汽車驅動橋傳動效率試驗臺的研制及測試

章德平 莫易敏 趙木青

武漢理工大學，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動機系統和傳動系統的技術狀況［1］。驅動橋位于汽車傳動系統的末端，其基本功用是增大由傳動系統上游部件傳遞過來的轉矩，將轉矩分配給驅動橋輸出端兩側的驅動車輪，并使驅動車輪具有汽車行駛所必需的差速功能，同時還要承受各種外來作用力［2］。傳動效率是評價汽車驅動橋系統工作性能的一項重要指標，對汽車驅動橋的使用性能乃至整車的燃油經濟性都有很大影響。對汽車驅動橋傳動效率進行準確測量，不僅有利于深入開展驅動橋的優化研究，而且可以為整個傳動系統的動力匹配提供有力的數據支持。要進行汽車驅動橋傳動效率的測試分析，就需要一個具有很強針對性的測試平臺。利用專門的試驗臺架模擬驅動橋實際工況進行傳動效率測試，具有價格低廉和可控性強等特點，自然成為了汽車驅動橋傳動效率測試的最理想選擇。

1 試驗臺總體設計

汽車驅動橋傳動效率試驗臺的基本原理就是通過分別測量汽車驅動橋測試樣件的輸入功率和輸出功率，進而根據相應數學模型計算出汽車驅動橋系統的傳動效率。驅動橋傳動效率測試原理大致如下：以驅動電機作為動力源對驅動橋測試樣件進行拖動，驅動橋測試樣件輸出端兩側都有一臺加載電機進行模擬加載；驅動電機和加載電機均可以工作在電動和發電兩種狀態，測試過程中驅動電機以變頻調速的電動機方式模擬發動機工作，可以吸收直流母線能量；加載電機吸收驅動橋測試樣件機械能以發電機方式模擬工作負載，將機械能轉化為電能并通過直流母線反饋給輸入電機，實現能量閉環。

在驅動電機與驅動橋測試樣件輸入端之間設有扭矩法蘭，可以測得輸入扭矩；在加載電機和驅動橋測試樣件輸出端之間均設置扭矩法蘭，可以測量輸出扭矩；至于輸入端轉速和兩側輸出端轉速，由于驅動電機和加載電機內部均自帶旋轉編碼器，故可直接獲取。將測得的輸入輸出扭矩參數、輸入輸出轉速參數進行數據處理就能得到系統輸入功率、輸出功率及傳動效率。汽車驅動橋傳動效率試驗臺布置如圖1所示。

圖1 汽車驅動橋效率試驗臺布置圖

2 測控系統的設計

試驗臺測控系統采用工控機和PLC主從式結構［3］。如圖2所示，工控機作為上位機負責人機交互以及控制信號的產生，PLC作為下位機接收工控機的命令對電機進行控制并定時采集傳感器檢測的轉矩和轉速信號，兩者可以通過標準接口進行相互通信，PLC通過通信模塊將系統所需的扭矩、轉速等參數以信號形式分別發送給各個異步電機的變頻控制系統，由變頻控制系統改變異步電機的工作特性，各個異步電機工作時的扭矩、轉速參數的實時數據又會及時地傳遞回PLC，經過PLC的分析處理，可以實現與工控機的數據交流，進而控制各個電機運行。

圖2 測控系統結構圖

2.1 變頻控制系統

所有電機變頻控制均采取直接轉矩控制（DTC），由于直接轉矩控制沒有采用解耦的方式，所以在算法上并不存在旋轉坐標變換，通過簡單檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉矩，并與給定值進行比較，根據所得差值就能實現轉矩的直接控制［4］。試驗臺所用的交流變頻控制系統為具有明確定義功能和接口的ABB最新一代全數字變頻器控制裝置ACS800，其最大的優點就是采用了通用技術，具有廣泛的適應性。變頻控制系統可以分成兩個基本部分：轉矩控制環和速度控制環。

2.1.1轉矩控制環

異步電機的直流母線電壓和定子電流以及逆變器的開關狀態由相應檢測單元進行檢測之后，相應信息流入自適應電機模型。在DTC傳動運行之前，自適應電機模型在電機辨識的過程中收集數據，這個過程被稱為自動辨識。通過自動辨識過程，電機模型可以進行精確計算并輸出描述電機實際轉矩和磁通狀態的控制信號，同時也輸出電機軸的轉速［5］。描述電機實際轉矩和磁通狀態的控制信號進入比較器后每隔25ms就與給定值進行一次比較，通過計算得出的轉矩和磁通狀態信號隨即被輸送到優化脈沖選擇器，優化脈沖選擇器內部使用的數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邏輯。轉矩控制框圖見圖3。

