基于階次分析的新能源汽車動力總成早期故障診斷的應(yīng)用和研究

Application and Research of Early Fault Diagnosis in New Energy Vehicle Powertrains Based on Order Analysis

Shen Le Zhu Lin Han Xu Zeng Xiangxin Wang Tao Wuhan Daan Technology Co.，Ltd.，Wuhan 430051，China

Abstract：Tofacilitatetheearlydetectionoffaultsinthepowertrainofewenergyvehicles，thisstudyemploysanearlyfaultdiag nosisandanalysissystmtocollctvbrationdataduringtetestingofelectricdriveassembliesandperformsfultdetetionacoding ly.Basedonthesructureofthemotorandreducer，anordercalculationmodelforgears，shaftsandothercomponentsisstablished. Usingthecollectedvbrationdataissuesintepowertrainareanalyedndfultocationsareidentificatedthroughtrendindiceswaterfallplots，spectrumdiagrams，ndotheranalyticalmethodsgroundedinthemodel.Teanalysisresultsaresubsequetlyerifid throughphysicaldsassemblyTefidingsdemonstrate thattearlyfaultdiagnosisandanalysissystemcaeectivelyidentifyproductisuesatanearlystage，uratelypipoint thelocationandcauseoffults，therebycontributig toproductprotetionorteing thedevelopment cycle，reducing Ramp;D costs，and holding significant positive implications for product development.

KeyWords：Order analysis;Early fault diagnosis;New energy vehicle powertrains;Durability test

1前言

隨著新能源汽車市場的不斷擴(kuò)大，電機(jī)朝著高功率、高轉(zhuǎn)速方向不斷發(fā)展，動力總成也朝著高集成化方向前進(jìn)，這也就意味著動力總成系統(tǒng)的可靠性和耐久性試驗(yàn)愈發(fā)為各車企所重視。

但是動力總成系統(tǒng)往往需要經(jīng)過長時(shí)間試驗(yàn)來證明其可靠性和耐久性，同時(shí)由于新能源汽車開發(fā)周期短、市場競爭激烈，需要在試驗(yàn)中盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問題，以節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。因此，需要在進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)監(jiān)測產(chǎn)品的振動狀況，并對其做出科學(xué)的分析。

本文采用早期故障診斷分析設(shè)備對動力總成系統(tǒng)的可靠性試驗(yàn)進(jìn)行全流程振動監(jiān)控，并利用趨勢指數(shù)、瀑布圖、頻譜圖等手段對產(chǎn)品的振動狀況進(jìn)行分析，期望可以在早期發(fā)現(xiàn)故障，并通過實(shí)機(jī)拆解驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

2早期故障診斷原理

2.1電驅(qū)總成中振動信號的來源

目前，新能源汽車中較為流行的電驅(qū)系統(tǒng)通常是將電機(jī)控制器、電機(jī)、減速器這三大部分集成在同一總成內(nèi)。這種集成化的電驅(qū)系統(tǒng)，其振動產(chǎn)生的來源主要可分為以下兩類：a.電磁激勵，如電磁力、轉(zhuǎn)矩脈動以及控制器開關(guān)頻率引起的激勵；b.機(jī)械部件旋轉(zhuǎn)引起的激勵，如齒輪嚙合帶來的沖擊、滾動軸承的摩擦以及軸偏心時(shí)引起的振動等[1]。而在電驅(qū)總成的耐久可靠性試驗(yàn)中，旋轉(zhuǎn)的機(jī)械部件失效更為常見，比如軸承內(nèi)圈和滾子磨損失效，以及齒輪出現(xiàn)點(diǎn)蝕、裂紋甚至斷齒等形式的失效2]。因此，對于電驅(qū)總成的耐久性和可靠性試驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)尤其關(guān)注齒輪和軸承的振動狀況，

