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中央集成式电动车桥耐久试验方法分析
2020-03-15 23:07:27· 来源：EDC电驱未来 作者：罗瑞雪
目前，在部分种类的汽车上，电动车桥已替代了传统车桥并得到了较好的运用。因此，越来越多的整车厂以及驱动桥生产厂都在着手大力研发与生产电动车桥。1 电动车桥
目前，在部分种类的汽车上，电动车桥已替代了传统车桥并得到了较好的运用。因此，越来越多的整车厂以及驱动桥生产厂都在着手大力研发与生产电动车桥。
1 电动车桥的分类
汽车驱动桥位于传动系统的末端，其基本功能是增大由传动轴或者直接由变速器传来的转矩，将转矩分配给左、右驱动车轮，并使左、右驱动车轮具有汽车行驶运动学所要求的差速功能[2]。电动车桥应具有高集成、高转速、高效率、高密度、低噪声等优点。目前常见的电动车桥可根据其动力的输入方式分为3种：垂直输入式、中央集成式和轮边或轮毂驱动式。
1.1 垂直输入式电动车桥
垂直输入式电动车桥是在传统车桥动力总成的基础上将输入端的发动机或者是发动机以及变速器替换成驱动电机，其动力总成结构如图1所示。这类电驱动桥的结构与传统驱动桥相比并没有发生变化，只是动力总成的构成上有差异。因此，垂直输入式电动车桥技术目前已处于十分成熟的阶段，很大程度上节省了开发及制造成本，广泛应用于大部分电动商用车。但这一结构集成化低，所占空间大，能量损失大，导致整体传递效率低。
图1 垂直输入式电动车桥动力总成
1.2 中央集成式电动车桥
中央集成式电动车桥是将电机、减速器以及驱动桥(或电机以及驱动桥)集成为一体，输入输出轴平行或者同轴，通常为两级或两级以上减速，其动力总成结构如图2所示。这类电动车桥的主减速器结构较新颖，总成集成度较高，这种高度集成的方式减少了传递所需的零部件，缩短了动力的传递路径，减小了能量损失，增大了系统的传递效率，并在很大程度上节约了空间，有利于实现驱动桥的集成化、轻量化[3]。目前这种结构的电动车桥大部分用于电动物流车、摆渡车、电动乘用车上。此类电动车桥由于主减速器甚至整体车桥总成结构改变，导致开发成本提高，生产制造难度增大。
图2 中央集成式电动车桥动力总成
1.3 轮边或轮毂驱动式电动车桥
轮边或轮毂驱动式电动车桥动力总成的电机装在轮边或轮毂里，直接驱动车轮，可实现矢量控制，其动力总成的结构如图3所示，目前用于小部分商用车及某些特定功能的车辆上。这种方式便于实现电子差速与转矩的协调控制，减少了差速器、离合器、变速器等传动环节，减轻整车质量，简化车辆结构，高度集成的结构使得能量利用率提高，因此传递效率高。但由于是多个电机在同时控制，因此在电机的协调控制方面是一个很大的难点，会大大增加开发难度与成本，并加大制造难度。
图3 轮边驱动式电动车桥总成
2 中央集成式电动车桥试验现状
随着电动汽车的飞速发展，越来越多的电动车桥需要进行试验验证。针对中央集成式电动车桥，在试验检测上较传统车桥以及其他结构的电动车桥来说存在更大的难度，主要有以下原因：
(1)中央集成式电动车桥的结构与传统车桥有差异，输入端与输出端由垂直的结构变成了平行或者同轴，且主减速器为两级或以上减速，速比较大，输入转速较传统车桥高，导致传统的驱动桥检测无论在试验方法还是评价指标上都无法满足其检测要求[4]；
(2)目前汽车行业内还未有针对中央集成式电动车桥进行试验检测的指导性文件[5]；
(3)中央集成式电动车桥为一种新开发的车桥，具有新的结构。目前所进行过的试验项目和次数都很少，没有累积足够的试验经验。
