重型卡車在混合工況使用時(shí)ASR代替驅(qū)動(dòng)輪輪間差速鎖研究

關(guān)鍵詞：混合工況； ASR ；輪間差速鎖

0 引言

隨著國家法規(guī)GB 1589 對(duì)整車總質(zhì)量的嚴(yán)格限制，以及監(jiān)管部門對(duì)按軸收費(fèi)政策JT/ T489 的嚴(yán)格實(shí)施，用戶對(duì)輕量化車輛的需求變得愈發(fā)迫切。這就要求制造商在開發(fā)制造重卡時(shí)，不僅要實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)以降低車輛自重，還要確保車輛能夠順利通過各種隨機(jī)出現(xiàn)的惡劣路況（ 當(dāng)然還包括降低使用成本的要求）。

當(dāng)用戶在使用車輛進(jìn)行營運(yùn)時(shí)，普遍面臨著最后幾公里的困擾。無論是發(fā)貨方還是收貨方，他們的位置或倉庫往往位于良好路況之外。這時(shí)，車輛就不得不行駛在坑洼、泥濘或濕滑路面上。對(duì)于裝有單級(jí)減速驅(qū)動(dòng)橋（ 輕量化公路車的常見配置）的車輛來說，在這樣的路況下很容易出現(xiàn)輪胎打滑、側(cè)滑甩尾等問題，甚至可能導(dǎo)致輪間閉鎖損壞，從而嚴(yán)重影響車輛的通過性和安全性（ 見圖1、圖2、圖3）。

1 機(jī)理分析

為了解決上述問題，我們與制動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商進(jìn)行了深入的溝通交流，并進(jìn)行了理論分析。出現(xiàn)這個(gè)問題的原因?yàn)椋簡螠p橋受其較大的自身結(jié)構(gòu)限制，輪間差速鎖的強(qiáng)度和可靠性相對(duì)較低。部分車橋甚至未設(shè)計(jì)輪間差速鎖，導(dǎo)致車輛在非對(duì)稱路面行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪的輪速會(huì)明顯高于前輪（ 這種情況會(huì)引起輪胎的異常磨損）。當(dāng)左右路面的附著系數(shù)不同（ 或者左右輪的輪荷不同） 時(shí)，在車輛加速階段容易造成左右輪速不一致，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致甩尾現(xiàn)象的發(fā)生，或者使車輛無法駛出困境，或者造成輪胎因差速打滑而異常磨損，甚至導(dǎo)致差速鎖損壞，進(jìn)而引發(fā)安全事故。

解決辦法是取消輪間差速鎖（ 見圖4）。差速鎖的功能是在車輛正常行駛時(shí)，確保各個(gè)輪胎處于滾動(dòng)狀態(tài)，從而消除因路面差異導(dǎo)致的輪胎異常磨損。當(dāng)某個(gè)輪胎打滑時(shí)，差速鎖會(huì)啟動(dòng)閉鎖功能，使車橋上的輪胎以相同的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而確保車輛能夠正常運(yùn)行。為了消除輪胎異常磨損和差速鎖易損壞的問題，我們可以采用ASR（ 牽引力控制系統(tǒng)）+ABS（ 防抱死制動(dòng)系統(tǒng)） 來實(shí)現(xiàn)差速鎖的功能。由于ABS 已經(jīng)是卡車的標(biāo)配，這里我們單獨(dú)介紹一下ASR。ASR 的全稱是Acceleration SlipRegulation，即牽引力控制系統(tǒng)或驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)。它的主要作用是防止車輛尤其是大功率車輛，在起步和加速過程中驅(qū)動(dòng)輪打滑，從而保持車輛行駛方向的穩(wěn)定性。ASR 通過感知驅(qū)動(dòng)車輪的信號(hào)，經(jīng)過ECU 的判別，通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門或?qū)χ苿?dòng)器進(jìn)行干預(yù)，來防止車輪打滑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車牽引力的控制，確保車輛的正常行駛。ASR 可以最大限度地利用發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，保證車輛在起動(dòng)、加速和轉(zhuǎn)向過程中的穩(wěn)定性。其工作原理如圖5 所示。

