汽車驅(qū)動橋傳動效率試驗(yàn)臺的研制及測試

章德平 莫易敏 趙木青

武漢理工大學(xué)，武漢，430070

0 引言

對于汽車而言，燃油消耗量大小主要取決于發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的技術(shù)狀況［1］。驅(qū)動橋位于汽車傳動系統(tǒng)的末端，其基本功用是增大由傳動系統(tǒng)上游部件傳遞過來的轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)矩分配給驅(qū)動橋輸出端兩側(cè)的驅(qū)動車輪，并使驅(qū)動車輪具有汽車行駛所必需的差速功能，同時(shí)還要承受各種外來作用力［2］。傳動效率是評價(jià)汽車驅(qū)動橋系統(tǒng)工作性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對汽車驅(qū)動橋的使用性能乃至整車的燃油經(jīng)濟(jì)性都有很大影響。對汽車驅(qū)動橋傳動效率進(jìn)行準(zhǔn)確測量，不僅有利于深入開展驅(qū)動橋的優(yōu)化研究，而且可以為整個(gè)傳動系統(tǒng)的動力匹配提供有力的數(shù)據(jù)支持。要進(jìn)行汽車驅(qū)動橋傳動效率的測試分析，就需要一個(gè)具有很強(qiáng)針對性的測試平臺。利用專門的試驗(yàn)臺架模擬驅(qū)動橋?qū)嶋H工況進(jìn)行傳動效率測試，具有價(jià)格低廉和可控性強(qiáng)等特點(diǎn)，自然成為了汽車驅(qū)動橋傳動效率測試的最理想選擇。

1 試驗(yàn)臺總體設(shè)計(jì)

汽車驅(qū)動橋傳動效率試驗(yàn)臺的基本原理就是通過分別測量汽車驅(qū)動橋測試樣件的輸入功率和輸出功率，進(jìn)而根據(jù)相應(yīng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出汽車驅(qū)動橋系統(tǒng)的傳動效率。驅(qū)動橋傳動效率測試原理大致如下：以驅(qū)動電機(jī)作為動力源對驅(qū)動橋測試樣件進(jìn)行拖動，驅(qū)動橋測試樣件輸出端兩側(cè)都有一臺加載電機(jī)進(jìn)行模擬加載；驅(qū)動電機(jī)和加載電機(jī)均可以工作在電動和發(fā)電兩種狀態(tài)，測試過程中驅(qū)動電機(jī)以變頻調(diào)速的電動機(jī)方式模擬發(fā)動機(jī)工作，可以吸收直流母線能量；加載電機(jī)吸收驅(qū)動橋測試樣件機(jī)械能以發(fā)電機(jī)方式模擬工作負(fù)載，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并通過直流母線反饋給輸入電機(jī)，實(shí)現(xiàn)能量閉環(huán)。

在驅(qū)動電機(jī)與驅(qū)動橋測試樣件輸入端之間設(shè)有扭矩法蘭，可以測得輸入扭矩；在加載電機(jī)和驅(qū)動橋測試樣件輸出端之間均設(shè)置扭矩法蘭，可以測量輸出扭矩；至于輸入端轉(zhuǎn)速和兩側(cè)輸出端轉(zhuǎn)速，由于驅(qū)動電機(jī)和加載電機(jī)內(nèi)部均自帶旋轉(zhuǎn)編碼器，故可直接獲取。將測得的輸入輸出扭矩參數(shù)、輸入輸出轉(zhuǎn)速參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理就能得到系統(tǒng)輸入功率、輸出功率及傳動效率。汽車驅(qū)動橋傳動效率試驗(yàn)臺布置如圖1所示。

