何錫進(jìn)

(上海汽車(chē)變速器有限公司，上海 201800)

0 引言

隨著汽車(chē)電氣化的不斷發(fā)展，零部件的集成化設(shè)計(jì)趨勢(shì)亦不斷推進(jìn)，三合一驅(qū)動(dòng)總成方案成為各廠家競(jìng)爭(zhēng)的熱土。相對(duì)早期電驅(qū)方案，三合一電驅(qū)系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)緊湊、體積變小，利于布置；質(zhì)量輕，低行駛能耗；三相直連，可靠又經(jīng)濟(jì)；重心下降，利于整車(chē)操控；高速傳動(dòng)，帶來(lái)較高扭矩容量和總成效率提升；可擴(kuò)展的模塊化設(shè)計(jì)，大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本效益。

1 三合一電驅(qū)系統(tǒng)概述

文中以圖1所示的三合一電驅(qū)系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要由控制器、減速器和電機(jī)三部分組成，此結(jié)構(gòu)擺脫了電機(jī)、減速器和控制器單獨(dú)設(shè)計(jì)再組裝的思路，直接將三者進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。此結(jié)構(gòu)具有高扭矩容量、可攜帶更高轉(zhuǎn)速電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于齒輪和軸承的耐久性、殼體強(qiáng)度、油封密封性都提出了更高的要求，尤其是電機(jī)控制器，需要和電機(jī)作為一個(gè)主體運(yùn)行，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，其運(yùn)行環(huán)境發(fā)生了變化，可靠性要求更為苛刻，因此對(duì)三合一電驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性驗(yàn)證具有重要意義。三合一電驅(qū)系統(tǒng)是由機(jī)械部件和電子部件組成的復(fù)雜綜合體，其可靠性取決于模塊自身的可靠性及模塊間組合方式和相互匹配，由于時(shí)間和篇幅限制，文中著重對(duì)三合一電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 三合一電驅(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 三合一電驅(qū)系統(tǒng)可靠性研究的依據(jù)

汽車(chē)產(chǎn)品可靠性是指在一定時(shí)間內(nèi)、一定條件下，無(wú)故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性。對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)，其失效約90%來(lái)源于疲勞。可靠性可定義為：如果結(jié)構(gòu)發(fā)生了不可修復(fù)性故障，其可靠性可等同于耐久性；若故障可修復(fù)，其可靠性就是產(chǎn)品大修期、報(bào)廢期或者退役期對(duì)應(yīng)的耐久性。

文中研究的三合一電驅(qū)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的心臟，其無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間是影響客戶滿意度的重要因素。機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性常采用加速壽命試驗(yàn)來(lái)替代常規(guī)試驗(yàn)，以達(dá)到短周期、低耗費(fèi)、合理預(yù)估系統(tǒng)壽命的目的。

電機(jī)、控制器和減速器作為單體部件設(shè)計(jì)時(shí)，國(guó)內(nèi)廠家考核沿用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分別是GB/T 18488.1-2015《電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng) 第1部分：技術(shù)條件》[1]、GB/T 29307-2012 《電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法》[2]和QC/T 1022-2015《純電動(dòng)乘用車(chē)用減速器總成技術(shù)條件》[3]。

3 三合一電驅(qū)系統(tǒng)對(duì)可靠性試驗(yàn)技術(shù)要求的選擇與應(yīng)用

3.1 電子/電氣元件機(jī)械負(fù)荷可靠性試驗(yàn)方法選擇

在三合一電驅(qū)總成系統(tǒng)中對(duì)電子/電氣元件機(jī)械負(fù)荷可靠性考核將使用ISO 19453-3-2018[4]標(biāo)準(zhǔn)，主要有以下幾點(diǎn)原因：

(1)是專(zhuān)門(mén)針對(duì)新能源車(chē)輛的機(jī)械負(fù)荷；

(2)對(duì)電子/電氣件布置位置有更詳細(xì)的分類(lèi)；

(3)標(biāo)準(zhǔn)中負(fù)荷要求對(duì)應(yīng)里程數(shù)也做了清晰說(shuō)明，如果里程發(fā)生變化，可依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給定方法制定適配的技術(shù)要求；