圖3 轉矩控制框圖

為獲得高動態性能的轉矩輸出，轉矩波動被限制在一定的容差范圍內，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逆變器的半導體開關裝置收到一個脈沖來控制功率器件的通斷或保持，以保證電機轉矩的精確性。

2.1.2速度控制環

轉矩控制系統性能直接影響速度控制系統的動、靜態性能［6］。在直接轉矩控制中，通常是由速度控制器根據給定速度與實際速度的偏差產生給定轉矩信號，實際速度通常是借助速度傳感器來獲取的，但系統引入速度傳感器增加了系統的復雜性及成本，因此無速度傳感器技術就成為一種更理想的選擇。本試驗臺速度控制以自適應理論為基礎，通過選擇合適的參數自適應律，利用轉子磁鏈方程構建了無速度傳感器直接轉矩控制系統［7］。

具體速度控制過程如下：在轉矩給定控制器的內部，速度控制輸出信號為轉矩限幅和直流母線電壓所限制；當使用外部轉矩信號進行速度控制時，從轉矩給定控制器輸出的內部轉矩給定進入轉矩比較器；當使用外部轉速信號進行速度控制時，外部速度給定信號與電機模型輸出的實際速度進行比較，偏差信號進入PID調節器和加速補償器，速度控制器的輸出為PID調節器輸出值和加速補償器輸出值之和。速度控制框圖見圖4。

圖4 速度控制框圖

2.2 數據采集系統

試驗過程中對轉矩、轉速等參數進行持續采集是試驗臺數據采集系統的主要任務［8］。采集任務是由布置在相關位置的各種傳感器實現的，通過這些傳感器將采集到的數據參數傳送到PLC上，再由PLC對收集來的所有數據進行處理。

相應傳感器所采集到的扭矩或轉速參數，通過轉換模塊輸入PLC分析處理之后，由通信模塊反饋給變頻控制系統，就可以調整異步電機的扭矩或轉速，實現對扭矩或轉速的閉環控制。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、濕度等數據等參數進行監控，出現異常情況及時進行報警。

2.3 電封閉系統

汽車試驗臺大體可分為開放式和封閉式兩大類。開放式試驗臺結構簡單，但其輸入功率除維持系統運轉外，其余全部被加載裝置以熱能形式消耗掉，運行成本較高，故不宜進行大功率加載試驗。封閉式試驗臺具有功率回收功能，動力源發出的功率可以部分反饋回來，具有能耗低的優點，因此適合較大功率的長時間運轉試驗。

封閉式試驗臺又可以分為機械封閉式和電封閉式兩大類［9］。機械封閉式試驗臺機械結構非常復雜，試驗過程中加載的變化和扭矩的準確控制等功能都不易實現，且試驗性能不夠穩定，通用性較差。電封閉式試驗臺在進行加載的同時還可以實現發電的功能，發出的電通過閉環系統提供給電動機或反饋給電網，以降低試驗能耗，電封閉式試驗臺具有能源利用效率高和能夠實現動態加載等優點。

電封閉式試驗臺又可進一步細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臺通過閉環系統將電能反饋回電網循環利用，對電氣設備運行的同步同相要求較高，從而導致電氣設備復雜，工作可靠性差，且容易對公共電網造成污染。直流電能反饋式試驗臺則不存在此問題，電機發出的電不送回電網，而是送回到電動機，電氣設備簡單，工作可靠性高［10］。

綜合各種因素，本文所設計的試驗臺采用基于直流母線的電封閉結構形式，即將一臺驅動電機和兩臺加載電機變頻系統的直流母線互聯，三臺電機可分別工作在電動狀態和發電狀態兩種模式。當試驗臺進行驅動橋正向扭矩加載時，驅動電機工作在電動狀態，整流單元將電網中送來的交流電轉化成直流電供給直流母線，驅動電機通過逆變器從直流母線上獲取電能驅動測試橋樣件運轉；而此時加載電機工作在發電狀態，將驅動電機經測試樣件送來的機械能轉換為電能，并將這部分電能進行逆變回饋至直流母線。由于外部電網到直流母線間的能量傳輸只是單向傳輸，故避免了電機發電對公共電網造成污染。電封閉系統原理如圖5所示。

