhì)量；ω為角速度；r為半徑。

離心運動示意圖如圖3所示。

圖3 離心運動示意

從ω1變化到ω2的時間可能為ta，tb，......，在進行工況折算的時候，可以依據(jù)沖量定理

Fata=Fbtb=mv1-mv2

同樣的轉(zhuǎn)速變化，因為變化時間的不同，則沖擊力不同，沖擊力與時間成反比。車輛的每次加減速都會給旋轉(zhuǎn)件帶來一次離心力的施加和釋放。旋轉(zhuǎn)件由此產(chǎn)生規(guī)律的不穩(wěn)定的變應(yīng)力，每次應(yīng)力的施加都是對材料的破壞。該類破壞可以使用疲勞損傷累計假說(常稱為Miner法則)進行分析計算。D=FkN,N為加速和減速次數(shù)，k的選取建議2～5，取決于零件的復(fù)雜程度。如前所述，車輛在行駛過程中是以動態(tài)工況為主，長時間的運行會產(chǎn)生大量的規(guī)律的不穩(wěn)定的變應(yīng)力，需要考慮材料的抗疲勞特性和部件的抗剪切能力。

3.2 路譜選定

如前所述，ISO 21782-6存在一定局限性，該標(biāo)準(zhǔn)是不可能完全照搬應(yīng)用于三合一電驅(qū)系統(tǒng)的急變速試驗。三合一電驅(qū)動總成的急變速試驗工況應(yīng)該具有以下幾個特點：動態(tài)，加速斜率分區(qū)間以及與整車壽命等效。 因此在設(shè)計電驅(qū)動系統(tǒng)的試驗工況時，必須綜合國內(nèi)的道路使用需求以及整車的實際使用條件。對于道路使用條件，常規(guī)使用NEDC和WLTC。國家于2019年10月25日發(fā)布了適應(yīng)中國的路況標(biāo)準(zhǔn):GB/T 38146.1 《中國汽車行駛工況 第1部分：輕型汽車》[3]，該標(biāo)準(zhǔn)簡稱為CLTC，如圖4所示。

圖4 中國輕型汽車行駛工況(CLTC)

由圖可知，CLTC更真實反映了中國特色的工況要求，主要表現(xiàn)在幾個方面：

(1)平均車速及最高車速定義更合理；

(2)駕駛工況更寬泛；

(3)具有更合理的停車模式比例；

(4)更為豐富的動態(tài)工況。

3.3 路譜分析

從CAE分析的角度來看，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時間過緩的時候，力的沖擊可以忽略，根據(jù)路譜，簡化為以下工況。CLTC路況分析見表2。

表2 CLTC路況分析

續(xù)表2

3.4 工況生成

工況生成有以下原則：

(1)按轉(zhuǎn)速段分；

(2)需要考慮WOT時間和次數(shù)，避免過加速，避免材料發(fā)生塑性變形而破壞；

(3)依據(jù)里程數(shù)，確定循環(huán)次數(shù)；

(4)依據(jù)置信度、可靠度考慮試驗樣本對試驗周期的影響；

(5)材料物理屬性隨著溫度增加而衰減，冷卻水使用最高工作溫度，增加考核扭矩，提升考核嚴(yán)苛度。

依據(jù)以上原則，假設(shè)電機最高轉(zhuǎn)速為15 000 r/min,生成的路況如圖5所示。

圖5 三合一電驅(qū)動總成急變速試驗工況

4 試驗條件及要求

4.1 試驗條件

三合一電驅(qū)動總成急變速試驗，需要使用雙電機臺架或者三電機臺架來進行測試，可以采用臺架拖動或者自轉(zhuǎn)的方式。試驗環(huán)境一般定義為室溫(23±5) ℃，相對濕度在25%～75%之間，需要特別注意的是冷卻液類型應(yīng)與整車保持一致，流量設(shè)定為整車定義的最小流量，溫度需設(shè)定為最高入水口溫度，常規(guī)設(shè)定為8 L/min，65 ℃。

4.2 試驗要求

為了判定試驗是否通過，需要在試驗開始前后進行以下測試：

(1)電機反電動勢

考慮到三合一系統(tǒng)，電機一般集成與總成之中，不方便直接測量電動機的反電動勢，可以考慮總成只上低壓電，使用臺架電機自由拖動系統(tǒng)至規(guī)定轉(zhuǎn)速，記錄母線端直流電壓。

(2)旋轉(zhuǎn)變壓器位置信號

可以通過上位機軟件直接讀取旋轉(zhuǎn)變壓器的初始零位，進行試驗前后對比。

(3)三合一電驅(qū)系統(tǒng)扭矩轉(zhuǎn)速特性

一般考慮選取外特性拐點轉(zhuǎn)速處峰值扭矩及最高轉(zhuǎn)速下峰值扭矩特性，記錄扭矩值以及效率。

(4)試驗過程中的振動特性

臺架測試過程中一般考慮使用2個以上振動傳感器以檢測試驗過程中電機及減速器振動變化，振動位置布置以及限值需要試驗工程師根據(jù)經(jīng)驗來確定。

以上數(shù)據(jù)在試驗前后需要進行數(shù)據(jù)比對，具體的評判標(biāo)準(zhǔn)可以參考ISO 21782-2，也可以參考整車產(chǎn)品性能或電驅(qū)動總成性能的定義。

試驗完成后拆解也是評判試驗通過與否的重要一環(huán)。拆解過程中，需要重點關(guān)注的項目及考核要求見表3。

表3 急變速試驗工況拆解項目及評判要求

5 展望

純電動車的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)目前相對還是較少，三合一電驅(qū)動總成的急變速試驗作為可靠性試驗的重要一環(huán)當(dāng)前在各家整車越來越受到重視。針對三合一電驅(qū)動總成的急變速建議是與整車依照路譜來制定適合的工況，以免考核過嚴(yán)或者過松。對于電機的考核，認(rèn)為ISO 21782-6的要求過于嚴(yán)苛，循環(huán)數(shù)過多，但是作為一個電機可靠性考核的標(biāo)尺，也不失為一種比較好的考核手段。相信在后續(xù)GB/T 29307[4]修訂時也會考慮借鑒ISO 21782-6，但是對于循環(huán)數(shù)及工況可能會有針對性的調(diào)整。后續(xù)國內(nèi)的電驅(qū)系統(tǒng)公告試驗，也可能會增加該項測試。隨著車聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程獲取車輛行駛路況信息對于制定臺架試驗工況也是具有很好的指導(dǎo)意義。