(4)相對(duì)ISO 16750，ISO 19453-3對(duì)粗糙路況的定義發(fā)生較大變化，更貼近基礎(chǔ)設(shè)施改善；

(5)保持了應(yīng)力循環(huán)為107數(shù)量級(jí)；

(6)正弦振動(dòng)考核時(shí)間要覆蓋一個(gè)溫度循環(huán)周期以上。

三合一電驅(qū)系統(tǒng)的電子/電氣部件機(jī)械負(fù)荷可靠性技術(shù)要求：

(1)隨機(jī)振動(dòng)(10～100 Hz)：最大均方根加速度21.4 m/s2，每個(gè)方向10 h；

(2)正弦隨機(jī)振動(dòng)-正弦(100～440 Hz)：最大加速度50 m/s2,考核頻率范圍10～100 Hz，每個(gè)方向33 h；

(3)正弦隨機(jī)振動(dòng)-隨機(jī)(500～2 000 Hz)：最大均方根加速度68.7 m/s2,每個(gè)方向33 h；

(4)全部振動(dòng)試驗(yàn)需要在高/低溫度循環(huán)工況下完成。

3.2 電機(jī)、減速器機(jī)械可靠性試驗(yàn)方法的應(yīng)用

3.2.1 電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法介紹與分析

借鑒汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性測(cè)試規(guī)范[5]，采用定轉(zhuǎn)速、變化轉(zhuǎn)矩的工作模式且選用3個(gè)不同電壓平臺(tái)，對(duì)新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可靠性進(jìn)行考核，同時(shí)試驗(yàn)對(duì)于不同車(chē)型的電機(jī)測(cè)試時(shí)間有所不同[6]。圖2所示的是單個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)工況，其中nN為被試電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，ns為試驗(yàn)過(guò)程中被試電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值(r/min)，當(dāng)電壓為額定電壓或者最高電壓時(shí)，ns=1.1×nN；而電壓為最低電壓時(shí)，ns=最低電壓/最高電壓×nN；Tpp為被試驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)在峰值功率的額定扭矩(N·m)，當(dāng)電壓為最高電壓時(shí),Tpp=峰值功率/ns；當(dāng)電壓為最低電壓時(shí)，Tpp=峰值功率/nN；TN為被試驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的額定扭矩(N·m)；t為時(shí)間。

圖2 電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)可靠性測(cè)試循環(huán)示意圖

試驗(yàn)加載循環(huán)過(guò)程如表1所示，總測(cè)試時(shí)間為402 h，結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)自身供電單元特性，電機(jī)及控制系統(tǒng)電壓采用浮動(dòng)電壓，先在額定電壓下運(yùn)行320 h，在最大電壓和最低電壓下各運(yùn)行40 h，最后在額定工作電壓、額定功率下運(yùn)行2 h。

表1 電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)可靠性測(cè)試循環(huán)參數(shù)表

該測(cè)試方法是國(guó)內(nèi)電機(jī)廠商的主流試驗(yàn)方法，但應(yīng)用于電驅(qū)系統(tǒng)時(shí)卻具有一定的局限性：

(1)未明確代表里程數(shù)：402 h是否能覆蓋目標(biāo)對(duì)象的里程數(shù)；

(2)未考核倒車(chē)工況；

(3)未明確運(yùn)行溫度、電機(jī)運(yùn)行溫度與極限溫度差值；

(4)缺乏性能衰減評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)定義；

(5)僅有一個(gè)固定轉(zhuǎn)速工況(約為30%峰值轉(zhuǎn)速)：借鑒了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性測(cè)試規(guī)范，但忽略了發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含多個(gè)擋位，即使發(fā)動(dòng)機(jī)維持在最大功率，也可以考核多個(gè)輸出轉(zhuǎn)速的工況。

3.2.2 三合一電驅(qū)系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)方法應(yīng)用

基于第3.2.1節(jié)中對(duì)可靠性試驗(yàn)方法的分析，該部分主要針對(duì)上述局限性展開(kāi)，制定三合一電驅(qū)總成試驗(yàn)規(guī)范。

(1)電機(jī)可靠性循環(huán)周期確認(rèn)

圖3 電驅(qū)系統(tǒng)總成累計(jì)損傷折算方法獲得載荷譜流程圖

(2)溫度在可靠性工況制定

溫度是影響產(chǎn)品可靠性的重要因素，可以使電氣元件和橡膠件加速老化、衰減、退磁、泄漏等，也可以使齒輪、軸承等零件加速膠合、點(diǎn)蝕、漏脂，因此在試驗(yàn)過(guò)程中需要依據(jù)電機(jī)的散熱能力，確保試驗(yàn)循環(huán)中零件的最高溫度點(diǎn)低于磁鋼許可溫度上限，增加循環(huán)水溫考核，使覆蓋整個(gè)可靠性循環(huán)工況。

(3)性能衰減評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)定義

性能衰減評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)定義：5%-10%。

(4)轉(zhuǎn)速

三合一電驅(qū)系統(tǒng)配備了高轉(zhuǎn)速電機(jī)，齒面相對(duì)滑動(dòng)需要減?。惠^高轉(zhuǎn)速下，動(dòng)態(tài)響應(yīng)增大，增加了齒輪箱的載荷，需要在可靠性試驗(yàn)中驗(yàn)證；軸承和油封尺寸一樣，線速度增大，發(fā)熱量增大，失效風(fēng)險(xiǎn)增大，需要在持續(xù)高速工況下考核，高轉(zhuǎn)速下，齒輪發(fā)生膠合的風(fēng)險(xiǎn)增大，需要在可靠性試驗(yàn)中驗(yàn)證。

3.2.3 衍生可靠性循環(huán)工況

基于前文折算輸出端累積損傷度、轉(zhuǎn)速占比后，借用多擋變速器輸出端損傷經(jīng)驗(yàn)，在一個(gè)小循環(huán)內(nèi)50 km以下?lián)p傷占比40%～50%，100 km以上部分損傷占比20%～25%?；谠煽啃匝h(huán)工況衍生出如圖4所示的一個(gè)適于三合一電驅(qū)系統(tǒng)的可靠性循環(huán)工況。

圖4 基于原可靠性循環(huán)工況衍生的循環(huán)工況

4 結(jié)論

(1)針對(duì)電子/電氣元件機(jī)械負(fù)荷，比較標(biāo)準(zhǔn)時(shí)效性和標(biāo)準(zhǔn)使用對(duì)象，選定了適用于三合一系統(tǒng)的考核指標(biāo)；

(2)針對(duì)電機(jī)、減速器機(jī)械可靠性試驗(yàn)，分析了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的局限性，就此展開(kāi)研究。定義了試驗(yàn)溫度要求和性能衰減評(píng)判指標(biāo)，結(jié)合項(xiàng)目應(yīng)用狀況，衍生出適應(yīng)于該項(xiàng)目的可靠性循環(huán)工況，使三合一電驅(qū)系統(tǒng)的驗(yàn)證更為合理和完善。