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新能源汽車振動實(shí)驗(yàn)到底采用V型還是Z型？

2020-07-20 17:30:57·  來源：AlphaToOmega微信公眾號  作者：郭靖  
　
來源：AlphaToOmega微信公眾號（ID：AlphaBetaGemmaOmega），作者：郭靖。汽車為啥需要振動實(shí)驗(yàn)？在回答這個問題前，首先給大家介紹一個概念，在產(chǎn)品的嚴(yán)酷級別
來源：AlphaToOmega微信公眾號（ID：AlphaBetaGemmaOmega），作者：郭靖。
 
汽車為啥需要振動實(shí)驗(yàn)？
在回答這個問題前，首先給大家介紹一個概念，在產(chǎn)品的嚴(yán)酷級別方面，排序是：航空航天>汽車>日常消費(fèi)品（譬如手機(jī)，電視，各種智能硬件）？所以在汽車電子行業(yè)，尤其是芯片，汽車級別和消費(fèi)級是嚴(yán)格進(jìn)行區(qū)分的。不服？來跑個分呀。你把車?yán)?40℃的漠河荒郊野外，照跑不誤；你把你的IPHONE X，或者華為，或者小米手機(jī)拿出來晾幾個小時，看看還行不？能開機(jī)已經(jīng)可以作為賣點(diǎn)了（如果不對，歡迎手機(jī)行業(yè)的朋友們拍磚）。所以，汽車攻城獅朋友們，也不要妄自菲薄，雖然現(xiàn)在形勢不好^_^。
行業(yè)內(nèi)為啥有這個概念呢？與這些產(chǎn)品的工作環(huán)境有莫大的關(guān)系。飛機(jī)上天入地在幾分鐘之內(nèi)，而環(huán)境溫度的跨度高達(dá)100多℃。同時起飛降落和平飛的力學(xué)載荷也變化劇烈。每一次起飛和降落都是一次快速溫變實(shí)驗(yàn)啊，飛機(jī)壽命期內(nèi)需要跑多少次快速溫變？直接碾壓汽車行業(yè)的200，1000次…而飛機(jī)一旦有故障，很容易全機(jī)梭哈（盡管空難的死亡率比汽車交通事故小很多，但是人們還是對安全性有concern），所以飛機(jī)的可靠性要求很高。
回到汽車，雖然車到山前必有路，但是道路難走啊。以傳統(tǒng)汽車為例，在顛簸的路面飛馳的時候，汽車上的零件，往往會受到幾個方面的振動力：
  • 輪胎會受到地面的各種振動和沖擊，而這種沖擊通過輪胎，減振系統(tǒng)，會傳遞到汽車上的其他零件；
  • 汽車上自己掛的運(yùn)動部件，譬如發(fā)動機(jī)、變速箱、起動機(jī)、冷卻系統(tǒng)等，在各種往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的時候，也會產(chǎn)生振動和沖擊（譬如大家聽到突突突的聲音）；
  • 車?yán)锏娜祟惖母鞣N運(yùn)動（當(dāng)然基本可以忽略不計(jì)）。
汽車的零件是否可靠，是否會被振動散架，需要在汽車的開發(fā)階段進(jìn)行各種驗(yàn)證，而振動實(shí)驗(yàn)就是其中的核心之一。
 