2.2階次分析原理

2.2.1階次分析的意義

頻譜分析是工程信號處理中常用的處理方法，對于一個穩(wěn)定的工況，通過頻譜分析可以確定試驗(yàn)樣件的故障狀態(tài)。但是對于實(shí)際的電驅(qū)總成耐久可靠性試驗(yàn)，由于其轉(zhuǎn)速及扭矩的變化范圍和變化速率均很大，加上設(shè)備控制精度存在誤差所引起的轉(zhuǎn)速及扭矩波動，無法滿足理想的穩(wěn)態(tài)工況，這時(shí)頻譜分析會將不同時(shí)域的頻率混雜，無法反映真實(shí)的頻率成分[3]。對于高轉(zhuǎn)速和低轉(zhuǎn)速而言，高轉(zhuǎn)速下每轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間減少，若仍采用等時(shí)間采樣，則會導(dǎo)致采樣點(diǎn)過少而發(fā)生信號的失真。這時(shí)就需要利用等角度采樣（即每圈采集 N 個數(shù)據(jù)點(diǎn)），將頻譜基于轉(zhuǎn)速而同步化轉(zhuǎn)變?yōu)殡A次譜[4]。由于階次譜是基于轉(zhuǎn)速的，這就可以有效地表征非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速下的信號，從而將有問題的階次與之前計(jì)算得到的機(jī)械部件的階次進(jìn)行比對，以確定故障的部件。

2.2.2階次分析的實(shí)現(xiàn)過程

齒輪、軸承、轉(zhuǎn)子等部件通過機(jī)械結(jié)構(gòu)和空氣等路徑將振動傳遞到電驅(qū)總成的殼體上[5]，在殼體上放置加速度傳感器，按照等角度采樣方式來采集振動加速度信號，再通過FFT（快速傅里葉變換）得到頻譜，最終得到階次譜，整個流程如圖1所示。

圖2趨勢指數(shù)形成原理

2.3趨勢指數(shù)曲線形成原理

早期故障診斷設(shè)備在振動監(jiān)控前會存在一定時(shí)間的自學(xué)習(xí)階段。在該階段，電驅(qū)總成樣機(jī)的原始振動行為將被設(shè)備學(xué)習(xí)。通過統(tǒng)計(jì)的方法，計(jì)算每條譜線的參考值和上下限，接著形成公差帶6，如圖2中的虛線所示。學(xué)習(xí)完成后，在對耐久可靠性試驗(yàn)進(jìn)行監(jiān)控過程中，公差不再更改。

監(jiān)控階段，當(dāng)前頻譜是多次FFT的平均值，它會與公差帶進(jìn)行比較，如果當(dāng)前頻譜的幅值超出公差帶的范圍，則會形成偏差譜；最后，將偏差譜的絕對值進(jìn)行累計(jì)求和，某一時(shí)刻累計(jì)的總和即為該時(shí)刻的趨勢指數(shù)。

趨勢指數(shù)曲線可以反映試驗(yàn)樣件的整體情況。試驗(yàn)開始前會設(shè)置一個限值，如果趨勢指數(shù)超過該限值，臺架就會報(bào)警甚至停機(jī)，以此避免樣件嚴(yán)重?fù)p壞，方便工程師進(jìn)行拆機(jī)確認(rèn)故障。此外，趨勢指數(shù)曲線的變化可以大致反映故障類別[7]。比如趨勢指數(shù)緩慢升高超過限值，可能為齒輪點(diǎn)蝕等小故障；而趨勢指數(shù)突然升高超過限值，可能為齒輪斷齒等大故障。

2.4齒輪的典型故障特征

齒輪作為動力總成中廣泛使用的傳動部件，在動力的傳遞中起著關(guān)鍵作用。雖然齒輪有多種類型，如正齒輪、錐齒輪、斜齒輪、雙曲面齒輪等，但其故障的特征往往是一致的。

圖1階次分析流程

對于齒輪嚙合類故障，齒輪嚙合頻率 f_z 的諧波明顯可見[8]，如圖3所示。

圖3齒輪嚙合類故障特征

進(jìn)一步地，若齒輪表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕、裂紋等故障，在明顯可見的 f_z 的諧波附近，會出現(xiàn)明顯的間隔為 f_n 的邊頻[9]，其中 f_n 為該故障齒輪軸的旋轉(zhuǎn)頻率，如圖4所示。

圖4齒輪表面點(diǎn)蝕、裂紋等故障特征

3耐久試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

3.1臺架搭建

本試驗(yàn)選取某套混合動力電驅(qū)總成箱進(jìn)行測試，將該總成箱安裝在三測功機(jī)臺架上。臺架上的一臺輸入測功機(jī)負(fù)責(zé)模擬發(fā)動機(jī)，控制其轉(zhuǎn)速；另外兩臺加載測功機(jī)負(fù)責(zé)模擬路面阻力，控制半軸轉(zhuǎn)速。由電池模擬器給試驗(yàn)樣機(jī)提供雙向高壓直流電源，12V低壓電源為其控制器進(jìn)行供電，水冷系統(tǒng)控制其所需的冷卻液流量和溫度。

