電動汽車減速器總成臺架疲勞試驗研究

簡校堅, 吳孝曦, 李滌塵,肖文建

(1.國家汽車質量監(jiān)督檢驗中心(廣東),廣東佛山 528061；2.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434；3.湖南湘儀動力測試儀器有限公司，湖南長沙 410200)

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電動汽車減速器總成臺架疲勞試驗研究

簡校堅1, 吳孝曦2, 李滌塵3,肖文建1

(1.國家汽車質量監(jiān)督檢驗中心(廣東),廣東佛山 528061；2.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434；3.湖南湘儀動力測試儀器有限公司，湖南長沙 410200)

減速器總成是電動汽車動力總成的重要部件。在研究減速器總成結構和疲勞試驗方法的基礎上，基于原有的機械式變速器試驗臺架，選配了驅動電機模擬電源，開發(fā)了CAN通信接口和相關測控軟件，搭建了驅動電機+減速器動力總成的疲勞試驗臺架，成功進行了某型電動汽車減速器總成的疲勞試驗。試驗結果表明：技改后的臺架運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足電動汽車減速器總成的疲勞試驗要求。

電動汽車；減速器總成；疲勞壽命；臺架試驗

0 引言

目前國內外電動汽車動力總成一般采用驅動電機與減速器總成直接連接的方式，其優(yōu)點是結構緊湊、布置靈活、傳動效率較高、振動小、噪聲低。減速器總成將減速器與差速器集成一個整體，通過兩個半軸來驅動車輪[1]。減速器總成作為電動汽車動力總成的重要部件，關系到電動汽車的動力性、可靠性和經(jīng)濟性，因此汽車主機廠和零部件企業(yè)都很重視減速器總成的疲勞試驗。文中在對減速器總成結構和疲勞試驗方法研究的基礎上，基于原有的機械式變速器試驗臺架，選配了動力電池模擬電源,開發(fā)了CAN通信接口和相關測控軟件，搭建了驅動電機+減速器動力總成的疲勞試驗臺架，成功進行了某型電動汽車減速器總成的疲勞試驗。

1 電動汽車減速器總成的結構

從結構上看，減速器總成就是不帶選換擋機構的機械式變速器。傳統(tǒng)的機械式變速器(匹配內燃機)其輸入轉速一般不大于8 000 r/min，而電動汽車減速器(匹配電機)其最大輸入轉速國產(chǎn)的達到12 000 r/min，國外產(chǎn)品為14 000～16 000 r/min[2]。

由于電動汽車驅動電機的高效工作區(qū)間相對寬泛，因此減速器總成通常為固定速比一級或二級的減速器。減速器傳動比i的選擇，可根據(jù)汽車最高行駛車速和驅動電機最高轉速計算最大傳動比i1，根據(jù)汽車最大爬坡度和驅動電機最大扭矩計算最小傳動比i2，滿足i2≤i≤i1，一般i=7～11[3]。

電動汽車要求減速器具有較大的傳動比。綜合平衡最高車速、加速時間、最大爬坡度、續(xù)駛里程、經(jīng)濟性等方面，如果采用傳統(tǒng)乘用車上的單級減速器，會因為從動齒輪齒數(shù)過多導致直徑尺寸過大，不能保證足夠的最小離地間隙。因此一般采用兩對齒輪減速的雙級減速器。由于驅動電機橫置，雙級減速器第一級和第二級均采用圓柱齒輪傳動，嚙合齒輪為斜齒輪。

差速器一般采用傳統(tǒng)汽車廣泛應用的對稱式圓錐齒輪差速器，因減速器輸出的轉矩不大，故可用兩個行星齒輪和一根行星齒輪軸，差速器殼可制成整體式，并在殼體兩側開有大窗孔，以供減速器總成中的潤滑油進出[4]。

