舒華英，龔春輝，張鑫

電驅(qū)動橋電機(jī)支架的臺架試驗方法研究

舒華英1,2，龔春輝1,2，張鑫3

（1.江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)中心，江西 南昌 330000；2.江西省乘用車結(jié)構(gòu)設(shè)計工程研究中心，江西 南昌 330000；3.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330013）

為了快速且有效地驗證電驅(qū)動橋電機(jī)支架螺栓松脫問題，基于實測的試驗場載荷譜數(shù)據(jù)，編輯加速處理作為輸入的目標(biāo)信號，文章提出了一種運用整車四立柱臺架與多軸系統(tǒng)級臺架聯(lián)合驗證的方法，彌補了單個臺架驗證的缺陷。運用該聯(lián)合驗證方法，在臺架上復(fù)現(xiàn)路試故障，且驗證通過了改進(jìn)方案，縮短試驗周期，減少道路耐久成本。對于受多方向影響的汽車零部件的失效問題驗證，該方法提高了室內(nèi)臺架驗證的可靠性，保證了室內(nèi)臺架試驗與室外試驗場道路的關(guān)聯(lián)性。

電驅(qū)動橋；電機(jī)支架；載荷譜；四立柱；多軸臺架

引言

電動汽車以其零排放、高能效的優(yōu)點為社會和消費者提供了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，近幾年得到國家高度重視[1]，以電機(jī)、減速器和后橋集成為一體的電驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)形式的電動車是當(dāng)今電動商用車兼顧輕量化、集成化和平臺化的成果，該種方式減少了傳遞所需的零部件，縮短了動力傳遞路徑，減少能量損失，增大系統(tǒng)的傳遞效率[2]。結(jié)構(gòu)設(shè)計中，電機(jī)、減速器等部件作為質(zhì)量一邊嵌入在后橋上，另一邊用電機(jī)支架與橋管連接固定，給電機(jī)支架帶來較大壽命疲勞隱患。本文中某電驅(qū)動橋型商用車在進(jìn)行整車道路耐久試驗中就發(fā)生了電機(jī)支架螺栓松脫及支架斷裂問題，項目要求高效優(yōu)化及驗證。然而整車道路耐久試驗通常需要幾個月時間，試驗周期長，成本高，運用臺架試驗可以實現(xiàn)加速考核驗證[3]，本文基于試驗場道路載荷譜，在臺架上，聯(lián)合運用整車四立柱臺架及多軸系統(tǒng)級臺架進(jìn)行該問題的考核驗證。

整車四立柱臺架只有四個向的運動，相比整車道路耐久，其沒有、向的運動，只能驗證主要受向影響的零件耐久性壽命，而多軸系統(tǒng)級臺架是系統(tǒng)級臺架的六自由度（）試驗，相比道路耐久，其不是整車級試驗，其無法模擬整車姿態(tài)的驗證，針對主要受向影響且還需考慮、方向運動變化的電機(jī)支架疲勞問題，可通過整車四立柱臺架與多軸系統(tǒng)級（MAST）臺架聯(lián)合共同綜合驗證，真實反映電機(jī)支架道路運動情況。最終該綜合臺架試驗道路失效問題復(fù)現(xiàn)且改進(jìn)方案得以驗證，滿足項目要求。

圖1 中央集成式電驅(qū)動橋

圖2 整車四立柱臺架

圖3 多軸系統(tǒng)級臺架

1 電機(jī)支架的疲勞破壞及優(yōu)化

某車型在整車道路耐久試驗環(huán)路里程完成1 292 km（要求5 000 km）時，其電驅(qū)動橋電機(jī)支架固定螺栓多次松脫及導(dǎo)致支架斷裂，螺栓扭矩降至22 Nm（原要求扭矩為50.6 Nm），排除支架及螺栓本身安裝及質(zhì)量問題后，基于試驗場載荷譜數(shù)據(jù)，加速度高達(dá)30，超過支架設(shè)計邊界值（小于10不滑動），支架與螺栓間產(chǎn)生滑動，導(dǎo)致螺栓松脫。因該問題一直沒有達(dá)到整車道路耐久性試驗要求，一直過不了項目簽發(fā)節(jié)點，存在安全隱患，因此亟須設(shè)計優(yōu)化改進(jìn)及驗證通過。

