電動汽車輪轂電機驅動系統(tǒng)試驗載荷譜生成算法研究

輪轂電機驅動（In-WheelMotorD電動汽車的主要驅動形式[1]。輪轂電機運行環(huán)境惡劣，耐久可靠性試驗是其開發(fā)過程中的重要試驗之一[2]。利用實際載荷進行試驗驗證通常會耗費大量的時間和成本，因此通常采用臺架試驗加載譜進行試驗驗證，加載譜通常使用功率譜密度（PowerSpectralDensity，PSD）譜，為進一步縮短試驗周期，降低試驗成本，會對原始譜進行等效加速，以獲得加速譜。道路載荷譜的研究比較成熟。測使用壽命，有效減少總體測試時間，為載荷譜測試開辟新領域不同類型和速度下的試驗道路數(shù)據(jù)之間的關系，為耐久性測試數(shù)據(jù)的處理提供了新的方法[4]；石鋒等首次進行道路測試和試驗臺路譜測試以及臺架載荷譜試驗，提出道路模擬試驗方法和路譜驅動信號生成方法[5]。機振動測試過程[6]；盧進海等采集實車原始載荷譜合成適用于電池包振動臺架的加速試驗載荷譜，這對其他汽車零部件加速試驗有一定的指導意義[7]。完成強化道路動態(tài)載荷譜的采集，對載荷譜數(shù)據(jù)進行預處理和分析，時域統(tǒng)計原始載荷譜，根據(jù)等效加速模型算法分別計算22h行對比分析，利用傳統(tǒng)頻域加速方法對使用的加速模型進行驗證，為縮短輪轂電機驅動（IWD）系統(tǒng)臺架試驗周期和成本，對IWD系統(tǒng)臺架試驗載荷譜生成算法開展研究。采集的載荷譜，對原始載荷譜進行分析和處理，提出加速模型算法得到等效功率譜密度（PSD）譜，利用nCode軟件將其與傳統(tǒng)加速方法進行對比，結果表明，兩者PSD譜基本吻合，該算法能夠準確獲得臺架振動加速PSD譜，可用于等效PSD譜計算。載荷譜都是基于用戶載荷數(shù)據(jù)的，用戶載荷譜與試車場載荷譜存在對應的比例關系，因此可利用試驗車在試車場各特征路面進行短時間載荷信號采集，為加速試驗提供輸入條件。在進行道路載荷譜采集時，主要考慮汽車后軸上2個輪轂電機的受力情況，由于電機殼體底部距離振動源最近，同時，電機內側軸頭和懸架均是振動沖擊過程中的薄弱點，因此，測點布置在左、右電機殼體內、外側底部、電機內側軸頭以及懸架處，利用三向加速度傳感器測量左、右車輪內、外側殼體、軸頭、懸架的加速ISO16750-3:2012中采用的臺架試驗振動譜的頻率為2kHz，為達到此分析頻率，加速度傳感器的采樣率應為4kHz以上，本在北京通州交通部試驗場進行整車道路載荷譜的采集，由于目前傳統(tǒng)燃油車的試車場耐久循環(huán)試驗規(guī)范，另外，不同試車場的道性強化試驗的4家汽車企業(yè)使用的規(guī)范（規(guī)范1~規(guī)范4）作為參根據(jù)以上試驗規(guī)范，綜合考慮不同試驗道路以及試驗車速，本次試驗選取的測試道路如表1所示。其中，石塊路甲的路況非常惡劣，因此將車速調整為20km/h，并針對試驗車加入斜槽路測試道路。振動加速模型主要描述在振動加速試驗中機械應力作為加速應力間的關系，逆冪律模型[8]為：（1）A為與加速試驗類型等其他因素相關的正常數(shù)；車速/km·h-1車速/km·h-150-10-0、0-120-80振動加速試驗主要包括正弦振動加速試驗和隨機振動加速試驗，正弦振動環(huán)境下加速模型的疲勞等價關系為：W0、W1分別為加速試驗和實際現(xiàn)場工作的正弦振動峰值加速度；各種隨機振動環(huán)境下產生的振動疲勞累積損傷和振動耐久試驗的加速試驗量值可由式（3）計算得到：0、σ1分別為加速試驗和實際現(xiàn)場工作的隨機振動能量。