重型汽車雙驅動橋試驗臺研制

陳宗林，晏 濤，晏 飄，賈志強

（中國汽車工程研究院，重慶 401122）

重型汽車大多采用6×4結構型式，在實際使用中，驅動橋損壞比例相對較高，特別是工程車輛。這與使用環境惡劣有關外，還與在驅動橋設計階段的試驗驗證方法有關。一直以來，我國對驅動橋的臺架試驗方法[1]都是采用對中后驅動橋進行分別試驗，所加試驗載荷經驅動橋的臺架試驗方法計算獲得，并對試件施加這個恒定載荷。該試驗方法與車輛實際使用工況嚴重不符，為了減少損壞，車橋制造廠不斷從設計、工藝、材料等方面提高驅動橋性能，導致車輛簧下質量不斷增加，對車輛安全平穩運行造成威脅。本研究針對該試驗方法的弊端，研制了雙驅動橋試驗臺，載荷的施加除了傳統的穩態載荷外，還能夠按預給定的載荷譜進行試驗。

1　試驗臺方案

1.1　試驗臺參數

輸入轉矩≯ 50 kNm，輸入轉速≯ 450 r/min，驅動橋單邊輸出轉矩≯ 300 kNm，驅動橋速比范圍4～24，試驗功率≯ 630 kW，最高輸入轉速6500 r/min（軌道交通減速器試驗）。

1.2　試驗項目

試驗臺能夠對中后驅動橋同時進行溫升試驗、效率試驗、橋間差速試驗、輪邊差速試驗和疲勞壽命試驗，特別是在安裝了原車變速器和傳動軸的情況下，能夠對整個傳動系統進行效率試驗，在設計評價整車油耗方面具有重要意義。試驗臺也可以同時試驗單橋和變速器或軌道交通用減速器。

1.3　試驗方法

由于大多數整車廠或車橋廠不具備提供載荷譜的能力，所以試驗臺保留了穩態加載方式，同時，整車廠或車橋廠為保險起見，采用加大試驗載荷的方法對中后驅動橋分別進行試驗，因此，試驗臺結構仍然保留了單橋試驗方法。國外廠家在變速器、驅動橋試驗方面廣泛采用載荷譜試驗方法，根據車輛實際使用區域，選取典型道路工況，采集載荷數據，對數據進行分析處理，截取有效損傷數據，建立臺架試驗載荷譜[2-3]。

2　試驗臺匹配設計與實現[4]

2.1　試驗臺匹配

根據各類重型公路用車、非公路用車和工程機械目前的傳動系統配置和發展趨勢，驅動橋輸入端最大轉矩不大于50 kNm，輸入轉速不高于450 r/min，驅動橋單邊輸出不大于300 kNm，傳遞功率不大于630 kW。因此，選擇1臺710 kW驅動電機和4臺380 kW電機功率尚能滿足預設試驗要求。通過匹配計算，配置速比13.5的減速器能夠滿足對驅動橋的輸入轉速/轉矩的要求，升速器速比21與法斯特12擋變速器匹配使用，能夠覆蓋速比在4～24之間的用于各類重型汽車和非公路用車的驅動橋總成輸出加載要求。

2.2　試驗臺結構設計

試驗臺采用電封閉型式[5]，以達到節約能源、降低使用成本的目的。配置1臺710 kW變頻電機作為驅動，4臺380 kW變頻電機作為加載，與各種傳感器、傳動軸、升降速器、聯軸器等構成整個試驗系統的機械部分。

采用模塊設計，便于不同尺寸驅動橋試驗時試驗臺的調整。將驅動電機、減速器和輸入轉矩傳感器集成在一個底座上，構成驅動頭，驅動頭有兩個輸出接口，右邊的輸出接口是專為軌道交通減速器試驗設計的。將加載電機、變速器、升速器和輸出轉矩傳感器集成在一個底座上，構成加載頭，后橋兩個加載頭各有兩個接口，其中一個接口是為重型汽車變速器試驗設計的，可以方便地進行重型汽車變速器總成效率和壽命試驗。5個動力頭可以獨立調整相互配置，變速器驅動橋可以同時試驗，提高了試驗臺的使用效率。這種設計不但節約成本，還減少了調整工作量，降低了試件安裝調整難度。

圖1為中后橋同時試驗，可以控制中后橋載荷分配比。如果把輸入端減速器換成原車變速器，再用原車傳動軸替代后橋輸入測量裝置，就能夠對原車傳動系統進行試驗，特別是效率試驗對整車節能減排的設計具有重要意義。

圖1　中后橋同時試驗

中橋單獨試驗如圖2所示，可以進行中橋的常規項目試驗和橋間差速器試驗。

圖2　中橋單獨試驗

2.3　試驗臺控制系統設計

根據試驗臺的試驗能力要求和匹配計算，驅動電機和加載電機的性能要求見表1和表2。由于試驗臺兼顧了軌道交通用減速器，因此輸入轉速最高要求為6500 r/min。根據我國電機的實際設計制造水平，對高速電機只提出功率和轉速要求是達不到試驗臺要求的，一般高速電機在高速段的輸出轉矩會大幅下降，實際輸出功率也會快速下降。

