電子限滑差速器試驗臺架結(jié)構(gòu)及測控系統(tǒng)設(shè)計＊

肖峻 李柱 劉志柱 肖超

（1.武漢理工大學(xué)，武漢 430070；2.東風(fēng)汽車集團(tuán)股份有限公司，武漢 430056）

主題詞：電子限滑差速器 試驗臺架 結(jié)構(gòu)設(shè)計 測控系統(tǒng)

1 前言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對汽車安全性與舒適性的要求也在不斷提高[1]。近年來，電子限滑差速器（Electronic Limited Slip Differential，ELSD）作為提高汽車主動安全性和操縱穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件，引起了國內(nèi)外汽車企業(yè)的較多關(guān)注[2]。與普通機(jī)械差速器相比，ELSD可以感知車輛行駛狀態(tài)，主動調(diào)節(jié)內(nèi)摩擦力矩，實現(xiàn)驅(qū)動輪左、右側(cè)轉(zhuǎn)矩的不均勻分配，從而達(dá)到對車輛牽引力和操縱穩(wěn)定性的控制[3]。

目前，針對主減速器試驗臺架，國外已有較為深入的研究，但國內(nèi)研究還較少[4]，且大多針對傳統(tǒng)主減速器，其功能無法完全滿足ELSD的性能測試。

本文在對ELSD 限滑原理和工作范圍分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計以磁粉制動器、變速器、交流伺服電機(jī)為主要元件的試驗臺架結(jié)構(gòu)本體，開發(fā)集路況模擬、數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)控保護(hù)為一體的試驗臺架測控系統(tǒng)。同時，通過道路負(fù)載模擬不僅可以完成ELSD本體限滑性能檢測，還可以驗證ELSD控制器中的部分限滑策略。

2 電子限滑差速器工作原理

限滑差速器多采用改變內(nèi)摩擦力矩的方法，實現(xiàn)兩驅(qū)動輪間的轉(zhuǎn)矩不均勻分配，從而提高車輛對路面附著系數(shù)的利用率，改善車輛行駛狀態(tài)[5]。根據(jù)限滑差速器的工作原理，其主要分為轉(zhuǎn)矩敏感式、轉(zhuǎn)速敏感式和主動控制式3類[6]。本文設(shè)計的臺架測試對象為主動控制式，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子限滑差速器結(jié)構(gòu)示意

與傳統(tǒng)差速器相比，ELSD 主要增加了控制元件高速開關(guān)閥、由端蓋和擺線泵組成的動力機(jī)構(gòu)，及由活塞和摩擦片組構(gòu)成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)ELSD 兩輸出半軸產(chǎn)生差速時，擺線泵的轉(zhuǎn)子與定子間出現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，油液進(jìn)入油路。在脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號控制下，高速開關(guān)電磁閥的閥芯可懸浮在某一位置提供背壓，因此采用不同占空比的PWM 信號可實現(xiàn)對壓力的線性控制[7]?；谝陨戏治?，當(dāng)車輛兩驅(qū)動輪出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差時，通過不同占空比的PWM 信號來控制高速開關(guān)電磁閥，即可使活塞對摩擦片組施加不同的壓力，從而改變內(nèi)摩擦力矩，即ELSD 控制器可在0～100%范圍內(nèi)進(jìn)行無級調(diào)節(jié)：當(dāng)PWM信號的占空比為100%時，兩驅(qū)動輪剛性連接；當(dāng)PWM信號的占空比為0時，與普通差速器無異。

3 電子限滑差速器試驗臺架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

加載試驗臺架常用于進(jìn)行主減速器的綜合性能檢測。通過對ELSD在整車中的應(yīng)用工況進(jìn)行分析，本文試驗臺架的設(shè)計目的是對其進(jìn)行不包含大扭矩、高轉(zhuǎn)速工況下的動、靜態(tài)限滑性能試驗。試驗臺架主要完成ELSD 的空載試驗、空載阻力矩試驗、靜態(tài)轉(zhuǎn)矩分配試驗、動態(tài)轉(zhuǎn)矩分配試驗以及部分控制器檢測試驗。在不同試驗設(shè)計中，主要考慮路況參數(shù)、轉(zhuǎn)速、加載轉(zhuǎn)矩、PWM信號等因素，觀察和分析ELSD的限滑性能。