圖5 汽車驅動橋傳動效率試驗臺電封閉系統原理圖

由于采用了采用電封閉結構，故能量可以在上述封閉系統內連續流動，形成能量封閉系統。在實際測試過程中，由于存在能量損耗，故系統需要從外界補充部分能量來彌補能量損耗。為了防止由于電樞并聯使發電機也處于電動狀態，電動機與發電機的電樞回路要用單向導通的二極管隔離開。從能量的角度來看，外界只需要供應上述能量循環過程中由于機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運轉，從而實現最大程度地利用能量的目標。

3 軟件結構設計

作為中央監控計算機，工控機中安裝了控制軟件，控制軟件界面如圖6所示。控制軟件設計是試驗臺控制系統的核心，根據設計方案，軟件設計必須兼顧控制功能的實現和系統總體布局的需要，既要能實現各模塊的控制任務，又要便于實現系統的機電一體化控制。目前控制系統的發展趨勢是豐富軟件功能、簡化硬件結構，從而提高系統的可靠性和智能性，并有利于系統功能的擴展［11］。

汽車驅動橋傳動效率試驗臺軟件系統采用VC＋＋作為開發工具，采用模塊化設計方法，實現了系統狀態監控、系統參數設置及數據實時顯示等功能，界面直觀，操作便捷。如圖7所示，該軟件系統主要功能模塊如下：

圖6 控制軟件界面圖

圖7 軟件系統功能模塊圖

（5）數據處理模塊。對測試得到的扭矩和轉速參數進行處理，得到對應的系統效率值。

（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 試驗臺測試應用

（1）控制參數輸入模塊。具有開放的載荷譜編輯功能，可按照一定格式設置進行連續效率測試試驗的一系列包含加載負荷－輸入轉速－持續時間的試驗節點，即可在自動試驗模式下，按照設定的試驗程序自動完成全部試驗循環。

（2）數據存儲模塊。將測試過程中扭矩和轉速數據進行記錄并存儲下來，輸出數據報表。

（3）數據動態顯示模塊。以實時數據或趨勢曲線的形式顯示當前驅動電機轉速及扭矩、加載電機的轉速及扭矩、被測驅動橋樣件內齒輪潤滑油溫度等狀態信息。

（4）報警監控模塊。可設定轉速、扭矩、油溫、驅動橋測試樣件安裝基板振動量等試驗參數的報警上限，對試驗過程中的各項試驗參數進行實時監控，出現異常情況時可以按照報警分級處理設置對各種故障狀態執行相應的處理程序。

現以某型號驅動橋為例，進行該驅動橋系統傳動效率的測試。

試驗1 保持加載電機的負載為400N·m，將驅動橋測試樣件輸入轉速由300r／min逐漸增大到2700r／min，具體測定結果見表1。由測試結果可以發現：當加載電機的負載為恒定值時，隨著輸入轉速的增大，系統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增大；雖然系統功率損失絕對值是增大的，但系統輸入功率也是增大的且幅度更大，因此系統負載恒定時，驅動橋的傳動效率隨輸入轉速的增大而相應增大。

試驗2 保持測試的輸入轉速為2700r／min，將加載電機的負載由100N·m逐漸增大到1kN·m，具體測定結果見表2。

表1 試驗1測試結果

表2 試驗2測試結果

由測試結果可以發現：當輸入轉速為恒定值時，隨著加載電機負載的增大，攪油功率損失基本不變化，系統功率損失的增大主要來自于齒輪嚙合功率損失的增大；雖然系統功率損失絕對值是增大的，但系統輸入功率也是增大的且幅度更大，因此，當系統輸入轉速恒定時，驅動橋的傳動效率隨著負載增大而相應增大。

5 結語

實際測試結果表明：該試驗臺結構合理，操作方便，使用范圍廣，運行時系統穩定可靠，總體能耗較小，完全能滿足現實工作中的測試要求。

［1］許紅平，應富強，宋玲玲.機械傳動系統多功能試驗臺的設計研究［J］.機電工程，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，聞居博.CVT效率臺架試驗與分析［J］.傳動技術，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.變速器試驗臺測控系統的研制［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.變速器試驗臺測控系統設計［J］.測控技術，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，吳堅蘭，李浩，等.變速箱試驗臺控制系統［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.