電驅動總成耐久試驗早期故障診斷

丁 旭，范振陽

電驅動總成耐久試驗早期故障診斷

丁 旭，范振陽

（中汽研汽車檢驗中心（寧波）有限公司，浙江 寧波 315336）

為研究新能源汽車用電驅動總成早期故障，利用早期故障分析設備對新能源汽車用電驅動總成進行耐久試驗的振動監測。理論分析與實際監測的結果表明，早期故障分析設備準確預測了故障部位損壞的趨勢。準確診斷出電驅動總成早期故障可以及時終止試驗，避免樣品及臺架的過渡損壞，同時，可以快速定位故障部位，縮短產品開發周期。

電驅動總成；耐久試驗；早期故障

為提高新能源汽車用電驅動系統的功率密度，驅動電機的轉速越來越高，多數轉速均達到了16 000 r/min及以上，對生產工藝要求越來越高，電機在實車運行的穩定性和故障率也倍受關注[1]。減速器作為動力系統的重要一環，影響著整車的舒適性、動力性和經濟性，新能源汽車一般為單檔減速器，較傳統車用的變速器簡單，但國產減速器的整體性能與可靠性仍與國外產品有一定差距[2]。

新能源汽車用的電驅動總成，即電機、電控和減速器三合一產品為近幾年的新型結構，其可靠性有待進一步驗證。新能源汽車的開發周期短，電驅動總成的開發周期也被大大壓縮，利用早期故障分析設備提前監測出故障的趨勢和位置，可快速定位故障位置，提前更換新方案，節約產品開發周期[3]。

本文利用德國的delta-ANALYSER，監控電驅動總成在整個耐久試驗過程中的工作狀態，包括振動加速度、轉速、扭矩和油溫。研究設備監測的故障變化與理論分析結果是否一致，能為產品的研發提供可靠的依據。

1 理論分析

利用振動傳感器測得的振動信號，通過信號轉換，可將時域譜轉換成基于轉速同步化的階次譜，便于故障分析；利用齒輪與軸承的故障類型具有典型的故障特征，能夠分析出故障位置；利用實時的振動幅值變化與限值的比較，設置報警或停機的策略，避免樣品的過渡損壞[4]。

1.1 信號轉換

振動傳感器采集到的原始信號為隨時間變化的振動加速度值，通過傅里葉變換，時域信號可轉換為頻率信號，即不同頻率對應的振動加速度值。為避免轉速波動影響以及信號失真，將等時間間隔采集換成等角度采集，每周采樣點固定，頻域分析的圖譜可轉換為基于階次分析的圖譜，基于轉速同步化的階次分析便于趨勢分析與故障定位。圖1為信號轉換示意圖。

1.2 齒輪嚙合典型故障

齒輪嚙合振動會導致軸的扭曲及彎曲振動，彎曲振動將通過軸承等機械部件傳遞到總成的外殼表面。

齒輪嚙合的典型故障有齒輪裂紋、斷裂和點蝕。基頻定在輸出軸，則輸出軸的階次為1，假定圖2中的f1為輸出軸，則f1為1，1齒輪的階次為f1*1，齒輪嚙合頻率：z=f1*1=f2*2，一般故障特性為f、2f、3f遞增規律的主頻，同時伴有明顯的間隔為f的邊頻。其中，1、2為齒輪齒數，f為軸旋轉頻率。圖2為齒輪嚙合示意圖，圖3為齒輪嚙合故障示意圖。如邊頻f為f1，則為1齒輪出現了故障；如邊頻f為f2，則為2齒輪出了故障。

圖2 齒輪嚙合示意圖

圖3 齒輪嚙合故障示意圖

1.3 趨勢線形成原理

監控的原理是利用某階次信號與較早時間比較，用于識別故障的發展。監控分兩個階段：學習階段和監控階段，監控階段與學習階段是無縫銜接的。軟件通過次分析的信號，通過計算公差后，轉入監控階段。在監控階段每采集次分析計算一次平均值，平均值譜線將與在學習階段形成的公差進行對比，出現的偏差將生成變化譜。通過對變化譜的疊加求和形成一個點的趨勢指數，通過多個變化譜線可以形成按時間軸變化的趨勢指數曲線。當趨勢指數達到了設定的報警或停機值時，臺架會發生聲光報警或停機，進而保護樣件的過渡損壞，為確認故障點留下證據[5-6]。圖4為振動趨勢變化示意圖。

圖4 振動趨勢變化示意圖

2 電驅動總成耐久測試

新能源汽車電驅動系統大多采用的是集成化的形式，即電機、電控及減速器三合一系統，這種新形式需要經過大量耐久試驗驗證產品的可靠性。

本實驗選取一臺三合一電驅動總成，安裝在雙測功機臺架上，通過特殊設計的工裝將電驅動總成固定在橫梁上，由電池模擬器給控制器供直流高壓，穩壓電源給控制器供12 V低壓，水冷系統給電機和控制器提供試驗所需的溫度和流量，環境倉給電驅動總成提供試驗所需的環境溫度。