在主減速器試驗臺架設(shè)計中，驅(qū)動裝置和加載裝置的設(shè)計是關(guān)鍵，二者可以模擬主減速器在實際路況中的不同受載狀態(tài)。

3.1 試驗臺架驅(qū)動端設(shè)計

考慮到汽車的行駛安全、ELSD 主要適用路況，參考生產(chǎn)廠商提供的資料，試驗臺架的最終設(shè)計指標(biāo)為模擬車速低于40 km/h、主減速器最大輸入扭矩低于1 100 N·m。由某汽車公司提出的設(shè)計參數(shù)可知，當(dāng)某車輛處于加速起動時，車速為9 km/h，速比為2.56 的主減速器輸入端轉(zhuǎn)速為250 r/min，轉(zhuǎn)矩為1 082 N·m。由此可得驅(qū)動端的功率為：

式中，P為驅(qū)動端功率；T為主減速器輸入扭矩；n為主減速器輸入端轉(zhuǎn)速。

試驗臺架驅(qū)動端設(shè)計的關(guān)鍵點之一是盡量模擬汽車發(fā)動機(jī)的運行工況，使輸入轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滿足試驗要求，且能根據(jù)試驗要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前臺架中的驅(qū)動端多由發(fā)動機(jī)、交流異步電機(jī)、伺服電機(jī)等配合多級變速器組成，3種典型驅(qū)動端組合的優(yōu)、缺點如表1所示。

表1 驅(qū)動端方案比較

充分考慮經(jīng)濟(jì)因素和現(xiàn)場使用效果，本文選用型號為SLM-4030E1506E45JR 的交流伺服電機(jī)和型號為WLY6G70 的6 擋變速器共同組成驅(qū)動端。電機(jī)的額定功率為30 kW，額定扭矩為191 N·m，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，供電電壓為380 V。變速器倒擋速比為5.395，1～6 擋速比分別為6.012、3.292、2.004、1.367、1、0.789。

依據(jù)兩者性能參數(shù)和實際工作范圍的不同，驅(qū)動端在不同擋位下轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線如圖2所示，曲線所圍成的范圍即為驅(qū)動端的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測試范圍。

圖2 驅(qū)動端轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩輸出關(guān)系

3.2 試驗臺架加載端設(shè)計

根據(jù)加載部件的不同，加載試驗臺架可分為機(jī)械加載和電加載，從結(jié)構(gòu)形式上又可分為開放式加載和封閉式加載兩種[8]。開放式加載和封閉式加載的應(yīng)用均比較廣泛，且技術(shù)較為成熟，但適用的試驗項目不同[9]。針對ELSD 轉(zhuǎn)矩分配動、靜態(tài)性能試驗時間短、啟動頻繁、轉(zhuǎn)矩范圍大的特點，本文采用開放式試驗臺架設(shè)計方案，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

開放式試驗臺架中的能量輸入多以熱能或電能進(jìn)行消耗，因此，典型開放式臺架設(shè)計多采用磁粉制動器作為加載裝置。磁粉制動器以磁粉為介質(zhì)，通過勵磁電流產(chǎn)生磁場以控制加載轉(zhuǎn)矩。在工作時，磁粉制動器轉(zhuǎn)矩與勵磁電流的關(guān)系曲線如圖4所示，加載轉(zhuǎn)矩和勵磁電流呈顯著的近似線性關(guān)系。此外，當(dāng)勵磁電流保持一定時，其加載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，基本保持穩(wěn)定[10]。基于上述優(yōu)點，磁粉制動器被廣泛用作加載裝置。本試驗臺架中主減速器輸入端最大轉(zhuǎn)矩設(shè)計為1 100 N·m，主減速比為2.56，因而可得在最大轉(zhuǎn)矩輸入下單個磁粉制動器的轉(zhuǎn)矩為：

式中，Ts為主減速器最大輸入轉(zhuǎn)矩；i為主減速比。

圖3 開放式試驗臺架結(jié)構(gòu)原理

圖4 勵磁電流與加載轉(zhuǎn)矩關(guān)系

參考市場上磁粉制動器的規(guī)格，以及考慮到限滑后的轉(zhuǎn)矩分配，本文選用額定轉(zhuǎn)矩為1 600 N·m 的TJPOD-D-Y-160型磁粉制動器。