綜上所述，減速器總成的結構如圖1所示。

圖1 減速器總成結構示意圖

2 臺架試驗方法和要求

2.1 穩(wěn)態(tài)疲勞試驗

汽車零部件疲勞臺架試驗按加載方式分為穩(wěn)態(tài)工況加載、程序疲勞加載和隨機疲勞加載[5]。QC/T 568.1-2011《汽車機械式變速器總成臺架試驗方法 第1部分:微型》[6]標準中的疲勞壽命試驗屬于穩(wěn)態(tài)工況加載。根據(jù)變速器所匹配的發(fā)動機最大扭矩和最大扭矩點轉速作為機械變速器臺架試驗時的輸入載荷，油溫控制在(85±5)℃之間，試驗順序是按照變速器排擋做循環(huán)試驗。

最新的QC/T 1022-2015《純電動乘用車用減速器總成技術條件》[7]中減速器總成疲勞壽命試驗參照了QC/T 568.1-2011的臺架試驗方法，采用穩(wěn)態(tài)工況加載。某型減速器總成最大功率點轉速4 300 r/min，最大輸入扭矩225 N·m，最高輸入轉速12 000 r/min，減速比8.898。依據(jù)QC/T 1022-2015得出的試驗條件見表1。

表1 某型減速器疲勞壽命試驗項目和試驗方法

與QC/T 568.1相比，乘用車五擋變速器疲勞壽命要求輸入端轉數(shù)為5 434萬次。而減速器總成的疲勞壽命要求輸出端轉數(shù)是1 303.5萬次，當減速器傳動比為7～11，其總輸入端轉數(shù)則有(9 124.5～14 338.5)萬次，是傳統(tǒng)燃油車的1.7～2.6倍。

表2是對某型減速器總成根據(jù)QC/T 1022-2015中疲勞壽命試驗換算的整車行駛里程，其傳動比為8.842，總里程約為26 831 km。GB/T 28382-2012《純電動乘用車 技術條件》[8]標準中的可靠性行駛試驗的總里程為15 000 km，對比之下，減速器總成的可靠性行駛里程約多1.8倍。

表2 某型減速器總成在標準要求下的整車行駛里程

輸入試驗條件設置高扭和高速兩種工況，高扭工況下有正轉正驅動、反轉正驅動、正轉反驅動，分別對應電動汽車的前進、倒車和反拖的工況。由于電機可正反裝，所以減速器總成沒有倒車齒輪，因此試驗條件與前進擋一樣。由于電機輸入轉速高，所以增加了高速工況，考核減速器在高轉速下對齒輪、軸承、密封等的影響。

2.2 程序疲勞試驗

穩(wěn)態(tài)工況加載因簡單可靠的優(yōu)點，在國內汽車零部件疲勞臺架試驗中占主導地位。由于減速器總成在實際工作中受到連續(xù)的動態(tài)載荷的作用，這種運行工況是載荷-時間的函數(shù),因此采用穩(wěn)態(tài)疲勞試驗所得的結果與實際情況相差甚遠。

雖然減速器總成受到的實際載荷是隨機載荷，但是隨機載荷采集過程復雜，試驗臺架昂貴，因此基于隨機載荷加載的試驗較少。目前更多的是通過采集在典型行駛路面的載荷，經(jīng)過處理編譜，形成程序載荷譜，在試驗臺架上將載荷譜加載到減速器上，并按一定的加載順序進行程序疲勞試驗。基于程序譜載荷的疲勞試驗可以很好地模擬隨機載荷，而且試驗結果準確，因此基于程序譜載荷的疲勞試驗是減速器疲勞可靠性檢測的重要方法[9]。

