中央集成式電動車橋耐久試驗方法分析

羅瑞雪，辛元強

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

0 引言

近些年來，在我國經(jīng)濟持續(xù)飛速發(fā)展的大環(huán)境下，我國汽車保有量呈現(xiàn)出了飛速增長的勢頭，由此帶來的環(huán)境污染和能源緊張問題顯得尤為突出。為緩解能源和環(huán)境的壓力，國家先后出臺了一系列引導政策來大力支持各類新能源汽車特別是電動汽車，促使了新能源汽車的迅猛發(fā)展。

新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源，綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進技術而形成的技術原理先進,具有新技術、新結(jié)構(gòu)的汽車。比較常見的新能源汽車有純電動汽車、插電式混合動力汽車、氫能源汽車等。其中電動汽車以電機作為其動力來源，并因其加速快、平順性好、噪聲小、污染少以及國家給予的一系列優(yōu)惠政策等優(yōu)勢受到了市場的喜愛，得到了大力發(fā)展[1]。而驅(qū)動橋作為汽車動力傳遞過程中重要的組成部分，將其電動化也成為了目前越來越重要的趨勢。目前，在部分種類的汽車上，電動車橋已替代了傳統(tǒng)車橋并得到了較好的運用。因此，越來越多的整車廠以及驅(qū)動橋生產(chǎn)廠都在著手大力研發(fā)與生產(chǎn)電動車橋。

1 電動車橋的分類

汽車驅(qū)動橋位于傳動系統(tǒng)的末端，其基本功能是增大由傳動軸或者直接由變速器傳來的轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)矩分配給左、右驅(qū)動車輪，并使左、右驅(qū)動車輪具有汽車行駛運動學所要求的差速功能[2]。電動車橋應具有高集成、高轉(zhuǎn)速、高效率、高密度、低噪聲等優(yōu)點。目前常見的電動車橋可根據(jù)其動力的輸入方式分為3種：垂直輸入式、中央集成式和輪邊或輪轂驅(qū)動式。

1.1 垂直輸入式電動車橋

垂直輸入式電動車橋是在傳統(tǒng)車橋動力總成的基礎上將輸入端的發(fā)動機或者是發(fā)動機以及變速器替換成驅(qū)動電機，其動力總成結(jié)構(gòu)如圖1所示。這類電驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)驅(qū)動橋相比并沒有發(fā)生變化，只是動力總成的構(gòu)成上有差異。因此，垂直輸入式電動車橋技術目前已處于十分成熟的階段，很大程度上節(jié)省了開發(fā)及制造成本，廣泛應用于大部分電動商用車。但這一結(jié)構(gòu)集成化低，所占空間大，能量損失大，導致整體傳遞效率低。

圖1 垂直輸入式電動車橋動力總成

1.2 中央集成式電動車橋

中央集成式電動車橋是將電機、減速器以及驅(qū)動橋(或電機以及驅(qū)動橋)集成為一體，輸入輸出軸平行或者同軸，通常為兩級或兩級以上減速，其動力總成結(jié)構(gòu)如圖2所示。這類電動車橋的主減速器結(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，有利于實現(xiàn)驅(qū)動橋的集成化、輕量化[3]。目前這種結(jié)構(gòu)的電動車橋大部分用于電動物流車、擺渡車、電動乘用車上。此類電動車橋由于主減速器甚至整體車橋總成結(jié)構(gòu)改變，導致開發(fā)成本提高，生產(chǎn)制造難度增大。

圖2 中央集成式電動車橋動力總成

1.3 輪邊或輪轂驅(qū)動式電動車橋

輪邊或輪轂驅(qū)動式電動車橋動力總成的電機裝在輪邊或輪轂里，直接驅(qū)動車輪，可實現(xiàn)矢量控制，其動力總成的結(jié)構(gòu)如圖3所示，目前用于小部分商用車及某些特定功能的車輛上。這種方式便于實現(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、變速器等傳動環(huán)節(jié)，減輕整車質(zhì)量，簡化車輛結(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。但由于是多個電機在同時控制，因此在電機的協(xié)調(diào)控制方面是一個很大的難點，會大大增加開發(fā)難度與成本，并加大制造難度。

圖3 輪邊驅(qū)動式電動車橋總成

2 中央集成式電動車橋試驗現(xiàn)狀

隨著電動汽車的飛速發(fā)展，越來越多的電動車橋需要進行試驗驗證。針對中央集成式電動車橋，在試驗檢測上較傳統(tǒng)車橋以及其他結(jié)構(gòu)的電動車橋來說存在更大的難度，主要有以下原因：