在振動信號采集和分析過程中，傳感器的位置對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性具有較大影響，根據(jù)該混合動力電驅(qū)總成箱的結(jié)構(gòu)，分析其易產(chǎn)生故障的位置，最終確定粘貼三個振動傳感器，位置分別為驅(qū)動電機(jī)側(cè)、發(fā)電機(jī)側(cè)和差速器側(cè)，并使其安裝方向與軸方向垂直，安裝位置如圖5～圖7所示。

圖7差速器側(cè)振動傳感器位置

3.2建立階次計(jì)算模型

圖5驅(qū)動電機(jī)側(cè)振動傳感器位置

在進(jìn)行早期故障診斷之前，需要根據(jù)試驗(yàn)樣機(jī)的電機(jī)和傳動齒輪的結(jié)構(gòu)建立動力傳遞的簡單機(jī)械模型，并且可以根據(jù)減速器齒輪的齒數(shù)等計(jì)算出齒輪嚙合、軸等所對應(yīng)的階次，方便之后的分析。該試驗(yàn)樣機(jī)的簡單機(jī)械模型如圖8、圖9所示。

圖8該試驗(yàn)樣機(jī)簡單機(jī)械模型（EV模式）

圖6發(fā)電機(jī)側(cè)振動傳感器位置

3.3階次計(jì)算結(jié)果

利用階次計(jì)算軟件可以計(jì)算出該混合動力電驅(qū)總成箱各齒輪嚙合、軸等部件的主頻和高次諧波，如表1、表2所示。

4故障分析

根據(jù)耐久可靠性測試的試驗(yàn)要求，設(shè)置好工況條件并開始進(jìn)行測試。在試驗(yàn)過程中，要經(jīng)常性地關(guān)注早期故障診斷分析儀數(shù)據(jù)，并對產(chǎn)品振動的趨勢指數(shù)變化做出及時(shí)反應(yīng)，利用測試數(shù)據(jù)生成的趨勢指數(shù)、瀑布圖、頻譜圖的階次狀況，可以分析得出機(jī)械部件的變化趨勢，提早發(fā)現(xiàn)部件的故障位置和原因。該電驅(qū)動總成在試驗(yàn)開始的第17天（第290循環(huán)結(jié)束），早期故障診斷分析儀發(fā)出報(bào)警并使臺架停機(jī)，工程師立即對被測產(chǎn)品進(jìn)行檢查，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定故障產(chǎn)生的可能部位和可能原因。下面將對分析儀的報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1相關(guān)零部件階次（EV模式）

表2相關(guān)零部件階次（串聯(lián)模式）

4.1振動加速度分析

如圖10所示，差速器側(cè)的振動加速度值第290循環(huán)（第17天）比第1循環(huán)（第1天）升高了約 1g ，雖然振動加速度值有一定上升，但其絕對值也在正常范圍之內(nèi)，難以單純憑借振動加速度值判定樣機(jī)故障，且無法確定具體故障部件。這更加說明了接下來依據(jù)早期故障診斷分析儀進(jìn)行階次分析的意義。

4.2趨勢指數(shù)曲線分析

如圖11所示，該混合動力電驅(qū)總成箱的趨勢曲線在測試的前5天趨勢指數(shù)曲線較為平緩，沒有上升的趨勢，這說明該樣機(jī)在測試的初期階段沒有出現(xiàn)明顯問題；但是在試驗(yàn)后期，曲線有一定平緩的上升趨勢，表明該樣機(jī)的機(jī)械部件可能出現(xiàn)了變化；隨著試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，趨勢指數(shù)不斷上升，在EV模式耐久工況下的第290循環(huán)超過限值，說明機(jī)械結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的故障，這導(dǎo)致早期故障診斷分析儀檢測到了故障，并觸發(fā)報(bào)警停機(jī)。

圖10振動加速度對比

圖11趨勢指數(shù)曲線

4.3瀑布圖分析

在初步對趨勢指數(shù)進(jìn)行分析后，為了進(jìn)一步地確定故障出現(xiàn)的時(shí)間和原因，就需要對試驗(yàn)過程的瀑布圖進(jìn)行分析。瀑布圖如圖12所示，通過分析可以發(fā)現(xiàn)瀑布圖中的49階能量在試驗(yàn)后的第6天（第90循環(huán)開始）有所升高，與上節(jié)分析的趨勢曲線后期出現(xiàn)的上升趨勢相對應(yīng)。這些變化最終觸發(fā)了診斷分析儀監(jiān)測系統(tǒng)的報(bào)警。同時(shí)可以根據(jù)能量升高的階次（49階）確定故障的大概位置為EV-TW3與EV-TW4這對嚙合齒輪，進(jìn)一步具體的故障定位需要根據(jù)故障報(bào)警時(shí)刻的階次譜圖進(jìn)行分析。

