余劍　馮春暉　朱時(shí)敏　洪先建　陸思灝

摘 要：針對(duì)BSG電機(jī)系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)速、低扭矩的性能特點(diǎn)以及在整車(chē)上通過(guò)皮帶傳遞扭矩而無(wú)同軸度對(duì)中要求的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了使用多楔帶傳動(dòng)的性能測(cè)試試驗(yàn)工裝，能夠?qū)崿F(xiàn)較高轉(zhuǎn)速BSG電機(jī)系統(tǒng)在較低轉(zhuǎn)速的AVL測(cè)功機(jī)上進(jìn)行性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：該試驗(yàn)方法能夠滿足BSG電機(jī)性能測(cè)試要求，同時(shí)具有工裝簡(jiǎn)易、安裝方便、試驗(yàn)過(guò)程中能有效降低測(cè)功機(jī)及被測(cè)電機(jī)振動(dòng)值的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：BSG電機(jī) 多楔帶 性能測(cè)試

Research on Performance Test Method of BSG Motor Based on AVL Test Bench

YuJian，F(xiàn)eng Chunhui，Zhu Shimin，Hong Xianjian，Lu Sihao

Abstract：In view of the BSG motor system's performance characteristics of high speed and low torque， and the structural characteristics of transmitting torque through the belt on the whole vehicle without coaxiality centering requirements， a performance test tool using multi-ribbed belt transmission is designed， which can achieve the high-speed BSG motor system on a lower-speed AVL dynamometer. The test results show that the test method can meet the BSG motor performance test requirements， and has the characteristics of simple tooling， convenient installation， and effective reduction of the vibration value of the dynamometer and the tested motor during the test.

Key words：BSG motor， multi-ribbed belt， performance testing

1 引言

近年來(lái)，隨著汽車(chē)保有量的逐年增加，汽車(chē)在城市運(yùn)行中交通擁堵現(xiàn)象不斷加劇，車(chē)輛怠速停車(chē)的工況占比隨之變高，車(chē)輛的油耗及排放更加惡化。迫于環(huán)保和能源的壓力，政府出臺(tái)了一系列節(jié)能減排的政策，推進(jìn)車(chē)企完成降低油耗的任務(wù)，為達(dá)到法規(guī)要求，各車(chē)企及科研單位加大了新能源汽車(chē)與降低能耗的技術(shù)研發(fā)。在此背景下，BSG電機(jī)作為一種有效的節(jié)能技術(shù)，日益受到業(yè)界的關(guān)注[1-2]。

BSG（Belt-Driven Starter Generator）電機(jī)系統(tǒng)，位于發(fā)動(dòng)機(jī)前端，通過(guò)皮帶傳動(dòng)的方式與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，兼顧啟動(dòng)和發(fā)電的一體機(jī)，主要應(yīng)用于輕混技術(shù)路線的車(chē)型當(dāng)中，其主要優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)門(mén)檻相對(duì)較低、可以快速應(yīng)用即取得一定的節(jié)能效果[3]。

BSG電機(jī)系統(tǒng)作為混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力總成的關(guān)鍵零部件之一，其性能參數(shù)直接影響整車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性。而臺(tái)架試驗(yàn)是精確測(cè)量電機(jī)系統(tǒng)性能參數(shù)，縮短開(kāi)發(fā)測(cè)試周期、降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)與成本的有效手段。本文根據(jù)《GB/T 18488.1-2015電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件》、《GB/T 18488.2-2015電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第2部分：試驗(yàn)方法》中電機(jī)性能測(cè)試的要求，基于現(xiàn)有的AVL電機(jī)測(cè)試臺(tái)架，設(shè)計(jì)了使用多攜帶傳動(dòng)的測(cè)試試驗(yàn)工裝，完成了一套BSG電機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)的性能試驗(yàn)[4-5]。

2 電機(jī)系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)架總體架構(gòu)

本文中電機(jī)系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要包括：配電系統(tǒng)、AVL電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、電池模擬器、測(cè)量系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、環(huán)境艙等幾個(gè)部分。

配電系統(tǒng)用于給電池模擬器、測(cè)功機(jī)變頻器、環(huán)境艙、冷卻系統(tǒng)提供380V交流電源。

AVL電力測(cè)功機(jī)系統(tǒng)主要包括測(cè)功機(jī)及測(cè)試臺(tái)架、測(cè)功機(jī)操控系統(tǒng)。測(cè)試臺(tái)架用作被測(cè)電機(jī)與電力測(cè)功機(jī)的機(jī)械連接裝置，電力測(cè)功機(jī)用于模擬被測(cè)電機(jī)系統(tǒng)的負(fù)載或吸收被測(cè)電機(jī)產(chǎn)生的電能從而分別用來(lái)測(cè)試被測(cè)電機(jī)的電驅(qū)動(dòng)性能和發(fā)電性能，測(cè)功機(jī)操控系統(tǒng)主要包括控制柜和PUMA open測(cè)控軟件，用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量與控制。

