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经受严格考验的汽车电动机 |
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作者：Robert Wasmuth、Andreas Zeiff |
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飞机在起飞以后可以数小时在几乎同样的环境条件下飞行，而汽车则会在整个行驶时间内持续性地受到各种可能的干扰因素的影响，不可能有确定不变的工作状态，所有的结构部件的设计都必须考虑到这一点，因此质量是最重要的事情。在考虑到所有在实际操作中可能出现的负荷和影响的情况下进行更加严格的检验是生产高质量的产品必不可少的前提。 
图1 在侵蚀性环境条件下的电动机
在现代化的技术要求很高的车辆上，越来越多地使用了无电刷的电动机，即所谓的BLDC驱动装置，用作辅助和伺服系统。只有通过各种极端条件试验的能保证运行可靠的转向机构伺服传动装置才能使我们的生活更加安全可靠。
汽车在其整个使用寿命期间要满足各种各样的要求，汽车制造厂商在进行研制工作时就考虑到了这一点。在亚利桑那州的沙漠里的高温和沙尘中进行越野的驾驶试验，或者在北欧的拉伯兰北部的冰天雪地中进行驾驶试验都是非常通常的做法。盐雾和热带的潮湿的气候条件也折磨着汽车的结构件。对于ebm-papst公司来说，这种对汽车中安装的电动机所做的预防性的和生产中的试验就是为了能够提供在汽车整个使用寿命期间都能有效工作的产品。特别是对暴露地安装在底板上的并且与安全性相关的转向伺服电动机来说，人们提出了更加严格的标准，试验工程师们为它想出了一系列“严刑拷打”的手段。车辆在起动之后就会直接受到各种复杂的影响，如发动机的振动，行驶道路引起的颠簸，制动力和加速力的影响等。
图2在空调箱中进行电机的持续运转
因为最现代化的防撞击装置和减振装置也不能将所有的撞击力吸收，所以所有的汽车零部件都必须承受这种冲击。此外还有碎石、潮气、脏污等，这一切都会对所有的结构件造成影响。只有预先对结构件进行试验，才能保证以后制成的整车通过越野试验。当然，在开始阶段首先要对材料的质量进行检验，并对制造工艺进行有记录的监控，因为只有使用高质量的材料和采用可靠的制造工艺才能生产出高质量的产品。然后在制成的产品上对所有的尺寸都要进行检验。在这些基本的前提条件下，才接着进行模拟实际使用的条件下的各项严格的试验。试验条件比实际的日常使用中出现的条件更加苛刻，这一方面是因为可供利用的试验时间非常短（必须在几个星期中模拟今后很多年中的实际使用条件），另一方面在于要考虑到有一定的安全系数，以便使用者日后能够经受特殊条件下的影响。在试验中，将电动机用螺栓固定在和转向机构的法兰相匹配的支架上，这样可以保证形成和日后汽车实际使用中同样的热变形、导热、冷凝水形成之类的条件。试验本身包括人们熟知的机械试验，如在振动台上进行振动试验，在不同温度下使用固定频率进行疲劳载荷试验等。“严刑拷打”继续进行中。耐热试验模仿亚利桑那州的沙漠的条件，进行热稳定性试验要在－40℃的温度下经受16h，在130℃的温度下经受96h的考验。白天整天在热的沥青道路上，夜里要在旅馆前零下的温度下过夜，即使这样电动机也必须正常地工作。在耐温度交变试验中，在－40℃～＋120℃的温度范围内，以5℃的等级进行温变，在这样的条件下对电动机的各项电气性能进行检验。在电动机罩下面还很烫的时候突然喷洒冷水进行瞬间冷却，这就是喷淋水温度冲击模拟试验。驱动装置加热到110℃的高温，用0℃的水喷淋进行3s的冷却。此外，水中还含有3％的亚利桑那州的沙尘，作为磨蚀剂。这种游戏大约要重复100次。在试验之后，机罩、密封和各项性能必须要符合规定的指标。
基本上在每次试验之后都要对电动机的电气性能和完好性进行检验。但是单是功能良好还是不够的。比如绝对不允许水浸入影响绕组的绝缘电阻。因此在每次试验中和试验后还总是要进行电气测量。温度的变化可能会造成故障。像电影中的快镜头一样，快速模拟夏天和冬天的使用条件。比如将电动机从－40℃的环境中移动到＋120℃的环境中，然后再反向移动。每种温度下停留1h，就这样连续移动4天。在此种试验后，在起动时转子的所谓起动转矩不得偏离额定值。机械试验还包括粉尘和碎石模拟试验。因为粉尘和污物对汽车造成污染，在实践中需对汽车进行蒸汽喷射清洗。用热水喷淋试验来模拟这一条件，水压为10mpa，然后在120℃的操作温度下在0℃的5％的冷盐水中浸5min。
图3操作寿命和负荷试验台
在苛刻的条件下进行盐雾喷淋试验
对汽车而言，特别在汽车的底盘附近有着各种化学的影响。没有发动机舱是真正密封的，在维护和修理时在发动机舱中也常常会倾洒一些燃料等。所有的结构零部件都必须能够经受这种影响。最严重的是冬季撒的盐和有害气体，它们会对所接触的物质产生腐蚀。为了模拟汽车在冬季的使用情况，需要进行6个周期的盐雾喷淋试验，每次8h，每次中间隔4h。作为实际使用中对结构件的自然的气体污染的模拟，在21天的时间内，用稀释的气体，如二氧化硫、一氧化氮和氯气等在75％的空气湿度下对结构件进行侵蚀。最重要的是，插头的触点不能受到腐蚀，接触电阻的上升不能超过15％。
根据Meuphy原理，一切可能发生的事情都会发生。在汽车上有许多种化学品可能会倾洒或溢出。因此，使试验电动机在80℃的储存温度下接触液体，如甲醇、汽油、柴油、生物柴油及含乙醇的风挡玻璃清洁剂。在这种温度下，冷清洁剂、酒精、沙尘和轮圈清洁剂也可能会发生影响。一些高沸点的物质，如冷却器防冻液、蓄电池的酸类（37％的硫酸）和刹车液等在100℃时开始发生腐蚀作用。在125℃的高温下使试验件接触发动机油、齿轮油、液压油和自动化齿轮油以及底盘常用的防腐剂等，在这个试验中还使用含糖和咖啡因的柠檬水。在各个温度等级下的储存时间各为24h。在试验后，操作功能不应受到任何影响。所有这些试验都是为了证明电动机壳和机械部件的耐受性。最后，作为最主要的任务是进行电气功能试验。因为汽车在预期的10年使用寿命中要经受大量的转向运动，所以这种试验最重要，也最费时费钱。在试验中要使电动机在不到200ms的时间内加速到额定转速，在这个速度下运转一段时间，然后刹车在不到200ms内完全停止运转。
每运转10万次的试验周期后，交替地从右转切换到左转或相反。总共模拟约160万次这种换向转向运动，或2600万次电动机的旋转。在试验中电动机在持续加载或温度交变的条件下及转速不断变化的条件下进行试验。只有通过将“质量控制”的信息不断地反馈到生产中去，才能满足对转向伺服电机这样暴露的汽车部件的质量要求。因此生产中的试验是制造过程的一个重要组成部分。它们对用户的要求进行模拟，并因此有助于提高用户的满意度。
MM《现代制造》杂志(end)
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(投稿)
(7/14/2006) |
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