电动汽车轮毂电机驱动系统试验载荷谱生成算法研究

轮毂电机驱动（In-WheelMotorD电动汽车的主要驱动形式[1]。轮毂电机运行环境恶劣，耐久可靠性试验是其开发过程中的重要试验之一[2]。利用实际载荷进行试验验证通常会耗费大量的时间和成本，因此通常采用台架试验加载谱进行试验验证，加载谱通常使用功率谱密度（PowerSpectralDensity，PSD）谱，为进一步缩短试验周期，降低试验成本，会对原始谱进行等效加速，以获得加速谱。道路载荷谱的研究比较成熟。测使用寿命，有效减少总体测试时间，为载荷谱测试开辟新领域不同类型和速度下的试验道路数据之间的关系，为耐久性测试数据的处理提供了新的方法[4]；石锋等首次进行道路测试和试验台路谱测试以及台架载荷谱试验，提出道路模拟试验方法和路谱驱动信号生成方法[5]。机振动测试过程[6]；卢进海等采集实车原始载荷谱合成适用于电池包振动台架的加速试验载荷谱，这对其他汽车零部件加速试验有一定的指导意义[7]。完成强化道路动态载荷谱的采集，对载荷谱数据进行预处理和分析，时域统计原始载荷谱，根据等效加速模型算法分别计算22h行对比分析，利用传统频域加速方法对使用的加速模型进行验证，为缩短轮毂电机驱动（IWD）系统台架试验周期和成本，对IWD系统台架试验载荷谱生成算法开展研究。采集的载荷谱，对原始载荷谱进行分析和处理，提出加速模型算法得到等效功率谱密度（PSD）谱，利用nCode软件将其与传统加速方法进行对比，结果表明，两者PSD谱基本吻合，该算法能够准确获得台架振动加速PSD谱，可用于等效PSD谱计算。载荷谱都是基于用户载荷数据的，用户载荷谱与试车场载荷谱存在对应的比例关系，因此可利用试验车在试车场各特征路面进行短时间载荷信号采集，为加速试验提供输入条件。在进行道路载荷谱采集时，主要考虑汽车后轴上2个轮毂电机的受力情况，由于电机壳体底部距离振动源最近，同时，电机内侧轴头和悬架均是振动冲击过程中的薄弱点，因此，测点布置在左、右电机壳体内、外侧底部、电机内侧轴头以及悬架处，利用三向加速度传感器测量左、右车轮内、外侧壳体、轴头、悬架的加速ISO16750-3:2012中采用的台架试验振动谱的频率为2kHz，为达到此分析频率，加速度传感器的采样率应为4kHz以上，本在北京通州交通部试验场进行整车道路载荷谱的采集，由于目前传统燃油车的试车场耐久循环试验规范，另外，不同试车场的道性强化试验的4家汽车企业使用的规范（规范1~规范4）作为参根据以上试验规范，综合考虑不同试验道路以及试验车速，本次试验选取的测试道路如表1所示。其中，石块路甲的路况非常恶劣，因此将车速调整为20km/h，并针对试验车加入斜槽路测试道路。振动加速模型主要描述在振动加速试验中机械应力作为加速应力间的关系，逆幂律模型[8]为：（1）A为与加速试验类型等其他因素相关的正常数；车速/km·h-1车速/km·h-150-10-0、0-120-80振动加速试验主要包括正弦振动加速试验和随机振动加速试验，正弦振动环境下加速模型的疲劳等价关系为：W0、W1分别为加速试验和实际现场工作的正弦振动峰值加速度；各种随机振动环境下产生的振动疲劳累积损伤和振动耐久试验的加速试验量值可由式（3）计算得到：0、σ1分别为加速试验和实际现场工作的随机振动能量。主要包括对信号的取值和对时间的离散，即对信号进行采样。4.1功率谱密度下的RMS计算功率谱密度需要利用频率分辨率进行均方根（RootMean0、Ak分别为首、末在选定频率分辨率时，如果以频率分辨率的大小作为分析频率带（5）而对于整个频率带宽内的首、末谱线，其谱线值取其一半进行计4.2载荷谱的时域统计在进行道路测试时，选取时域下有效信号的RMS最大的样本数据作为对应的测试工况数据，进行时域下的信号统计，主要包括测试时的路面长度和行驶时间，部分数据如表2所示。由于强化道路下的测试数据更适合振动加速载荷谱的等效计算，/km·h-1度/km/km·h-1度/km根据试车场的耐久循环规范，表1中测试工况的循环数和总的试验里程统计部分如表3所示，实际行驶距离为本次测试中对应测试工况下试验车行驶距离的总和。车速/km·h-1测试循环数/次⋮⋮⋮⋮⋮⋮⋮实际行驶距离Ssum/km总里程S0/km4.3等效加速模型算法采用无滤波、频率分辨率Δf=2Hz的信号处理方式得到对应测试信号的PSD，再利用随机振动加速模型进行等效加速计算。4.3.1设定实际现场工作时间根据表3所示每个规范中的总里程和实际行驶距离，以及表2每条路面的行驶时间，计算出规范中加速试验对应的实际现场工作时实际现场工作时间计算结果如表4所示。