電驅(qū)動總成耐久試驗早期故障診斷

丁 旭，范振陽

電驅(qū)動總成耐久試驗早期故障診斷

丁 旭，范振陽

（中汽研汽車檢驗中心（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

為研究新能源汽車用電驅(qū)動總成早期故障，利用早期故障分析設(shè)備對新能源汽車用電驅(qū)動總成進行耐久試驗的振動監(jiān)測。理論分析與實際監(jiān)測的結(jié)果表明，早期故障分析設(shè)備準確預(yù)測了故障部位損壞的趨勢。準確診斷出電驅(qū)動總成早期故障可以及時終止試驗，避免樣品及臺架的過渡損壞，同時，可以快速定位故障部位，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

電驅(qū)動總成；耐久試驗；早期故障

為提高新能源汽車用電驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速越來越高，多數(shù)轉(zhuǎn)速均達到了16 000 r/min及以上，對生產(chǎn)工藝要求越來越高，電機在實車運行的穩(wěn)定性和故障率也倍受關(guān)注[1]。減速器作為動力系統(tǒng)的重要一環(huán)，影響著整車的舒適性、動力性和經(jīng)濟性，新能源汽車一般為單檔減速器，較傳統(tǒng)車用的變速器簡單，但國產(chǎn)減速器的整體性能與可靠性仍與國外產(chǎn)品有一定差距[2]。

新能源汽車用的電驅(qū)動總成，即電機、電控和減速器三合一產(chǎn)品為近幾年的新型結(jié)構(gòu)，其可靠性有待進一步驗證。新能源汽車的開發(fā)周期短，電驅(qū)動總成的開發(fā)周期也被大大壓縮，利用早期故障分析設(shè)備提前監(jiān)測出故障的趨勢和位置，可快速定位故障位置，提前更換新方案，節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)周期[3]。

本文利用德國的delta-ANALYSER，監(jiān)控電驅(qū)動總成在整個耐久試驗過程中的工作狀態(tài)，包括振動加速度、轉(zhuǎn)速、扭矩和油溫。研究設(shè)備監(jiān)測的故障變化與理論分析結(jié)果是否一致，能為產(chǎn)品的研發(fā)提供可靠的依據(jù)。

1 理論分析

利用振動傳感器測得的振動信號，通過信號轉(zhuǎn)換，可將時域譜轉(zhuǎn)換成基于轉(zhuǎn)速同步化的階次譜，便于故障分析；利用齒輪與軸承的故障類型具有典型的故障特征，能夠分析出故障位置；利用實時的振動幅值變化與限值的比較，設(shè)置報警或停機的策略，避免樣品的過渡損壞[4]。

1.1 信號轉(zhuǎn)換

振動傳感器采集到的原始信號為隨時間變化的振動加速度值，通過傅里葉變換，時域信號可轉(zhuǎn)換為頻率信號，即不同頻率對應(yīng)的振動加速度值。為避免轉(zhuǎn)速波動影響以及信號失真，將等時間間隔采集換成等角度采集，每周采樣點固定，頻域分析的圖譜可轉(zhuǎn)換為基于階次分析的圖譜，基于轉(zhuǎn)速同步化的階次分析便于趨勢分析與故障定位。圖1為信號轉(zhuǎn)換示意圖。

1.2 齒輪嚙合典型故障

齒輪嚙合振動會導(dǎo)致軸的扭曲及彎曲振動，彎曲振動將通過軸承等機械部件傳遞到總成的外殼表面。

齒輪嚙合的典型故障有齒輪裂紋、斷裂和點蝕?；l定在輸出軸，則輸出軸的階次為1，假定圖2中的f1為輸出軸，則f1為1，1齒輪的階次為f1*1，齒輪嚙合頻率：z=f1*1=f2*2，一般故障特性為f、2f、3f遞增規(guī)律的主頻，同時伴有明顯的間隔為f的邊頻。其中，1、2為齒輪齒數(shù)，f為軸旋轉(zhuǎn)頻率。圖2為齒輪嚙合示意圖，圖3為齒輪嚙合故障示意圖。如邊頻f為f1，則為1齒輪出現(xiàn)了故障；如邊頻f為f2，則為2齒輪出了故障。