圖1 汽車驅(qū)動橋效率試驗(yàn)臺布置圖

2 測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)采用工控機(jī)和PLC主從式結(jié)構(gòu)［3］。如圖2所示，工控機(jī)作為上位機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互以及控制信號的產(chǎn)生，PLC作為下位機(jī)接收工控機(jī)的命令對電機(jī)進(jìn)行控制并定時(shí)采集傳感器檢測的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號，兩者可以通過標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行相互通信，PLC通過通信模塊將系統(tǒng)所需的扭矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)以信號形式分別發(fā)送給各個(gè)異步電機(jī)的變頻控制系統(tǒng)，由變頻控制系統(tǒng)改變異步電機(jī)的工作特性，各個(gè)異步電機(jī)工作時(shí)的扭矩、轉(zhuǎn)速參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)又會及時(shí)地傳遞回PLC，經(jīng)過PLC的分析處理，可以實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)的數(shù)據(jù)交流，進(jìn)而控制各個(gè)電機(jī)運(yùn)行。

圖2 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 變頻控制系統(tǒng)

所有電機(jī)變頻控制均采取直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），由于直接轉(zhuǎn)矩控制沒有采用解耦的方式，所以在算法上并不存在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，通過簡單檢測電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并與給定值進(jìn)行比較，根據(jù)所得差值就能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的直接控制［4］。試驗(yàn)臺所用的交流變頻控制系統(tǒng)為具有明確定義功能和接口的ABB最新一代全數(shù)字變頻器控制裝置ACS800，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是采用了通用技術(shù)，具有廣泛的適應(yīng)性。變頻控制系統(tǒng)可以分成兩個(gè)基本部分：轉(zhuǎn)矩控制環(huán)和速度控制環(huán)。

2.1.1轉(zhuǎn)矩控制環(huán)

異步電機(jī)的直流母線電壓和定子電流以及逆變器的開關(guān)狀態(tài)由相應(yīng)檢測單元進(jìn)行檢測之后，相應(yīng)信息流入自適應(yīng)電機(jī)模型。在DTC傳動運(yùn)行之前，自適應(yīng)電機(jī)模型在電機(jī)辨識的過程中收集數(shù)據(jù)，這個(gè)過程被稱為自動辨識。通過自動辨識過程，電機(jī)模型可以進(jìn)行精確計(jì)算并輸出描述電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩和磁通狀態(tài)的控制信號，同時(shí)也輸出電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速［5］。描述電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩和磁通狀態(tài)的控制信號進(jìn)入比較器后每隔25ms就與給定值進(jìn)行一次比較，通過計(jì)算得出的轉(zhuǎn)矩和磁通狀態(tài)信號隨即被輸送到優(yōu)化脈沖選擇器，優(yōu)化脈沖選擇器內(nèi)部使用的數(shù)字信號處理器與專用集成電路硬件一起來確定逆變器的開關(guān)邏輯。轉(zhuǎn)矩控制框圖見圖3。

圖3 轉(zhuǎn)矩控制框圖

為獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出，轉(zhuǎn)矩波動被限制在一定的容差范圍內(nèi)，所有控制信號通過高速光纖來傳輸，極大地提高了處理速度，每隔25ms逆變器的半導(dǎo)體開關(guān)裝置收到一個(gè)脈沖來控制功率器件的通斷或保持，以保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩的精確性。

2.1.2速度控制環(huán)

轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)性能直接影響速度控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能［6］。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，通常是由速度控制器根據(jù)給定速度與實(shí)際速度的偏差產(chǎn)生給定轉(zhuǎn)矩信號，實(shí)際速度通常是借助速度傳感器來獲取的，但系統(tǒng)引入速度傳感器增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性及成本，因此無速度傳感器技術(shù)就成為一種更理想的選擇。本試驗(yàn)臺速度控制以自適應(yīng)理論為基礎(chǔ)，通過選擇合適的參數(shù)自適應(yīng)律，利用轉(zhuǎn)子磁鏈方程構(gòu)建了無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)［7］。

具體速度控制過程如下：在轉(zhuǎn)矩給定控制器的內(nèi)部，速度控制輸出信號為轉(zhuǎn)矩限幅和直流母線電壓所限制；當(dāng)使用外部轉(zhuǎn)矩信號進(jìn)行速度控制時(shí)，從轉(zhuǎn)矩給定控制器輸出的內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定進(jìn)入轉(zhuǎn)矩比較器；當(dāng)使用外部轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行速度控制時(shí)，外部速度給定信號與電機(jī)模型輸出的實(shí)際速度進(jìn)行比較，偏差信號進(jìn)入PID調(diào)節(jié)器和加速補(bǔ)償器，速度控制器的輸出為PID調(diào)節(jié)器輸出值和加速補(bǔ)償器輸出值之和。速度控制框圖見圖4。

