电驱动总成耐久试验早期故障诊断

  用电驱动系统的功率密度，驱动电机的转速慢慢的升高，多数转速均达到了16 000 r/min及以上，对生产的基本工艺要求越来越高，电机在实车运行的稳定性和故障率也倍受关注。减速器作为动力系统的重要一环，影响着整车的舒适性、动力性和经济性，新能源汽车一般为单档减速器，较传统车用的

  新能源汽车用的电驱动总成，即电机、电控和减速器三合一产品为近几年的新型结构，其可靠性有待进一步验证。新能源汽车的开发周期短，电驱动总成的开发周期也被大大压缩，利用早期故障分析设备提前监测出故障的趋势和位置，可快速定位故障位置，提前更换新方案，节约产品开发周期。

  本文利用德国的delta-ANALYSER，监控电驱动总成在整个耐久试验过程中的工作状态，包括振动加速度、转速、扭矩和油温。研究设备监测的故障变化与理论分析结果是否一致，能为产品的研发提供较为可靠的依据。

  利用振动传感器测得的振动信号，通过信号转换，可将时域谱转换成基于转速同步化的阶次谱，便于故障分析；利用齿轮与轴承的故障类型具有典型的故障特征，能够分析出故障位置；利用实时的振动幅值变化与限值的比较，设置报警或停机的策略，避免样品的过度损坏。

  振动传感器采集到的原始信号为随时间变化的振动加速度值，通过傅里叶变换，时域信号可转换为频率信号，即不同频率对应的振动加速度值。为避免转速波动影响以及信号失真，将等时间间隔采集换成等角度采集，每周采样点固定，频域分析的图谱可转换为基于阶次分析的图谱，基于转速同步化的阶次分析便于趋势变化分析与故障定位。图1为信号转换示意图。

  齿轮啮合振动会导致轴的扭曲及弯曲振动，弯曲振动将通过轴承等机械部件传递到总成的外壳表面。

  齿轮啮合的典型故障有齿轮裂纹、断裂和点蚀。基频定在输出轴，则输出轴的阶次为1，假定图2中的f1为输出轴，则f1为1，1齿轮的阶次为f1*1，齿轮啮合频率：z=f1*1=f2*2，一般故障特性为f、2f、3f递增规律的主频，同时伴有明显的间隔为f的边频。其中，1、2为齿轮齿数，f为轴旋转频率。图2为齿轮啮合示意图，图3为齿轮啮合故障示意图。如边频f为f1，则为1齿轮出现了故障；如边频f为f2，则为2齿轮出了故障。

  监控的原理是利用某阶次信号与较早时间相对来说比较，用于识别故障的发展。监控分两个阶段：学习阶段和监控阶段，监控阶段与学习阶段是无缝衔接的。软件通过次分析的信号，通过计算公差后，转入监控阶段。在监控阶段每采集次分析计算一次平均值，平均值谱线将与在学习阶段形成的公差作对比，出现的偏差将生成变化谱。通过对变化谱的叠加求和形成一个点的趋势指数，通过多个变化谱线能形成按时间轴变化的趋势指数曲线。当趋势指数达到了设定的报警或停机值时，台架会发生声光报警或停机，进而保护样件的过渡损坏，为确认故障点留下证据。图4为振动趋势变化示意图。

  新能源汽车电驱动系统大多采用的是集成化的形式，即电机、电控及减速器三合一系统，这种新形式需要经过大量耐久试验验证产品的可靠性。

  本实验选取一台三合一电驱动总成，安装在双测功机台架上，通过特殊设计的工装将电驱动总成固定在横梁上，由电池模拟器给控制器供直流高压，稳压电源给控制器供12 V低压，水冷系统给电机和控制器提供试验所需的温度和流量，环境仓给电驱动总成提供试验所需的环境温度。

  在减速器外壳与电机外壳适当位置分别安装一个振动传感器，保证传感器振动方向与轴垂直，如图5和图6所示。

  早期故障分析设备中自带了一个阶次计算软件（ROC），利用软件中自带的模块，搭建模型后，输入减速器齿轮齿数及轴承参数等信息，即可计算出所有接触部件对应的阶次。图7为电驱动总成机械模型图。表1为电驱动总成部件阶次计算结果，包括齿轮啮合和相关轴运转的主频和高次谐波。

  本次试验用电驱动总成在耐久试验进行10天左右，振动幅值出现了缓慢增大趋势，随后，在试验进行至近两个月的时候，触发了停机限值，试验结束后，对振动趋势图、阶次偏差图及瀑布图进行了分析。

  图8为某工况下电驱动总成的振动趋势图。图8中能够准确的看出，在3 000个分析之前，振动幅值很小，基本上没有。3 000个分析之后，振动幅值开始缓慢上升，整体呈指数型上涨的趋势，直至38 000个分析时，触发报警停机。

  图9为上述工况对应电驱动总成的阶次偏差图。从图9可看出，在200和600左右的阶次，振幅较大。输入轴（转子轴）的3次谐波和9次谐波分别是201和604，较为接近。

  图10为上述工况对应电驱动总成的瀑布图。图10中能够准确的看出，随着耐久试验的进行，200左右阶次的振幅逐渐增大，最终触发了报警停机限值。

  图8－图10的分析基本还原了电驱动总成在耐久试验过程中，某部件故障由小到大逐渐演变的过程。通过阶次分析，振幅大的阶次与输入轴（转子轴）阶次匹配，且边频也与转子轴频率对应。因此，可判定是转子轴出现了损坏。通过拆机查看，证实是转子轴出现了裂痕。

  在电驱动总成产品做可靠性试验验证时，利用早期故障分析设备，准确预判样件早期故障，可快速确定产品故障类型与位置。试验根据结果得出，在电驱动总成耐久试验过程中，软件准确分析出了故障的发展过程，也预判了故障的位置，拆机证实了早期故障分析设备分析的结果。利用早期故障分析设备，可实时记录状态变化，在大损坏来临前，及时中止试验，避免样品及台架的过度损坏，快速定位故障位置，进而缩短产品的开发周期。