主要包括對信號的取值和對時間的離散，即對信號進行采樣。4.1功率譜密度下的RMS計算功率譜密度需要利用頻率分辨率進行均方根（RootMean0、Ak分別為首、末在選定頻率分辨率時，如果以頻率分辨率的大小作為分析頻率帶（5）而對于整個頻率帶寬內的首、末譜線，其譜線值取其一半進行計4.2載荷譜的時域統(tǒng)計在進行道路測試時，選取時域下有效信號的RMS最大的樣本數(shù)據(jù)作為對應的測試工況數(shù)據(jù)，進行時域下的信號統(tǒng)計，主要包括測試時的路面長度和行駛時間，部分數(shù)據(jù)如表2所示。由于強化道路下的測試數(shù)據(jù)更適合振動加速載荷譜的等效計算，/km·h-1度/km/km·h-1度/km根據(jù)試車場的耐久循環(huán)規(guī)范，表1中測試工況的循環(huán)數(shù)和總的試驗里程統(tǒng)計部分如表3所示，實際行駛距離為本次測試中對應測試工況下試驗車行駛距離的總和。車速/km·h-1測試循環(huán)數(shù)/次???????實際行駛距離Ssum/km總里程S0/km4.3等效加速模型算法采用無濾波、頻率分辨率Δf=2Hz的信號處理方式得到對應測試信號的PSD，再利用隨機振動加速模型進行等效加速計算。4.3.1設定實際現(xiàn)場工作時間根據(jù)表3所示每個規(guī)范中的總里程和實際行駛距離，以及表2每條路面的行駛時間，計算出規(guī)范中加速試驗對應的實際現(xiàn)場工作時實際現(xiàn)場工作時間計算結果如表4所示。車速/km·h-1???????4.3.2測試工況數(shù)據(jù)正規(guī)化處理在每個分析頻率下，首先計算出所有測試工況信號PSD的RMS，即σ1，并找出其最大值σ0，再根據(jù)上述計算的實際現(xiàn)場工作時間以及式（3）計算出每個測試工況正規(guī)化后的時間T0。本文取n=5。4.3.3臺架試驗PSD譜等效加速計算同樣，在每個分析頻率下，先對上述求得的每個測試工況正規(guī)化后的時間進行求和，得到所有工況總的正規(guī)化時間；再根據(jù)PSD的RMS最大值和式（3）計算該分析頻率下等效加速最后根據(jù)等效的RMS和式（5）計算出該分析頻率下對應的PSD仍取n=5。4.3.4模型算法的簡化所有測試工況信號PSD的譜線值。4.3.5算例以規(guī)范1中長波路50km/h工況右輪電機底部x向為例，本次測試中，規(guī)范1實際行駛距離Ssum=2.84km，總里程為S0=952.02km，強化道路行駛測試工況時間（以長波路為例t=0.0021h根據(jù)式（6）得到各測試工況實際現(xiàn)場工作時間（長波路T=0.704本文中頻率分辨率為2Hz，采樣頻率為4096Hz，以頻率分辨率的大小作為分析頻率帶寬，故分析頻率為2Hz、4Hz、…、2以2Hz頻率為例，長波路2Hz頻率譜線值為Ai=0.00105，所有測試工況信號PSD的RMS值（50km/h長波路）=F了=00583g其中最大值為σ0=0.09774g2/Hz，則每個測試工況正規(guī)化后的時間（50km/h長波路）對應2Hz頻率下的PSD譜線值將每個分析頻率計算得到的PSD譜線值連接起來得到規(guī)范1右輪電機底部x向加速試驗PSD譜。