3.3 試驗臺架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

試驗臺架機(jī)械本體采用T 型布置方式和模塊化設(shè)計方案，如圖5所示，主要由機(jī)架、驅(qū)動端、加載端、試驗端組成。4 個機(jī)架為焊接件，為避免使用中變形，焊接后進(jìn)行退火，最后通過地腳螺栓固定。交流伺服電機(jī)、變速器和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器共同組成驅(qū)動端，磁粉制動器和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器組成加載端。當(dāng)模擬不同路況時，2個磁粉制動器需要獨立進(jìn)行加載。如需模擬真實路況，需對車輛驅(qū)動輪進(jìn)行受力分析，受力情況如圖6所示。

圖5 ELSD試驗臺架結(jié)構(gòu)

圖6 驅(qū)動后輪受力情況

通過對驅(qū)動輪進(jìn)行受力分析，可得驅(qū)動輪動力學(xué)方程為：

式中，Jtl、Jtr分別為左、右車輪轉(zhuǎn)動慣量；分別為左、右車輪的角加速度；Tl、Tr分別為左、右軸所獲力矩；Ftl、Ftr分別為左、右車輪縱向力；Rt為輪胎滾動半徑；Tflr、Tfrr分別為左、右輪所受滾動阻力矩。

由式（3）可知，磁粉制動器的作用是模擬負(fù)載，其大小等于式中驅(qū)動力矩和滾動阻力矩之和與輪邊減速比的比值?，F(xiàn)作以下假設(shè)：車輛沿直線行走，無橫向擺動，沒有側(cè)向力；車輛質(zhì)量均勻，左右對稱；忽略風(fēng)阻，不考慮制動情況。由此可得滾動阻力矩Tflr、Tfrr和車輪縱向力Ftl、Ftr的表達(dá)式：

式中，l為汽車軸距；a為質(zhì)心到從動軸的水平距離；m為整車質(zhì)量；g為重力加速度；fl、fr分別為左、右輪滾動阻尼系數(shù)；μl、μr分別為左、右輪所在路況的利用附著系數(shù)。

分析可得，在進(jìn)行臺架試驗時，可依據(jù)應(yīng)用該主減速器車型的相關(guān)參數(shù)和預(yù)模擬的路況參數(shù)來確定加載轉(zhuǎn)矩。左、右磁粉制動器加載轉(zhuǎn)矩Tcl、Tcr分別為：

式中，k為車輛輪邊減速比。

在進(jìn)行試驗時，相關(guān)路面附著系數(shù)和滾動阻尼系數(shù)范圍如表2所示[11-12]。

表2 相關(guān)路面的附著系數(shù)和滾動阻尼系數(shù)參考表

4 電子限滑差速器試驗臺架測控系統(tǒng)設(shè)計

4.1 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

測控系統(tǒng)應(yīng)能對驅(qū)動端的轉(zhuǎn)速控制、加載端的加載轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行自動或手動調(diào)節(jié)，以及實現(xiàn)主減速器輸入、輸出端轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號及試驗臺架振動信號的采集。由此搭建測控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 試驗臺架測控系統(tǒng)硬件連接

轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號的采集是關(guān)鍵，考慮到分辨率、適用性等因素，本文將選用綜合誤差為±0.1%的動態(tài)力矩傳感器。在信號采集中，3個轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器將反映各自物理量的4～20 mA 模擬量信號傳給數(shù)據(jù)采集控制器。同時使用該數(shù)據(jù)采集控制器對模擬量0～10 V的輸出進(jìn)行自動控制，從而完成對交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁粉制動器轉(zhuǎn)矩的控制。伺服電機(jī)的控制采用蒙德伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器將接收的0～10 V模擬量信號線性轉(zhuǎn)化為對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而較好地實現(xiàn)對主減速器輸入端轉(zhuǎn)速控制。對于磁粉制動器加載力矩的控制，常常采用功率放大器，其將獲取的0～10 V 模擬量信號線性轉(zhuǎn)化為加載轉(zhuǎn)矩值。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和2 個磁粉制動器轉(zhuǎn)矩需要進(jìn)行手動調(diào)節(jié)時，進(jìn)行手動/自動切換，隨后采用多圈緊密電位器進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。此外，在臺架工作時安裝誤差或是機(jī)械松動常導(dǎo)致臺架振動，振動過大會造成試驗對象或傳動系統(tǒng)損壞。因此，將選用3個振動傳感器分別對主減速器進(jìn)行x、y、z方向的監(jiān)測。電子限滑差速器測控系統(tǒng)的主要硬件信息如表3所示。

