基于后驅(qū)動(dòng)橋機(jī)械特性的總成疲勞試驗(yàn)方法研究

張真銘

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039)

0 引言

在商用車領(lǐng)域，車橋和發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室一起構(gòu)成商用車的核心三部件，其重要性不言而喻。早期，我國的部分企業(yè)通過引進(jìn)國外技術(shù)，并經(jīng)過大量研究與生產(chǎn)，逐步建立起了車橋的研發(fā)生產(chǎn)體系，但和國外先進(jìn)技術(shù)相比，仍然有不小的差距。為了配合國內(nèi)車橋企業(yè)取得核心技術(shù)上的突破，參與國際市場的激烈競爭，國內(nèi)的國家級機(jī)動(dòng)車檢測機(jī)構(gòu)有義務(wù)和責(zé)任為車橋生產(chǎn)廠商提供準(zhǔn)確的車橋試驗(yàn)結(jié)果。

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確，必須確保以下兩個(gè)方面：

(1)試驗(yàn)項(xiàng)目的準(zhǔn)確。車橋的試驗(yàn)項(xiàng)目眾多，在以車橋總成進(jìn)行某一項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，須確保不被另一試驗(yàn)項(xiàng)目所干擾。以總成疲勞試驗(yàn)為例，其試驗(yàn)?zāi)康臑轵?yàn)證主減速齒輪對及其軸承的壽命，若在試驗(yàn)進(jìn)行過程中，由于裝夾方式不當(dāng)?shù)纫蛩?，?dǎo)致差速器或者橋殼損壞，試驗(yàn)終止，則認(rèn)為該試驗(yàn)項(xiàng)目受到干擾，并不能得到主減速齒輪對及其軸承壽命的準(zhǔn)確結(jié)果；

(2)試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確。在排除掉其他項(xiàng)目干擾的前提下，還得使用適宜的方法來進(jìn)行試驗(yàn)。仍然以總成疲勞試驗(yàn)為例，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需要使用電動(dòng)機(jī)及測功機(jī)為車橋提供誤差允許范圍內(nèi)的輸入輸出扭矩和轉(zhuǎn)速。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可對電動(dòng)機(jī)和測功機(jī)進(jìn)行不同方法的控制，但車橋是一個(gè)總成系統(tǒng)，不同的控制方式會(huì)影響到總成內(nèi)其他機(jī)構(gòu)，從而對主減速齒輪對及其軸承壽命的結(jié)果產(chǎn)生影響。

后驅(qū)動(dòng)橋?yàn)檐嚇虻囊环N典型代表，在一般的汽車結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)橋包括主減速器(又稱主傳動(dòng)器)、差速器、驅(qū)動(dòng)車輪的傳動(dòng)裝置及橋殼等部件[1]。本文作者以后驅(qū)動(dòng)橋?yàn)槔?，通過分析對比不同的試驗(yàn)控制方法，探討后驅(qū)動(dòng)橋總成疲勞試驗(yàn)方法的優(yōu)劣。

1 試驗(yàn)控制方法介紹

進(jìn)行后驅(qū)動(dòng)橋總成疲勞試驗(yàn)，在溫度穩(wěn)定控制的情況下，須為后驅(qū)動(dòng)橋提供誤差允許范圍內(nèi)的輸入輸出扭矩和轉(zhuǎn)速。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，有兩種控制模式對電動(dòng)機(jī)和測功機(jī)進(jìn)行控制。

控制方法一：電動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)速模式，測功機(jī)采用扭矩模式，如圖1所示?？刂七^程為電動(dòng)機(jī)先調(diào)節(jié)后驅(qū)動(dòng)橋輸入轉(zhuǎn)速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，再調(diào)節(jié)雙側(cè)測功機(jī)進(jìn)行加載至目標(biāo)扭矩，并維持穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 控制模式一