圖4 電機(jī)支架的疲勞破壞

1.1 電機(jī)支架設(shè)計優(yōu)化

考慮到實際樣車后橋及電機(jī)端蓋的固定位置，在設(shè)計后成本最低的原則下，該電機(jī)支架優(yōu)化為電機(jī)端4螺栓固定，橋管端2螺栓連接固定的剛性支架方案。新電機(jī)支架樣品出來后，需對其表面尺寸進(jìn)行校核，防止后期因尺寸問題造成連鎖故障問題。

圖5 優(yōu)化后的電機(jī)支架

表1 優(yōu)化后支架表面尺寸校核

檢測項 平面度1平面度2平面度3平面度4垂直度(內(nèi))垂直度(外) 檢測值0.202 80.242 30.272 70.259 50.310 30.252 1

1.2 電機(jī)支架固定螺栓選型

依據(jù)CAE仿真模型及載荷譜分解，得到電機(jī)支架各固定點處的受力值，進(jìn)而計算出優(yōu)化支架的幾種螺栓選型的螺栓安全系數(shù)值。

圖6 支架螺栓分布圖

選取安全系數(shù)SG一般要求大于1，基于螺栓涂膠可以提升安全系數(shù)，采用“電機(jī)端4個螺栓使用M10+橋管端2個螺栓使用M14，并涂膠”作為最終固定螺栓選取的方案。

確定螺栓選型后，將優(yōu)化后制作的樣件裝配在電驅(qū)動橋總成上，并恢復(fù)樣車，在臺架上進(jìn)行驗證。

表2 支架螺栓安全系數(shù)計算

6個M10X1.25?10.94個M10X1.25?10.92個M14X1.5?10.9 螺栓編號工況剪切力1/N剪切力2/N軸向力/NSGSG 10000Z=?16G4 187.59?121.825983.4440.762 20.762 21 10001Z=?16G4 558.071 209.5821 482.470.661 40.661 4 10002Z=?16G988.7264 665.462?1 491.360.746 30.746 3 10003Z=?16G?320.163 109.532?416.6231.087 71.087 7 10004Z=?16G2 552.856 815.7311 197.4790.473 80.999 7 10005Z=?16G6 284.422 801.491?1 189.090.552 51.108 7

2 臺架驗證技術(shù)路線

由于在整車道路耐久試驗中，某車型電驅(qū)動橋電機(jī)支架位置出現(xiàn)松脫斷裂問題，考慮到樣車成本及試驗場道路耐久成本問題，確保最低的費用、最少的道路試驗次數(shù)及縮短開發(fā)周期，通過CAE建模分析帶電機(jī)支架的電驅(qū)動橋系統(tǒng)疲勞壽命狀況，在臺架上進(jìn)行故障問題復(fù)現(xiàn)，確保臺架論證思路方法可靠，然后對該電機(jī)支架及固定螺栓進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，選取通過了CAE疲勞壽命分析的方案，制定樣件裝配在電驅(qū)動橋系統(tǒng)及樣車上，在臺架上進(jìn)行耐久再論證，論證通過后，最后在整車道路耐久試驗中進(jìn)行最終驗證簽發(fā)，該技術(shù)路線如圖7所示。

目前許多研究中，都是單獨運用整車四立柱臺架驗證受向影響較大的零件，忽略其他方向的影響[4]，或是只研究了多軸系統(tǒng)級臺架進(jìn)行系統(tǒng)搭建的系統(tǒng)狀態(tài)零件考核[5]，忽略了整車姿態(tài)運行的影響，都不全面，本次臺架試驗方法中運用該兩個臺架聯(lián)合進(jìn)行疲勞耐久驗證，提高室內(nèi)臺架驗證的精確性。

