毛鴻鋒，沈丁建，陳建明，李沁逸，盧鋼，馮勤龍

(1.中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001；2.廣安職業(yè)技術學院，四川 廣安 638000)

隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，新能源汽車得到飛速發(fā)展，其市場占有率逐漸上升，其安全性受到廣泛關注。作為電動汽車核心“三電”部件之一的電機控制器，其安全性是設計考量的重點。電動汽車的電驅動力總成不僅會在行駛過程中產(chǎn)生自振，還會受到由路面不平順產(chǎn)生的激振，導致電機控制器因振動累積作用而產(chǎn)生疲勞損傷。一般的電機控制器開發(fā)流程是通過對試制樣品進行隨機振動、機械沖擊等物理試驗來校核控制器的結構安全性，再針對不足之處進行優(yōu)化改進，不僅周期長，成本高昂，試驗過程中還存在較大安全隱患。為縮減產(chǎn)品研發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品質量，需在產(chǎn)品前期設計階段運用有限元分析方法進行相關工況仿真分析，預測產(chǎn)品性能，并結合相關評價體系對產(chǎn)品進行結構優(yōu)化改進。該文以隨機振動試驗的標準和理論為基礎，以某款電動汽車電機控制器為研究對象，采用仿真模擬方法進行模態(tài)分析，運用模態(tài)測試工具測得電機控制器實際模態(tài)，對模態(tài)分析結果進行測試驗證，然后進行隨機振動工況分析，制作樣機進行隨機振動臺架試驗，并與仿真結果進行對比，驗證仿真試驗方法的準確性。

1 電機控制器結構

如圖1所示，電機控制器主要由驅動板組件、支撐電容、銅排、下箱體、IGBT組件、上蓋板、控制板組件、屏蔽板等構成，其中下箱體與上蓋板材料為ADC12壓鑄鋁合金，屏蔽板材料為Q195。運用螺栓將電機控制器固定在整車安裝支架上。

圖1 電機控制器模型

2 隨機振動標準及工況解析

2.1 隨機振動試驗標準

依據(jù)GB/T 28046.3-2011《道路車輛 電氣及電子設備的環(huán)境條件和試驗 第3部分：機械負荷》中乘用車變速器的嚴酷度等級加載輸入載荷譜，單個方向的試驗時間為22 h，加速度均方根值為96.6 m/s2。表1為產(chǎn)品隨機振動試驗的功率譜密度值。

表1 功率譜密度PSD與頻率

對電機控制器進行實際安裝狀態(tài)下隨機振動試驗，之后對其進行仔細檢查，應無緊固件松脫和零部件損壞現(xiàn)象，且通電狀況下能滿足基本性能要求。

2.2 隨機振動工況解析

(1)

相關函數(shù)表現(xiàn)的是隨機振動過程在時差域內關于幅值的統(tǒng)計信息，而功率譜密度函數(shù)體現(xiàn)的是隨機振動過程在頻域內各頻率點上對于幅值的統(tǒng)計信息。對自相關函數(shù)作傅里葉變換，得到自功率譜密度函數(shù)如下：

(2)

一般采用隨機振動信號的加速度總均方根值評估隨機振動工況的嚴酷度。運用功率譜密度計算方法求得加速度的總均方根值如下：

(3)

式中：fi、fj分別為隨機振動頻率的上下限。

3 模態(tài)分析與試驗驗證

3.1 模態(tài)分析

彈性物體的振動模態(tài)是其固有特性，通過模態(tài)分析可得到物體因各種激勵源作用而產(chǎn)生的實際振動響應特征。因此，模態(tài)分析是產(chǎn)品開發(fā)設計的重要手段。

根據(jù)電機控制器的結構特點，對其內部電容、電路板、接插件、排線等部件作簡化處理，通過質量單元平均分配到相應安裝點上。表2為各主要部件的材料參數(shù)。模型共978 076個單元、263 236個節(jié)點，采用四面體單元，最小單元尺寸為1 mm。

通過仿真分析，求解電機控制器的固有模態(tài)頻率，相應模態(tài)頻率對應的結構振型見圖2～4。

表2 電機控制器各部件材料參數(shù)

圖2 電機控制器仿真第一階模態(tài)(356 Hz)

圖3 電機控制器仿真第二階模態(tài)(678 Hz)

圖4 電機控制器仿真第三階模態(tài)(1 086 Hz)