4.4等效加速計算結果將所有測試工況信號PSD的譜線值輸入MATLAB程序，實現(xiàn)上述加速模型算法，在數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn)電機軸頭和電機外側底部信號能量值最大，因此主要對這2種信號等效PSD譜進行分析和對4.4.1各規(guī)范下22h等效加速PSD譜計算結果電機軸頭和外側底部y方向與z方向上的22h等效加速PSD譜由圖2可以看出，電機軸頭信號在規(guī)范1下等效PSD譜的強度另外，在0~100Hz處z向的等效PSD譜幅值較其他2個方向大，這是由于規(guī)范3工況最全面，考慮了8字路、搓板路等惡劣路面，而規(guī)范1考慮的工況路面比較平緩；并且得到的PSD譜中譜線值體上較其他2個方向的等效PSD譜的強度大。電機底部外側信號在200~600Hz處，各規(guī)范中y向PSD譜線幅值均比ISO16750中的PSD譜高，其中根據(jù)規(guī)范3等效得到的PSD譜的強度最大，而根據(jù)規(guī)范1所得的等效PSD譜強度最小，另外，該測試通道下z向的等效PSD譜總體上比其他2個方向等效PSD4.4.2各規(guī)范下8h等效加速計算結果電機軸頭和外側底部y方向與z方向上的8h等效加速PSD譜如圖3由圖3可以看出，在電機軸頭y向上，各規(guī)范下8h等效PSD譜在200~300Hz之間譜線幅值比ISO標準值大，這主要受電機內部振動以及路面碎石擊打影響。電機底部外側y向上各規(guī)范的等效PSD譜在200~600Hz范圍內的譜線幅值較ISO標準PSD譜譜線幅值大，同時z向各規(guī)范下等效的PSD譜的強度均比其他2個測試方向上等效的PSD譜的強度大。另外，依據(jù)規(guī)范3等效生成的PSD譜的強度最大，而規(guī)范1等效的4.4.322h等效加速PSD譜與8h等效加速PSD譜對比等效PSD譜的強度大，故僅比較該測試方向上不同加速時間下的從對數(shù)坐標系和線性坐標系的角度對各規(guī)范電機軸頭（z向）上尤其在線性坐標下，可以看出0~100Hz的頻率帶內的8h等效PSD譜譜線幅值較22h高，其中各規(guī)范的8h等效PSD譜在10另外，規(guī)范1和規(guī)范3測試工況相近，等效PSD譜的趨勢基本保持一致，而規(guī)范2和規(guī)范4測試工況相近，等效PSD譜的趨勢基本相利用傳統(tǒng)的頻域加速方法驗證等效加速模型算法的合理性。該頻域加速方法基于疲勞損傷等效原則計算各測試工況下的沖擊利用nCode軟件中的加速試驗模塊對各試驗規(guī)范進行PSD的合成，再將所得的PSD譜與等效加速模型所計算的PSD譜進行對比。圖5所示為加速時間為22h時各規(guī)范下電機軸頭（z向）上的PSD譜對比，從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，利用傳統(tǒng)頻域加速方法所得到的PSD曲線更平滑，這主要是由于傳統(tǒng)頻域加速方法通過損傷譜疊加原理進行PSD等效，這在規(guī)范2和規(guī)范4中體現(xiàn)更為明顯。圖6所示為加速時間為8h時各規(guī)范電機軸頭（z向）上等效PSD譜的對比，從圖6中可以看出，傳統(tǒng)頻域加速方法擬合效果更好，況為搓板路乙幅值波動較大以及頻率分辨率較低導致的。由上述各圖可以發(fā)現(xiàn)，本文采用的模型加速方法與傳統(tǒng)頻域加速方法所生成的PSD譜基本一致，兩者的曲線吻合度較高，可以證明該模型算法能夠準確地獲得臺架振動加速PSD譜，因此該算法能夠用來進行等效PSD譜的計算。效加速模型算法，得到22h和8h的振動