表3、表4分別為某整車廠的程序疲勞試驗方法和電動汽車上的減速器總成參數(shù)。程序載荷譜設定在額定功率68 kW以下。選擇常用車速設置，電機轉速1 815、4 840、7 865和11 495 r/min分別對應車速為22、60、97和143 km/h，其中該款車型的輪胎滾動半徑為0.377 m。輸入扭矩是在同一車速下選取兩個扭矩點，例如工況點1和8，電機轉速都是1 815 r/min，輸入扭矩分別為88.5和177 N·m；工況點2和5，電機轉速都是7 865 r/min，輸入扭矩分別為83和41.5 N·m；工況點3和6，電機轉速都是4 840 r/min，輸入扭矩分別為67和134 N·m；工況點4和7，電機轉速都是11 495 r/min，輸入扭矩分別為56和28 N·m：這4組工況中輸入扭矩均相差1倍。工況點9和10則是考察最大扭矩和模擬電機制動發(fā)電的狀態(tài)對減速器的影響。切換時間的設置是模擬動態(tài)載荷對減速器的沖擊影響，一般由整車廠提出要求。試驗過程中也對差速器提出要求，差速率一般設置在10%以內。所以程序疲勞加載工況點可根據(jù)最大轉矩、最大功率、常用載荷、能量回收、最大轉速、倒車、轉彎等情況而設置。

表3 減速器總成的程序疲勞試驗方法

表4 某款電動車的減速器總成參數(shù)

3 試驗臺架搭建

3.1 硬件設計

由于驅動電機與減速器集成為一整體總成，因此此試驗臺將該總成作為試驗對象，為此增加一套高壓、大電流模擬電源以替代電動車載電池包，用于給電動汽車電機及控制器提供電能，驅動與其直聯(lián)的減速器工作，再利用現(xiàn)有的兩套變頻調速電力測功機給減速器提供模擬負載，臺架構成如圖2所示。

模擬電源是一套雙向直流電源，額定輸出功率150 kW，輸出電壓50～750 VDC，電源與電機及控制器相連接，電源既可以給電機在電動狀態(tài)時供電，也可以在電機發(fā)電狀態(tài)時通過電源變頻回饋電網(wǎng)。

負載裝置由兩套德國西門子315 kW變頻電機和ABB-ACS800單象限變頻器組成。最高輸出轉速2 500 r/min，最大輸出扭矩3 040 N·m。按照最大能力計算，當輸入轉速12 000 r/min，減速器最小傳動比為7，則減速器輸出端的轉速是1 715 r/min；當輸入扭矩為300 N·m，減速器最大傳動比為11，則減速器輸出端的扭矩分別是1 650 N·m。因此，這兩套電力測功機能夠滿足不同型號的減速器的測試需求。

圖2 減速器總成臺架組成

數(shù)據(jù)采集通過負載兩端連接的JC型轉矩轉速傳感器。該傳感器通過彈性軸、兩組磁電信號發(fā)生器，把被測轉矩、轉速轉換成具有相位差的兩組交流電信號，這兩組交流電信號的頻率相同且與軸的轉速成正比，而其相位差的變化部分又與被測轉矩成正比。這兩組交流電信號經(jīng)過處理，即可得到轉矩、轉速的精確值。其轉速測量精度達±1 r/min，扭矩測量精度達0.1級，滿足QC/T 1022-2015標準對臺架準確度的要求。

ABB變頻器采用了直接轉矩控制(Direct Torque Control，DTC)，DTC控制交流電機轉矩的間隔為25 μs，大約每秒控制40 000次。這就保證了準確度以及施加于測試系統(tǒng)的負載轉矩的動態(tài)特性。ABB變頻器都有一個內置的電機模型，在測試系統(tǒng)調試時將該系統(tǒng)特定交流電機的參數(shù)置于變頻器，則模型自動進行精確調整。在系統(tǒng)保護方面，ABB變頻器集成了過流、過壓、失壓、限速、限溫、跳閘等保護功能。

當負載電機需要制動剎車時采用斬波器與耗能電阻的電氣方案。通過設置在直流回路中的制動電阻吸收負載電機再生電能。斬波器和制動電阻箱的功率按照最大能耗選取，并將電阻箱熱敏開關串聯(lián)至ABB變頻器內啟動連鎖開關處，以便在電阻過熱的情況下，及時使變頻器停車以保護斬波器及其制動電阻。

臺架系統(tǒng)通過串口控制電機控制器的控制單元，發(fā)送電機啟動、加載、卸載、停止命令，并獲取試驗對象的實時轉速、扭矩、溫度等參量參數(shù)，還獲取電機變頻器的欠壓、過壓、超扭、超速、超溫等報警參數(shù)。