控制方法二：啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)采用扭矩模式，測功機(jī)采用轉(zhuǎn)速模式，待穩(wěn)定后，電動(dòng)機(jī)采用轉(zhuǎn)速模式，測功機(jī)采用扭矩模式，如圖2所示。控制過程為啟動(dòng)時(shí)雙側(cè)測功機(jī)先同時(shí)調(diào)節(jié)后驅(qū)動(dòng)橋輸出轉(zhuǎn)速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，再調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行加載至目標(biāo)扭矩，待轉(zhuǎn)速扭矩均穩(wěn)定后，改變電動(dòng)機(jī)至轉(zhuǎn)速模式，改變雙側(cè)測功機(jī)至扭矩模式，并維持穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2 控制模式二

2 后驅(qū)動(dòng)橋總成轉(zhuǎn)速扭矩關(guān)系分析

要探討兩種控制方式的優(yōu)劣，需要對后驅(qū)動(dòng)橋的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)速扭矩關(guān)系的分析。對試驗(yàn)影響最大的，實(shí)為后驅(qū)動(dòng)橋內(nèi)部差速器的轉(zhuǎn)速扭矩關(guān)系，結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 差速器結(jié)構(gòu)

2.1 轉(zhuǎn)速關(guān)系分析

根據(jù)機(jī)械原理中周轉(zhuǎn)輪系的分析方法，應(yīng)先把周轉(zhuǎn)輪系轉(zhuǎn)化為定軸輪系，再利用定軸輪系的分析方法進(jìn)行分析。在差速器系統(tǒng)中，假設(shè)將該周轉(zhuǎn)輪系中支承行星輪的系桿H固定，即差速器殼固定，左半軸齒輪、行星齒輪、右半軸齒輪和差速器殼所構(gòu)成的周轉(zhuǎn)輪系則形成了一個(gè)定軸輪系[2]。但由于是人為地將差速器殼轉(zhuǎn)速置為0，此時(shí)左半軸齒輪、右半軸齒輪在定軸輪系中的轉(zhuǎn)速為與差速器殼轉(zhuǎn)速的相對轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速關(guān)系分別為

左半軸齒輪相對轉(zhuǎn)速：

式中：n左為左半軸齒輪實(shí)際轉(zhuǎn)速；n殼為差速器殼實(shí)際轉(zhuǎn)速。

右半軸齒輪相對轉(zhuǎn)速：

式中：n右為右半軸齒輪實(shí)際轉(zhuǎn)速；n殼為差速器殼實(shí)際轉(zhuǎn)速。

由于差速器系統(tǒng)中，行星齒輪軸軸線與左、右半軸齒輪軸軸線并不平行，屬于空間周轉(zhuǎn)輪系，因此不能以上述表達(dá)式得出行星齒輪的相對轉(zhuǎn)速，但從左半軸齒輪到行星齒輪再到右半軸齒輪為逐級嚙合狀態(tài)，且左半軸齒輪軸軸線與右半軸齒輪軸軸線處于平行狀態(tài)，仍然能夠通過此種方法得出差速器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速關(guān)系。

根據(jù)定軸輪系的轉(zhuǎn)速關(guān)系計(jì)算規(guī)則，可得：

式中：z左為左半軸齒輪齒數(shù)；z右為右半軸齒輪齒數(shù)；z行為行星齒輪齒數(shù)。

在差速器中，左、右半軸齒輪齒數(shù)是相等的，即z左=z右，負(fù)號表示左、右半軸齒輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，對式(3)進(jìn)行整理得：

n左+n右=2n殼

(4)

由此可見，差速器系統(tǒng)為一個(gè)2自由度系統(tǒng)。

2.2 扭矩關(guān)系分析

在差速器穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)下，左半軸齒輪、右半軸齒輪和差速器殼在外扭矩的作用下作等速旋轉(zhuǎn)，以行星齒輪受力情況作分析，如圖4所示。

圖4 行星齒輪受力分析

行星輪處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，將受左、右半軸齒輪的作用力對行星輪軸取矩，可得：