在減速器外殼與電機外殼適當位置分別安裝一個振動傳感器，保證傳感器振動方向與軸垂直，如圖5和圖6所示。

圖5 減速器外殼振動傳感器安裝位置

圖6 電機外殼振動傳感器安裝位置

早期故障分析設備中自帶了一個階次計算軟件（ROC），利用軟件中自帶的模塊，搭建模型后，輸入減速器齒輪齒數及軸承參數等信息，即可計算出所有接觸部件對應的階次。圖7為電驅動總成機械模型圖。表1為電驅動總成部件階次計算結果，包括齒輪嚙合和相關軸運轉的主頻和高次諧波。

圖7 電驅動總成機械模型圖

表1 電驅動總成部件階次計算結果 單位：階

部件主頻2次諧波3次諧波4次諧波5次諧波6次諧波 轉子軸11.022.033.044.055.066.0 轉子67.0134.0201.0268.0335402 輸出軸123456 TW1與TW2齒輪3026049061 2081 5101 812 TW2軸?3.3?6.6?9.9?13.2?16.519.8 TW1軸11.022.033.044.055.066.0 TW3與TW4齒輪83166249332415498 TW4軸123456 TW3軸?3.3?6.6?9.9?13.2?16.519.8

3 故障分析

本次試驗用電驅動總成在耐久試驗進行10天左右，振動幅值出現了緩慢增大趨勢，隨后，在試驗進行至近兩個月的時候，觸發了停機限值，試驗結束后，對振動趨勢圖、階次偏差圖及瀑布圖進行了分析。

3.1 故障振動趨勢分析

圖8為某工況下電驅動總成的振動趨勢圖。圖8中可以看出，在3 000個分析之前，振動幅值很小，幾乎沒有。3 000個分析之后，振動幅值開始緩慢上升，整體呈指數型上升趨勢，直至38 000個分析時，觸發報警停機。

3.2 階次偏差分析

圖9為上述工況對應電驅動總成的階次偏差圖。從圖9可看出，在200和600左右的階次，振幅較大。輸入軸（轉子軸）的3次諧波和9次諧波分別是201和604，較為接近。

圖8 某工況振動趨勢圖

圖9 某工況階次偏差圖

3.3 瀑布圖分析

圖10為上述工況對應電驅動總成的瀑布圖。圖10中可以看出，隨著耐久試驗的進行，200左右階次的振幅逐漸增大，最終觸發了報警停機限值。

3.4 故障分析

圖8－圖10的分析基本還原了電驅動總成在耐久試驗過程中，某部件故障由小到大逐漸演變的過程。通過階次分析，振幅大的階次與輸入軸（轉子軸）階次匹配，且邊頻也與轉子軸頻率對應。因此，可判定是轉子軸出現了損壞。通過拆機查看，證實是轉子軸出現了裂痕。

圖10 某工況瀑布圖

4 結論

在電驅動總成產品進行可靠性試驗驗證時，利用早期故障分析設備，準確預判樣件早期故障，可快速確定產品故障類型與位置。試驗結果表明，在電驅動總成耐久試驗過程中，軟件準確分析出了故障的發展過程，也預判了故障的位置，拆機證實了早期故障分析設備分析的結果。利用早期故障分析設備，可實時記錄狀態變化，在大損壞來臨前，及時中止試驗，避免樣品及臺架的過度損壞，快速定位故障位置，進而縮短產品的開發周期。

[1] 陽新華.基于臺架耐久試驗的變速器早期失效診斷及軟件實現[D].重慶:重慶理工大學,2018.

[2] 謝志謙.變速器疲勞可靠性試驗及其故障診斷研究[D].太原:中北大學,2017.

[3] 金光,袁照丹,姜冠伊,等.變速器總成耐久試驗早期故障診斷[J].汽車技術,2019(6):53-58.

[4] 陳銳.變速器臺架試驗早期故障識別與監控方法研究[D].重慶:重慶理工大學,2017.

[5] 金光,趙文華,李士杰,等.基于階次分析的DCT早期故障診斷[C]//2018中國汽車工程學會年會論文集.北京:機械工業出版社,2018:9.

[6] 林旭春,黃孟,王展,等.階次分析在無級變速箱早期故障診斷中的應用[J].時代汽車,2020(14):157-158.

Early Fault Diagnosis of Electric Drive Assembly Durability Test

DING Xu, FAN Zhenyang

( CATARC Automotive Test Center (Ningbo) Company Limited, Ningbo 315336, China )

In order to study the early faults of the electric drive assembly of new energy vehicles, early fault analysis equipment is used to monitor the vibration of the durability test of the electric drive assembly of new energy vehicles.The results of theoretical analysis and actual monitoring indicate that the early fault analysis equipment accurately predicted the trend of damage at the fault location. Accurately diagnose early faults of the electric drive assembly, it can terminate the test timely, avoid transitional damage to the sample and bench, and quickly locate the fault location to shorten the product development cycle.

Electric drive assembly; Durability test; Early fault

U469.72

A

1671-7988(2023)20-106-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.020.021

丁旭（1989－），男，碩士，工程師，研究方向為電驅動技術，E-mail:dingxu@catarc.ac.cn。