5.试验程序
5.1效率、阻力扭矩和热管理的研究
功率差测量原理用于传动效率的研究。这里，根据式(7)，通过考虑到的传动比i，将测量的输出扭矩T4与测量的输入扭矩T1进行相对比较，得到ST1的效率η。为此采用了试验台的中载配置。在试运行前，需要一个足够长的加热阶段，以确保系统温度达到稳定。在高达60℃的润滑油温度下，建议在测试前进行60分钟的加热阶段。在效率研究中，我们注意到作用速度对功率损失和温度的影响要比作用转矩要明显得多。这是由于所研究的冷却系统采用含水流体。含水流体通常具有非常低的摩擦系数，并增加了动态粘度。由于空载和与负载相关的功率损失都是对温度敏感的，因此应在不停顿时完成试运行，以避免冷却变速器。由于速度被发现是对温度水平的主要影响，因此通过以恒定的速度逐步增加输入扭矩来得到效率图。每个输入扭矩水平保持5分钟，而最后3分钟取平均值以得到效率值。一般情况下，测量重复一次，并使用两次测量的平均值进行分析。在ST1处的效率测量结果如图21所示。
图21 ST1的效率测量结果和单个测量的相应测量不确定度
这里，比较了输入转矩值为5和30NM的两个实验运行情况。由于测量不确定度主要与输入速度n1无关，因此在5NM时的预期绝对不确定度约为1.7个百分点，在30NM时约为0.3个百分点。然而，对于每个运行点，如果进行1800次测量，理论上不确定度可以减少约42.4倍，达到0.04(5NM)和007个百分点(30NM)。在实践中，测量结果很可能被认为不是相互独立的。因此，一次测量的不确定度可以用来估计测量不确定度的上界。
关于测量结果的更详细的讨论见参考文献[29]。进行阻力扭矩测量以得出最高转速对电机无负载功率损耗的影响。。在这里，电机可以安装或拆卸负载设备机用于设置感兴趣的速度。各种温度传感器(例如热电偶和电阻温度计)允许对热管理系统进行研究。电力电子和电机中的温度传感器跟踪组件和冷却剂在入口和出口处的温度。这样，可以评估调整的冷却剂流量和冷却剂温度水平的影响，并避免临界温度。
温度传感器在传动路径上跟踪油的入口和出口温度、齿圈齿轮的温度以及轴承外环的温度。这样，可以得出关于行星齿轮阶段和轴承摩擦磨损进展情况的结论，并避免达到临界温度。添加高精度电压和电流测量传感器还可以测量电力电子和电动机的效率。通过全局效率优化，可以进一步使用测量的部件温度和部件效率来优化整个驱动单元。此外，可以在测试台上研究采用单流体冷却电路的完整热管理方法。这意味着可以使用含水的流体作为电机控制器和电动机的冷却剂，以及作为单流体热管理循环中的传动润滑剂。这种热管理可以直接利用电子部件散发的热量来加热油入口温度，从而提高传动效率。此外，可以减少泵、管道和冷却剂/油量等部件，从而进一步实现封装、成本和二氧化碳排放减少方面的优势。
5.2动力学研究
与传统的内燃机驱动系统相比，由于消除了内燃机的掩蔽效应，传动系统的声学和振动行为在电动机动性中发挥着更为关键的作用。这导致了对传动系统和传动装置的NVH行为有着更严格的要求。进一步加严这些要求的一个因素是增加的最大值。传动输入速度与传统的内燃机驱动情况相比，这是在范围高达20,000 rpm的系列应用。由于最大输入速度高达50,000 rpm，参考驱动单元的传动系统因此远高于本技术状态中的速度范围标准。这些对NVH行为的研究旨在研究不同速度范围内的激励机制，并确定对抗这些激励源的方法。机载声学测量也可以通过建议的测试装置进行。这就要求测试单元按照DIN 45635-1和DIN 45635-23 标准进行匹配和测试。