目前大多数企业对中央集成式电动车桥进行耐久试验所依据的试验标准是QC/T 533-1999《汽车驱动桥台架试验方法》[6]、QC/T 534-1999《汽车驱动桥台架试验评价指标》[7]以及QC/T 1022-2015《纯电动乘用车用减速器总成技术条件》[8]，但这些标准都无法完全应用到中央集成式电动车桥上。QC/T 533-1999《汽车驱动桥台架试验方法》、QC/T 534-1999《汽车驱动桥台架试验评价指标》是目前驱动桥试验检测领域最常用的标准，但由于其发布年份较久远，当时的理论与技术完全无法适应现阶段各结构类型的驱动车桥发展形势，且中央集成式电动车桥与传统驱动桥在结构上有着很大的不同；QC/T 1022-2015《纯电动乘用车用减速器总成技术条件》中关于耐久的试验方法在某些程度上比较贴近中央集成式电动车桥，但电减速器和中央集成式电动车桥在外形和结构上依然有很大差距，因此其评判指标与台架形式同样不适用于电动车桥。
因此，需专门研究中央集成式电动车桥耐久试验的台架结构以及试验方法，需制定出科学有效的试验方法与评价体系。
3 中央集成式电动车桥试验台架结构以及试验方法
根据中央集成式电动车桥目前的结构以及试验需求来分类，其耐久台架试验可以分为动力总成型中央集成式电动车桥耐久试验以及单中央集成式电动车桥耐久试验。
3.1 动力总成型中央集成式电动车桥耐久试验
动力总成型中央集成式电动车桥耐久试验是将电动车桥与所匹配的电机安装在一起构成一个动力总成，将这个动力总成安装在试验台架上，其台架结构形式参考图4，电动车桥的输出端与加载系统(应含转矩、转速传感器)进行连接，并配置动力总成所需的控制器、控制系统、电源模拟器、冷却系统等。按照给定的试验工况开机试验，并进行试验数据的测量和采集；试验结束后整理采集的数据并拆解样品以确定试验后样品状态。
选用该结构形式的试验台架对中央集成式电动车桥进行耐久测试时，首先要确定试验工况。目前为止应用较广泛的道路工况主要包括：欧洲行驶工况NEDC、美国行驶工况USDC、日本行驶工况JDC以及中国城市公交工况。
因所测试的样件为动力总成，因此在确定试验工况时要同时结合电机和电动车桥的设计扭矩与转速。工况的设计可参考GB/T 29307-2012《电动汽车用驱动电机系统可靠性试验方法》[9]中给定的工况进行，其循环示意可参考图5。
图4 动力总成型中央集成式电动车桥耐久试验台架参考
图5 动力总成型中央集成式电动车桥耐久试验循环参考
试验中，根据总成的具体设计参数以及试验需求确定每个阶段的试验时间及总循环数，可参考表1、表2。
表1 动力总成型中央集成式电动车桥试验循环参考扭矩
其中：TN为持续转矩， N·m；Tpp为峰值转矩，N·m。
表2 动力总成型中央集成式电动车桥试验参考转速
其中：nN为额定转速，r/min；nM为最高转速，r/min。
该结构形式的电动车桥耐久试验能够有效地考核电机的寿命，测试电机与电动车桥的协调性，监测总成性能的衰减以及整个系统的功率损失等，其检测结果对动力总成整体性能的提升与改进起着重要的作用。但对于驱动电机，其在峰值扭矩的工况下工作时持续的时间较短，通常只有数分钟。因此，在进行动力总成型中央集成式电动车桥耐久试验时，电动车桥也不能长时间在峰值扭矩下持续进行耐久考核，该试验台架形式对电动车桥齿轮、差速器等其他零部件强度的考核是不够的。因此该台架形式的电动车桥耐久试验在进行高速工况考核的同时无法进行高扭工况的考核。
3.2 单中央集成式电动车桥耐久试验
单中央集成式电动车桥耐久试验是单独将电动车桥通过合适的工装要求安装在试验台架上，并与驱动系统、加载系统、扭矩转速传感器、油温传感器等进行连接，其台架结构形式参考图6。按照预定的试验工况进行开机，待试验相关参数逐一达到要求值时，开始进行试验数据的测量和采集。试验结束后整理采集的数据并拆解样品以确定试验后样品状态。
