基于臺架試驗的電動汽車動力總成懸置可靠性驗證研究

岳巍　趙成剛　端木瓊　李毅

摘 要：純電動汽車動力總成扭矩輸出特性和傳統(tǒng)燃油車存在區(qū)別，由于電機的輸出特性，可以瞬間到達峰值扭矩，因此在全油門起步、極限制動等工況，瞬態(tài)沖擊力會對減速器殼體和動力總成懸置造成極大的損傷，導(dǎo)致懸置或減速器殼體破損。本文的核心點是在動力總成系統(tǒng)級階段，使用六自由度振動臺和扭轉(zhuǎn)作動器，驗證動力總成懸置可靠性，在車型的開發(fā)前期及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，為動力總成可靠性優(yōu)化提供試驗數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：電動汽車;動力總成懸置;6自由度振動試驗臺;結(jié)構(gòu)可靠性

1 引言

隨著電池和電機技術(shù)的發(fā)展，電動汽車的功率和扭矩越來越大，車輛的可靠性作為各項性能的基礎(chǔ)，更是被擺到突出的位置。近期，市場上出現(xiàn)電動汽車動力總成后懸置支架斷裂的案例，直接關(guān)系到用戶的安全和品牌的口碑。因此，在車輛的開發(fā)全周期中，需要對動力總成懸置進行充分的可靠性驗證。

對于燃油車，懸置系統(tǒng)匹配優(yōu)化的著眼點是多缸發(fā)動機的扭矩波動、設(shè)計理念是為了緩解扭矩波動所引起的車體振動。對于純電動汽車，電機的扭矩波動頻率與發(fā)動機轉(zhuǎn)動階次也無明顯關(guān)聯(lián)。但電機的扭矩則明顯大于發(fā)動機。所以懸置匹配優(yōu)化的著眼點則應(yīng)該是動力總成的扭矩，懸置系統(tǒng)首先應(yīng)具備足夠的抗扭限位能力，確保在大扭矩的作用下動力總成的位移量處于合理范圍，在此基礎(chǔ)上再考慮隔振性能。純電動車驅(qū)動電機的峰值扭矩明顯高于同級別的燃油車，并且與發(fā)動機峰值扭矩只發(fā)生于某一轉(zhuǎn)速不同，電機的峰值扭矩在一個很大的轉(zhuǎn)速區(qū)間（恒扭矩區(qū)）內(nèi)都可出現(xiàn)，制動能量回收功能啟動時扭矩還會在極短時間內(nèi)發(fā)生由正到負的反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致懸置系統(tǒng)承受大幅度快速變化的載荷[1]。

多數(shù)新能源企業(yè)對動力總成可靠性的驗證采用路試的方式，由于節(jié)點靠后，發(fā)現(xiàn)問題以后整改會消耗巨大的人力物力。為了提前驗證節(jié)點，需要在車型開發(fā)的系統(tǒng)級階段對動力總成結(jié)構(gòu)耐久性能進行驗證，提前的驗證、發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題。

驗證研究分為以下幾個步驟，動力總成懸置失效模式分析、驗證臺架搭建、關(guān)鍵試驗數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容。

2 動力總成懸置失效模式分析

目前多數(shù)電動汽車采用三點懸置設(shè)計，按布置位置分類分為電機側(cè)懸置、減速器側(cè)懸置和后抗扭懸置。電機側(cè)懸置起到支撐動力總成靜載和限位的作用，為了衰減電機轉(zhuǎn)動引起的振動，故為縱向（X）和垂向（Z）2個自由度進行約束;減速器懸置除了衰減振動外起到動力總成橫向支撐的作用，故為縱向（X）、橫向（Y）和垂向（Z）3個自由度進行約束;后抗扭懸置主要起到防止動力總成俯仰（My）的作用，因此主要是縱向（X）自由度約束[2]（圖1）。

車輛實際運行過程中，動力激勵載荷來為車身坐標系縱向（X）、橫向（Y）、垂向（Z）、Mx（滾轉(zhuǎn)）、My（俯仰）和Mz（偏轉(zhuǎn)）6個自由度。轉(zhuǎn)化為典型的試驗場工況，懸置系統(tǒng)的受力損傷分析如下：

試驗場路譜載荷分為兩大類，第一類為振動損傷路面，涵蓋比利時路、沙石路、蛇形卵石路、鐵軌路、搓板路、共振路等工況。第二類為強度沖擊路面，涵蓋搓板路全油門加速/極限制動、沙石路全油門加速/極限制動、高低附著力路面等工況。經(jīng)統(tǒng)計不同路面對懸置的損傷貢獻指數(shù)如（表1）：

經(jīng)過上表分析，極限的加速和制動工況會對后抗扭懸置造成極大的損傷破壞，因此在設(shè)計和驗證過程中需要引起高度注意。

臺架復(fù)現(xiàn)試驗場載荷工況的基礎(chǔ)是路譜采集，如下圖所示動力總成懸置可靠性試驗需要采集加速度、懸置力和傳動軸扭矩三類信號（圖2）。

試驗場工況對動力總成的載荷激勵來自于兩個部分，第一部分為振動損傷路面的振動激勵傳遞到車輪，通過車輪傳遞到懸架系統(tǒng)，懸架系統(tǒng)傳遞到車身（副車架），最后通過懸置傳遞到整個動力總成。第二部分是車輛加速或制動工況，車輪的反向作用力通過傳動軸傳遞到減速器。

紅色標記的為三相加速度傳感器，能夠采集車身坐標系的X/Y/Z向的振動加速度，本項目共布置了8個三相加速度傳感器，分為兩組，第一組1至4號傳感器布置在車輛的副車架上（沒有副車架的車型布置到動力總成懸置安裝點附件的車身上），用于采集車輛整體的運動姿態(tài)，幫助臺架復(fù)現(xiàn)車身振動對動力總成的激勵。第二組5至8號傳感器用于采集動力總成在振動和沖擊激勵下的運動姿態(tài)。