電池模擬器用來(lái)給被測(cè)試電機(jī)系統(tǒng)提供高壓直流電源或吸收被測(cè)電機(jī)產(chǎn)生的電能回饋給電網(wǎng)。

測(cè)量系統(tǒng)主要包括扭矩、轉(zhuǎn)速傳感器和功率分析儀，傳感器安裝于測(cè)試臺(tái)架被測(cè)電機(jī)與電力測(cè)功機(jī)之間，用來(lái)測(cè)量機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速，而功率分析儀主要用于測(cè)量被測(cè)試電機(jī)系統(tǒng)直流側(cè)與交流側(cè)的電氣參數(shù)，并通過(guò)TCP/IP通訊方式與測(cè)功機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

冷卻系統(tǒng)主要包括油冷機(jī)、水冷機(jī)、風(fēng)冷機(jī)，用于對(duì)測(cè)功機(jī)或被測(cè)試件進(jìn)行冷卻，通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)與測(cè)功機(jī)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互。環(huán)境艙用于實(shí)現(xiàn)被測(cè)試件測(cè)試過(guò)程中溫濕度的控制。

3 BSG電機(jī)性能試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)工裝整體方案設(shè)計(jì)

新能源車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)普遍具有轉(zhuǎn)速較高的特點(diǎn)，在進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)還會(huì)測(cè)試電機(jī)的超速工況，因此測(cè)試電機(jī)輸出軸與測(cè)功機(jī)輸出軸連接處同軸度要求較高，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，一般通過(guò)臺(tái)架性能測(cè)試工裝與電機(jī)輸出端止口或銷(xiāo)孔配合來(lái)控制裝配系統(tǒng)的同軸度裝配精度。而B(niǎo)SG電機(jī)系統(tǒng)在整車(chē)上通過(guò)多楔帶與發(fā)動(dòng)機(jī)相連，被測(cè)電機(jī)產(chǎn)品自身并無(wú)止口或銷(xiāo)孔等能保證同軸度的定位結(jié)構(gòu)，同時(shí)，BSG電機(jī)允許的最高轉(zhuǎn)速一般較高（大于15000r/min），測(cè)試過(guò)程中如果采用被測(cè)件與測(cè)功機(jī)直連方式，對(duì)于測(cè)功機(jī)臺(tái)架的轉(zhuǎn)速要求太高。因此，需要根據(jù)BSG電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適用的工裝。

某被測(cè)試BSG電機(jī)參數(shù)及輸出端帶輪參數(shù)（表1）如下：

根據(jù)被測(cè)試BSG電機(jī)參數(shù)，設(shè)計(jì)了如圖（圖2）所示的測(cè)試工裝，該測(cè)試工裝通過(guò)PK型皮帶及皮帶輪裝置將被測(cè)樣件輸出軸與測(cè)功機(jī)輸出軸相連，并且被測(cè)樣件通過(guò)試驗(yàn)支架安裝于測(cè)功機(jī)固定底座上，為保證兩輸出軸端皮帶輪平行和方便給多楔帶施加預(yù)緊力，試驗(yàn)支架在輸出軸水平方向上設(shè)計(jì)為可移動(dòng)裝置，通過(guò)擰緊螺栓調(diào)節(jié)多攜帶上預(yù)緊力的大小。

3.2 測(cè)試工裝多楔帶設(shè)計(jì)

被測(cè)試BSG電機(jī)安裝有PK型帶輪，帶輪有效直徑為dp=60mm，楔槽數(shù)為6，根據(jù)現(xiàn)有測(cè)功機(jī)尺寸，初步設(shè)計(jì)測(cè)功機(jī)端大帶輪直徑尺寸D=150mm，選用PK1000型多楔帶，其有效長(zhǎng)度L=1000mm，根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件可繪制如圖3所示傳動(dòng)示意圖[6]：

經(jīng)測(cè)量，中心距a≈340.5mm，小帶輪包角α1≈166.5°，大帶輪包角α2≈193.5°。

多楔帶線速度：Vmax=π×dp×n/（60×1000）=56.5m/s;

