電子限滑差速器試驗臺架結構及測控系統設計＊

肖峻 李柱 劉志柱 肖超

（1.武漢理工大學，武漢 430070；2.東風汽車集團股份有限公司，武漢 430056）

主題詞：電子限滑差速器 試驗臺架 結構設計 測控系統

1 前言

隨著汽車行業的不斷發展，人們對汽車安全性與舒適性的要求也在不斷提高[1]。近年來，電子限滑差速器（Electronic Limited Slip Differential，ELSD）作為提高汽車主動安全性和操縱穩定性的關鍵部件，引起了國內外汽車企業的較多關注[2]。與普通機械差速器相比，ELSD可以感知車輛行駛狀態，主動調節內摩擦力矩，實現驅動輪左、右側轉矩的不均勻分配，從而達到對車輛牽引力和操縱穩定性的控制[3]。

目前，針對主減速器試驗臺架，國外已有較為深入的研究，但國內研究還較少[4]，且大多針對傳統主減速器，其功能無法完全滿足ELSD的性能測試。

本文在對ELSD 限滑原理和工作范圍分析的基礎上，設計以磁粉制動器、變速器、交流伺服電機為主要元件的試驗臺架結構本體，開發集路況模擬、數據采集和實時監控保護為一體的試驗臺架測控系統。同時，通過道路負載模擬不僅可以完成ELSD本體限滑性能檢測，還可以驗證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摩擦力矩的方法，實現兩驅動輪間的轉矩不均勻分配，從而提高車輛對路面附著系數的利用率，改善車輛行駛狀態[5]。根據限滑差速器的工作原理，其主要分為轉矩敏感式、轉速敏感式和主動控制式3類[6]。本文設計的臺架測試對象為主動控制式，結構如圖1所示。

圖1 電子限滑差速器結構示意

與傳統差速器相比，ELSD 主要增加了控制元件高速開關閥、由端蓋和擺線泵組成的動力機構，及由活塞和摩擦片組構成的執行機構。當ELSD 兩輸出半軸產生差速時，擺線泵的轉子與定子間出現相對轉動，油液進入油路。在脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號控制下，高速開關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 信號可實現對壓力的線性控制[7]。基于以上分析，當車輛兩驅動輪出現轉速差時，通過不同占空比的PWM 信號來控制高速開關電磁閥，即可使活塞對摩擦片組施加不同的壓力，從而改變內摩擦力矩，即ELSD 控制器可在0～100%范圍內進行無級調節：當PWM信號的占空比為100%時，兩驅動輪剛性連接；當PWM信號的占空比為0時，與普通差速器無異。

3 電子限滑差速器試驗臺架的結構設計

加載試驗臺架常用于進行主減速器的綜合性能檢測。通過對ELSD在整車中的應用工況進行分析，本文試驗臺架的設計目的是對其進行不包含大扭矩、高轉速工況下的動、靜態限滑性能試驗。試驗臺架主要完成ELSD 的空載試驗、空載阻力矩試驗、靜態轉矩分配試驗、動態轉矩分配試驗以及部分控制器檢測試驗。在不同試驗設計中，主要考慮路況參數、轉速、加載轉矩、PWM信號等因素，觀察和分析ELSD的限滑性能。

在主減速器試驗臺架設計中，驅動裝置和加載裝置的設計是關鍵，二者可以模擬主減速器在實際路況中的不同受載狀態。

3.1 試驗臺架驅動端設計

考慮到汽車的行駛安全、ELSD 主要適用路況，參考生產廠商提供的資料，試驗臺架的最終設計指標為模擬車速低于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計參數可知，當某車輛處于加速起動時，車速為9 km/h，速比為2.56 的主減速器輸入端轉速為250 r/min，轉矩為1 082 N·m。由此可得驅動端的功率為：

式中，P為驅動端功率；T為主減速器輸入扭矩；n為主減速器輸入端轉速。

試驗臺架驅動端設計的關鍵點之一是盡量模擬汽車發動機的運行工況，使輸入轉速和轉矩滿足試驗要求，且能根據試驗要求進行調節。目前臺架中的驅動端多由發動機、交流異步電機、伺服電機等配合多級變速器組成，3種典型驅動端組合的優、缺點如表1所示。

表1 驅動端方案比較

充分考慮經濟因素和現場使用效果，本文選用型號為SLM-4030E1506E45JR 的交流伺服電機和型號為WLY6G70 的6 擋變速器共同組成驅動端。電機的額定功率為30 kW，額定扭矩為191 N·m，額定轉速為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。

依據兩者性能參數和實際工作范圍的不同，驅動端在不同擋位下轉速轉矩曲線如圖2所示，曲線所圍成的范圍即為驅動端的轉速轉矩測試范圍。

圖2 驅動端轉速轉矩輸出關系

3.2 試驗臺架加載端設計

根據加載部件的不同，加載試驗臺架可分為機械加載和電加載，從結構形式上又可分為開放式加載和封閉式加載兩種[8]。開放式加載和封閉式加載的應用均比較廣泛，且技術較為成熟，但適用的試驗項目不同[9]。針對ELSD 轉矩分配動、靜態性能試驗時間短、啟動頻繁、轉矩范圍大的特點，本文采用開放式試驗臺架設計方案，其結構原理如圖3所示。