4.2 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

電子限滑差速器測控系統(tǒng)下位機(jī)在數(shù)據(jù)采集控制器中運行，完成多通道模擬量信號的實時同步采集、多通道模擬量信號的輸出控制。數(shù)據(jù)采集控制器主要實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽⒉捎肕odbus協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。測控系統(tǒng)上位機(jī)使用研華工控機(jī)，軟件采用組態(tài)王編寫，完成人機(jī)交互。上位機(jī)主要包含參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測、試驗數(shù)據(jù)獲取、界面顯示、手/自動切換等功能，軟件功能如8所示。上位機(jī)軟件界面由主界面、歷史曲線界面、實時/歷史報表查詢界面組成，其中主界面如圖9所示。

表3 電子限滑差速器測控系統(tǒng)主要硬件信息

圖8 測控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

圖9 ELSD試驗臺架測控系統(tǒng)主界面

5 試驗測試與結(jié)果分析

為測試設(shè)計完成的試驗臺架能否達(dá)到技術(shù)要求，針對某款電子限滑差速器進(jìn)行路況模擬及限滑試驗，試驗臺架如圖10所示。

圖10 電子限滑差速器試驗臺架

試驗時需要進(jìn)行變速器擋位選擇、變速器擋位填寫、車輛參數(shù)設(shè)置、路面參數(shù)設(shè)置以及電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置等，左、右兩側(cè)分別模擬冰路面和濕瀝青路面，具體參數(shù)如表4所示。

表4 試驗設(shè)置參數(shù)

由于兩側(cè)附著系數(shù)設(shè)置差異較大，在不進(jìn)行限滑的情況下車輛將會打滑。兩側(cè)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，外部控制器給高速開關(guān)閥施加PWM信號，觀察兩側(cè)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化，試驗曲線如圖10和圖11所示。

圖10 左、右半軸轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

圖11 左、右半軸轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線

由圖10 和圖11 可知，在第1～3 s 之間，兩側(cè)轉(zhuǎn)矩大致穩(wěn)定，并具有一定差值。附著系數(shù)大的右側(cè)轉(zhuǎn)矩較左側(cè)轉(zhuǎn)矩大約50 N·m，左側(cè)轉(zhuǎn)速提高至約156 r/min，右側(cè)轉(zhuǎn)速近似為0。這是由于未進(jìn)行限滑時，兩側(cè)附著系數(shù)差值較大，差速器只能依靠行星齒輪發(fā)生自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的內(nèi)摩擦完成有限的轉(zhuǎn)矩分配，且附著系數(shù)小的左側(cè)轉(zhuǎn)速為差速器殼體轉(zhuǎn)速的2倍。在第3.2～3.8 s之間，右側(cè)轉(zhuǎn)矩增大，兩側(cè)轉(zhuǎn)速趨向相等。此時，外部控制器施加PWM信號，活塞運動產(chǎn)生內(nèi)摩擦，左側(cè)轉(zhuǎn)矩基本不變，右側(cè)轉(zhuǎn)矩增大為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。同時，由于活塞推動產(chǎn)生內(nèi)摩擦，行星齒輪不再自轉(zhuǎn)，兩側(cè)轉(zhuǎn)速趨向相同且等于殼體轉(zhuǎn)速。由以上分析可知，當(dāng)施加占空比為65%的PWM 信號時，其產(chǎn)生的內(nèi)摩擦較大，使主減速器在試驗時達(dá)到了剛性連接的效果。

經(jīng)過測試，電子限滑差速器測控系統(tǒng)工作正常、穩(wěn)定、可靠，試驗結(jié)果與理論計算值相符。

6 結(jié)束語

本文以某款電子限滑差速器為試驗對象進(jìn)行試驗臺架設(shè)計，通過分析其工作原理及構(gòu)建臺架加載模型，搭建了試驗臺架機(jī)械本體和測控系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，試驗臺架能夠配合控制器模擬左、右輪的不同加載狀態(tài)，對電子限滑差速器進(jìn)行限滑性能分析。