这些研究是通过安装在壳体表面的加速度传感器进行的，该传感器记录了在恒定负载下的线性速度加速时的振动。由于系统具备高输入速度，因此，齿轮激励结果的宽频带，传感器在0到20,000 kHz的频率范围内进行评估。关于测试评价和结果的详细描述见参考文献[32]。一般来说，可以表示在低速范围内，转速为0到约10000 rpm时，系统的的NVH行为主要由轴-轴承系统的自身固有模态以及外壳的自然频率决定。这是因为在这个速度范围内，齿轮齿的激励频率很低，并且所提到的临界本征模通常也在0到大约的较低的5 kHz.频率范围内。如果驱动速度显著增加到10000 rpm以上，则单个齿轮的固有频率将成为NVH研究的焦点。这些主要是扭转的固有频率，在齿轮级的各个齿轮之间存在相互振动。如果这些固有频率与齿轮激励的频率一致。就会造成较大的振动情况。
然而，NVH优化的齿轮可以显著降低在这个临界速度范围内的激励。这些研究进一步表明，当速度进一步增加时，输入级的振动激励再次减小。在这个所谓的超临界运行范围内，具有第一、第二和第三级转速顺序的转子动力激励将发展为参考驱动单元的固定激励源。这些低频激励达到显著的振动振幅，特别是在速度范围内超过40,000 rpm时。另一方面，齿轮激励只起从属作用，因为加速度水平急剧下降，齿轮激励频率，高达或在20 kHz以上，已经超过了人类可以感知的频率范围。
2.综述
该试验台被成功地用于研究Speed 4E驱动单元的功能、效率和动力学分析中。基本的结果总结在参考文献[17,29,32]中。
反应力矩测量的概念被选择在速度高达50000 rpm的广泛测试。这个概念需要更复杂的力学机制，并且比在线扭矩测量的概念对外部干扰效应更敏感。此外，反作用力矩测量的概念不适用于动态力矩测量。然而，这种度量概念允许稳定和低成本的度量方式。
对试验台的测量不确定度的估计得到了良好的结果。在大多数工况测试点，预期测量相对不确定度远低于效率测量的1%，置信区间为95.45%。然而，由于所有测量链的不确定度的传播，功率损耗（输入和输出功率的差）显示出相当高的相对不确定性。这一结果表明，在确定测量系统的精度时，同时考虑绝对和相对期望不确定度是谨慎的。确定的主要不确定性因素是力传感器放大器DAC的非线性和噪声不确定性分量。为了提高测量的不确定度，需要一个具有更合适的信号处理系统的放大器。
虽然传动输入处的功率分割因子对总体不确定度几乎没有影响，但通过选择标准配置中两台负载设备之间的输出转矩分割，可以进一步提高测量不确定度。对于这项工作，我们假定了一个持续的分割；自动选择输出扭矩分割可以最小化输出扭矩测量的测量不确定度。然而，这只会导致测量精度的边际增加，因为输出扭矩测量链并不是一个主要的不确定性因素的来源。
虽然本文只关注随机偏差和误差，但系统偏差在实践中并不总是得到补偿。这种偏差的一个例子就是杠杆臂的长度。即使严格控制测试环境，温度仍会发生变化，影响臂的长度和输入转矩的测量。虽然杠杆臂长度相对较短，但只有相当高的温差才会导致已经考虑的因素的显著偏差。这应该在实际实验中进行更详细的研究。
大多数实验都是在静止条件下进行的，所以每个工况点都有多次测量。通过对许多独立的测量值进行平均，可以进一步降低测量的不确定度。
3.结论和展望
本文介绍了一种研究高速驱动单元的整体功能以及传输效率和NVH性能的装置。在Speed 4E研究项目中开发的高速驱动单元被用作参考驱动单元。该试验台是基于电力循环的概念。因此，该试验台可以普遍用于不同的驱动单元设计和操作模式。开发了一种反应扭矩测量单元，可以在高转速下进行测量。同时，该单元允许以低成本进行高可靠性的测量。首先进行以显示试验台及其独立部件的功能。此外，根据传输工作谱的蒙特卡罗法确定了测量值的不确定度。这包括对测量到的输入和输出力矩、阻力力矩、转速、传输效率、和功率损失的不确定性。此外，还确定了主要的不确定度因素，并研究了如何通过多重测量进一步降低测量不确定度。
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