3.2 測功電機控制模式設計

為使由減速器驅動電機、左右加載測功機組成的閉環(huán)系統(tǒng)有效、穩(wěn)定地運轉，避免超調、飛車、失穩(wěn)等情況發(fā)生，根據(jù)減速器的實際工況，采取減速器輸入端扭矩控制模式、減速器左右輸出端轉速控制模式，這樣就能快速、穩(wěn)定地控制左右輸出端的轉速及轉速差。驅動電機與左右負載電機的能量關系如表5所示。

表5 驅動電機與雙負載電機的能量關系

對于轉速和扭矩的控制，采用經(jīng)典的PID控制算法，算法程序代碼略。

3.3 測控程序設計

電動汽車驅動系統(tǒng)包括電機和控制器。控制器主要由功率模塊(電源的電子開關線路)和控制模塊(包括微處理器和相應軟件)組成。

車載電動系統(tǒng)控制網(wǎng)絡是一個典型的分布式控制系統(tǒng)，主要由整車控制器、電機控制器、電池管理系統(tǒng)等控制節(jié)點組成。整車控制器擔任核心計算和控制任務，是上層控制節(jié)點，而電機控制器、電池管理系統(tǒng)等是下層執(zhí)行節(jié)點。

車載電動系統(tǒng)控制網(wǎng)絡一般采用CAN總線通信結構，所有控制節(jié)點物理上并聯(lián)在若干個CAN總線上(不同的CAN總線間采用網(wǎng)關進行信息通信)，采用CAN報文方式進行控制指令及相關信息的交互。

在新能源汽車上，驅動電機的運行參數(shù)是根據(jù)整車控制策略需要來確定的。因此，電機控制器軟件上設計有控制I/O接口，接收由整車控制器經(jīng)邏輯運算后發(fā)出的實時控制指令。電機控制器接收的控制指令輸入通常包括電機工作模式、扭矩設置、功率限制等，反饋給整車控制器的狀態(tài)信息為電機工作電壓、工作電流、定子轉子溫度等。

在試驗臺架上，測控軟件應當模擬整車控制器的CAN報文，才能實現(xiàn)對被測電機的控制。

CAN通信報文的格式和解析規(guī)則是由通信協(xié)議定義的，一般包含了數(shù)據(jù)幀ID、信號名稱、信號起始位、位長、比例系數(shù)和偏移值等內容。CAN協(xié)議中可探查到驅動電機的性能參數(shù)及整車控制策略，因此屬于保密技術文件范圍，一般難以由試驗委托方直接提供給被委托方。

為解決此問題，在臺架測控軟件和電機控制器之間建立一個協(xié)議轉換站。該協(xié)議轉換站的主要功能是進行臺架和電機控制器之間信息的雙向轉換工作。該協(xié)議轉換站可接收試驗臺架的電機控制指令，并按整車CAN協(xié)議進行轉換后發(fā)給電機控制器。與此同時，協(xié)議轉換站還從電機控制器上接收運行狀態(tài)信息，進行通信信號轉換后反饋給試驗臺架。試驗臺架的控制指令可通過RS232、RS485、CAN等通用通信方式發(fā)出，協(xié)議轉換站設計出相應的通信接口即可。軟件設計框圖如圖3、圖4所示。

圖3 臺架控制軟件框圖

圖4 電機控制方案框圖

4 臺架試驗驗證

為了驗證臺架的有效性，針對某型減速器總成進行程序疲勞試驗。測試的減速器總成最高輸入轉速12 000 r/min，額定扭矩225 N·m，傳動比為8.898，與其直聯(lián)的是永磁同步電機，額定功率45 kW，額定轉速4 300 r/min，峰值功率94 kW，最高轉速12 000 r/min。試驗方案基于電機在額定功率下工作進行設定，程序疲勞試驗方案如表6所示。

