新能源电驱系统标准解读与拓展:扭矩冲击耐久试验

2019-09-19 23:20:39·  来源:臭皮匠试验室  
 
导语扭矩冲击耐久试验,通常也被称为交变试验或花键冲击试验,反映了整车在生命周期内的的动态负荷耐久,是三合一电驱系统寿命试验中必不可少的一个环节。通过本
导语

扭矩冲击耐久试验,通常也被称为"交变试验"或"花键冲击试验",反映了整车在生命周期内的的动态负荷耐久,是三合一电驱系统寿命试验中必不可少的一个环节。通过本文阅读,以下问题可以初步了解:什么是扭矩冲击耐久?是对谁的考核(失效形式)? 为什么要进行扭矩冲击耐久? 如何"定制化"设计此试验?
 
01 什么是扭矩冲击耐久试验?是对谁的考核?
 
扭矩冲击耐久试验,通常也称”交变试验“或”花键冲击试验“(#这个称呼较为片面,从失效形式角度可以理解#),其反映的是正负交变扭矩作用下,花键、转子、定子上机械部件的疲劳强度问题,常见的失效形式有如下几种:

▪ 电机-减速器配合花键的形变或磨损

▪ 转子硅钢片与转子轴的配合失效

▪ 定子与壳体的配合失效

▪ 转子系统紧固件的失效,如螺栓、挠性板

▪ 严重可能造成壳体开裂、悬置或其紧固件的破坏、驱动半轴的破坏
 
02 为什么要进行扭矩冲击耐久试验?
 
之前写过关于《传动系统疲劳寿命试验》的文章,但这里的“疲劳寿命试验“特指稳态负荷耐久试验,是在若干个特定扭矩和转速组合下的负荷测试, 如GB/T29307和QC/T1022所提到的可靠性试验,一般是为了在项目早期为了尽快验证传动系统零部件寿命情况所设计的。
 
BUT,全生命周期内,整车真实的驾驶工况并非是稳态的,是由非常复杂的动态载荷所组成,如启动/停车、加速/刹车、TIP IN/TIP OUT、能量回收的扭矩交变等。为了充分考虑上述特定工况中出现的扭矩交变,那么与其强关联的台架动态负荷耐久试验是系统验证不可或缺的一部分。
 
动态负荷耐久由两"兄弟"组成:低负荷的急加急减速耐久试验(#后续会解读#)、稳速下的扭矩冲击耐久试验。
 
03 如何设计扭矩冲击耐久试验?
 
电驱系统的试验设计或标准定义,一句话概括"源于整车,用于整车"。 整车厂,想要把"扭矩冲击耐久"牢牢握在手中, 如同如来通过"五指山"镇压了孙猴子,"五个手指"缺一不可:转速n、扭矩T、时间t、循环次数N、试验温度T_coolant。

一张图表示扭矩冲击耐久加载曲线:

其中,扭矩T一般定义为峰值扭矩;

其中,转速n一般定义为拐点前转速,建议根据扭矩交变节点处的平均转速进行定义;

其中,t_1需要结合驱动电机、台架电机加载能力进行定义;t_2一般定义<1s;t_3的定义是关键,需要按系统的平均功率进行等效计算,这是要特别注意的地方!

其中,循环次数N常规定义为300000次;

其中,冷却水温按最大极限温度定义,一般为65℃。

试验前后要对如下性能参数进行测试和分析:

→反电动势:10%的最高转速下,<5%的BEMF偏差

→旋变位置:10%的最高转速下,<5°的电角度偏差

→T-n特性:在拐点转速和最高转速下,<5%的扭矩偏差

→振动:加载到最高转速过程中没有明显的振幅产生。

性能测试后,进行拆解分析:重点关注 01 中提及的考核对象及其失效形式。

"知其然,知其所以然",上述参数为什么这样定义?是否合理?整车参数和应用环境对n/T/t/N的定义有何影响?请看04 展望。

04 展望:扭矩冲击耐久的"定制化“设计
 
为了回答03部分遗留的问题,透过表象,去挖掘事物的本质,回归物理和数学模型中。
 
文章标题中“扭矩冲击耐久”是思量很久后才确定下来的,由三个短词组成:"扭矩"、"冲击"、"耐久",分别代表了"力"、"碰撞"和"时间上的积累",此三者相互作用才有了这座让人爱恨交加的"小山"。
 
根据上述表述,此时脑海中有没有浮现中学物理课本中小球碰撞的画面?
 

谈到冲击和碰撞,不得不提两个理论: 动量定理 和 动能定理 。

▪ ① 动量定理,反映了力对时间的累积效应(冲量),其增量是力在时间上的积累,表达式如下:
 

 
▪ ② 动能定理,反映了力对空间的累积效应(功),其增量是力在空间上的积累,表达式如下:
 

 
同时,根据上述介绍,扭矩冲击耐久考核的失效形式源自于电驱系统的旋转部件,自然引入两个常规公式③④:
 

 

 
特别注意的是: 整车惯量与工作台架惯量差别很大,怎么办..怎么办..怎么办..,两种方式:
 
I.台架加额外惯量

II.利用系统自有惯量(优选),改变测试参数,等效冲击能量,此处引入一个公式⑤:
 

 
→ 结合式①,我们根据整车瞬态交变,获得瞬时冲击力,进而可以计算获得所需的冲击扭矩T;
 
→ 结合式②,我们根据整车的单次冲击能量,可以获得总的冲击能量累积,进而根据平均车速,可以计算获得循环次数N;

→ 根据扭矩交变节点处的平均转速,可以获得加载转速n;

→ 根据平均功率等效原则,可以获得单个循环时间t。

到此,整个计算链条与整车的应用参数完成关联,形成完整闭环,实现了扭矩冲击耐久的"定制化"设计。

写在最后:

就已接触的项目来看,国内主机厂对”扭矩冲击耐久“的测试要求还未普及,常用标准中也未有涉及,但其作为寿命考核中的关键项目,是纯电动车在耐久测试中的重要考核项,建议大家重视起来,毕竟谁也不希望开了几年以后,一脚油门下去,直接挂了,关于这一点国外整车厂较之做的很不错。

关于展望中提到的”定制化“的扭矩冲击耐久试验是很有必要的,目的是既满足整车实际寿命里程和路谱要求,同时尽量做到不过设计。后续也会对其"兄弟"——低负荷急加急减速耐久试验做解读,期待你的关注。
 
 
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