一種純電動乘用車用減速器動態密封試驗臺

周杭超，吳淳杰，董晨晨，張眾杰，陳 鋒，翁海舟

（浙江方圓檢測集團股份有限公司，浙江 杭州310018）

0 引言

十多年來國內的汽車行業得到了飛速的發展，對汽車變速器的需求量也得到了爆發式的增長，隨之而來的對汽車變速器性能要求和質量要求也變得越來越高。因此，在變速器的制造過程中，除了對制造技術有嚴格的要求之外，還需要對其進行相關性能試驗。近半個世紀來，汽車變速器的檢測技術也得到了迅猛發展，智能化、小型化以及綜合化的汽車變速器性能試驗臺不斷出現[1]。如在五十年代初期，美國Gleason公司就生產出了以輪系作為加載系統的汽車變速器變速器試驗臺，美國通用動力公司、前蘇聯中央機械制造與設計研究院、日本豐田汽車公司等也相繼推出了汽車變速器變速器試驗臺[2，3]。國內汽車行業的迅猛發展也帶動了汽車變速器試驗臺的研究[4]。山西省華北工學院的苗鴻賓[5]等設計了一種能對4種型號汽車變速器進行測試的綜合性能試驗臺，可對步進電機、變頻調速器、離合器、磁粉制動器等進行計算機控制，以及變速器輸入輸出軸扭矩和轉速的測量。江西理工大學的梁禮明與江鈴公司合作開發了一種新型大功率變速箱試驗臺電加載控制系統，系統運行穩定，性能可靠[6]。北京航空航天大學高升[7]等設計了一種采用電渦流測功器進行加載的變矩器性能檢測試驗臺，具有功能適應性強等優點。與此同時，我國還有一些如重慶理工大學、上海交通大學、中汽研等研究機構對汽車變速器試驗設備和測試控制技術進行了研究。

不過，不同于傳統燃油汽車，純電動汽車并沒有搭載一臺傳統變速箱，而只是搭載了一組減速器，并不提供換擋功能。減速器的性能直接影響純電動汽車的動力性、穩定性和耐久性。因而對純電動汽車減速器的性能評價顯得尤其重要。

電動汽車減速器主要標準為QC/T1022-2015《純電動乘用車用減速器總成技術條件》，里面涉及的臺架試驗項目主要有動態密封性能試驗、溫升試驗、高溫性能試驗、傳動效率試驗、超速性能試驗等。現有的國內外試驗臺位針對的是性能試驗的全項目檢測，其結構復雜。針對于動態密封性能試驗來說，如表1所示，試驗需要110.5 h，且減速器的最高輸入轉速往往有接近上萬轉，試驗時間長，轉速高，現有的試驗臺位為了適應全項目檢測，存在些不足之處。如圖1所示，現有試驗臺位中，交流變頻電機需要通過增速箱來增速，才能輸出滿足減速器試驗所需的最高輸入轉速，安全可靠性差，耗能比較大。在上萬轉的速度長時間試驗下，往往存在著減速器未損壞，而試驗的臺位已經損壞，例如高速連接軸斷裂，增速箱齒輪斷裂，軸承磨損等，存在著一定的安全隱患和檢驗的可靠性。

圖1 現有減速器性能試驗臺位示意圖

由此可見，為了提高減速器動態密封試驗的安全可靠性，必須減少交流變頻電機與試驗減速器之間的中間環節，但是交流變頻電機不通過增速箱根本無法直接輸出上萬的轉速。基于此，本文提出了一種純電動乘用車用減速器動態密封試驗臺，可以直接給減速器提供上萬轉的輸入轉速，并且符合試驗工況中的溫度和時間等其他要求，如圖2所示。該試驗臺能夠提高檢驗效率和準確性，確保檢驗安全性，切實提高檢驗的自動化程度。見表1。

圖2 減速器動態密封試驗臺位示意圖

表1 動態密封性能試驗條件

1 試驗臺整體結構設計

純電動乘用車用減速器動態密封試驗臺整體結構組成如圖3所示，主要由安裝架、電機驅動裝置、減速器固定裝置、加熱裝置、工業冷風機、PLC控制系統、霍爾轉速傳感器、熱電偶組成。電機驅動裝置由直流電機安裝底座、直流電機組成，主要由減速器提供動力來源。減速器固定裝置包括減速器固定座、減速器連接盤，主要用于安裝試驗件減速器。加熱裝置由加熱固定支撐架、紅外陶瓷加熱板組成，可對試驗所需的溫度進行調節。本試驗臺PLC控制系統控制直流電機驅動試驗件減速器轉動，霍爾轉速傳感器反饋減速器的轉速，同時控制系統控制加熱裝置對減速器進行加熱、控制工業冷風機對減速器進行降溫，熱電偶反饋減速器的溫度，試驗臺架實現對減速器轉速和溫度的控制。動態密封試驗臺實物圖如4所示。

