三合一電驅(qū)動(dòng)總成急變速試驗(yàn)工況的研究

余強(qiáng)

(上海汽車變速器，上海 201800)

0 引言

汽車電動(dòng)化是汽車發(fā)展的趨勢(shì)，而集成化則是電驅(qū)總成的重要的發(fā)展趨勢(shì)。三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于高度集成了電機(jī)、電機(jī)控制器以及減速器，相比較分體式的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有更輕的質(zhì)量、更好的EMC性能、更便宜的價(jià)格。汽車在行駛過程中是由大量的加速、減速動(dòng)態(tài)工況組成，而相比較傳統(tǒng)燃油車，純電動(dòng)車通常為單速比，電驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)承受的轉(zhuǎn)速交變工況相比較發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器會(huì)更頻繁、更惡劣，對(duì)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(dòng)總成在車速動(dòng)態(tài)變化過程中的旋轉(zhuǎn)部件的可靠性，進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)總成的急變速試驗(yàn)就顯得尤為重要。

1 概述

1.1 三合一電驅(qū)動(dòng)總成急變速試驗(yàn)的定義

急變速試驗(yàn)，也可稱為轉(zhuǎn)速?zèng)_擊試驗(yàn)，高加速/減速試驗(yàn)等，它屬于電驅(qū)動(dòng)總成耐久性試驗(yàn)的一個(gè)項(xiàng)目，是一種在臺(tái)架上進(jìn)行的考核電驅(qū)動(dòng)總成在低負(fù)荷下轉(zhuǎn)速快速交變的可靠性試驗(yàn)。

急變速試驗(yàn)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(dòng)車在實(shí)際使用過程中的轉(zhuǎn)速變化情況。

1.2 急變速試驗(yàn)的目的及考核對(duì)象

急變速試驗(yàn)主要用于評(píng)估電驅(qū)動(dòng)總成的機(jī)械強(qiáng)度，如電機(jī)軸承、減速器軸承、電機(jī)轉(zhuǎn)子、電機(jī)油封、位置傳感器及齒輪等。作為一種探測(cè)手段，還可考核以下的失效：

(1)電機(jī)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(dòng)；

(3)電機(jī)轉(zhuǎn)子螺栓變形、斷裂；

(4)電機(jī)轉(zhuǎn)子壓板松動(dòng)，損壞；

(5)轉(zhuǎn)子軸承蠕變，油脂脫油；

(6)位置傳感器信號(hào)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(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)三合一電驅(qū)動(dòng)總成的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，不管是國內(nèi)還是國外，都基本上是個(gè)空缺。一般參考的標(biāo)準(zhǔn)都是分體式的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。在急變速試驗(yàn)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(duì)電動(dòng)車、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的測(cè)試規(guī)范，共有6個(gè)部分，在ISO 21782-6[2]電機(jī)和逆變器的工作負(fù)載測(cè)試中提及電機(jī)運(yùn)行耐久共有3個(gè)部分：(1)高加速/減速耐久測(cè)試；(2)最大扭矩耐久測(cè)試；(3)超速試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于高加速/減速耐久測(cè)試工況的定義如下:空載以最大轉(zhuǎn)速重復(fù)順時(shí)針和逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。雙向轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)測(cè)試工況如圖1所示，單向轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)測(cè)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(shí)間t1是需要供應(yīng)商與客戶達(dá)成一致的。

圖1 雙向電機(jī)測(cè)試工況

圖2 單向電機(jī)測(cè)試工況

圖2中，t為時(shí)間(s)；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);nm為最高轉(zhuǎn)速(r/min)；s為1個(gè)循環(huán)；t1為保持時(shí)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(shí)間t1應(yīng)減少到技術(shù)可能的最小值。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于循環(huán)數(shù)有分級(jí)和定義見表1。

表1 急變速試驗(yàn)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(shí)際不符

標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于加速考核只有一種，從0到最高轉(zhuǎn)速，而實(shí)際使用過程中，通常會(huì)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(dòng)車的電機(jī)轉(zhuǎn)速都很高，有的甚至可以達(dá)到2萬以上，在整車實(shí)際使用過程中，加速的斜率是會(huì)分區(qū)間，如0～6 000 r/min，加速時(shí)間比較短，而6 000～12 000 r/min加速時(shí)間會(huì)相對(duì)較長。