(1)中央集成式電動車橋的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)車橋有差異，輸入端與輸出端由垂直的結(jié)構(gòu)變成了平行或者同軸，且主減速器為兩級或以上減速，速比較大，輸入轉(zhuǎn)速較傳統(tǒng)車橋高，導致傳統(tǒng)的驅(qū)動橋檢測無論在試驗方法還是評價指標上都無法滿足其檢測要求[4]；

(2)目前汽車行業(yè)內(nèi)還未有針對中央集成式電動車橋進行試驗檢測的指導性文件[5]；

(3)中央集成式電動車橋為一種新開發(fā)的車橋，具有新的結(jié)構(gòu)。目前所進行過的試驗項目和次數(shù)都很少，沒有累積足夠的試驗經(jīng)驗。

目前大多數(shù)企業(yè)對中央集成式電動車橋進行耐久試驗所依據(jù)的試驗標準是QC/T 533-1999《汽車驅(qū)動橋臺架試驗方法》[6]、QC/T 534-1999《汽車驅(qū)動橋臺架試驗評價指標》[7]以及QC/T 1022-2015《純電動乘用車用減速器總成技術條件》[8]，但這些標準都無法完全應用到中央集成式電動車橋上。QC/T 533-1999《汽車驅(qū)動橋臺架試驗方法》、QC/T 534-1999《汽車驅(qū)動橋臺架試驗評價指標》是目前驅(qū)動橋試驗檢測領域最常用的標準，但由于其發(fā)布年份較久遠，當時的理論與技術完全無法適應現(xiàn)階段各結(jié)構(gòu)類型的驅(qū)動車橋發(fā)展形勢，且中央集成式電動車橋與傳統(tǒng)驅(qū)動橋在結(jié)構(gòu)上有著很大的不同；QC/T 1022-2015《純電動乘用車用減速器總成技術條件》中關于耐久的試驗方法在某些程度上比較貼近中央集成式電動車橋，但電減速器和中央集成式電動車橋在外形和結(jié)構(gòu)上依然有很大差距，因此其評判指標與臺架形式同樣不適用于電動車橋。

因此，需專門研究中央集成式電動車橋耐久試驗的臺架結(jié)構(gòu)以及試驗方法，需制定出科學有效的試驗方法與評價體系。

3 中央集成式電動車橋試驗臺架結(jié)構(gòu)以及試驗方法

根據(jù)中央集成式電動車橋目前的結(jié)構(gòu)以及試驗需求來分類，其耐久臺架試驗可以分為動力總成型中央集成式電動車橋耐久試驗以及單中央集成式電動車橋耐久試驗。

3.1 動力總成型中央集成式電動車橋耐久試驗

動力總成型中央集成式電動車橋耐久試驗是將電動車橋與所匹配的電機安裝在一起構(gòu)成一個動力總成，將這個動力總成安裝在試驗臺架上，其臺架結(jié)構(gòu)形式參考圖4，電動車橋的輸出端與加載系統(tǒng)(應含轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速傳感器)進行連接，并配置動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。按照給定的試驗工況開機試驗，并進行試驗數(shù)據(jù)的測量和采集；試驗結(jié)束后整理采集的數(shù)據(jù)并拆解樣品以確定試驗后樣品狀態(tài)。

選用該結(jié)構(gòu)形式的試驗臺架對中央集成式電動車橋進行耐久測試時，首先要確定試驗工況。目前為止應用較廣泛的道路工況主要包括：歐洲行駛工況NEDC、美國行駛工況USDC、日本行駛工況JDC以及中國城市公交工況。

因所測試的樣件為動力總成，因此在確定試驗工況時要同時結(jié)合電機和電動車橋的設計扭矩與轉(zhuǎn)速。工況的設計可參考GB/T 29307-2012《電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)可靠性試驗方法》[9]中給定的工況進行，其循環(huán)示意可參考圖5。

圖4 動力總成型中央集成式電動車橋耐久試驗臺架參考

圖5 動力總成型中央集成式電動車橋耐久試驗循環(huán)參考

試驗中，根據(jù)總成的具體設計參數(shù)以及試驗需求確定每個階段的試驗時間及總循環(huán)數(shù)，可參考表1、表2。

表1 動力總成型中央集成式電動車橋試驗循環(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 動力總成型中央集成式電動車橋試驗參考轉(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)形式的電動車橋耐久試驗能夠有效地考核電機的壽命，測試電機與電動車橋的協(xié)調(diào)性，監(jiān)測總成性能的衰減以及整個系統(tǒng)的功率損失等，其檢測結(jié)果對動力總成整體性能的提升與改進起著重要的作用。但對于驅(qū)動電機，其在峰值扭矩的工況下工作時持續(xù)的時間較短，通常只有數(shù)分鐘。因此，在進行動力總成型中央集成式電動車橋耐久試驗時，電動車橋也不能長時間在峰值扭矩下持續(xù)進行耐久考核，該試驗臺架形式對電動車橋齒輪、差速器等其他零部件強度的考核是不夠的。因此該臺架形式的電動車橋耐久試驗在進行高速工況考核的同時無法進行高扭工況的考核。