當(dāng)汽車行駛在易滑（ 低附著） 路面上時(shí)，沒有ASR 的汽車在加速時(shí)驅(qū)動(dòng)輪容易打滑。如果是后驅(qū)動(dòng)輪打滑，車輛容易甩尾；如果是前驅(qū)動(dòng)打滑，車輛的方向容易失控。而配備了ASR的汽車在加速時(shí)就可以減輕或避免這種現(xiàn)象。在轉(zhuǎn)彎時(shí)，如果發(fā)生驅(qū)動(dòng)輪打滑，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)車輛向一側(cè)偏移。而ASR 則可以使車輛沿著正確的路線轉(zhuǎn)向。ASR 與ABS 的區(qū)別在于，ABS是防止車輪在制動(dòng)時(shí)被抱死而產(chǎn)生側(cè)滑，而ASR 則是防止汽車在加速時(shí)因驅(qū)動(dòng)輪打滑而產(chǎn)生的側(cè)滑。ASR 是在ABS 基礎(chǔ)上的擴(kuò)充，沒有ABS 就無法實(shí)現(xiàn)ASR，兩者相輔相成，但ABS是基礎(chǔ)。

從以上分析可以看出，在短暫經(jīng)過非對(duì)稱路面行駛的情況下，ABS+ASR 的功能完全可以替代輪間差速鎖的作用，并且還具有智能控制、高可靠性的優(yōu)勢(shì)，能夠有效避免機(jī)械故障的發(fā)生。

2 解決方案

針對(duì)車輛在非對(duì)稱路面上的輪胎打滑、無法駛出、甩尾以及輪間閉鎖容易損壞等問題，我們提出了采用6 通道（ 最少要比驅(qū)動(dòng)橋多2 個(gè)通道）ABS+ASR 的解決方案。此方案旨在防止輪胎異常磨損，并確保車輛在各種路面條件下都能穩(wěn)定行駛。

為何采用6 通道ABS+ASR ？對(duì)于一般的4 橋車，ABS系統(tǒng)通常采用4S4M 配置（ 圖6），即4 個(gè)通道足以保證制動(dòng)時(shí)車輛的良好操縱性。但這種配置存在明顯缺陷：由于后2 個(gè)驅(qū)動(dòng)橋中只有一個(gè)橋上有傳感器，對(duì)另一個(gè)橋上的狀態(tài)判斷可能缺失或錯(cuò)誤。當(dāng)沒有傳感器的橋打滑時(shí)，ASR 功能無法被激活；而當(dāng)有傳感器的橋打滑時(shí)，ASR 功能可能對(duì)2 個(gè)橋的一側(cè)車輪全部作用，導(dǎo)致錯(cuò)誤的動(dòng)作。因此，為了精確控制每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的差速動(dòng)作，必須選用6 通道ABS+ASR 系統(tǒng)（ 因?yàn)檗D(zhuǎn)向前橋也需要2 個(gè)通道，圖7）。

再來看ABS+ASR 工作原理。ABS+ASR 系統(tǒng)中的每個(gè)輪上傳感器都會(huì)監(jiān)控所有驅(qū)動(dòng)車輪的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。一旦檢測(cè)到有打滑車輪出現(xiàn)，系統(tǒng)會(huì)立即對(duì)打滑車輪進(jìn)行干預(yù)，以防止起步時(shí)打滑（ASR 功能） 以及車輪在非對(duì)稱路面行駛時(shí)突然打滑導(dǎo)致的車輛甩尾。通過OEM 軟件，可以標(biāo)定ASR 介入比率，從而進(jìn)一步提高車輛的通過性。這意味著，經(jīng)過標(biāo)定后，驅(qū)動(dòng)橋上可以取消機(jī)械式輪間差速鎖。在實(shí)際工作中，如果ABS 的ECU 激活了ASR 功能，當(dāng)車速低于35 km/h（ 以WABCO 為例） 時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行差速制動(dòng)；而當(dāng)車速高于此值時(shí)，會(huì)通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)出TSC1 報(bào)文請(qǐng)求發(fā)動(dòng)機(jī)降低轉(zhuǎn)速。安裝ASR 的功能價(jià)值和整車要求如表1 所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了充分驗(yàn)證該方案的合理性和可行性，我們進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)方法如下。

