車用驅(qū)動電機系統(tǒng)振動測試標準分析

楊建川

(無錫威孚電驅(qū)科技有限公司,江蘇 無錫 214028)

0 引 言

道路行駛汽車受到車輪及懸架系統(tǒng)傳遞的地面激勵振動和沖擊，汽車搭載部件如發(fā)動機、變速箱、減速器、冷卻散熱系統(tǒng)、驅(qū)動電機及控制器等運轉(zhuǎn)工作時，均會產(chǎn)生混合振動和噪聲，從而影響汽車振動噪聲品質(zhì)以及可靠性，故驅(qū)動電機系統(tǒng)廠家在開發(fā)階段做電機空載及負載工況振動噪聲試驗[1]。

中國國內(nèi)廠家振動試驗主要參照沿用國家或行業(yè)標準[2-7]，如GB/T 2423.10—2008《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fc：振動(正弦)》、GB/T 2423.56—2006《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fh：寬帶隨機振動(數(shù)字控制)和導則》、GB/T 28046.3—2011《道路車輛 電氣及電子設備的環(huán)境條件和試驗 第3部分：機械負荷》、QC/T 413—2002《汽車電氣設備基本技術條件》、QC/T 1022—2015《純電動乘用車用減速器總成技術條件》等，其中驅(qū)動電機系統(tǒng)主要依據(jù)GB/T 18488.1—2015《電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng) 第1部分：技術條件》(引用了GB/T 2423—2008、GB/T 28046—2011等測試方法)。

合資或外資廠家執(zhí)行的振動試驗，還會涉及如：國際電工委員會IEC 60068-2-6-2007、IEC 60068-2-64-2008標準，以及國際標準化組織ISO 16750-3-2007、ISO 19453-3-2018等振動試驗相關國外國際標準[8-11]。本文通過上述標準對比分析，尋求振動測試標準修訂方向思路。

1 分析背景

上述國標與國際標準之間的大致關系，以及主要針對或適用測試的范圍如表1、圖1所示。

表1 振動試驗標準適用概況

圖1 振動試驗標準采用或引用關系

2 現(xiàn)行國標驅(qū)動電機系統(tǒng)測試方案

汽車行業(yè)振動試驗方案設計主要基于零部件的安裝位置及所受的載荷(道路路面或其他激勵源)，產(chǎn)生不同的振動方式(如有規(guī)律周期性的正弦振動、來自路面的隨機振動)和強度等級。

通過汽車在不同道路條件下的運行監(jiān)測，采集分析并形成其特征振動數(shù)據(jù)，如頻率/加速度曲線、頻率/功率譜密度(PSD)曲線，再按汽車或零部件預期的行駛里程/工作壽命，在振動試驗臺上以設定加速老化系數(shù)及循環(huán)工況進行振動測試，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品振動失效模式、提高汽車對振動環(huán)境的適應性。

針對電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的振動試驗測試，現(xiàn)行GB/T 18488.1—2015規(guī)定了2個獨立的試驗循環(huán)，也是目前新能源車公告準入強制要求的測試項目[12]：掃頻振動測試(根據(jù)在發(fā)動機上或其他部位安裝的驅(qū)動電機系統(tǒng)設定試驗嚴酷等級)、隨機振動測試(參照GB/T 28046.3—2011)，但存在一些準確性適用性方面的不足，有待修訂改進。

2.1 掃頻振動測試簡析

驅(qū)動電機及其控制器應能經(jīng)受X、Y、Z3個方向的正弦掃頻振動試驗，如果驅(qū)動電機系統(tǒng)不與發(fā)動機連接，則按現(xiàn)行國標GB/T 18488.1—2015規(guī)定的“其他部位”進行振動試驗，測試具體要求如表2所示。

表2 掃頻振動試驗測試條件

在掃頻范圍10～25 Hz(驅(qū)動電機系統(tǒng)主驅(qū)電機工作頻率，對應汽車由靜止過渡至起步成功階段)，掃頻速率1 oct/min時，一個掃頻循環(huán)SR(10→25→10)的倍頻程數(shù)X1、應力循環(huán)數(shù)N1、掃頻持續(xù)時間T1、8 h掃頻試驗對應總應力循環(huán)數(shù)Ntotal1計算如下[8](結(jié)果取整或用數(shù)量級表示)：