车速/km·h-1⋮⋮⋮⋮⋮⋮⋮4.3.2测试工况数据正规化处理在每个分析频率下，首先计算出所有测试工况信号PSD的RMS，即σ1，并找出其最大值σ0，再根据上述计算的实际现场工作时间以及式（3）计算出每个测试工况正规化后的时间T0。本文取n=5。4.3.3台架试验PSD谱等效加速计算同样，在每个分析频率下，先对上述求得的每个测试工况正规化后的时间进行求和，得到所有工况总的正规化时间；再根据PSD的RMS最大值和式（3）计算该分析频率下等效加速最后根据等效的RMS和式（5）计算出该分析频率下对应的PSD仍取n=5。4.3.4模型算法的简化所有测试工况信号PSD的谱线值。4.3.5算例以规范1中长波路50km/h工况右轮电机底部x向为例，本次测试中，规范1实际行驶距离Ssum=2.84km，总里程为S0=952.02km，强化道路行驶测试工况时间（以长波路为例t=0.0021h根据式（6）得到各测试工况实际现场工作时间（长波路T=0.704本文中频率分辨率为2Hz，采样频率为4096Hz，以频率分辨率的大小作为分析频率带宽，故分析频率为2Hz、4Hz、…、2以2Hz频率为例，长波路2Hz频率谱线值为Ai=0.00105，所有测试工况信号PSD的RMS值（50km/h长波路）=F了=00583g其中最大值为σ0=0.09774g2/Hz，则每个测试工况正规化后的时间（50km/h长波路）对应2Hz频率下的PSD谱线值将每个分析频率计算得到的PSD谱线值连接起来得到规范1右轮电机底部x向加速试验PSD谱。4.4等效加速计算结果将所有测试工况信号PSD的谱线值输入MATLAB程序，实现上述加速模型算法，在数据处理过程中发现电机轴头和电机外侧底部信号能量值最大，因此主要对这2种信号等效PSD谱进行分析和对4.4.1各规范下22h等效加速PSD谱计算结果电机轴头和外侧底部y方向与z方向上的22h等效加速PSD谱由图2可以看出，电机轴头信号在规范1下等效PSD谱的强度另外，在0~100Hz处z向的等效PSD谱幅值较其他2个方向大，这是由于规范3工况最全面，考虑了8字路、搓板路等恶劣路面，而规范1考虑的工况路面比较平缓；并且得到的PSD谱中谱线值体上较其他2个方向的等效PSD谱的强度大。电机底部外侧信号在200~600Hz处，各规范中y向PSD谱线幅值均比ISO16750中的PSD谱高，其中根据规范3等效得到的PSD谱的强度最大，而根据规范1所得的等效PSD谱强度最小，另外，该测试通道下z向的等效PSD谱总体上比其他2个方向等效PSD4.4.2各规范下8h等效加速计算结果电机轴头和外侧底部y方向与z方向上的8h等效加速PSD谱如图3由图3可以看出，在电机轴头y向上，各规范下8h等效PSD谱在200~300Hz之间谱线幅值比ISO标准值大，这主要受电机内部振动以及路面碎石击打影响。电机底部外侧y向上各规范的等效PSD谱在200~600Hz范围内的谱线幅值较ISO标准PSD谱谱线幅值大，同时z向各规范下等效的PSD谱的强度均比其他2个测试方向上等效的PSD谱的强度大。另外，依据规范3等效生成的PSD谱的强度最大，而规范1等效的4.4.322h等效加速PSD谱与8h等效加速PSD谱对比等效PSD谱的强度大，故仅比较该测试方向上不同加速时间下的从对数坐标系和线性坐标系的角度对各规范电机轴头（z向）上尤其在线性坐标下，可以看出0~100Hz的频率带内的8h等效PSD谱谱线幅值较22h高，其中各规范的8h等效PSD谱在10另外，规范1和规范3测试工况相近，等效PSD谱的趋势基本保持一致，而规范2和规范4测试工况相近，等效PSD谱的趋势基本相利用传统的频域加速方法验证等效加速模型算法的合理性。该频域加速方法基于疲劳损伤等效原则计算各测试工况下的冲击利用nCode软件中的加速试验模块对各试验规范进行PSD的合成，再将所得的PSD谱与等效加速模型所计算的PSD谱进行对比。图5所示为加速时间为22h时各规范下电机轴头（z向）上的PSD谱对比，从图5中可以发现，利用传统频域加速方法所得到的PSD曲线更平滑，这主要是由于传统频域加速方法通过损伤谱叠加原理进行PSD等效，这在规范2和规范4中体现更为明显。图6所示为加速时间为8h时各规范电机轴头（z向）上等效PSD谱的对比，从图6中可以看出，传统频域加速方法拟合效果更好，况为搓板路乙幅值波动较大以及频率分辨率较低导致的。由上述各图可以发现，本文采用的模型加速方法与传统频域加速方法所生成的PSD谱基本一致，两者的曲线吻合度较高，可以证明该模型算法能够准确地获得台架振动加速PSD谱，因此该算法能够用来进行等效PSD谱的计算。效加速模型算法，得到22h和8h的振动