上圖中橙色標記的為三分力傳感器，采集車身坐標系的X/Y/Z方向的力信號，本試驗案例中動力總成為4點懸置，每個懸置通過工裝改制，分別布置三分力傳感器。加速度傳感器對中高頻的振動測量敏感，低頻振動沖擊三分力信號更加敏感。

上圖中綠色標記的為傳動軸扭矩傳感器，傳動軸粘貼全橋剪切應(yīng)變片，通過標定設(shè)備將應(yīng)變信號標定為扭矩信號，再通過無線遙測設(shè)備，采集車輛運行過程中傳動軸上的實時扭矩。

綜合以上信息，加速度傳感器主要采集振動路面的中高頻激勵，三分力傳感器主要采集路面振動和傳動軸傳遞的中低頻激勵，半軸扭矩傳感器主要采集地面通過車輪傳遞到動力總成的反向作用力。

3 試驗臺架搭建

動力總成可靠性驗證試驗需要6自由度振動試驗臺模擬來自路面的振動激勵和兩個扭轉(zhuǎn)作動器模擬傳動軸傳遞到動力總成的沖擊激勵。如圖3所示，副車架通過工裝和6自由度振動試驗臺固定，連接工裝的固有頻率要高于200Hz。動力總成通過4點懸置和副車架進行安裝適配。傳動軸軸頭端和扭轉(zhuǎn)作動器連接，通過工裝設(shè)計將傳動軸和動力總成鎖死，目的是約束傳動軸轉(zhuǎn)動，能夠順利將扭矩沖擊傳遞到動力總成。

本系統(tǒng)屬于多通道輸入多通道輸出的復(fù)雜系統(tǒng)，輸入通道為臺架的驅(qū)動信號，輸出信號為臺架的響應(yīng)信號，系統(tǒng)中輸入通道數(shù)為8，包含臺面運動的6個自由度和2個扭轉(zhuǎn)作動器輸入;輸出通道數(shù)為35，包含24個加速信號、9個三分力通道和2個傳動軸扭矩通道;因此系統(tǒng)傳遞函數(shù)為8x35的矩陣。

因為由臺架和試驗樣件共同組成的屬于非線性系統(tǒng)，驅(qū)動信號對系統(tǒng)進行激勵，響應(yīng)信號會經(jīng)過系統(tǒng)的過濾和衰減，因此響應(yīng)信號和驅(qū)動信號之間會產(chǎn)生極大的誤差，系統(tǒng)通過不停的計算修正來調(diào)整驅(qū)動信號，使驅(qū)動響應(yīng)和試驗場路譜逐漸逼近的過程叫做迭代，系統(tǒng)的迭代精度主要參考歸一化的有效值誤差（normalized RMS error），

公式中Xi表示第i次迭代的響應(yīng)信號，Xid代表目標信號。

每個通道的RMS誤差情況，根據(jù)經(jīng)驗動力總成系統(tǒng)X和Y方向的加速度和力信號的RMS誤差在30%以下;Z方向的加速度和力信號的RMS誤差在15%以下;左右傳動軸扭矩的誤差在10%以下;除此之外，迭代響應(yīng)信號和目標信號在線性度和功率譜密度（PSD）維度上進行對比、工況偽損傷對比，要求迭代后的路譜組合偽損傷和目標路譜偽損傷對比在80%至120%范圍之內(nèi)[3]。（圖4-圖8）

4 試驗執(zhí)行和試驗數(shù)據(jù)分析

動力總成可靠性試驗過程的數(shù)據(jù)和信息進行進行詳細的記錄，耐久試驗前后動力總成需要進行性能測試，內(nèi)容包括：外觀檢查、螺栓力矩檢查和懸置靜剛度測試。

耐久試驗進行到75%，出現(xiàn)后抗扭懸置支架斷裂的問題，經(jīng)過分析，原因主要是搓板路全油門加速和極限的制動工況，通過傳動軸傳遞到動力總成的低頻大位移沖擊，瞬間的扭矩峰值達到2000Nm，后懸置支架受到My方向的剪切扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效（圖9，圖10）。

經(jīng)過試驗結(jié)果分析，設(shè)計部門作出由3點懸置升級為4點懸置的設(shè)計變更，增加了前懸置，經(jīng)過設(shè)計模擬，在同樣的扭矩輸出工況下能夠有效限制My方向的位移。

更改設(shè)計后的4點懸置方法，經(jīng)過同樣的系統(tǒng)級可靠臺架驗證，在2倍里程的考核條件下懸置系統(tǒng)未發(fā)生結(jié)構(gòu)失效。

5 總結(jié)和結(jié)束語

本文重點研究分析了電動汽車動力總成可靠性的系統(tǒng)級臺架試驗方法，詳細分析了動力總成可靠性試驗的路譜采集、試驗臺架搭建、路譜迭代和耐久試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析。通過本驗證試驗的執(zhí)行可以在整車開發(fā)流程的系統(tǒng)級樣件階段驗證動力總成的結(jié)構(gòu)可靠性，并完成對應(yīng)階段產(chǎn)品可靠性的簽收，試驗結(jié)果與道路試驗一致。

參考文獻：

[1]王朋波 關(guān)于電動汽車懸置系統(tǒng)的幾點探討

[2]王珣、張立軍、王建 燃料電池轎車電動動力總成懸置系統(tǒng)動態(tài)特性分析[J]汽車技術(shù).2009.（2）：29-32.

[3]MST RPC Theory.