基于后驅動橋機械特性的總成疲勞試驗方法研究

張真銘

(中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 400039)

0 引言

在商用車領域，車橋和發動機、駕駛室一起構成商用車的核心三部件，其重要性不言而喻。早期，我國的部分企業通過引進國外技術，并經過大量研究與生產，逐步建立起了車橋的研發生產體系，但和國外先進技術相比，仍然有不小的差距。為了配合國內車橋企業取得核心技術上的突破，參與國際市場的激烈競爭，國內的國家級機動車檢測機構有義務和責任為車橋生產廠商提供準確的車橋試驗結果。

為了保證試驗結果的準確，必須確保以下兩個方面：

(1)試驗項目的準確。車橋的試驗項目眾多，在以車橋總成進行某一項試驗時，須確保不被另一試驗項目所干擾。以總成疲勞試驗為例，其試驗目的為驗證主減速齒輪對及其軸承的壽命，若在試驗進行過程中，由于裝夾方式不當等因素，導致差速器或者橋殼損壞，試驗終止，則認為該試驗項目受到干擾，并不能得到主減速齒輪對及其軸承壽命的準確結果；

(2)試驗方法的準確。在排除掉其他項目干擾的前提下，還得使用適宜的方法來進行試驗。仍然以總成疲勞試驗為例，進行試驗時，需要使用電動機及測功機為車橋提供誤差允許范圍內的輸入輸出扭矩和轉速。為實現這一目標，可對電動機和測功機進行不同方法的控制，但車橋是一個總成系統，不同的控制方式會影響到總成內其他機構，從而對主減速齒輪對及其軸承壽命的結果產生影響。

后驅動橋為車橋的一種典型代表，在一般的汽車結構中，驅動橋包括主減速器(又稱主傳動器)、差速器、驅動車輪的傳動裝置及橋殼等部件[1]。本文作者以后驅動橋為例，通過分析對比不同的試驗控制方法，探討后驅動橋總成疲勞試驗方法的優劣。

1 試驗控制方法介紹

進行后驅動橋總成疲勞試驗，在溫度穩定控制的情況下，須為后驅動橋提供誤差允許范圍內的輸入輸出扭矩和轉速。為實現這一目標，有兩種控制模式對電動機和測功機進行控制。

控制方法一：電動機采用轉速模式，測功機采用扭矩模式，如圖1所示。控制過程為電動機先調節后驅動橋輸入轉速至目標轉速，待轉速穩定后，再調節雙側測功機進行加載至目標扭矩，并維持穩定狀態運轉。

圖1 控制模式一

控制方法二：啟動時電動機采用扭矩模式，測功機采用轉速模式，待穩定后，電動機采用轉速模式，測功機采用扭矩模式，如圖2所示。控制過程為啟動時雙側測功機先同時調節后驅動橋輸出轉速至目標轉速，待轉速穩定后，再調節電動機進行加載至目標扭矩，待轉速扭矩均穩定后，改變電動機至轉速模式，改變雙側測功機至扭矩模式，并維持穩定狀態運轉。

圖2 控制模式二

2 后驅動橋總成轉速扭矩關系分析

要探討兩種控制方式的優劣，需要對后驅動橋的機械結構進行轉速扭矩關系的分析。對試驗影響最大的，實為后驅動橋內部差速器的轉速扭矩關系，結構簡圖如圖3所示。

圖3 差速器結構

2.1 轉速關系分析

根據機械原理中周轉輪系的分析方法，應先把周轉輪系轉化為定軸輪系，再利用定軸輪系的分析方法進行分析。在差速器系統中，假設將該周轉輪系中支承行星輪的系桿H固定，即差速器殼固定，左半軸齒輪、行星齒輪、右半軸齒輪和差速器殼所構成的周轉輪系則形成了一個定軸輪系[2]。但由于是人為地將差速器殼轉速置為0，此時左半軸齒輪、右半軸齒輪在定軸輪系中的轉速為與差速器殼轉速的相對轉速，轉速關系分別為

