車用驅動電機系統振動測試標準分析

楊建川

(無錫威孚電驅科技有限公司,江蘇 無錫 214028)

0 引 言

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

中國國內廠家振動試驗主要參照沿用國家或行業標準[2-7]，如GB/T 2423.10—2008《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fc：振動(正弦)》、GB/T 2423.56—2006《電工電子產品環境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Fh：寬帶隨機振動(數字控制)和導則》、GB/T 28046.3—2011《道路車輛 電氣及電子設備的環境條件和試驗 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，其中驅動電機系統主要依據GB/T 18488.1—2015《電動汽車用驅動電機系統 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 現行國標驅動電機系統測試方案

汽車行業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)，產生不同的振動方式(如有規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測，采集分析并形成其特征振動數據，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及循環工況進行振動測試，可以發現產品振動失效模式、提高汽車對振動環境的適應性。

針對電動汽車用驅動電機系統的振動試驗測試，現行GB/T 18488.1—2015規定了2個獨立的試驗循環，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(根據在發動機上或其他部位安裝的驅動電機系統設定試驗嚴酷等級)、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

驅動電機及其控制器應能經受X、Y、Z3個方向的正弦掃頻振動試驗，如果驅動電機系統不與發動機連接，則按現行國標GB/T 18488.1—2015規定的“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(驅動電機系統主驅電機工作頻率，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SR(10→25→10)的倍頻程數X1、應力循環數N1、掃頻持續時間T1、8 h掃頻試驗對應總應力循環數Ntotal1計算如下[8](結果取整或用數量級表示)：

在掃頻范圍25～500 Hz(驅動電機系統主驅電機工作頻率，對應汽車低速至中高速行駛階段，該頻率段更貼近于傳統內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SR(25→500→25)的倍頻程數X2、應力循環數N2、掃頻持續時間T2、8 h掃頻試驗對應總應力循環數Ntotal2計算如下[8](結果取整或用數量級表示)：

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IEC 60068-2-6-2007、GB/T 2423.10-2008等標準針對電工電子產品、推薦掃頻振動試驗的總應力循環數為107量級，需考慮根據不同車型搭載驅動電機系統考核需求及其工作條件進行更準確的總應力循環數設計。

2.2 隨機振動測試簡析

驅動電機及驅動電機控制器應能經受X、Y、Z3個方向的隨機振動試驗，根據不同安裝部位，現行國標參照GB/T 28046.3—2011嚴酷度及持續時間進行試驗，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分配置，適用于傳統發動機汽車零部件的隨機振動測試。針對電動汽車用驅動電機系統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

驅動電機系統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[13]，可更準確模擬驅動電機系統實際使用環境應力條件，但需考慮搭載于不同車型時的布置狀態對應的溫度循環差異；X、Y、Z3個振動方向，Z方向承受最嚴苛的振動條件；振動試驗循環的老化等效里程，需要結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，未考慮多合一電驅動系統產品帶有的更多運轉部件(變速箱、減速器及電控等)的振動特性。

4 驅動電機系統隨機振動試驗改進

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下沉區間將用于單獨的正弦振動試驗，主要根據傳統內燃機的氣缸和活塞運動頻率規律，而<100 Hz、>500 Hz這2個區間平直的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動電機系統應用條件)，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輪轂電機驅動系統(不含變速箱及減速器等傳動系統部件)，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(取原始測試數據各頻率下對應的峰值包絡線)，約10 Hz出現最大振動加速度，如圖5所示。

圖5 輪轂電機車型的輪端Z方向實測隨機振動峰值

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數量級非常小。

為了縮短試驗時間、實際振動試驗循環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，但關鍵是需要根據驅動電機系統零部件的材料組成，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，將被測驅動電機系統的隨機振動試驗總應力循環數也控制在107數量級，以兼顧測試經濟性及車輛等效里程換算的準確性。

因此,針對不同驅動電機系統，如分體式、二合一、多合一等不同質量及構型方案，需結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，避免漏掉驅動電機系統內部的部分振動載荷(如減速器等)，或者采用了統一的但不合理的試驗循環方案設置。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品的石體沖擊試驗、振動試驗、機械沖擊和持續機械沖擊試驗分類方式[14]，區分道路沖擊試驗與隨機振動試驗對驅動電機系統的不同考核目標。

5 結 語

(1) 現行驅動電機系統振動測試國標或ISO標準，需要基于電動汽車用驅動電機系統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動電機系統的共振點及穩定性，現行標準需要關注電動汽車用驅動電機系統工作頻率范圍，并重新設計選取系統考核的合理總應力循環數量級。

(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動電機系統的傳遞振動，故需采集不同電動汽車用驅動電機系統典型振動路譜，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應用場景。