電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器隨機(jī)振動(dòng)仿真與試驗(yàn)*

毛鴻鋒，沈丁建，陳建明，李沁逸，盧鋼，馮勤龍

(1.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)研究所有限公司，湖南 株洲 412001；2.廣安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣安 638000)

隨著能源和環(huán)境問(wèn)題的日益突出，新能源汽車(chē)得到飛速發(fā)展，其市場(chǎng)占有率逐漸上升，其安全性受到廣泛關(guān)注。作為電動(dòng)汽車(chē)核心“三電”部件之一的電機(jī)控制器，其安全性是設(shè)計(jì)考量的重點(diǎn)。電動(dòng)汽車(chē)的電驅(qū)動(dòng)力總成不僅會(huì)在行駛過(guò)程中產(chǎn)生自振，還會(huì)受到由路面不平順產(chǎn)生的激振，導(dǎo)致電機(jī)控制器因振動(dòng)累積作用而產(chǎn)生疲勞損傷。一般的電機(jī)控制器開(kāi)發(fā)流程是通過(guò)對(duì)試制樣品進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)、機(jī)械沖擊等物理試驗(yàn)來(lái)校核控制器的結(jié)構(gòu)安全性，再針對(duì)不足之處進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，不僅周期長(zhǎng)，成本高昂，試驗(yàn)過(guò)程中還存在較大安全隱患。為縮減產(chǎn)品研發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，需在產(chǎn)品前期設(shè)計(jì)階段運(yùn)用有限元分析方法進(jìn)行相關(guān)工況仿真分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能，并結(jié)合相關(guān)評(píng)價(jià)體系對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)。該文以隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)和理論為基礎(chǔ)，以某款電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器為研究對(duì)象，采用仿真模擬方法進(jìn)行模態(tài)分析，運(yùn)用模態(tài)測(cè)試工具測(cè)得電機(jī)控制器實(shí)際模態(tài)，對(duì)模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，然后進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)工況分析，制作樣機(jī)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性。

1 電機(jī)控制器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，電機(jī)控制器主要由驅(qū)動(dòng)板組件、支撐電容、銅排、下箱體、IGBT組件、上蓋板、控制板組件、屏蔽板等構(gòu)成，其中下箱體與上蓋板材料為ADC12壓鑄鋁合金，屏蔽板材料為Q195。運(yùn)用螺栓將電機(jī)控制器固定在整車(chē)安裝支架上。

圖1 電機(jī)控制器模型

2 隨機(jī)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)及工況解析

2.1 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)GB/T 28046.3-2011《道路車(chē)輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn) 第3部分：機(jī)械負(fù)荷》中乘用車(chē)變速器的嚴(yán)酷度等級(jí)加載輸入載荷譜，單個(gè)方向的試驗(yàn)時(shí)間為22 h，加速度均方根值為96.6 m/s2。表1為產(chǎn)品隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的功率譜密度值。

表1 功率譜密度PSD與頻率

對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行實(shí)際安裝狀態(tài)下隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，之后對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)檢查，應(yīng)無(wú)緊固件松脫和零部件損壞現(xiàn)象，且通電狀況下能滿足基本性能要求。

2.2 隨機(jī)振動(dòng)工況解析

(1)

相關(guān)函數(shù)表現(xiàn)的是隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程在時(shí)差域內(nèi)關(guān)于幅值的統(tǒng)計(jì)信息，而功率譜密度函數(shù)體現(xiàn)的是隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程在頻域內(nèi)各頻率點(diǎn)上對(duì)于幅值的統(tǒng)計(jì)信息。對(duì)自相關(guān)函數(shù)作傅里葉變換，得到自功率譜密度函數(shù)如下：

(2)

一般采用隨機(jī)振動(dòng)信號(hào)的加速度總均方根值評(píng)估隨機(jī)振動(dòng)工況的嚴(yán)酷度。運(yùn)用功率譜密度計(jì)算方法求得加速度的總均方根值如下：

(3)

式中：fi、fj分別為隨機(jī)振動(dòng)頻率的上下限。

3 模態(tài)分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模態(tài)分析

彈性物體的振動(dòng)模態(tài)是其固有特性，通過(guò)模態(tài)分析可得到物體因各種激勵(lì)源作用而產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)特征。因此，模態(tài)分析是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的重要手段。

根據(jù)電機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其內(nèi)部電容、電路板、接插件、排線等部件作簡(jiǎn)化處理，通過(guò)質(zhì)量單元平均分配到相應(yīng)安裝點(diǎn)上。表2為各主要部件的材料參數(shù)。模型共978 076個(gè)單元、263 236個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用四面體單元，最小單元尺寸為1 mm。

通過(guò)仿真分析，求解電機(jī)控制器的固有模態(tài)頻率，相應(yīng)模態(tài)頻率對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)振型見(jiàn)圖2～4。

表2 電機(jī)控制器各部件材料參數(shù)

圖2 電機(jī)控制器仿真第一階模態(tài)(356 Hz)

圖3 電機(jī)控制器仿真第二階模態(tài)(678 Hz)

圖4 電機(jī)控制器仿真第三階模態(tài)(1 086 Hz)

3.2 模態(tài)試驗(yàn)及驗(yàn)證

采用單點(diǎn)激振、多點(diǎn)拾振的方法對(duì)樣機(jī)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。在模態(tài)測(cè)試前確認(rèn)樣機(jī)各部件連接緊密，按標(biāo)準(zhǔn)力矩緊固螺栓。若部件間存在間隙，會(huì)大大增加系統(tǒng)的非線性，影響測(cè)試結(jié)果的精度。模態(tài)測(cè)試共設(shè)置32個(gè)測(cè)點(diǎn)，頻率分辨率設(shè)為1 Hz，測(cè)試頻率為0～2 500 Hz。模態(tài)測(cè)試所得樣機(jī)的部分固有模態(tài)頻率見(jiàn)圖5～7。