3.1 ASR 低附啟動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)方法：車輛處于空載狀態(tài)且不帶掛，使用千斤頂將后橋的一側(cè)驅(qū)動(dòng)輪墊起，使其處于懸空狀態(tài)。隨后發(fā)動(dòng)車輛，并緩慢踩踏油門踏板，此時(shí)被墊起的車輪會(huì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象，以此模擬車輛在低附著路面上的啟動(dòng)情況。

試驗(yàn)限值：期望的結(jié)果是車輛能夠順利從千斤頂上脫離并正常開動(dòng)，這表明ASR 系統(tǒng)在低附著路面上能夠有效防止車輪打滑，提供足夠的牽引力使車輛啟動(dòng)。

3.2 ASR 沙石路被陷啟動(dòng)試驗(yàn)

3.2.1 半幅車輪掩埋測(cè)試

試驗(yàn)方法：車輛滿載并帶掛車，停在沙石路面上。將后橋的驅(qū)動(dòng)輪用沙石掩埋至車輪中心高度，然后車輛掛Ⅰ擋啟動(dòng)，并緩慢踩踏油門踏板。

試驗(yàn)限值：期望車輛能夠順利從沙堆中脫離并正常開動(dòng)，這證明了ASR 系統(tǒng)在車輪部分掩埋的情況下仍能提供足夠的牽引力，幫助車輛擺脫困境。

3.2.2 整幅車輪掩埋測(cè)試

試驗(yàn)方法：與半幅車輪掩埋測(cè)試類似，但此次將后橋的驅(qū)動(dòng)輪完全用沙石掩埋。車輛同樣掛Ⅰ擋啟動(dòng)，并緩慢踩踏油門踏板。

試驗(yàn)限值：同樣期望車輛能夠順利從沙堆中脫離并正常開動(dòng)，這進(jìn)一步驗(yàn)證了ASR 系統(tǒng)在車輪完全掩埋的極端情況下的牽引力和防滑性能。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過上述試驗(yàn)驗(yàn)證，我們可以得出以下結(jié)論（ 見表2），ABS+ASR 功能不僅完全達(dá)到了輪間閉鎖的效果，而且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，無需人工干預(yù)。

4 結(jié)論

隨著市場(chǎng)對(duì)輕量化車輛需求的日益增長，特別是在運(yùn)輸公路的首尾端常出現(xiàn)的混合工況（ 即非對(duì)稱路面） 條件下，車輛驅(qū)動(dòng)橋的技術(shù)革新顯得尤為重要。本研究發(fā)現(xiàn)，采用比驅(qū)動(dòng)輪多2 個(gè)通道（ 對(duì)于2 個(gè)后驅(qū)動(dòng)橋的車輛而言，即6 通道） 的ABS+ASR 組合，可以作為一種有效的替代方案，來替代傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)橋輪間閉鎖功能。這一技術(shù)革新在確保車輛實(shí)現(xiàn)輕量化提升和可靠性提高的同時(shí)，也顯著提升了車輛的安全性和通過性。此外，從經(jīng)濟(jì)性的角度來看，這一技術(shù)革新也帶來了顯著的效益。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)，采用該技術(shù)的車輛每年損失費(fèi)用可以節(jié)省約2 000 元（ 具體數(shù)據(jù)見表1）。這一節(jié)省主要來源于車輛行駛效率的提高、輪胎磨損的減少以及維修成本的降低等方面。

綜上所述，采用6 通道的ABS+ASR 組合替代驅(qū)動(dòng)橋的輪間閉鎖功能，不僅符合市場(chǎng)對(duì)輕量化車輛的需求，也能夠在復(fù)雜工況下確保車輛的安全性和通過性，同時(shí)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)性效益。因此，該技術(shù)革新具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。