圖2 齒輪嚙合示意圖

圖3 齒輪嚙合故障示意圖

1.3 趨勢線形成原理

監(jiān)控的原理是利用某階次信號與較早時間比較，用于識別故障的發(fā)展。監(jiān)控分兩個階段：學(xué)習(xí)階段和監(jiān)控階段，監(jiān)控階段與學(xué)習(xí)階段是無縫銜接的。軟件通過次分析的信號，通過計算公差后，轉(zhuǎn)入監(jiān)控階段。在監(jiān)控階段每采集次分析計算一次平均值，平均值譜線將與在學(xué)習(xí)階段形成的公差進行對比，出現(xiàn)的偏差將生成變化譜。通過對變化譜的疊加求和形成一個點的趨勢指數(shù)，通過多個變化譜線可以形成按時間軸變化的趨勢指數(shù)曲線。當(dāng)趨勢指數(shù)達到了設(shè)定的報警或停機值時，臺架會發(fā)生聲光報警或停機，進而保護樣件的過渡損壞，為確認故障點留下證據(jù)[5-6]。圖4為振動趨勢變化示意圖。

圖4 振動趨勢變化示意圖

2 電驅(qū)動總成耐久測試

新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)大多采用的是集成化的形式，即電機、電控及減速器三合一系統(tǒng)，這種新形式需要經(jīng)過大量耐久試驗驗證產(chǎn)品的可靠性。

本實驗選取一臺三合一電驅(qū)動總成，安裝在雙測功機臺架上，通過特殊設(shè)計的工裝將電驅(qū)動總成固定在橫梁上，由電池模擬器給控制器供直流高壓，穩(wěn)壓電源給控制器供12 V低壓，水冷系統(tǒng)給電機和控制器提供試驗所需的溫度和流量，環(huán)境倉給電驅(qū)動總成提供試驗所需的環(huán)境溫度。

在減速器外殼與電機外殼適當(dāng)位置分別安裝一個振動傳感器，保證傳感器振動方向與軸垂直，如圖5和圖6所示。

圖5 減速器外殼振動傳感器安裝位置

圖6 電機外殼振動傳感器安裝位置

早期故障分析設(shè)備中自帶了一個階次計算軟件（ROC），利用軟件中自帶的模塊，搭建模型后，輸入減速器齒輪齒數(shù)及軸承參數(shù)等信息，即可計算出所有接觸部件對應(yīng)的階次。圖7為電驅(qū)動總成機械模型圖。表1為電驅(qū)動總成部件階次計算結(jié)果，包括齒輪嚙合和相關(guān)軸運轉(zhuǎn)的主頻和高次諧波。

圖7 電驅(qū)動總成機械模型圖

表1 電驅(qū)動總成部件階次計算結(jié)果 單位：階

部件主頻2次諧波3次諧波4次諧波5次諧波6次諧波 轉(zhuǎn)子軸11.022.033.044.055.066.0 轉(zhuǎn)子67.0134.0201.0268.0335402 輸出軸123456 TW1與TW2齒輪3026049061 2081 5101 812 TW2軸?3.3?6.6?9.9?13.2?16.519.8 TW1軸11.022.033.044.055.066.0 TW3與TW4齒輪83166249332415498 TW4軸123456 TW3軸?3.3?6.6?9.9?13.2?16.519.8

3 故障分析

本次試驗用電驅(qū)動總成在耐久試驗進行10天左右，振動幅值出現(xiàn)了緩慢增大趨勢，隨后，在試驗進行至近兩個月的時候，觸發(fā)了停機限值，試驗結(jié)束后，對振動趨勢圖、階次偏差圖及瀑布圖進行了分析。

