声振论坛 首页 振动理论 实验与测试 查看内容

新能源汽车振动实验到底采用V型还是Z型?

2020-7-21 16:02| 发布者: weixin| 查看: 70| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 汽车行业的振动实验有一套标准的流程和方法。
汽车为啥需要振动实验?
在回答这个问题前,首先给大家介绍一个概念,在产品的严酷级别方面,排序是:航空航天>汽车>日常消费品(譬如手机,电视,各种智能硬件)?所以在汽车电子行业,尤其是芯片,汽车级别和消费级是严格进行区分的。不服?来跑个分呀。你把车拉到-40℃的漠河荒郊野外,照跑不误;你把你的IPHONE X,或者华为,或者小米手机拿出来晾几个小时,看看还行不?能开机已经可以作为卖点了(如果不对,欢迎手机行业的朋友们拍砖)。所以,汽车攻城狮朋友们,也不要妄自菲薄,虽然现在形势不好^_^。

行业内为啥有这个概念呢?与这些产品的工作环境有莫大的关系。飞机上天入地在几分钟之内,而环境温度的跨度高达100多℃。同时起飞降落和平飞的力学载荷也变化剧烈。每一次起飞和降落都是一次快速温变实验啊,飞机寿命期内需要跑多少次快速温变?直接碾压汽车行业的200,1000次…而飞机一旦有故障,很容易全机梭哈(尽管空难的死亡率比汽车交通事故小很多,但是人们还是对安全性有concern),所以飞机的可靠性要求很高。

回到汽车,虽然车到山前必有路,但是道路难走啊。以传统汽车为例,在颠簸的路面飞驰的时候,汽车上的零件,往往会受到几个方面的振动力:

  · 轮胎会受到地面的各种振动和冲击,而这种冲击通过轮胎,减振系统,会传递到汽车上的其他零件;

  · 汽车上自己挂的运动部件,譬如发动机、变速箱、起动机、冷却系统等,在各种往复和旋转运动的时候,也会产生振动和冲击(譬如大家听到突突突的声音);

  · 车里的人类的各种运动(当然基本可以忽略不计)。

汽车的零件是否可靠,是否会被振动散架,需要在汽车的开发阶段进行各种验证,而振动实验就是其中的核心之一。

振动实验咋做?
在谈论振动实验咋做之前,先给大家一个概念,大推力的振动试验台国外是对咱们禁运的,为啥?因为可以用来做火箭、导弹、飞机等,重型零件的振动实验。当然,中国人还是有自己的聪明才智的。一方面,我们可以自己钻研大推力的振动台啊;另外一方面,也可以把总成的振动分解到零部件啊。这种分解在汽车行业也非常常见,因为有些DUT的重量确实太大,handle不了,就得分解到下级子零件。

汽车行业的振动实验有一套标准的流程和方法。基本原理就是根据零件的安装位置受到的载荷(包括路面和其他),决定了不同的振动方式和强度等级。从振动方式来讲,主要是正弦振动(有规律的旋转部件,譬如发动机)和随机振动(激励源主要来自路面)。振动等级通常以加速度g(m/S2) 来表示。对于正弦振动,比较简单,就是指定一个频率,然后告诉多少个g;随机振动由于频率是随机的,因此通常转换为功率谱密度,来定义功率谱密度线。汽车行业引用的比较多的是譬如ISO16750。
1.png
图1 ISO16750 装在发动机上零件的随机振动
2.png
图2 ISO16750 装在变速箱上的随机振动

ISO16750的随机谱都是V型?
细心的同学可能会有如下的问题:

1. 为啥图1发动机和图2变速箱的谱线这么相似,都是V型的呢?

也就是从图3,从100Hz到500Hz这部分频谱下沉下去(如图3红色区域)?这是因为,这个频段的大部分振动被扣出来了,单独编制了一个振动实验,叫做正弦振动,振动的量级从ISO16750里面可以找到。
3.png
图3 V型谱被挖掉的区域

2. 既然是正弦被扣出来,那么可以不扣么?

答案是可以的。譬如,GMW3172(通用汽车的实验大全),在2010版本以前,随机振动谱都是V型,在2012版本后,已经合并在一起,变成Π型了(如图4)。
4.png
图4 GMW3172-2012Π型随机振动曲线

3. 既然可以扣出来(发动机的正弦),也可以合并,那么ISO为啥分开?