圖4 速度控制框圖

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)過程中對轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行持續(xù)采集是試驗(yàn)臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要任務(wù)［8］。采集任務(wù)是由布置在相關(guān)位置的各種傳感器實(shí)現(xiàn)的，通過這些傳感器將采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)傳送到PLC上，再由PLC對收集來的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

相應(yīng)傳感器所采集到的扭矩或轉(zhuǎn)速參數(shù)，通過轉(zhuǎn)換模塊輸入PLC分析處理之后，由通信模塊反饋給變頻控制系統(tǒng)，就可以調(diào)整異步電機(jī)的扭矩或轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對扭矩或轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。在測試過程中還需要對潤滑油溫度、橋殼溫度、室溫、大氣壓力、濕度等數(shù)據(jù)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

2.3 電封閉系統(tǒng)

汽車試驗(yàn)臺大體可分為開放式和封閉式兩大類。開放式試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)簡單，但其輸入功率除維持系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)外，其余全部被加載裝置以熱能形式消耗掉，運(yùn)行成本較高，故不宜進(jìn)行大功率加載試驗(yàn)。封閉式試驗(yàn)臺具有功率回收功能，動力源發(fā)出的功率可以部分反饋回來，具有能耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此適合較大功率的長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。

封閉式試驗(yàn)臺又可以分為機(jī)械封閉式和電封閉式兩大類［9］。機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，試驗(yàn)過程中加載的變化和扭矩的準(zhǔn)確控制等功能都不易實(shí)現(xiàn)，且試驗(yàn)性能不夠穩(wěn)定，通用性較差。電封閉式試驗(yàn)臺在進(jìn)行加載的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電的功能，發(fā)出的電通過閉環(huán)系統(tǒng)提供給電動機(jī)或反饋給電網(wǎng)，以降低試驗(yàn)?zāi)芎?，電封閉式試驗(yàn)臺具有能源利用效率高和能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)加載等優(yōu)點(diǎn)。

電封閉式試驗(yàn)臺又可進(jìn)一步細(xì)分為交流電能反饋式和直流電能反饋式兩類。交流電能反饋式試驗(yàn)臺通過閉環(huán)系統(tǒng)將電能反饋回電網(wǎng)循環(huán)利用，對電氣設(shè)備運(yùn)行的同步同相要求較高，從而導(dǎo)致電氣設(shè)備復(fù)雜，工作可靠性差，且容易對公共電網(wǎng)造成污染。直流電能反饋式試驗(yàn)臺則不存在此問題，電機(jī)發(fā)出的電不送回電網(wǎng)，而是送回到電動機(jī)，電氣設(shè)備簡單，工作可靠性高［10］。

綜合各種因素，本文所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺采用基于直流母線的電封閉結(jié)構(gòu)形式，即將一臺驅(qū)動電機(jī)和兩臺加載電機(jī)變頻系統(tǒng)的直流母線互聯(lián)，三臺電機(jī)可分別工作在電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)兩種模式。當(dāng)試驗(yàn)臺進(jìn)行驅(qū)動橋正向扭矩加載時(shí)，驅(qū)動電機(jī)工作在電動狀態(tài)，整流單元將電網(wǎng)中送來的交流電轉(zhuǎn)化成直流電供給直流母線，驅(qū)動電機(jī)通過逆變器從直流母線上獲取電能驅(qū)動測試橋樣件運(yùn)轉(zhuǎn)；而此時(shí)加載電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，將驅(qū)動電機(jī)經(jīng)測試樣件送來的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，并將這部分電能進(jìn)行逆變回饋至直流母線。由于外部電網(wǎng)到直流母線間的能量傳輸只是單向傳輸，故避免了電機(jī)發(fā)電對公共電網(wǎng)造成污染。電封閉系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 汽車驅(qū)動橋傳動效率試驗(yàn)臺電封閉系統(tǒng)原理圖