(3)加速循環(huán)數(shù)定義與整車設(shè)計(jì)壽命無法等效

當(dāng)前三合一電驅(qū)動(dòng)總成的設(shè)計(jì)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(jì)壽命要求等效的。

3 試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)示意圖如圖3所示。

圖3 離心運(yùn)動(dòng)示意

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

Fata=Fbtb=mv1-mv2

同樣的轉(zhuǎn)速變化，因?yàn)樽兓瘯r(shí)間的不同，則沖擊力不同，沖擊力與時(shí)間成反比。車輛的每次加減速都會(huì)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(duì)材料的破壞。該類破壞可以使用疲勞損傷累計(jì)假說(常稱為Miner法則)進(jìn)行分析計(jì)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(dòng)態(tài)工況為主，長時(shí)間的運(yùn)行會(huì)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(yàn)。三合一電驅(qū)動(dòng)總成的急變速試驗(yàn)工況應(yīng)該具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：動(dòng)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(jì)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)工況時(shí)，必須綜合國內(nèi)的道路使用需求以及整車的實(shí)際使用條件。對(duì)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(shí)反映了中國特色的工況要求，主要表現(xiàn)在幾個(gè)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(dòng)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(shí)間過緩的時(shí)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(shí)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(yàn)樣本對(duì)試驗(yàn)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(jī)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(dòng)總成急變速試驗(yàn)工況

4 試驗(yàn)條件及要求

4.1 試驗(yàn)條件

三合一電驅(qū)動(dòng)總成急變速試驗(yàn)，需要使用雙電機(jī)臺(tái)架或者三電機(jī)臺(tái)架來進(jìn)行測(cè)試，可以采用臺(tái)架拖動(dòng)或者自轉(zhuǎn)的方式。試驗(yàn)環(huán)境一般定義為室溫(23±5) ℃，相對(duì)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(yàn)要求

為了判定試驗(yàn)是否通過，需要在試驗(yàn)開始前后進(jìn)行以下測(cè)試：

(1)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)

考慮到三合一系統(tǒng)，電機(jī)一般集成與總成之中，不方便直接測(cè)量電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，可以考慮總成只上低壓電，使用臺(tái)架電機(jī)自由拖動(dòng)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(hào)

可以通過上位機(jī)軟件直接讀取旋轉(zhuǎn)變壓器的初始零位，進(jìn)行試驗(yàn)前后對(duì)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(diǎn)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(yàn)過程中的振動(dòng)特性

臺(tái)架測(cè)試過程中一般考慮使用2個(gè)以上振動(dòng)傳感器以檢測(cè)試驗(yàn)過程中電機(jī)及減速器振動(dòng)變化，振動(dòng)位置布置以及限值需要試驗(yàn)工程師根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定。

以上數(shù)據(jù)在試驗(yàn)前后需要進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，具體的評(píng)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(dòng)總成性能的定義。

試驗(yàn)完成后拆解也是評(píng)判試驗(yàn)通過與否的重要一環(huán)。拆解過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注的項(xiàng)目及考核要求見表3。

表3 急變速試驗(yàn)工況拆解項(xiàng)目及評(píng)判要求

5 展望

純電動(dòng)車的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)目前相對(duì)還是較少，三合一電驅(qū)動(dòng)總成的急變速試驗(yàn)作為可靠性試驗(yàn)的重要一環(huán)當(dāng)前在各家整車越來越受到重視。針對(duì)三合一電驅(qū)動(dòng)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(duì)于電機(jī)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(gè)電機(jī)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(shí)也會(huì)考慮借鑒ISO 21782-6，但是對(duì)于循環(huán)數(shù)及工況可能會(huì)有針對(duì)性的調(diào)整。后續(xù)國內(nèi)的電驅(qū)系統(tǒng)公告試驗(yàn)，也可能會(huì)增加該項(xiàng)測(cè)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(duì)于制定臺(tái)架試驗(yàn)工況也是具有很好的指導(dǎo)意義。