图6 单中央集成式电动车桥耐久试验台架参考
选用该形式的试验台架对中央集成式电动车桥进行耐久测试时，由于输入端与输出端平行，两轴之间的距离较近，通常在150～300 mm之间，且由于桥壳的板簧或是连杆连接处需用支架进行支撑，导致电动车桥与台架的驱动电机直接相连，会造成电动车桥方向的过定位，而无法正常进行试验。且在电动车桥与驱动电机直连的情况下，电动车桥桥壳的刚性很容易与驱动电机发生干涉，此时对驱动电机的尺寸要求较高，不易找到尺寸、扭矩等参数合适的驱动电机。因此进行电动车桥耐久试验在布置台架时会产生驱动电机与加载电机之间的干涉，极大地增加了台架的安装难度。为顺利完成台架的搭建，在规划试验台架时需要合理地选择及布置转接箱、中间支承、万向传动轴等部件，将有效避免台架可能产生的干涉，保证试验的正常进行。
中央集成式电动车桥通常为两级减速，速比较传统驱动桥偏大，因此在以相同的车速行驶时，其输入转速会远远高于传统驱动桥。因此在QC/T 534-1999《汽车驱动桥台架试验评价指标》中，中值疲劳寿命大于50万次、最低寿命不小于30万次的寿命评价指标完全不适用于中央集成式电动车桥。对于中央集成式电动车桥，按其实际运行工况，检测条件可分为正转正驱、反转正驱与正转反驱3个工况，并通过车桥10×104km的保修寿命与车桥所匹配的轮胎滚动半径来计算试验循环的总次数，可得参考试验检测工况,如表3所示。
表3 单中央集成式电动车桥试验参考工况(不含磨合)
该形式的电动车桥耐久试验因输入扭矩为电机的峰值扭矩，加大了电动车桥的齿轮以及各种零部件考核强度，能够有效地找出所测试样件中最薄弱的部位，以便更好地对电动车桥进行改进。但在台架的搭建中为了避免桥与驱动电机之间的干涉，在输入端选用了万向传动轴进行连接，这种连接方式不能承受过高的转速。因此，在用该种形式的台架进行中央集成式电动车桥检测时，建议把输入端转速控制在5 000 r/min以下，以保证试验能顺利进行。因此该台架形式的电动车桥耐久试验在进行高扭矩工况考核的同时无法进行高速工况的考核。
4 结束语
在对中央集成式电动车桥进行耐久试验时，应该结合考核的目的及部位选择最合适的试验方案。若重点在于实车工况时电机与电动车桥之间的协调能力，需用高转速进行试验时，可选用动力总成电动车桥形式进行耐久试验；若重点在考核电动车桥齿轮及重要零部件，需用大扭矩进行试验时，可选用单中央集成式电动车桥进行耐久试验。也可根据试验方案，适当地结合2种试验方式，完成电动车桥高扭高速工况的考核，以达到验证的目的。
参考文献:
[1]王志远.电动车桥发展前景分析[J].现代零部件,2013(9):66-68.
[2]刘惟信.汽车车桥设计[M].北京:清华大学出版社,2004.
[3]高尉,刘高朋.电动汽车同轴式电驱动桥力学特性分析[J].汽车工业研究,2018(8):20-24.
[4]俞传阳.纯电动汽车电动驱动桥设计与试验[D].合肥:安徽农业大学,2014.
[5]杨晓慧,雷金平.电动汽车驱动桥设计及疲劳寿命分析[J].纳税,2017(29):156-159.
[6]全国汽车标准化技术委员会.汽车驱动桥台架试验方法:QC/T 533-1999[S].
[7]全国汽车标准化技术委员会.汽车驱动桥台架试验评价指标:QC/T 534-1999[S].
[8]全国汽车标准化技术委员会.电动汽车用驱动系统可靠性试验方法:GB/T 29307-2012[S].北京:中国标准出版社,2013.
[9]全国汽车标准化技术委员会.纯电动乘用车用减速器总成技术条件:QC/T 533-1999[S].北京:中国计划出版社,2016.
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