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(yàn)臺(tái)架 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 測(cè)控系統(tǒng)

1 前言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車安全性與舒適性的要求也在不斷提高[1]。近年來(lái)，電子限滑差速器（Electronic Limited Slip Differential，ELSD）作為提高汽車主動(dòng)安全性和操縱穩(wěn)定性的關(guān)鍵部件，引起了國(guó)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(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)摩擦力矩，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪左、右側(cè)轉(zhuǎn)矩的不均勻分配，從而達(dá)到對(duì)車輛牽引力和操縱穩(wěn)定性的控制[3]。

目前，針對(duì)主減速器試驗(yàn)臺(tái)架，國(guó)外已有較為深入的研究，但國(guó)內(nèi)研究還較少[4]，且大多針對(duì)傳統(tǒng)主減速器，其功能無(wú)法完全滿足ELSD的性能測(cè)試。

本文在對(duì)ELSD 限滑原理和工作范圍分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)以磁粉制動(dòng)器、變速器、交流伺服電機(jī)為主要元件的試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)本體，開(kāi)發(fā)集路況模擬、數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控保護(hù)為一體的試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)。同時(shí)，通過(guò)道路負(fù)載模擬不僅可以完成ELSD本體限滑性能檢測(cè)，還可以驗(yàn)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(shí)現(xiàn)兩驅(qū)動(dòng)輪間的轉(zhuǎn)矩不均勻分配，從而提高車輛對(duì)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(dòng)控制式3類[6]。本文設(shè)計(jì)的臺(tái)架測(cè)試對(duì)象為主動(dòng)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(kāi)關(guān)閥、由端蓋和擺線泵組成的動(dòng)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(shí)，擺線泵的轉(zhuǎn)子與定子間出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，油液進(jìn)入油路。在脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)控制下，高速開(kāi)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(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的線性控制[7]。基于以上分析，當(dāng)車輛兩驅(qū)動(dòng)輪出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差時(shí)，通過(guò)不同占空比的PWM 信號(hào)來(lái)控制高速開(kāi)關(guān)電磁閥，即可使活塞對(duì)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(wú)級(jí)調(diào)節(jié)：當(dāng)PWM信號(hào)的占空比為100%時(shí)，兩驅(qū)動(dòng)輪剛性連接；當(dāng)PWM信號(hào)的占空比為0時(shí)，與普通差速器無(wú)異。

3 電子限滑差速器試驗(yàn)臺(tái)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

在主減速器試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)裝置和加載裝置的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，二者可以模擬主減速器在實(shí)際路況中的不同受載狀態(tài)。

3.1 試驗(yàn)臺(tái)架驅(qū)動(dòng)端設(shè)計(jì)

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(yàn)臺(tái)架的最終設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)可知，當(dāng)某車輛處于加速起動(dòng)時(shí)，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(dòng)端的功率為：

式中，P為驅(qū)動(dòng)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(yàn)臺(tái)架驅(qū)動(dòng)端設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一是盡量模擬汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況，使輸入轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滿足試驗(yàn)要求，且能根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前臺(tái)架中的驅(qū)動(dòng)端多由發(fā)動(dòng)機(jī)、交流異步電機(jī)、伺服電機(jī)等配合多級(jí)變速器組成，3種典型驅(qū)動(dòng)端組合的優(yōu)、缺點(diǎn)如表1所示。

表1 驅(qū)動(dòng)端方案比較

充分考慮經(jīng)濟(jì)因素和現(xiàn)場(chǎng)使用效果，本文選用型號(hào)為SLM-4030E1506E45JR 的交流伺服電機(jī)和型號(hào)為WLY6G70 的6 擋變速器共同組成驅(qū)動(dòng)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(shí)際工作范圍的不同，驅(qū)動(dòng)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(dòng)端的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)試范圍。

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

3.2 試驗(yàn)臺(tái)架加載端設(shè)計(jì)

根據(jù)加載部件的不同，加載試驗(yàn)臺(tái)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(kāi)放式加載和封閉式加載兩種[8]。開(kāi)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(yàn)項(xiàng)目不同[9]。針對(duì)ELSD 轉(zhuǎn)矩分配動(dòng)、靜態(tài)性能試驗(yàn)時(shí)間短、啟動(dòng)頻繁、轉(zhuǎn)矩范圍大的特點(diǎn)，本文采用開(kāi)放式試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)方案，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

開(kāi)放式試驗(yàn)臺(tái)架中的能量輸入多以熱能或電能進(jìn)行消耗，因此，典型開(kāi)放式臺(tái)架設(shè)計(jì)多采用磁粉制動(dòng)器作為加載裝置。磁粉制動(dòng)器以磁粉為介質(zhì)，通過(guò)勵(lì)磁電流產(chǎn)生磁場(chǎng)以控制加載轉(zhuǎn)矩。在工作時(shí)，磁粉制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩與勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線如圖4所示，加載轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁電流呈顯著的近似線性關(guān)系。此外，當(dāng)勵(lì)磁電流保持一定時(shí)，其加載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，基本保持穩(wěn)定[10]?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，磁粉制動(dòng)器被廣泛用作加載裝置。本試驗(yàn)臺(tái)架中主減速器輸入端最大轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)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(gè)磁粉制動(dòng)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(kāi)放式試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)原理