電封閉控制系統采用艾默生變頻器[6-8]，并用直流母線并聯，加載電機發出的電能通過直流母線回饋到驅動電機的直流母線，系統從電網攝取的電能用于補充控制系統的效率損失，以達到節約能源的目的。

艾默生變頻器的特點，除具備轉速控制和主動加載功能外，還有被動加載功能，即在零速（未被帶動）時，加載給定無效，當系統失載時，電機不會失控。試驗過程中，如果出現某個環節損壞，如試件損壞、連接件斷裂等，系統就會失載，但電機不會失控，這對保障系統安全和人員安全至關重要。

系統配置采用艾默生1624型功率模塊，其性能參數為電流168 A，功率185 kW。0#（驅動電機）配置5個功率模塊；1#、2#（中橋加載電機）各配置2個功率模塊；3#、4#（后橋加載電機）各配置3個功率模塊，主要滿足非道路運輸車輛和工程機械驅動橋以及重型汽車變速器的試驗要求。

考慮到上位機因各種原因可能出現不能正常工作的狀況，因而專門設計了控制面板，可以獨立操控試驗系統，并在上位機出現故障或上位機與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）發生通訊故障時，設備仍能保持原運行狀態。為了保障試驗系統運行安全，在PLC內設置了快速停機執行程序，當緊急情況發生時，方便試驗員在操作面板、上位機、外設快停鍵等任何一處進行緊急停機。

表1　驅動電機性能要求

表2　加載電機性能要求

表3　對710 kW電機在高速段的轉矩要求

試驗數據采集與控制系統[9-10]是試驗臺的重要組成部分，應具備工作可靠、測量精度高的特點。該系統主要對各類開關量信號，驅動橋的輸入轉速、轉矩和輸出轉速、轉矩，試件的油溫，電機的軸承溫度、延伸端溫度、線圈繞組溫度，變速器的潤滑油壓，以及其它重要信息進行采集。及時獲取這些信號有利于控制和協調系統的總體運行，如加載量控制、差速控制等。以上各部分都應嚴格按照試驗規范和標準協調工作，完成試驗及測試，同時為監測和分析提供數據。

輔助控制[11]主要是為潤滑安全、電機安全、系統安全而設計的。包括動力頭齒輪箱和潤滑油泵任意一臺沒有開啟，試驗系統不能啟動；動力頭電機冷卻風機沒有開啟，相應的電機不能啟動；試件油溫控制機沒有開啟，試驗系統也不能啟動。

為了監控試件狀態，盡早發現試件缺陷，以便通過分析故障形成機理，找到故障解決辦法，提高產品質量，同時也能夠早期避免因試件損壞而導致的試驗系統損壞，配置了一套б故障診斷儀，其特點是通過對同類試件的多次試驗，可自學習形成控制參數，達到監控目的，也可以人為設定控制參數，達到監控目的。測控系統如圖3所示。

測控系統共有32路傳感器信號（轉矩、轉速信號8路，配置7個應變式傳感器）；3路加速度信號，溫度信號16路（配置16個溫度傳感器，分配為電機5個、變速器5個、試件1個）；5路風冷（5臺電機各1個）和5路潤滑（5臺變速器各1個）；32路開關量（輸入24/輸出8）。

圖3　測控系統

3　計算機控制系統

計算機控制系統具備以下特點：（1） 組合性強，各動力頭的操控可選。（2） 操作安全。電機的工作方式，原始狀態為被動加載方式（在未被驅動時，轉矩給定無效），鎖定后，不能改變電機的方向、工作方式和更換動力頭。進入快停后，設備將按正常速率的一定倍數（此倍數可在控制參數中設置）減速、減載至0，快速結束異常狀態。“快停”代替傳統的斷電源式“緊急停機”，避免了斷電對設備和試件帶來的巨大沖擊。（3）將載荷譜轉換為Excel形式，計算機將按載荷譜進行試驗。

圖4　控制界面

圖5　控制邏輯框圖

圖6　要求載荷譜

4　應用實例

應用研制的試驗系統對某外資企業驅動橋進行了載荷譜試驗，使用表明，本試驗系統達到了預期設計目標，工作可靠，載荷譜加載準確，系統動態響應頻率較高。

表4　載荷譜

圖7　載荷譜試驗現場

5　結論

研制的重型汽車雙驅動橋試驗系統經過了對SEM平地機驅動橋的載荷譜試驗，對帶軸間差速驅動橋（457貫通橋總成和457單周節限滑差速器）的差速試驗，中后橋恒定負荷試驗，軌道交通齒輪箱（CW350D轉向架齒輪箱，最大功率650 kW）試驗，以及變速器（D18X變速器）試驗的驗證。試驗結果表明，該系統的轉速控制精度達到±1 r/min，轉矩控制精度達到0.5%，測試響應快，抗干擾能力強（頻率傳送）。

該系統組合靈活，能夠實現變速器、驅動橋、軌道交通齒輪箱產品的單獨或同時試驗，以及中后橋同時試驗；能夠進行上述產品目前已知的總成試驗項目，能夠進行載荷譜動態試驗，且更接近實車狀況。設計中充分考慮了大型試驗系統的安全性、可操作性和方便性。

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