这是因为,可以把正弦和随机振动分开来做,满足不同的振动目的。这就相当于篮球教练在教学的时候,一定是先练习分解动作,然后再合成。当然,如果是零件同时有两种载荷,那么一般实验的时候也是要正弦叠加随机的,譬如安装在发动机上的节气门的振动实验。

4. 为啥频段是从100Hz到500Hz区间被挖掉了,而不是其他的值?

这是因为传统的内燃机,根据气缸和活塞的运动规律,从怠速到最高转速,活塞的振动冲击的频率大致上为100Hz到500Hz。

5. 这些曲线的限值是怎么来的?

通常情况下,ISO在制定标准的时候,会收集一些典型的车型,然后去典型的路况进行振动的采集,采集完成后,进行数据的处理,采用包罗的方法得出限值。

6. 为啥V型的两头(<100Hz,>500Hz)都是平的?

实际载荷肯定是波动的,而且随着每个车型和发动机不同而不同。但是为了简化处理,便于实验,本着等损伤的原则,在抽取载荷谱的时候进行了简化。

7. V型的三段(<100Hz,100Hz~500Hz,>500Hz)主要激励是哪些?

可以介绍一下不?一般来说,<100Hz 500Hz="">500Hz主要是发动机及附件带来的随机振动(譬如喷油器,油轨,节气门等)。

8. 既然每个车的振动都不一样,那为啥大家都采用ISO16750-3的振动?

最真实的振动强度当然是根据每一个车型在典型的路况上进行测试,然后进行提取,分析和等效损伤的统计分析。如果每个车型都这么正向解决,那么成本就太高了。显然不符合汽车行业的薄利多销的特征。也不符合工程思维。ISO解决了绝大部分车型的需求,如果没有特别的变更,基于成本和开发周期的考虑,一般就follow ISO标准了。

新能源汽车的振动实验咋做?
从上面的ISO16750-3的介绍来看,主要是针对传统内燃机的车型。所以早期搞新能源(特指电动车,下同)的同学见面总是离不开一个问题,新能源汽车的振动实验咋做啊?为什么有这个问题呢?因为新能源汽车没有了发动机变速箱,取而代之的是电机,电机控制器和减速器,这些零件的典型振动特征和内燃机有着天壤之别。好在ISO及时跟进潮流,在2018年,针对电动车和混动车制定了特殊的SPEC,这就是ISO19453。

针对电动车,随机载荷谱典型如图5,主要是针对安装在驱动电机上面的零件。听到这,有的同学就欢欣雀跃了。如果有人问,新能源电驱动产品应该采用什么振动实验标准?答案肯定就是ISO19453咯。这个说法有道理么?我们下面来分析一下。

对比ISO16750-3和ISO19453-3来看,典型的区别就是,在100Hz左右,振动功率谱密度,ISO16750是V型,也就是中间段下降后,又上升回去了。而ISO19453-3 曲线拐下来后,后半段完全是平的(Z型)。针对只安装在电机上的零件(注意,没有其他零件噢,也就没有附件的振动载荷),如Inverter,基本是适用的,这是因为相比于发动机,电机在高频的随机振动几乎可以忽略不记。
5.png
图5 ISO19453-3Test III(Z型)

但是,当前电动车技术发展一日千里。电动车的发展趋势就是动力总成集成化。VW 以MEB开创了3in1的先河(电机,电机控制器,减速箱),也就是电驱动桥的解决方案。后面甚至有人提出了更加激进的集成方式,譬如6in1,8in1,暂且不表。那么对比ISO16750和ISO19453可以看出,在100Hz以上,ISO16750的随机激励载荷主要来自发动机和减速箱。而上一段阐明了,电机相比发动机,振动非常小,这部分内部载荷可以忽略。但是电驱动总成是将电机、电机控制器、减速箱进行深度集成。这里面还有电机控制器(机械振动也可以忽略)和减速箱。因此,电驱动总成采用ISO19453-3的Z型,就漏考虑了内部的振动载荷,尤其是减速箱带来的。

那么,减速箱的随机振动载荷如何进行考核呢?方法和思路有很多,就看你懂不懂了。
总    结
新能源电驱动总成的随机振动应该参考ISO19453-3的Z型,而不是ISO16750-3的V型。但是仅仅用ISO19453-3,会漏考虑内部的随机载荷,尤其是中高频部分。怎么对内部载荷进行考核?如何基于电驱动总成的载荷,分解到关键零部件,如何进行实验验证?本文没有深入阐述。

来源:AlphaToOmega微信公众号(ID:AlphaBetaGemmaOmega),作者:郭靖。

最新评论

返回顶部