振動實(shí)驗(yàn)咋做？
在談?wù)撜駝訉?shí)驗(yàn)咋做之前，先給大家一個概念，大推力的振動試驗(yàn)臺國外是對咱們禁運(yùn)的，為啥？因?yàn)榭梢杂脕碜龌鸺?、?dǎo)彈、飛機(jī)等，重型零件的振動實(shí)驗(yàn)。當(dāng)然，中國人還是有自己的聰明才智的。一方面，我們可以自己鉆研大推力的振動臺??；另外一方面，也可以把總成的振動分解到零部件啊。這種分解在汽車行業(yè)也非常常見，因?yàn)橛行〥UT的重量確實(shí)太大，handle不了，就得分解到下級子零件。
汽車行業(yè)的振動實(shí)驗(yàn)有一套標(biāo)準(zhǔn)的流程和方法?；驹砭褪歉鶕?jù)零件的安裝位置受到的載荷（包括路面和其他），決定了不同的振動方式和強(qiáng)度等級。從振動方式來講，主要是正弦振動（有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)部件，譬如發(fā)動機(jī)）和隨機(jī)振動（激勵源主要來自路面）。振動等級通常以加速度g(m/S²) 來表示。對于正弦振動，比較簡單，就是指定一個頻率，然后告訴多少個g；隨機(jī)振動由于頻率是隨機(jī)的，因此通常轉(zhuǎn)換為功率譜密度，來定義功率譜密度線。汽車行業(yè)引用的比較多的是譬如ISO16750。
 
圖1 ISO16750 裝在發(fā)動機(jī)上零件的隨機(jī)振動
 
圖2 ISO16750 裝在變速箱上的隨機(jī)振動
 
ISO16750的隨機(jī)譜都是V型？
細(xì)心的同學(xué)可能會有如下的問題：
1. 為啥圖1發(fā)動機(jī)和圖2變速箱的譜線這么相似，都是V型的呢？
也就是從圖3，從100Hz到500Hz這部分頻譜下沉下去（如圖3紅色區(qū)域）？這是因?yàn)椋@個頻段的大部分振動被扣出來了，單獨(dú)編制了一個振動實(shí)驗(yàn)，叫做正弦振動，振動的量級從ISO16750里面可以找到。
 
圖3 V型譜被挖掉的區(qū)域
2. 既然是正弦被扣出來，那么可以不扣么？
答案是可以的。譬如，GMW3172（通用汽車的實(shí)驗(yàn)大全），在2010版本以前，隨機(jī)振動譜都是V型，在2012版本后，已經(jīng)合并在一起，變成Π型了（如圖4）。
 
圖4 GMW3172-2012Π型隨機(jī)振動曲線
3. 既然可以扣出來（發(fā)動機(jī)的正弦），也可以合并，那么ISO為啥分開？
這是因?yàn)椋梢园颜液碗S機(jī)振動分開來做，滿足不同的振動目的。這就相當(dāng)于籃球教練在教學(xué)的時候，一定是先練習(xí)分解動作，然后再合成。當(dāng)然，如果是零件同時有兩種載荷，那么一般實(shí)驗(yàn)的時候也是要正弦疊加隨機(jī)的，譬如安裝在發(fā)動機(jī)上的節(jié)氣門的振動實(shí)驗(yàn)。
4. 為啥頻段是從100Hz到500Hz區(qū)間被挖掉了，而不是其他的值？
這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，根據(jù)氣缸和活塞的運(yùn)動規(guī)律，從怠速到最高轉(zhuǎn)速，活塞的振動沖擊的頻率大致上為100Hz到500Hz。
5. 這些曲線的限值是怎么來的？
通常情況下，ISO在制定標(biāo)準(zhǔn)的時候，會收集一些典型的車型，然后去典型的路況進(jìn)行振動的采集，采集完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，采用包羅的方法得出限值。
6. 為啥V型的兩頭（<100Hz，>500Hz）都是平的？
實(shí)際載荷肯定是波動的，而且隨著每個車型和發(fā)動機(jī)不同而不同。但是為了簡化處理，便于實(shí)驗(yàn)，本著等損傷的原則，在抽取載荷譜的時候進(jìn)行了簡化。
7. V型的三段（<100Hz，100Hz~500Hz，>500Hz）主要激勵是哪些？
可以介紹一下不？一般來說，<100Hz 500Hz="">500Hz主要是發(fā)動機(jī)及附件帶來的隨機(jī)振動（譬如噴油器，油軌，節(jié)氣門等）。
8. 既然每個車的振動都不一樣，那為啥大家都采用ISO16750-3的振動？
最真實(shí)的振動強(qiáng)度當(dāng)然是根據(jù)每一個車型在典型的路況上進(jìn)行測試，然后進(jìn)行提取，分析和等效損傷的統(tǒng)計(jì)分析。如果每個車型都這么正向解決，那么成本就太高了。顯然不符合汽車行業(yè)的薄利多銷的特征。也不符合工程思維。ISO解決了絕大部分車型的需求，如果沒有特別的變更，基于成本和開發(fā)周期的考慮，一般就follow ISO標(biāo)準(zhǔn)了。
 