圖4 勵(lì)磁電流與加載轉(zhuǎn)矩關(guān)系

參考市場(chǎng)上磁粉制動(dòng)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(dòng)器。

3.3 試驗(yàn)臺(tái)架整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)架機(jī)械本體采用T 型布置方式和模塊化設(shè)計(jì)方案，如圖5所示，主要由機(jī)架、驅(qū)動(dòng)端、加載端、試驗(yàn)端組成。4 個(gè)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(guò)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(dòng)端，磁粉制動(dòng)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(shí)，2個(gè)磁粉制動(dòng)器需要獨(dú)立進(jìn)行加載。如需模擬真實(shí)路況，需對(duì)車輛驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行受力分析，受力情況如圖6所示。

圖5 ELSD試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)

圖6 驅(qū)動(dòng)后輪受力情況

通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行受力分析，可得驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)力學(xué)方程為：

式中，Jtl、Jtr分別為左、右車輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)半徑；Tflr、Tfrr分別為左、右輪所受滾動(dòng)阻力矩。

由式（3）可知，磁粉制動(dòng)器的作用是模擬負(fù)載，其大小等于式中驅(qū)動(dòng)力矩和滾動(dòng)阻力矩之和與輪邊減速比的比值。現(xiàn)作以下假設(shè)：車輛沿直線行走，無(wú)橫向擺動(dòng)，沒(méi)有側(cè)向力；車輛質(zhì)量均勻，左右對(duì)稱；忽略風(fēng)阻，不考慮制動(dòng)情況。由此可得滾動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(tái)架試驗(yàn)時(shí)，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(lái)確定加載轉(zhuǎn)矩。左、右磁粉制動(dòng)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(yàn)時(shí)，相關(guān)路面附著系數(shù)和滾動(dòng)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(dòng)阻尼系數(shù)參考表

4 電子限滑差速器試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)驅(qū)動(dòng)端的轉(zhuǎn)速控制、加載端的加載轉(zhuǎn)矩控制進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)，以及實(shí)現(xiàn)主減速器輸入、輸出端轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號(hào)及試驗(yàn)臺(tái)架振動(dòng)信號(hào)的采集。由此搭建測(cè)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)硬件連接

轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號(hào)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(dòng)態(tài)力矩傳感器。在信號(hào)采集中，3個(gè)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(hào)傳給數(shù)據(jù)采集控制器。同時(shí)使用該數(shù)據(jù)采集控制器對(duì)模擬量0～10 V的輸出進(jìn)行自動(dòng)控制，從而完成對(duì)交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁粉制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩的控制。伺服電機(jī)的控制采用蒙德伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器將接收的0～10 V模擬量信號(hào)線性轉(zhuǎn)化為對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，從而較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)主減速器輸入端轉(zhuǎn)速控制。對(duì)于磁粉制動(dòng)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(hào)線性轉(zhuǎn)化為加載轉(zhuǎn)矩值。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和2 個(gè)磁粉制動(dòng)器轉(zhuǎn)矩需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)切換，隨后采用多圈緊密電位器進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。此外，在臺(tái)架工作時(shí)安裝誤差或是機(jī)械松動(dòng)常導(dǎo)致臺(tái)架振動(dòng)，振動(dòng)過(guò)大會(huì)造成試驗(yàn)對(duì)象或傳動(dòng)系統(tǒng)損壞。因此，將選用3個(gè)振動(dòng)傳感器分別對(duì)主減速器進(jìn)行x、y、z方向的監(jiān)測(cè)。電子限滑差速器測(cè)控系統(tǒng)的主要硬件信息如表3所示。

4.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電子限滑差速器測(cè)控系統(tǒng)下位機(jī)在數(shù)據(jù)采集控制器中運(yùn)行，完成多通道模擬量信號(hào)的實(shí)時(shí)同步采集、多通道模擬量信號(hào)的輸出控制。數(shù)據(jù)采集控制器主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(cè)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(xiě)，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(cè)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取、界面顯示、手/自動(dòng)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(shí)時(shí)/歷史報(bào)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(cè)控系統(tǒng)主要硬件信息

圖8 測(cè)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

圖9 ELSD試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)控系統(tǒng)主界面

5 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

為測(cè)試設(shè)計(jì)完成的試驗(yàn)臺(tái)架能否達(dá)到技術(shù)要求，針對(duì)某款電子限滑差速器進(jìn)行路況模擬及限滑試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架如圖10所示。

圖10 電子限滑差速器試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)時(shí)需要進(jìn)行變速器擋位選擇、變速器擋位填寫(xiě)、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(yàn)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(huì)打滑。兩側(cè)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，外部控制器給高速開(kāi)關(guān)閥施加PWM信號(hào)，觀察兩側(cè)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化，試驗(yàn)曲線如圖10和圖11所示。

圖10 左、右半軸轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線

圖11 左、右半軸轉(zhuǎn)矩隨時(shí)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(shí)，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(shí)，外部控制器施加PWM信號(hào)，活塞運(yùn)動(dòng)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(shí)，由于活塞推動(dòng)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(hào)時(shí)，其產(chǎn)生的內(nèi)摩擦較大，使主減速器在試驗(yàn)時(shí)達(dá)到了剛性連接的效果。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，電子限滑差速器測(cè)控系統(tǒng)工作正常、穩(wěn)定、可靠，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值相符。

6 結(jié)束語(yǔ)

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