圖5 試驗(yàn)第一階模態(tài)(343 Hz)

圖6 試驗(yàn)第二階模態(tài)(665 Hz)

圖7 試驗(yàn)第三階模態(tài) (1 068 Hz)

表3為模態(tài)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。電機(jī)控制器模態(tài)誤差在5%以?xún)?nèi)，且對(duì)應(yīng)振型基本一致，說(shuō)明有限元模型準(zhǔn)確。

表3 模態(tài)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，電動(dòng)汽車(chē)的振動(dòng)響應(yīng)及路面的隨機(jī)輸入基本符合正態(tài)分布。同時(shí)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的要求，輸入的是只考慮線性振動(dòng)載荷、滿足正態(tài)分布的隨機(jī)信號(hào)。因此，輸出只是前后頻域上帶寬不同，但也滿足正態(tài)分布的隨機(jī)信號(hào)，可認(rèn)為該輸入的隨機(jī)振動(dòng)載荷對(duì)電機(jī)控制器作用輸出的應(yīng)力符合正態(tài)分布。

4.1 隨機(jī)振動(dòng)仿真

隨機(jī)振動(dòng)的仿真分析通常基于以下假設(shè)：1) 載荷與響應(yīng)均滿足正態(tài)分布；2) 載荷與響應(yīng)均滿足零平均值假設(shè)。

隨機(jī)振動(dòng)分析通常以頻率響應(yīng)分析結(jié)果作為基礎(chǔ)。在進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析之前，需對(duì)仿真模型進(jìn)行單位載荷的頻率響應(yīng)分析，得到模型的頻率響應(yīng)特性，然后將頻率響應(yīng)特性作為傳遞函數(shù)，對(duì)隨機(jī)振動(dòng)功率依式(4)對(duì)譜密度函數(shù)進(jìn)行求解，求得模型隨機(jī)振動(dòng)工況響應(yīng)，包括應(yīng)變、位移、應(yīng)力和加速度等。

(4)

在仿真軟件中，按電機(jī)控制器的安裝方式，先約束安裝點(diǎn)的6個(gè)自由度，然后在安裝點(diǎn)施加Z向頻率響應(yīng)載荷激勵(lì)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。通過(guò)仿真計(jì)算，得到最大應(yīng)力均方根值為84.04 MPa，遠(yuǎn)低于ADC12材料230 MPa的抗拉強(qiáng)度值下限。但僅以隨機(jī)振動(dòng)仿真結(jié)果無(wú)法評(píng)估產(chǎn)品是否能滿足隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)要求。

4.2 疲勞壽命分析

為評(píng)估電機(jī)控制器是否滿足試驗(yàn)要求，在頻響分析的基礎(chǔ)上引入疲勞壽命評(píng)價(jià)方法。采用Miner線性累積損傷模型，運(yùn)用Goodman方法進(jìn)行修正，分析平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響。根據(jù)Miner線性累積損傷理論求得損傷D，疲勞壽命即為損傷D的倒數(shù)。當(dāng)損傷值大于1時(shí)，表示產(chǎn)品發(fā)生損壞。Miner線性累積損傷理論表達(dá)式如下：

(5)

式中：D為節(jié)點(diǎn)的累積損傷值；σi為節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力幅值；ni為該節(jié)點(diǎn)發(fā)生σi的頻次；N(σi)為該節(jié)點(diǎn)位置材料在等幅σi作用下疲勞破壞的總次數(shù)。

將頻響分析結(jié)果與振動(dòng)試驗(yàn)載荷譜、各部件材料性能參數(shù)等導(dǎo)入疲勞分析軟件，計(jì)算得出電機(jī)控制器的疲勞壽命見(jiàn)圖8。其最大損傷位置為螺孔處，損傷值為0.673 7，控制器不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。

圖8 電機(jī)控制器疲勞損傷云圖

4.3 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證電機(jī)控制器隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)基于1.5 t小型振動(dòng)臺(tái)，加載GB/T 28046.3-2011中乘用車(chē)變速器的嚴(yán)酷度等級(jí)輸入載荷譜，輸入頻段為10～2 000 Hz，進(jìn)行垂向激勵(lì)，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間22 h。樣機(jī)通過(guò)工裝固定在振動(dòng)臺(tái)上，為防止振動(dòng)傳遞放大失真，將振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)信號(hào)控制點(diǎn)放在樣機(jī)的安裝腳旁邊，保證振動(dòng)輸入滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。圖9為樣機(jī)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖9 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

仔細(xì)檢查振動(dòng)試驗(yàn)后的樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行電性能復(fù)測(cè)，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，與仿真結(jié)果吻合，說(shuō)明該電機(jī)控制器滿足隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命要求。

5 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)電機(jī)控制器采用有限元仿真方法進(jìn)行模態(tài)分析，并通過(guò)模態(tài)測(cè)試驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性；對(duì)模型進(jìn)行頻響及隨機(jī)疲勞壽命分析，并通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)與疲勞壽命仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。通過(guò)整個(gè)仿真試驗(yàn)過(guò)程，得出一套隨機(jī)振動(dòng)工況下電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器隨機(jī)疲勞壽命分析方法，為電機(jī)控制器的安全性研究提供參考。