F左×R行=F右×R行

(5)

式中：F左為左半軸齒輪對行星齒輪的作用力；F右為右半軸齒輪對行星齒輪的作用力；R行為行星齒輪分度圓半徑。

即F左=F右，又由于左半軸齒輪分度圓半徑R左與右半軸齒輪分度圓半徑R右相等，可得：

T左=F左×R左=F右×R右=T右

(6)

式中：T左為左半軸齒輪所受外部力矩；T右為右半軸齒輪所受外部力矩。

再以差速器系統(tǒng)作穩(wěn)態(tài)分析，系統(tǒng)所受外力矩處于平衡狀態(tài)：

T左+T右+T殼=0

(7)

式中：T殼為差速器殼所受外部力矩。

結(jié)合式(6)、式(7)，可得：

T殼=-2T左=-2T右

(8)

負(fù)號表示力矩方向相反，可進(jìn)一步對式(8)整理為

T左∶T右∶T殼=1∶1∶-2

(9)

綜合以上對轉(zhuǎn)速扭矩關(guān)系的分析，可以得出差速器是一個(gè)定矩差速系統(tǒng)[3]。

3 控制方法對比

正是因?yàn)椴钏倨骶哂卸ň夭钏俚奶匦?，對后?qū)動(dòng)橋總成疲勞試驗(yàn)的控制過程產(chǎn)生了影響，從而影響了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在用控制方法一進(jìn)行控制的過程中，由于差速器系統(tǒng)具有2個(gè)自由度，使用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制只限制了該系統(tǒng)1個(gè)自由度，即差速器殼的自由度，同時(shí)雙側(cè)測功機(jī)和連接后驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)軸等陪試部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、內(nèi)部阻力等各不相同，導(dǎo)致在用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的過程中，容易出現(xiàn)兩側(cè)輸出端輸出轉(zhuǎn)速不相等的情況，在這種情況下對雙側(cè)測功機(jī)進(jìn)行加載，如果兩側(cè)加載出現(xiàn)不平衡的情況，則兩側(cè)輸出轉(zhuǎn)速差將進(jìn)一步擴(kuò)大，輸出轉(zhuǎn)速較低的一側(cè)轉(zhuǎn)速會(huì)迅速減小至0，整個(gè)調(diào)節(jié)過程失敗，需從頭開始。通常雙輸出側(cè)剛出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差的情況時(shí)可以在輸出轉(zhuǎn)速較高的一側(cè)通過控制測功機(jī)增加適量的扭矩進(jìn)行控制，但由于很難有效地量化需要增加的扭矩值，有時(shí)效果并不理想。

然而使用控制方法二能夠解決這一問題，使用測功機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，同時(shí)限制了差速器系統(tǒng)的2個(gè)自由度，差速器系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)件的轉(zhuǎn)速自開始調(diào)節(jié)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)用扭矩控制模式從輸入端開始加載時(shí)，利用了差速器系統(tǒng)定矩的特性，輸入扭矩按比例分配給雙側(cè)輸出端，待輸入輸出轉(zhuǎn)速扭矩處于穩(wěn)定狀態(tài)后，再切換電動(dòng)機(jī)至轉(zhuǎn)速控制模式、測功機(jī)至扭矩控制模式，此時(shí)即使有小的擾動(dòng)，電機(jī)也可通過自身進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，將狀態(tài)維持穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過比較，可以發(fā)現(xiàn)控制方法二明顯優(yōu)于控制方法一，在多個(gè)實(shí)際試驗(yàn)中，結(jié)論得到了證明，同時(shí)，差速器耐久試驗(yàn)是該分析成立的又一有效佐證(差速器耐久試驗(yàn)要求雙側(cè)測功機(jī)先使用轉(zhuǎn)速控制模式使雙側(cè)輸出端形成特定轉(zhuǎn)速差，再通過電動(dòng)機(jī)進(jìn)行扭矩控制輸入固定波形的扭矩)。