3.2 單中央集成式電動車橋耐久試驗

單中央集成式電動車橋耐久試驗是單獨將電動車橋通過合適的工裝要求安裝在試驗臺架上，并與驅(qū)動系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、油溫傳感器等進行連接，其臺架結(jié)構(gòu)形式參考圖6。按照預定的試驗工況進行開機，待試驗相關參數(shù)逐一達到要求值時，開始進行試驗數(shù)據(jù)的測量和采集。試驗結(jié)束后整理采集的數(shù)據(jù)并拆解樣品以確定試驗后樣品狀態(tài)。

圖6 單中央集成式電動車橋耐久試驗臺架參考

選用該形式的試驗臺架對中央集成式電動車橋進行耐久測試時，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行支撐，導致電動車橋與臺架的驅(qū)動電機直接相連，會造成電動車橋方向的過定位，而無法正常進行試驗。且在電動車橋與驅(qū)動電機直連的情況下，電動車橋橋殼的剛性很容易與驅(qū)動電機發(fā)生干涉，此時對驅(qū)動電機的尺寸要求較高，不易找到尺寸、扭矩等參數(shù)合適的驅(qū)動電機。因此進行電動車橋耐久試驗在布置臺架時會產(chǎn)生驅(qū)動電機與加載電機之間的干涉，極大地增加了臺架的安裝難度。為順利完成臺架的搭建，在規(guī)劃試驗臺架時需要合理地選擇及布置轉(zhuǎn)接箱、中間支承、萬向傳動軸等部件，將有效避免臺架可能產(chǎn)生的干涉，保證試驗的正常進行。

中央集成式電動車橋通常為兩級減速，速比較傳統(tǒng)驅(qū)動橋偏大，因此在以相同的車速行駛時，其輸入轉(zhuǎn)速會遠遠高于傳統(tǒng)驅(qū)動橋。因此在QC/T 534-1999《汽車驅(qū)動橋臺架試驗評價指標》中，中值疲勞壽命大于50萬次、最低壽命不小于30萬次的壽命評價指標完全不適用于中央集成式電動車橋。對于中央集成式電動車橋，按其實際運行工況，檢測條件可分為正轉(zhuǎn)正驅(qū)、反轉(zhuǎn)正驅(qū)與正轉(zhuǎn)反驅(qū)3個工況，并通過車橋10×104km的保修壽命與車橋所匹配的輪胎滾動半徑來計算試驗循環(huán)的總次數(shù)，可得參考試驗檢測工況,如表3所示。

表3 單中央集成式電動車橋試驗參考工況(不含磨合)

該形式的電動車橋耐久試驗因輸入扭矩為電機的峰值扭矩，加大了電動車橋的齒輪以及各種零部件考核強度，能夠有效地找出所測試樣件中最薄弱的部位，以便更好地對電動車橋進行改進。但在臺架的搭建中為了避免橋與驅(qū)動電機之間的干涉，在輸入端選用了萬向傳動軸進行連接，這種連接方式不能承受過高的轉(zhuǎn)速。因此，在用該種形式的臺架進行中央集成式電動車橋檢測時，建議把輸入端轉(zhuǎn)速控制在5 000 r/min以下，以保證試驗能順利進行。因此該臺架形式的電動車橋耐久試驗在進行高扭矩工況考核的同時無法進行高速工況的考核。

4 結(jié)束語

在對中央集成式電動車橋進行耐久試驗時，應該結(jié)合考核的目的及部位選擇最合適的試驗方案。若重點在于實車工況時電機與電動車橋之間的協(xié)調(diào)能力，需用高轉(zhuǎn)速進行試驗時，可選用動力總成電動車橋形式進行耐久試驗；若重點在考核電動車橋齒輪及重要零部件，需用大扭矩進行試驗時，可選用單中央集成式電動車橋進行耐久試驗。也可根據(jù)試驗方案，適當?shù)亟Y(jié)合2種試驗方式，完成電動車橋高扭高速工況的考核，以達到驗證的目的。