試驗(yàn)過(guò)程中，多楔帶的預(yù)緊力是保證傳動(dòng)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的必要條件，預(yù)緊力過(guò)大會(huì)使皮帶壽命降低，預(yù)緊力不足則會(huì)產(chǎn)生打滑，影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性的同時(shí)還會(huì)造成多楔帶發(fā)熱燒毀。因此，試驗(yàn)前需要計(jì)算多楔帶張緊力，方法如下：

設(shè)計(jì)傳動(dòng)功率Pd，多楔帶有效拉力F：

F=Pd/V;V=π×dp×n/（60×1000）;

式中：F為克服傳動(dòng)阻力，使帶輪傳動(dòng)的有效拉力，單位：N;

Pd為設(shè)計(jì)傳動(dòng)功率，單位：W;dp為主動(dòng)輪節(jié)圓直徑，單位：mm;

N為主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，單位：r/min;

多楔帶預(yù)緊力：

a、緊邊拉力F1=FKr/（Kr-1）+mV2，Kr=eμα;

式中：Kr為表楔合系數(shù);μ為摩擦系數(shù)，取0.5;α為包角（°）;m 為多楔帶單位皮帶質(zhì)量，一般取0.017 kg/m

b、被測(cè)試BSG電機(jī)小帶輪驅(qū)動(dòng)（電動(dòng)）工況下：線速度Vmax=π×dp×n/（60×1000）=56.5m/s;有效拉力F=Pd/V=584N，楔合系數(shù)Kr=e0.5x166.5/180xπ =4.3，緊邊張力F1=584×4.3/（4.3-1）+0.017×56.52=815.2N。

c、被測(cè)試BSG電機(jī)小帶輪從動(dòng)（饋電）工況下：線速度Vmax=π×dp×n/（60×1000）=56.5m/s;有效拉力F=Pd/V=584N，楔合系數(shù)Kr=e0.5x193.5/180xπ =5.6，緊邊張力F1=584×5.6/（5.6-1）+0.017×56.52=765.2N。

4 BSG電機(jī)性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)臺(tái)架搭建

基于現(xiàn)有的AVL測(cè)功機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)第三章中設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工裝，搭建了如圖4（a）所示的試驗(yàn)環(huán)境，多楔帶輪的緊邊張緊力通過(guò)音波式皮帶輪張力計(jì)進(jìn)行測(cè)量，旋動(dòng)張緊力擰緊螺栓，將帶輪張緊力調(diào)節(jié)到設(shè)計(jì)值圖4（b）。

新搭建的BSG電機(jī)試驗(yàn)環(huán)境，能夠完成該款電機(jī)的性能參數(shù)測(cè)試，測(cè)試主要內(nèi)容包括：轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性，功率-轉(zhuǎn)速特性、效率特性、溫升特性等。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)試BSG電機(jī)系統(tǒng)性能參數(shù)的全面有效分析，必須保證不同設(shè)備所測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和同步性。本文采用功率分析儀統(tǒng)一測(cè)量轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器、電池模擬器、電流傳感器的參數(shù)值，通過(guò)TCP/IP協(xié)議集成傳輸?shù)絇UMA OPEN系統(tǒng)、從而實(shí)現(xiàn)了所有測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步測(cè)量與記錄，保證了數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性。

PUMA Open控制系統(tǒng)測(cè)量到的被測(cè)BSG電機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示界面如圖5所示。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于本文搭建的BSG電機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)架，按照《GB/T 18488.1-2015電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件》中5.4章節(jié)測(cè)試要求，測(cè)量得到該款BSG電機(jī)輸入-輸出特性如圖6所示。

通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)可看出，被測(cè)試BSG電機(jī)峰值扭矩實(shí)測(cè)值為53.1Nm，峰值功率實(shí)測(cè)為33.2KW，系統(tǒng)最高效率為93.7%。測(cè)量結(jié)果表明，基于本文搭建的BSG電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)能有效測(cè)量被測(cè)試電機(jī)的性能。

5 總結(jié)

本文基于現(xiàn)有的AVL測(cè)功機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)多楔帶傳動(dòng)試驗(yàn)工裝，采用功率分析儀同步測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絇UMA Open控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速BSG電機(jī)系統(tǒng)在較低轉(zhuǎn)速的AVL測(cè)功機(jī)上進(jìn)行性能測(cè)試，并測(cè)量到有效數(shù)據(jù)，為BSG電機(jī)性能測(cè)試和整車(chē)開(kāi)發(fā)試驗(yàn)提供了測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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