3.1 故障振動趨勢分析

圖8為某工況下電驅(qū)動總成的振動趨勢圖。圖8中可以看出，在3 000個分析之前，振動幅值很小，幾乎沒有。3 000個分析之后，振動幅值開始緩慢上升，整體呈指數(shù)型上升趨勢，直至38 000個分析時，觸發(fā)報警停機。

3.2 階次偏差分析

圖9為上述工況對應(yīng)電驅(qū)動總成的階次偏差圖。從圖9可看出，在200和600左右的階次，振幅較大。輸入軸（轉(zhuǎn)子軸）的3次諧波和9次諧波分別是201和604，較為接近。

圖8 某工況振動趨勢圖

圖9 某工況階次偏差圖

3.3 瀑布圖分析

圖10為上述工況對應(yīng)電驅(qū)動總成的瀑布圖。圖10中可以看出，隨著耐久試驗的進行，200左右階次的振幅逐漸增大，最終觸發(fā)了報警停機限值。

3.4 故障分析

圖8－圖10的分析基本還原了電驅(qū)動總成在耐久試驗過程中，某部件故障由小到大逐漸演變的過程。通過階次分析，振幅大的階次與輸入軸（轉(zhuǎn)子軸）階次匹配，且邊頻也與轉(zhuǎn)子軸頻率對應(yīng)。因此，可判定是轉(zhuǎn)子軸出現(xiàn)了損壞。通過拆機查看，證實是轉(zhuǎn)子軸出現(xiàn)了裂痕。

圖10 某工況瀑布圖

4 結(jié)論

在電驅(qū)動總成產(chǎn)品進行可靠性試驗驗證時，利用早期故障分析設(shè)備，準確預(yù)判樣件早期故障，可快速確定產(chǎn)品故障類型與位置。試驗結(jié)果表明，在電驅(qū)動總成耐久試驗過程中，軟件準確分析出了故障的發(fā)展過程，也預(yù)判了故障的位置，拆機證實了早期故障分析設(shè)備分析的結(jié)果。利用早期故障分析設(shè)備，可實時記錄狀態(tài)變化，在大損壞來臨前，及時中止試驗，避免樣品及臺架的過度損壞，快速定位故障位置，進而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。

[1] 陽新華.基于臺架耐久試驗的變速器早期失效診斷及軟件實現(xiàn)[D].重慶:重慶理工大學(xué),2018.

[2] 謝志謙.變速器疲勞可靠性試驗及其故障診斷研究[D].太原:中北大學(xué),2017.

[3] 金光,袁照丹,姜冠伊,等.變速器總成耐久試驗早期故障診斷[J].汽車技術(shù),2019(6):53-58.

[4] 陳銳.變速器臺架試驗早期故障識別與監(jiān)控方法研究[D].重慶:重慶理工大學(xué),2017.

[5] 金光,趙文華,李士杰,等.基于階次分析的DCT早期故障診斷[C]//2018中國汽車工程學(xué)會年會論文集.北京:機械工業(yè)出版社,2018:9.

[6] 林旭春,黃孟,王展,等.階次分析在無級變速箱早期故障診斷中的應(yīng)用[J].時代汽車,2020(14):157-158.

Early Fault Diagnosis of Electric Drive Assembly Durability Test

DING Xu, FAN Zhenyang

( CATARC Automotive Test Center (Ningbo) Company Limited, Ningbo 315336, China )

In order to study the early faults of the electric drive assembly of new energy vehicles, early fault analysis equipment is used to monitor the vibration of the durability test of the electric drive assembly of new energy vehicles.The results of theoretical analysis and actual monitoring indicate that the early fault analysis equipment accurately predicted the trend of damage at the fault location. Accurately diagnose early faults of the electric drive assembly, it can terminate the test timely, avoid transitional damage to the sample and bench, and quickly locate the fault location to shorten the product development cycle.

Electric drive assembly; Durability test; Early fault

U469.72

A

1671-7988(2023)20-106-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.021

丁旭（1989－），男，碩士，工程師，研究方向為電驅(qū)動技術(shù)，E-mail:dingxu@catarc.ac.cn。