圖7 電機(jī)支架失效驗證技術(shù)路線

2.1 典型路面載荷譜數(shù)據(jù)采集及分析

考慮到臺架整車級、多軸系統(tǒng)級試驗的需要，必須通過實車進(jìn)行試驗場道路載荷譜數(shù)據(jù)采集，采集的信號包括電驅(qū)動橋位置電機(jī)、電機(jī)支架失效位置、橋管等位置各方向加速度信號、整車軸頭加速度及位移信號等。采回的載荷譜數(shù)據(jù)不能直接作為臺架試驗的目標(biāo)信號，必須進(jìn)行編輯和處理，具體步驟：（1）數(shù)據(jù)檢查，剔除異常信號，去除趨勢項；（2）對信號進(jìn)行頻域分析，濾除因干擾噪聲等引起的高頻信號；（3）去除試驗場過渡路面的載荷信號，保留典型路況載荷信號；（4）對幾個循環(huán)數(shù)據(jù)進(jìn)行疲勞損傷及數(shù)據(jù)樣本量一致性分析，選擇完整可靠度好的樣本量，作為臺架的數(shù)據(jù)目標(biāo)輸入信號[6]。

本文按照疲勞理論，運用載荷譜數(shù)據(jù)縮減前后的“相對損傷系數(shù)”，對時域數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除低幅值、大循環(huán)載荷，并對編輯前后數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率及損傷對比，在保證頻率一致性及包含損傷95%以上的前提下，對臺架試驗的輸入隨機(jī)信號進(jìn)行加速編輯[7-8]。具體數(shù)據(jù)分析處理采用Ncode Glyphworks 軟件進(jìn)行。

圖8 加速損傷計算流程

圖9 時域數(shù)據(jù)

表3 加速前后數(shù)據(jù)對比

123456789101112時間/s 編輯前1.9390.3672.9582.0120.4459.8755.3840.38319.7412.690.51616.718340 編輯后1.910.3622.8661.9670.4389.6435.1790.37719.1272.6070.50916.095237.3 損傷率/%98.5298.5696.8997.7598.5197.6596.1998.5796.8996.8998.4996.2769.79

2.2 臺架道路模擬

為了使得試驗場各個頻率段路面都能獲得更好的迭代效果，整車四立柱臺架上分別運用四個軸頭加速度和四個減震器端位移信號作為整車迭代目標(biāo)信號進(jìn)行驅(qū)動迭代，多軸系統(tǒng)級臺架運用電機(jī)、電機(jī)支架及后橋等位置4個三軸加速度信號（該四個加速度不能在一個平面或一條線上）作為迭代的目標(biāo)信號進(jìn)行驅(qū)動迭代。

因本次臺架試驗中整車四立柱道路模擬與多軸系統(tǒng)級道路模擬運用的都是INSTRON公司提出的Time Waveform Replication（TWR）時域波形再現(xiàn)技術(shù)，通過迭代，得出驅(qū)動臺架的目標(biāo)信號，原理相同。以某輕型客車為例，本文只詳細(xì)闡述整車四立柱道路模擬試驗原理。

圖10 臺架目標(biāo)信號生成流程圖

圖11 整車四立柱臺架

整車四立柱道路模擬試驗采用輪胎耦合的方式，即整車的四個輪胎通過托盤置于作動器上方，通過作動器的激勵，響應(yīng)到輪胎施加到整車上。INSTRON公司的TWR時域波形再現(xiàn)技術(shù)步驟包括：（1）根據(jù)參數(shù)設(shè)置，生成隨機(jī)白粉噪聲信號；（2）白粉噪聲通過作動器加載到整車系統(tǒng)上，測出輸出信號，通過=[]·，得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而求逆得出公式=[]-1；（3）根據(jù)上面分析得出的加速目標(biāo)信號B，依據(jù)公式A=a[H]-1·B（定義為修正系數(shù)），依次計算出輸出信號和目標(biāo)信號的誤差，并修正輸入信號，重復(fù)以上步驟，直至作動器響應(yīng)和道路加速目標(biāo)信號接近[9]。道路模擬過程中，對模擬過程中的時域信號目標(biāo)、時域信號誤差、RMS值、RMS值誤差及頻域等進(jìn)行對比分析，得出最優(yōu)迭代效果的目標(biāo)驅(qū)動文件。