由于采用了采用電封閉結(jié)構(gòu)，故能量可以在上述封閉系統(tǒng)內(nèi)連續(xù)流動，形成能量封閉系統(tǒng)。在實(shí)際測試過程中，由于存在能量損耗，故系統(tǒng)需要從外界補(bǔ)充部分能量來彌補(bǔ)能量損耗。為了防止由于電樞并聯(lián)使發(fā)電機(jī)也處于電動狀態(tài)，電動機(jī)與發(fā)電機(jī)的電樞回路要用單向?qū)ǖ亩O管隔離開。從能量的角度來看，外界只需要供應(yīng)上述能量循環(huán)過程中由于機(jī)械摩擦和電子元件損耗而消耗掉的這部分功率就可以使系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)最大程度地利用能量的目標(biāo)。

3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)，工控機(jī)中安裝了控制軟件，控制軟件界面如圖6所示?？刂栖浖O(shè)計(jì)是試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)的核心，根據(jù)設(shè)計(jì)方案，軟件設(shè)計(jì)必須兼顧控制功能的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)總體布局的需要，既要能實(shí)現(xiàn)各模塊的控制任務(wù)，又要便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的機(jī)電一體化控制。目前控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是豐富軟件功能、簡化硬件結(jié)構(gòu)，從而提高系統(tǒng)的可靠性和智能性，并有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展［11］。

汽車驅(qū)動橋傳動效率試驗(yàn)臺軟件系統(tǒng)采用VC＋＋作為開發(fā)工具，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等功能，界面直觀，操作便捷。如圖7所示，該軟件系統(tǒng)主要功能模塊如下：

圖6 控制軟件界面圖

圖7 軟件系統(tǒng)功能模塊圖

（5）數(shù)據(jù)處理模塊。對測試得到的扭矩和轉(zhuǎn)速參數(shù)進(jìn)行處理，得到對應(yīng)的系統(tǒng)效率值。

（6）文件管理模塊。用于對各種圖表、圖形文件的保存、讀取和刪除。

4 試驗(yàn)臺測試應(yīng)用

（1）控制參數(shù)輸入模塊。具有開放的載荷譜編輯功能，可按照一定格式設(shè)置進(jìn)行連續(xù)效率測試試驗(yàn)的一系列包含加載負(fù)荷－輸入轉(zhuǎn)速－持續(xù)時(shí)間的試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，即可在自動試驗(yàn)?zāi)Ｊ较拢凑赵O(shè)定的試驗(yàn)程序自動完成全部試驗(yàn)循環(huán)。

（2）數(shù)據(jù)存儲模塊。將測試過程中扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并存儲下來，輸出數(shù)據(jù)報(bào)表。

（3）數(shù)據(jù)動態(tài)顯示模塊。以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或趨勢曲線的形式顯示當(dāng)前驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩、加載電機(jī)的轉(zhuǎn)速及扭矩、被測驅(qū)動橋樣件內(nèi)齒輪潤滑油溫度等狀態(tài)信息。

（4）報(bào)警監(jiān)控模塊?？稍O(shè)定轉(zhuǎn)速、扭矩、油溫、驅(qū)動橋測試樣件安裝基板振動量等試驗(yàn)參數(shù)的報(bào)警上限，對試驗(yàn)過程中的各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)異常情況時(shí)可以按照報(bào)警分級處理設(shè)置對各種故障狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的處理程序。

現(xiàn)以某型號驅(qū)動橋?yàn)槔?，進(jìn)行該驅(qū)動橋系統(tǒng)傳動效率的測試。

試驗(yàn)1 保持加載電機(jī)的負(fù)載為400N·m，將驅(qū)動橋測試樣件輸入轉(zhuǎn)速由300r／min逐漸增大到2700r／min，具體測定結(jié)果見表1。由測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加載電機(jī)的負(fù)載為恒定值時(shí)，隨著輸入轉(zhuǎn)速的增大，系統(tǒng)功率損失的增大主要來自于攪油功率損失和齒輪嚙合功率損失的同時(shí)增大；雖然系統(tǒng)功率損失絕對值是增大的，但系統(tǒng)輸入功率也是增大的且幅度更大，因此系統(tǒng)負(fù)載恒定時(shí)，驅(qū)動橋的傳動效率隨輸入轉(zhuǎn)速的增大而相應(yīng)增大。