在掃頻范圍25～500 Hz(驅(qū)動電機系統(tǒng)主驅(qū)電機工作頻率，對應汽車低速至中高速行駛階段，該頻率段更貼近于傳統(tǒng)內(nèi)燃機工作頻率而不是電機工作頻率)，掃頻速率1 oct/min時，一個掃頻循環(huán)SR(25→500→25)的倍頻程數(shù)X2、應力循環(huán)數(shù)N2、掃頻持續(xù)時間T2、8 h掃頻試驗對應總應力循環(huán)數(shù)Ntotal2計算如下[8](結(jié)果取整或用數(shù)量級表示)：

82 234

IEC 60068-2-6-2007、GB/T 2423.10-2008等標準針對電工電子產(chǎn)品、推薦掃頻振動試驗的總應力循環(huán)數(shù)為107量級，需考慮根據(jù)不同車型搭載驅(qū)動電機系統(tǒng)考核需求及其工作條件進行更準確的總應力循環(huán)數(shù)設計。

2.2 隨機振動測試簡析

驅(qū)動電機及驅(qū)動電機控制器應能經(jīng)受X、Y、Z3個方向的隨機振動試驗，根據(jù)不同安裝部位，現(xiàn)行國標參照GB/T 28046.3—2011嚴酷度及持續(xù)時間進行試驗，部分安裝部位的測試要求如表3所示。

表3 隨機振動試驗測試條件

上述隨機振動試驗條件對不同種類車型及安裝位置進行了合理區(qū)分配置，適用于傳統(tǒng)發(fā)動機汽車零部件的隨機振動測試。針對電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的振動特性是否適合，仍需進行評估分析。

3 ISO振動試驗標準對比參考

驅(qū)動電機系統(tǒng)振動試驗可以參考的ISO 16750-3-2007(GB/T 28046.3—2011采用)及ISO 19453-3-2018，相關試驗設計主要指標對比如表4所示。

表4 標準對比

ISO 19453-3-2018標準的壞路占比下降，更接近于各國道路條件的改善趨勢；振動試驗疊加溫度循環(huán)[13]，可更準確模擬驅(qū)動電機系統(tǒng)實際使用環(huán)境應力條件，但需考慮搭載于不同車型時的布置狀態(tài)對應的溫度循環(huán)差異；X、Y、Z3個振動方向，Z方向承受最嚴苛的振動條件；振動試驗循環(huán)的老化等效里程，需要結(jié)合乘用車或商用車的具體應用需求進行設定換算。

除安裝于彈性體車身的零部件外，ISO 19453-3-2018針對與電動汽車直接安裝連接電機的隨機振動試驗PSD中，X及Z方向10～40 Hz的PSD值為55～28(m/s2)2/Hz、X方向120～1 000 Hz的PSD為0.02(m/s2)2/Hz、Z方向120～1 000 Hz的PSD為0.06 (m/s2)2/Hz、Y方向為更標準的“Z”字型隨機振動PSD，如圖2所示[11]。

圖2 ISO 19453-3-2018 III型隨機振動試驗PSD與頻率

由圖2可知，基于分體式的中央電機在車身安裝連接的隨機振動加速試驗條件，未考慮多合一電驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品帶有的更多運轉(zhuǎn)部件(變速箱、減速器及電控等)的振動特性。

4 驅(qū)動電機系統(tǒng)隨機振動試驗改進

以ISO 16750-3-2007(GB/T 28046.3—2011)中乘用車變速器安裝位置為例，“V”字型隨機振動PSD中100～500 Hz下沉區(qū)間將用于單獨的正弦振動試驗，主要根據(jù)傳統(tǒng)內(nèi)燃機的氣缸和活塞運動頻率規(guī)律，而<100 Hz、>500 Hz這2個區(qū)間平直的PSD是基于等損傷原則的簡化等效處理(隨機激勵載荷來自于變速箱及減速器)，如圖3所示[10]。