圖12 RMS及RMS誤差值

圖13 時域與頻域數(shù)據(jù)（以FL加速度和位移為例）

2.3 臺架試驗實施

根據(jù)試驗場典型路面的行駛路線和耐久循環(huán)次數(shù)，將迭代后的目標(biāo)驅(qū)動文件按要求依次連接，等效試驗場工況和里程，產(chǎn)生臺架上的耐久循環(huán)數(shù)據(jù)及臺架耐久總時間，同時在整車四立柱和多軸系統(tǒng)級臺架上驅(qū)動進(jìn)行疲勞耐久試驗。

（1）進(jìn)行電驅(qū)動橋老電機(jī)支架的整車四立柱臺架及多軸系統(tǒng)級臺架路試故障問題再現(xiàn)，結(jié)果表明：兩個臺架電機(jī)支架都出現(xiàn)松動，且出現(xiàn)里程時間相差不大，證明該兩個臺架載荷譜迭代精度高，可以用于后續(xù)該問題優(yōu)化設(shè)計改進(jìn)方案的驗證。

圖14 整車四立柱故障復(fù)現(xiàn)

圖15 多軸臺架故障復(fù)現(xiàn)

表4 故障復(fù)現(xiàn)里程對比

整車道路臺架 電機(jī)支架螺栓松動故障對比路試/%整車四立柱/%多軸系統(tǒng)級臺架/% 28.5918.5021.20

（2）依據(jù)電機(jī)支架優(yōu)化和選型的方案，進(jìn)行新電機(jī)支架方案的樣件加工制作，裝配在電驅(qū)動橋系統(tǒng)及臺架試驗整車上，同時進(jìn)行整車四立柱臺架耐久及多軸系統(tǒng)級臺架耐久試驗，多方向進(jìn)行臺架耐久試驗驗證，結(jié)果均通過該耐久試驗，最后將該改進(jìn)方案裝配在路試樣車上進(jìn)行整車道路耐久試驗，均通過道路耐久要求，完成項目簽發(fā)驗證，縮短試驗時間，減少道路耐久成本。

3 結(jié)語

本文以電驅(qū)動橋電機(jī)支架為研究對象，基于實測的載荷譜數(shù)據(jù)，編輯加速處理作為臺架輸入的目標(biāo)信號，提出了一種聯(lián)合運用整車四立柱臺架和多軸系統(tǒng)級臺架耐久試驗的實驗室方法。對于受多方向影響的汽車零部件的失效故障驗證，可以運用該聯(lián)合臺架試驗方法，提高了實驗室內(nèi)臺架驗證的精確度，縮短故障驗證的道路耐久試驗時間及成本，保證了室內(nèi)臺架試驗與室外試驗場道路的關(guān)聯(lián)性，為車輛零部件的設(shè)計及開發(fā)等方面提供了一種更可靠的室內(nèi)驗證方法，具有重要的實踐工程意義。

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Study on the Bench Test Method of the Motor Bracket of Electric Drive Axle

SHU Huaying1,2, GONG Chunhui1,2, ZHANG Xin3

（1.Product Development & Technical Cente, Jiangling Motors Co., Ltd., Jiangxi Nanchang 330000;2.Jiangxi Engineering Research Center of Passenger Car Structure Design, Jiangxi Nanchang 330000;3.Jiangxi Vocational and Technical College of Communications, Jiangxi Nanchang 330013）

In order to quickly and effectively verify the bolt loosening problem of motor bracket of electric drive axle, based on the measured load spectrum data of the proving ground, editing, speeding up and processing as the target signal inputting, a method of joint verification using vehicle four column bench and multi axis system level bench is proposed, which makes up for the defects of single bench verification. By using the joint verification method, the road faults are repeated on the bench, and the improvement plan is verified to be passed, which shortens the test cycles and reduces the road durability cost. For the failure verification of automobile parts affected by multiple directions, this method improves the reliability of indoor bench test, and ensures the relevance between the bench test in the lab and the test in the proving ground.

Electric drive axle;Motor bracket;Load spectrum;Four column bench;Multi axis bench

U467

A

1671-7988(2021)23-89-05

U467

A

1671-7988(2021)23-89-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.025

舒華英，碩士，中級工程師，現(xiàn)就職于江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)中心，主要從事汽車臺架疲勞耐久試驗相關(guān)工作。