圖3 純電動乘用車用減速器動態密封試驗臺結構圖

圖4 動態密封試驗臺實物圖

2 電機選型與冷卻

由于減速器的動態密封性能試驗需要提供上萬轉的輸入轉速，但是為空載狀態，因而對提供動力源的電機要求為可直接輸出上萬轉速，功率無需太大。傳統的試驗臺架使用交流異步電機作為動力源，但是不能直接輸出上萬轉速，需要變速箱進行增速，才能達到所需的試驗轉速，結構復雜，安全可靠性差，耗能比較大。針對以上減速器動態密封性能試驗特點，可以選用直流電機做試驗臺架的主要驅動來源。因此，本次試驗臺架使用ZD125A2-2000W型直流電機作為動力源，最高轉速為12 000 r/min，功率為2 000 W，并配置了JP72100D型5 000 W直流穩壓電源。直流電機長時間運行會產生大量的熱，影響其使用壽命，并且產生的熱量會通過熱傳導傳遞給減速器，導致減速器密封圈過早老化，影響實驗的準確性，因而需要對直流電機進行冷卻。運用普通的風冷電機進行冷卻，并不能有效降溫，往往電機表面較低，但是直流電機內線圈溫度過高。因此，直流電機采用水冷的方式進行冷卻，并且在直流電機與減速器固定座接觸間也通入冷卻水，可以有效地解決電機熱傳導對試驗件減速器密封圈的影響，如圖5所示。

圖5 直流電機冷卻圖

3 加熱冷卻系統設計

為了更好地控制試驗所需的加熱溫度，本文選用MFC3600型工業風冷機進行風冷，風量為3 600 m3/h，冷卻面積30 m2。加熱裝置包括800 W的紅外陶瓷加熱板、加熱固定支撐架、可滑動支撐架、加熱裝置氣缸、角度調節板、加熱裝置滑輪組，如圖3所示。熱電偶選用PT100鉑熱電阻電熱偶。圖中，紅外陶瓷加熱板安裝在可滑動支撐架和角度調節板上，熱電偶安裝在被測試件減速器上。選用具有具有PID自整定、獨立PID參數設置優點的型號XC-E2AD2PT 2DA作為PID溫度控制模塊，支持2通道16位精度模擬量輸入、2通道PT100溫度輸入和2通道10位精度模擬量輸出。可編程邏輯控制器（PLC）實時監測減速器的溫度，控制紅外陶瓷加熱板和工業冷風機對減速器的加熱制冷，有效、穩定、實時地實現了溫度控制，具有使用方便，結構簡單等優勢。

4 PLC控制系統設計

依據實際使用需求，應選用具有性價比高、穩定性好、編程簡單的可編程邏輯控制器。因此，綜合考慮各方面因素，選用西門子S7-200系列小型可編程邏輯控制器，型號為224[8]。該型號PLC具有14個輸入點，10個輸出點，總共24個數字量點。首先需要對PLC控制系統進行編程，然后給PLC控制系統通電，利用編寫的程序設置控制基本參數，實現直流電機按照規定的要求運轉，為試驗臺架提供動力來源。M16型霍爾轉速傳感器用于反饋減速器的轉速，熱電偶反饋減速器的溫度，控制程序如圖6所示，控制界面如圖7所示。為了更好地調試運行，該試驗臺架控制系統有手動控制和自動控制兩種模式。手動控制模式下，可以實現電機的轉速控制、正反轉控制、加熱溫度控制，可用于臺架的維修調試。自動控制模式下，可以實現輸入轉速、加熱溫度、加熱時間循環次數的控制。在兩種模式下，都可以實時監測直流電機轉速值和減速器溫度值，同時可顯示試驗總時間以及試驗次數。

圖6 控制程序框圖

圖7 PLC控制界面圖

5 控制試驗驗證

為了更好的驗證本試驗臺架控制轉速精度的準確性，本文采用日本HIOKI日置的FT3405轉速表來進行檢測驗證，如圖8所示。試驗結果見表2。從表可以看出，輸入轉速和實際測得轉速誤差在2%以內，控制精度滿足減速器動態密封試驗要求。

圖8 測試轉速圖

表2 測試結果對比

6 結語

現有電動汽車減速器試驗臺架主要是針對減速器性能試驗的全項目檢測，結構復雜，安全可靠性差，耗能比較大。在上萬轉的速度長時間試驗下，往往存在著減速器未損壞，而試驗的臺位已經損壞的情況。本文提出了一種純電動乘用車用減速器動態密封試驗臺，利用直流電機對減速器進行直接驅動，利用霍爾傳感器對直流電機轉速進行測量，同時利用熱電偶對減速器溫度進行測量，并由PLC控制箱對轉速溫度進行分析、計算，并由紅外陶瓷加熱板和工業冷風機對減速器溫度進行控制，由PLC控制直流電機轉速并由顯示器實時監測直流電機轉速值和減速器溫度值，并按照設定程序進行自動控制，控制精度滿足試驗要求。該試驗臺能夠提高檢驗效率和準確性，確保檢驗安全性，切實提高檢驗的自動化程度。