試驗(yàn)2 保持測試的輸入轉(zhuǎn)速為2700r／min，將加載電機(jī)的負(fù)載由100N·m逐漸增大到1kN·m，具體測定結(jié)果見表2。

表1 試驗(yàn)1測試結(jié)果

表2 試驗(yàn)2測試結(jié)果

由測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速為恒定值時(shí)，隨著加載電機(jī)負(fù)載的增大，攪油功率損失基本不變化，系統(tǒng)功率損失的增大主要來自于齒輪嚙合功率損失的增大；雖然系統(tǒng)功率損失絕對值是增大的，但系統(tǒng)輸入功率也是增大的且幅度更大，因此，當(dāng)系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速恒定時(shí)，驅(qū)動橋的傳動效率隨著負(fù)載增大而相應(yīng)增大。

5 結(jié)語

實(shí)際測試結(jié)果表明：該試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)合理，操作方便，使用范圍廣，運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，總體能耗較小，完全能滿足現(xiàn)實(shí)工作中的測試要求。

［1］許紅平，應(yīng)富強(qiáng)，宋玲玲.機(jī)械傳動系統(tǒng)多功能試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)電工程，2002，19（3）：8－10.Xu Hongping，Ying Fuqiang，Song Lingling.The Design and Study of the Machine Driven System Multifunction Test Bed［J］.Mechanical ＆ Electrical Engineering Magazine，2002，19（3）：8－10.

［2］黃宏成，徐繼財(cái)，聞居博.CVT效率臺架試驗(yàn)與分析［J］.傳動技術(shù)，2010，24（2）：37－41.Huang Hongcheng，Xu Jicai，Wen Jubo.Test and A－nalysis CVT Efficiency［J］.Drive System Technique，2010，24（2）：37－41.

［3］蔣巍，石曉輝，李文禮.變速器試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)的研制［J］.自動化儀表，2012，33（4）：45－51.Jiang Wei，Shi Xiaohui，Li Wenli.Research and Development of the Measurement and Control System Used for Test Bed of Transmission Boxes［J］.Process Automation Instrumentation，2012，33（4）：45－51.

［4］王皖君，張為公，楊帆，等.變速器試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測控技術(shù)，2011，30（9）：21－23.Wang Wanjun，Zhang Weigong，Yang Fan，et al.Design of Measurement and Control System for Transmission Test Rig［J］.Measurement and Control Technology，2011，30（9）：21－23.

［5］常智海，吳堅(jiān)蘭，李浩，等.變速箱試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)［J］.電氣傳動，2008，38（7）：13－16.Chang Zhihai，Wu Jianlan，Li Hao，et al.Control System of Gearbox Test Bench［J］.Electric Drive，2008，38（7）：13－16.

［6］Lauwerys C，Swevers J，Sas P.Robust Linear Control of an Active Suspension on a Quarter Car Testrig［J］.Control Engineering Practice，2005，13（5）：577－586.

［7］Irimescu A，Mihon L，Padure G.Automotive Transmission Efficiency Measurement Using a Chassis Dynamometer［J］.International Journal of Automotive Technology，2011，12（4）：555－559.

［8］Klein F H.The Validity of Cycle Life Bench Test Data in Relation to Real World In－vehicle Testing［J］.Journal of Power Sources，1986，17（3）：257－266.

［9］Nakamura M.Development of Disk Type Underwater Glider for Virtual Mooring：Part 2，Construction of Test－bed Vehicle and Field Experiments［J］.Journal of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers，2011，13：205－218.

［10］Won M，Kim S S，Kang B B，et al.Test Bed for Vehicle Longitudinal Control Using Chassis Dynamometer and Virtual Reality：an Application to A－daptive Cruise Control［J］.Journal of Mechanical Science and Technology，2001，15（9）：1248－1256.

［11］Bishop K M.Electrical Equipment for Automated Vehicle Test Beds［J］.Electronics and Power，1975，21（19）：1053－1054.