3.2 模態(tài)試驗及驗證

采用單點激振、多點拾振的方法對樣機進行模態(tài)測試，驗證仿真模型的準確性。在模態(tài)測試前確認樣機各部件連接緊密，按標準力矩緊固螺栓。若部件間存在間隙，會大大增加系統(tǒng)的非線性，影響測試結果的精度。模態(tài)測試共設置32個測點，頻率分辨率設為1 Hz，測試頻率為0～2 500 Hz。模態(tài)測試所得樣機的部分固有模態(tài)頻率見圖5～7。

圖5 試驗第一階模態(tài)(343 Hz)

圖6 試驗第二階模態(tài)(665 Hz)

圖7 試驗第三階模態(tài) (1 068 Hz)

表3為模態(tài)仿真與試驗結果對比。電機控制器模態(tài)誤差在5%以內，且對應振型基本一致，說明有限元模型準確。

表3 模態(tài)仿真與試驗結果對比

4 仿真分析與試驗驗證

根據(jù)文獻[6]，電動汽車的振動響應及路面的隨機輸入基本符合正態(tài)分布。同時根據(jù)國家標準對隨機振動試驗的要求，輸入的是只考慮線性振動載荷、滿足正態(tài)分布的隨機信號。因此，輸出只是前后頻域上帶寬不同，但也滿足正態(tài)分布的隨機信號，可認為該輸入的隨機振動載荷對電機控制器作用輸出的應力符合正態(tài)分布。

4.1 隨機振動仿真

隨機振動的仿真分析通常基于以下假設：1) 載荷與響應均滿足正態(tài)分布；2) 載荷與響應均滿足零平均值假設。

隨機振動分析通常以頻率響應分析結果作為基礎。在進行隨機振動分析之前，需對仿真模型進行單位載荷的頻率響應分析，得到模型的頻率響應特性，然后將頻率響應特性作為傳遞函數(shù)，對隨機振動功率依式(4)對譜密度函數(shù)進行求解，求得模型隨機振動工況響應，包括應變、位移、應力和加速度等。

(4)

在仿真軟件中，按電機控制器的安裝方式，先約束安裝點的6個自由度，然后在安裝點施加Z向頻率響應載荷激勵進行隨機振動分析。通過仿真計算，得到最大應力均方根值為84.04 MPa，遠低于ADC12材料230 MPa的抗拉強度值下限。但僅以隨機振動仿真結果無法評估產(chǎn)品是否能滿足隨機振動試驗要求。

4.2 疲勞壽命分析

為評估電機控制器是否滿足試驗要求，在頻響分析的基礎上引入疲勞壽命評價方法。采用Miner線性累積損傷模型，運用Goodman方法進行修正，分析平均應力對疲勞壽命的影響。根據(jù)Miner線性累積損傷理論求得損傷D，疲勞壽命即為損傷D的倒數(shù)。當損傷值大于1時，表示產(chǎn)品發(fā)生損壞。Miner線性累積損傷理論表達式如下：

(5)

式中：D為節(jié)點的累積損傷值；σi為節(jié)點的應力幅值；ni為該節(jié)點發(fā)生σi的頻次；N(σi)為該節(jié)點位置材料在等幅σi作用下疲勞破壞的總次數(shù)。

將頻響分析結果與振動試驗載荷譜、各部件材料性能參數(shù)等導入疲勞分析軟件，計算得出電機控制器的疲勞壽命見圖8。其最大損傷位置為螺孔處，損傷值為0.673 7，控制器不會發(fā)生疲勞破壞。

圖8 電機控制器疲勞損傷云圖

4.3 隨機振動試驗驗證

為驗證電機控制器隨機振動疲勞壽命仿真結果的準確性，對樣機進行隨機振動試驗。隨機振動試驗基于1.5 t小型振動臺，加載GB/T 28046.3-2011中乘用車變速器的嚴酷度等級輸入載荷譜，輸入頻段為10～2 000 Hz，進行垂向激勵，試驗持續(xù)時間22 h。樣機通過工裝固定在振動臺上，為防止振動傳遞放大失真，將振動臺的振動信號控制點放在樣機的安裝腳旁邊，保證振動輸入滿足標準要求。圖9為樣機隨機振動試驗現(xiàn)場。

圖9 隨機振動試驗現(xiàn)場

仔細檢查振動試驗后的樣機，并對其進行電性能復測，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，與仿真結果吻合，說明該電機控制器滿足隨機振動疲勞壽命要求。

5 結語

該文對電機控制器采用有限元仿真方法進行模態(tài)分析，并通過模態(tài)測試驗證仿真模型的準確性；對模型進行頻響及隨機疲勞壽命分析，并通過隨機振動試驗與疲勞壽命仿真結果進行對比驗證。通過整個仿真試驗過程，得出一套隨機振動工況下電動汽車電機控制器隨機疲勞壽命分析方法，為電機控制器的安全性研究提供參考。