圖3 ISO 16750-3-2007 II型隨機振動試驗PSD與頻率

以ISO 16750-3-2007(GB/T 28046.3—2011)中乘用車非彈性體(車輪、車輪懸掛)安裝位置為例(類似于輪轂電機形式驅(qū)動電機系統(tǒng)應用條件)，隨機振動PSD中，20～40 Hz的PSD為200(m/s2)2/Hz、300～800 Hz的PSD為0.5 (m/s2)2/Hz、1 000～2 000 Hz的PSD為3 (m/s2)2/Hz，接近于“Z”字型隨機振動PSD(20～40 Hz PSD較大，主要考慮路面上低頻的較大道路沖擊)，如圖4所示[10]。

圖4 ISO 16750-3-2007 V型隨機振動試驗PSD與頻率

某乘用車搭載的直驅(qū)輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)(不含變速箱及減速器等傳動系統(tǒng)部件)，不考慮路面道路沖擊較大的條件下，以合理的預設速度分別通過均勻波浪路、比利時路、搓板路等標準場地測試路面，實測輪端Z方向隨機振動PSD(取原始測試數(shù)據(jù)各頻率下對應的峰值包絡線)，約10 Hz出現(xiàn)最大振動加速度，如圖5所示。

圖5 輪轂電機車型的輪端Z方向?qū)崪y隨機振動峰值

圖5中，在特定急加/減速工況會測得最大約3倍的PSD峰值，但隨機振動嚴重區(qū)域仍主要集中在低頻段(100 Hz以下)；在沒有變速箱及減速器等傳動部件情況下，中高頻段(200 Hz或300 Hz以上)隨機振動PSD數(shù)量級非常小。

為了縮短試驗時間、實際振動試驗循環(huán)中可人為設定更大的振動量級(需保持頻率特性譜型趨勢)，達到耐振動加速驗證效果，但關鍵是需要根據(jù)驅(qū)動電機系統(tǒng)零部件的材料組成，確定振動試驗時間與振動量級的等效計算關系加速因子，才能基于線性疲勞累計損傷Palmgren-Miner假設，將被測驅(qū)動電機系統(tǒng)的隨機振動試驗總應力循環(huán)數(shù)也控制在107數(shù)量級，以兼顧測試經(jīng)濟性及車輛等效里程換算的準確性。

因此,針對不同驅(qū)動電機系統(tǒng)，如分體式、二合一、多合一等不同質(zhì)量及構型方案，需結(jié)合搭載乘用車或商用車不同使用工況條件，進行差異化隨機振動國標試驗型譜設計，避免漏掉驅(qū)動電機系統(tǒng)內(nèi)部的部分振動載荷(如減速器等)，或者采用了統(tǒng)一的但不合理的試驗循環(huán)方案設置。可參考ISO 16750-2007及ISO 19453-3-2018等系列標準中汽車電氣和氣子部件產(chǎn)品的石體沖擊試驗、振動試驗、機械沖擊和持續(xù)機械沖擊試驗分類方式[14]，區(qū)分道路沖擊試驗與隨機振動試驗對驅(qū)動電機系統(tǒng)的不同考核目標。

5 結(jié) 語

(1) 現(xiàn)行驅(qū)動電機系統(tǒng)振動測試國標或ISO標準，需要基于電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)搭載條件及道路條件變化而修訂。

(2) 正弦掃頻振動試驗主要分析驅(qū)動電機系統(tǒng)的共振點及穩(wěn)定性，現(xiàn)行標準需要關注電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)工作頻率范圍，并重新設計選取系統(tǒng)考核的合理總應力循環(huán)數(shù)量級。

(3) 隨機振動試驗主要關注各種道路路面、通過車輪及懸架等部件對驅(qū)動電機系統(tǒng)的傳遞振動，故需采集不同電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)典型振動路譜，重新進行隨機振動試驗型譜提煉，不能簡單直接地參考采用ISO 16750-3-2007或ISO 19453-3-2018的隨機振動試驗條件及方法。

(4) 道路沖擊試驗可與隨機振動試驗分開制定試驗標準，以確保此類低頻的惡劣道路條件也能得到考核，特別是針對輪轂電機系統(tǒng)應用場景。