新能源汽車的振動實(shí)驗(yàn)咋做？
從上面的ISO16750-3的介紹來看，主要是針對傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的車型。所以早期搞新能源（特指電動車，下同）的同學(xué)見面總是離不開一個問題，新能源汽車的振動實(shí)驗(yàn)咋做啊？為什么有這個問題呢？因?yàn)樾履茉雌嚊]有了發(fā)動機(jī)變速箱，取而代之的是電機(jī)，電機(jī)控制器和減速器，這些零件的典型振動特征和內(nèi)燃機(jī)有著天壤之別。好在ISO及時跟進(jìn)潮流，在2018年，針對電動車和混動車制定了特殊的SPEC，這就是ISO19453。
針對電動車，隨機(jī)載荷譜典型如圖5，主要是針對安裝在驅(qū)動電機(jī)上面的零件。聽到這，有的同學(xué)就歡欣雀躍了。如果有人問，新能源電驅(qū)動產(chǎn)品應(yīng)該采用什么振動實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)？答案肯定就是ISO19453咯。這個說法有道理么？我們下面來分析一下。
對比ISO16750-3和ISO19453-3來看，典型的區(qū)別就是，在100Hz左右，振動功率譜密度，ISO16750是V型，也就是中間段下降后，又上升回去了。而ISO19453-3 曲線拐下來后，后半段完全是平的（Z型）。針對只安裝在電機(jī)上的零件（注意，沒有其他零件噢，也就沒有附件的振動載荷），如Inverter，基本是適用的，這是因?yàn)橄啾扔诎l(fā)動機(jī)，電機(jī)在高頻的隨機(jī)振動幾乎可以忽略不記。
 
圖5 ISO19453-3Test III（Z型）
但是，當(dāng)前電動車技術(shù)發(fā)展一日千里。電動車的發(fā)展趨勢就是動力總成集成化。VW 以MEB開創(chuàng)了3in1的先河（電機(jī)，電機(jī)控制器，減速箱），也就是電驅(qū)動橋的解決方案。后面甚至有人提出了更加激進(jìn)的集成方式，譬如6in1，8in1，暫且不表。那么對比ISO16750和ISO19453可以看出，在100Hz以上，ISO16750的隨機(jī)激勵載荷主要來自發(fā)動機(jī)和減速箱。而上一段闡明了，電機(jī)相比發(fā)動機(jī)，振動非常小，這部分內(nèi)部載荷可以忽略。但是電驅(qū)動總成是將電機(jī)、電機(jī)控制器、減速箱進(jìn)行深度集成。這里面還有電機(jī)控制器（機(jī)械振動也可以忽略）和減速箱。因此，電驅(qū)動總成采用ISO19453-3的Z型，就漏考慮了內(nèi)部的振動載荷，尤其是減速箱帶來的。
那么，減速箱的隨機(jī)振動載荷如何進(jìn)行考核呢？方法和思路有很多，就看你懂不懂了。
 
總  結(jié)
新能源電驅(qū)動總成的隨機(jī)振動應(yīng)該參考ISO19453-3的Z型，而不是ISO16750-3的V型。但是僅僅用ISO19453-3，會漏考慮內(nèi)部的隨機(jī)載荷，尤其是中高頻部分。怎么對內(nèi)部載荷進(jìn)行考核？如何基于電驅(qū)動總成的載荷，分解到關(guān)鍵零部件，如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證？本文沒有深入闡述。
 
 
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