4.4階次譜分析

圖13為該混合動力電驅(qū)總成箱報(bào)警時(shí)刻的階次譜圖。通過對階次譜分析，可以發(fā)現(xiàn)：能量上升最高的為49階，其幅值達(dá)到 1.3g ；第二高的為98階，其幅值接近 。49階、98階為EV-TW3與EV-TW4這對嚙合齒輪的主頻及二次諧波，可以判定為該對嚙合齒輪已出現(xiàn)故障。進(jìn)一步地，在49階附近還出現(xiàn)了多個間隔為4階的邊頻，4階對應(yīng)EV-TW3軸的主頻。根據(jù)以上信息可最終確定具體故障部件為EV-TW3齒輪，判斷已發(fā)生了嚴(yán)重的點(diǎn)蝕甚至剝落。

圖12瀑布圖

圖13階次譜圖

4.5拆機(jī)驗(yàn)證

結(jié)合上述分析的結(jié)果，對該混合動力電驅(qū)總成箱進(jìn)行拆機(jī)驗(yàn)證，故障部件如圖14所示。圖14中的齒輪為EV-TW3齒輪，可以明顯看到，齒輪表面已出現(xiàn)了嚴(yán)重的點(diǎn)蝕甚至剝落，這導(dǎo)致傳遞動力的齒輪副在嚙合時(shí)出現(xiàn)不平順以及沖擊[10]，在耐久試驗(yàn)的后期，趨勢指數(shù)上升與該齒輪點(diǎn)蝕相關(guān)，點(diǎn)蝕面積不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致趨勢指數(shù)不斷上升最后超過限值，造成故障診斷分析儀的振動監(jiān)測系統(tǒng)報(bào)警并停機(jī)。

5結(jié)語

在本案例中，故障診斷分析設(shè)備對樣機(jī)的故障及時(shí)做出了報(bào)警，根據(jù)設(shè)備振動數(shù)據(jù)，可以分析出具體齒輪出現(xiàn)了點(diǎn)蝕等問題，并在后續(xù)拆機(jī)中驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。這表明：在新能源汽車的動力總成可靠性測試中，利用早期故障診斷分析設(shè)備可以實(shí)時(shí)得到動力總成零部件的運(yùn)行狀態(tài)，提早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品出現(xiàn)的問題，并可通過分析數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確定位問題的類型和發(fā)生的位置。這樣可以避免產(chǎn)品的進(jìn)一步損壞，并定位故障出現(xiàn)位置，進(jìn)而縮短動力總成的研發(fā)時(shí)間，幫助企業(yè)降低新能源汽車研發(fā)過程中的成本，這無疑對動力總成的開發(fā)具有積極作用。

圖14拆解的故障部件

參考文獻(xiàn)：

[1]丁旭，范振陽.電驅(qū)動總成耐久試驗(yàn)早期故障診斷J].汽車實(shí)用技術(shù)，2023（20）：106-109.

[2]金光，趙文華，李士杰，等.基于階次分析的DCT早期故障診斷[C]//中國汽車工程學(xué)會年會論文集，2018：1434-1442.

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

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

[5]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(yīng)用[J].時(shí)代汽車，2020（14）：157-158.

[6]韓捷，張琳娜.齒輪故障的振動頻譜機(jī)理研究[J].機(jī)械傳動，1997（2）：21-24.

[7]何世萍，張梅軍，熊明忠.現(xiàn)代信號分析在變速箱故障診斷中的應(yīng)用[J].振動與沖擊，2019（4）：216-221.

[8]周雁冰.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信號的高階統(tǒng)計(jì)特性分析[D].北京：華北電力大學(xué)（北京），2008.

[9]明廷濤，張永祥.齒輪裂紋故障仿真計(jì)算與診斷[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005（6）：140-142.

[10]韓捷，張琳娜.齒輪故障的振動頻譜機(jī)理研究[J].機(jī)械傳動，1997（2）：21-24.

作者簡介：沈樂，男，1987年生，工程師，研究方向?yàn)樾履茉磩恿偝稍囼?yàn)技術(shù)。