左半軸齒輪相對轉速：

式中：n左為左半軸齒輪實際轉速；n殼為差速器殼實際轉速。

右半軸齒輪相對轉速：

式中：n右為右半軸齒輪實際轉速；n殼為差速器殼實際轉速。

由于差速器系統中，行星齒輪軸軸線與左、右半軸齒輪軸軸線并不平行，屬于空間周轉輪系，因此不能以上述表達式得出行星齒輪的相對轉速，但從左半軸齒輪到行星齒輪再到右半軸齒輪為逐級嚙合狀態，且左半軸齒輪軸軸線與右半軸齒輪軸軸線處于平行狀態，仍然能夠通過此種方法得出差速器系統的轉速關系。

根據定軸輪系的轉速關系計算規則，可得：

式中：z左為左半軸齒輪齒數；z右為右半軸齒輪齒數；z行為行星齒輪齒數。

在差速器中，左、右半軸齒輪齒數是相等的，即z左=z右，負號表示左、右半軸齒輪的旋轉方向相反，對式(3)進行整理得：

n左+n右=2n殼

(4)

由此可見，差速器系統為一個2自由度系統。

2.2 扭矩關系分析

在差速器穩定運行的狀態下，左半軸齒輪、右半軸齒輪和差速器殼在外扭矩的作用下作等速旋轉，以行星齒輪受力情況作分析，如圖4所示。

圖4 行星齒輪受力分析

行星輪處于穩定運行狀態，將受左、右半軸齒輪的作用力對行星輪軸取矩，可得：

F左×R行=F右×R行

(5)

式中：F左為左半軸齒輪對行星齒輪的作用力；F右為右半軸齒輪對行星齒輪的作用力；R行為行星齒輪分度圓半徑。

即F左=F右，又由于左半軸齒輪分度圓半徑R左與右半軸齒輪分度圓半徑R右相等，可得：

T左=F左×R左=F右×R右=T右

(6)

式中：T左為左半軸齒輪所受外部力矩；T右為右半軸齒輪所受外部力矩。

再以差速器系統作穩態分析，系統所受外力矩處于平衡狀態：

T左+T右+T殼=0

(7)

式中：T殼為差速器殼所受外部力矩。

結合式(6)、式(7)，可得：

T殼=-2T左=-2T右

(8)

負號表示力矩方向相反，可進一步對式(8)整理為

T左∶T右∶T殼=1∶1∶-2

(9)

綜合以上對轉速扭矩關系的分析，可以得出差速器是一個定矩差速系統[3]。

3 控制方法對比

正是因為差速器具有定矩差速的特性，對后驅動橋總成疲勞試驗的控制過程產生了影響，從而影響了試驗結果的準確性。

在用控制方法一進行控制的過程中，由于差速器系統具有2個自由度，使用電動機進行轉速控制只限制了該系統1個自由度，即差速器殼的自由度，同時雙側測功機和連接后驅動橋的傳動軸等陪試部件的轉動慣量、內部阻力等各不相同，導致在用電動機進行轉速控制的過程中，容易出現兩側輸出端輸出轉速不相等的情況，在這種情況下對雙側測功機進行加載，如果兩側加載出現不平衡的情況，則兩側輸出轉速差將進一步擴大，輸出轉速較低的一側轉速會迅速減小至0，整個調節過程失敗，需從頭開始。通常雙輸出側剛出現轉速差的情況時可以在輸出轉速較高的一側通過控制測功機增加適量的扭矩進行控制，但由于很難有效地量化需要增加的扭矩值，有時效果并不理想。

然而使用控制方法二能夠解決這一問題，使用測功機進行轉速控制，同時限制了差速器系統的2個自由度，差速器系統各結構件的轉速自開始調節到目標轉速始終處于穩定狀態，電動機用扭矩控制模式從輸入端開始加載時，利用了差速器系統定矩的特性，輸入扭矩按比例分配給雙側輸出端，待輸入輸出轉速扭矩處于穩定狀態后，再切換電動機至轉速控制模式、測功機至扭矩控制模式，此時即使有小的擾動，電機也可通過自身進行動態調節，將狀態維持穩定。

4 結論

通過比較，可以發現控制方法二明顯優于控制方法一，在多個實際試驗中，結論得到了證明，同時，差速器耐久試驗是該分析成立的又一有效佐證(差速器耐久試驗要求雙側測功機先使用轉速控制模式使雙側輸出端形成特定轉速差，再通過電動機進行扭矩控制輸入固定波形的扭矩)。