表6 某型減速器總成程序疲勞試驗要求

臺架按照設定好的程序自動進行試驗，并實時記錄轉速-扭矩曲線，如圖5所示。一個步驟循環(huán)為618 s，試驗按照工況點的順序循環(huán)，工況點之間能在設定的時間內進行切換，并到達設定的試驗條件，滿足試驗需求。

由于臺架設計為減速器輸入端扭矩控制模式、減速器左右輸出端轉速控制模式，因此輸入端扭矩和輸出端轉速的控制精度對試驗的準確度非常重要。表7、表8分別為記錄的第1個循環(huán)到第4個循環(huán)輸出端轉速和輸入端扭矩。輸出端轉速的實測值與設定值最大相差-1 r/min，控制精度為-2‰，滿足QC/T 1022-2015標準要求。輸入端扭矩的實測值與設定值最大相差-2 N·m，滿足QC/T 1022-2015標準要求。

圖5 程序疲勞試驗轉速-扭矩曲線

表7 負載端轉速實時監(jiān)測數(shù)據(jù)r·min-1

表8 驅動端扭矩實時監(jiān)測數(shù)據(jù)N·m

5 結束語

在現(xiàn)有的機械變速器試驗臺架的基礎上，通過技術改造，引入新的試驗方法，搭建了電動汽車減速器的疲勞試驗臺架。經(jīng)實際試驗表明，該臺架運行穩(wěn)定可靠，能夠滿足電動汽車減速器的疲勞試驗需求。

[1]賈輝.輕型電動汽車電機變速器集成驅動系統(tǒng)設計與開發(fā)[D].武漢：武漢理工大學，2011.

[2]2015節(jié)能與新能源汽車年鑒[M].北京:中國經(jīng)濟出版社,2015.

[3]周洋，張娟萍.純電動汽車減速器速比選擇研究[J].山東交通學院學報，2014,22(2)：9-12. ZHOU Y,ZHANG J P.Study on Gearbox Ratio for Electric Vehicle[J].Journal of Shandong Jiaotong University,2014,22(2)：9-12.

[4]史文庫，姚為民.汽車構造[M].北京：人民交通出版社，2013.

[5]陳清紅.手動變速器試驗電加載技術研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2010.

[6]QC/T 568.1-2011汽車機械式變速器總成臺架試驗方法 第 1部分：微型[S].

[7]QC/T 1022-2015純電動乘用車用減速器總成技術條件[S].

[8]GB/T 28382-2012純電動乘用車 技術條件[S].

[9]劉新猛，胡職梁，謝里陽,等.汽車變速器疲勞壽命的研究與發(fā)展綜述[J].機電工程，2014,31(6):689-696. LIU X M,HU Z L,XIE L Y,et al.Review on Research and Development of Fatigue Life of Automotive Transmission[J].Mechanical & Electrical Engineering Magazine,2014,31(6):689-696.

Research on Bench Fatigue Test for Electric Vehicle Reducer Assembly

JIAN Xiaojian1, WU Xiaoxi2, LI Dichen3, XIAO Wenjian1

(1.National Automobile Quality Supervision and Inspection Center (Guangdong), Foshan Guangdong 528061,China;2.Automotive Engineering Institute, Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd., Guangzhou Guangdong 511434,China; 3.Hunan Xiangyi Dynamic Test & Measurement Equipment Co.,Ltd., Changsha Hunan 410200,China)

Reducer assembly is an important part of the power assembly of electric vehicles. The structure and fatigue test methods for reducer were researched. Based on the original mechanical transmission test bench, by selecting drive motor analog power supply and developing CAN communication interface and related measurement and control software, fatigue test bench for driving motor + reducer power assembly was built. The fatigue test of a certain type of electric vehicle retarder was carried out successfully. Test results show that the transformed bench is stable and reliable. It can meet the requirements of the fatigue test of the motor vehicle reducer assembly.

Electric vehicle; Reducer assembly; Fatigue life; Bench test

2017-05-12

簡校堅(1988—)，男，大學本科，主要從事汽車零部件產(chǎn)品檢測技術研究。E-mail：danieljian@foxmail.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.07.017

U467.3

B

1674-1986(2017)07-064-05