開放式試驗臺架中的能量輸入多以熱能或電能進行消耗，因此，典型開放式臺架設計多采用磁粉制動器作為加載裝置。磁粉制動器以磁粉為介質，通過勵磁電流產生磁場以控制加載轉矩。在工作時，磁粉制動器轉矩與勵磁電流的關系曲線如圖4所示，加載轉矩和勵磁電流呈顯著的近似線性關系。此外，當勵磁電流保持一定時，其加載轉矩與轉速無關，基本保持穩定[10]。基于上述優點，磁粉制動器被廣泛用作加載裝置。本試驗臺架中主減速器輸入端最大轉矩設計為1 100 N·m，主減速比為2.56，因而可得在最大轉矩輸入下單個磁粉制動器的轉矩為：

式中，Ts為主減速器最大輸入轉矩；i為主減速比。

圖3 開放式試驗臺架結構原理

圖4 勵磁電流與加載轉矩關系

參考市場上磁粉制動器的規格，以及考慮到限滑后的轉矩分配，本文選用額定轉矩為1 600 N·m 的TJPOD-D-Y-160型磁粉制動器。

3.3 試驗臺架整體結構設計

試驗臺架機械本體采用T 型布置方式和模塊化設計方案，如圖5所示，主要由機架、驅動端、加載端、試驗端組成。4 個機架為焊接件，為避免使用中變形，焊接后進行退火，最后通過地腳螺栓固定。交流伺服電機、變速器和轉速轉矩傳感器共同組成驅動端，磁粉制動器和轉速轉矩傳感器組成加載端。當模擬不同路況時，2個磁粉制動器需要獨立進行加載。如需模擬真實路況，需對車輛驅動輪進行受力分析，受力情況如圖6所示。

圖5 ELSD試驗臺架結構

圖6 驅動后輪受力情況

通過對驅動輪進行受力分析，可得驅動輪動力學方程為：

式中，Jtl、Jtr分別為左、右車輪轉動慣量；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為輪胎滾動半徑；Tflr、Tfrr分別為左、右輪所受滾動阻力矩。

由式（3）可知，磁粉制動器的作用是模擬負載，其大小等于式中驅動力矩和滾動阻力矩之和與輪邊減速比的比值。現作以下假設：車輛沿直線行走，無橫向擺動，沒有側向力；車輛質量均勻，左右對稱；忽略風阻，不考慮制動情況。由此可得滾動阻力矩Tflr、Tfrr和車輪縱向力Ftl、Ftr的表達式：

式中，l為汽車軸距；a為質心到從動軸的水平距離；m為整車質量；g為重力加速度；fl、fr分別為左、右輪滾動阻尼系數；μl、μr分別為左、右輪所在路況的利用附著系數。

分析可得，在進行臺架試驗時，可依據應用該主減速器車型的相關參數和預模擬的路況參數來確定加載轉矩。左、右磁粉制動器加載轉矩Tcl、Tcr分別為：

式中，k為車輛輪邊減速比。

在進行試驗時，相關路面附著系數和滾動阻尼系數范圍如表2所示[11-12]。

表2 相關路面的附著系數和滾動阻尼系數參考表

4 電子限滑差速器試驗臺架測控系統設計

4.1 測控系統硬件設計

測控系統應能對驅動端的轉速控制、加載端的加載轉矩控制進行自動或手動調節，以及實現主減速器輸入、輸出端轉速、轉矩信號及試驗臺架振動信號的采集。由此搭建測控系統的硬件結構，如圖7所示。

圖7 試驗臺架測控系統硬件連接

轉速、轉矩信號的采集是關鍵，考慮到分辨率、適用性等因素，本文將選用綜合誤差為±0.1%的動態力矩傳感器。在信號采集中，3個轉速轉矩傳感器將反映各自物理量的4～20 mA 模擬量信號傳給數據采集控制器。同時使用該數據采集控制器對模擬量0～10 V的輸出進行自動控制，從而完成對交流伺服電機轉速和磁粉制動器轉矩的控制。伺服電機的控制采用蒙德伺服驅動器，伺服驅動器將接收的0～10 V模擬量信號線性轉化為對電機轉速的控制，從而較好地實現對主減速器輸入端轉速控制。對于磁粉制動器加載力矩的控制，常常采用功率放大器，其將獲取的0～10 V 模擬量信號線性轉化為加載轉矩值。當電機轉速和2 個磁粉制動器轉矩需要進行手動調節時，進行手動/自動切換，隨后采用多圈緊密電位器進行手動調節。此外，在臺架工作時安裝誤差或是機械松動常導致臺架振動，振動過大會造成試驗對象或傳動系統損壞。因此，將選用3個振動傳感器分別對主減速器進行x、y、z方向的監測。電子限滑差速器測控系統的主要硬件信息如表3所示。

4.2 測控系統軟件設計

電子限滑差速器測控系統下位機在數據采集控制器中運行，完成多通道模擬量信號的實時同步采集、多通道模擬量信號的輸出控制。數據采集控制器主要實現信號采集、數據預處理、數據傳輸等功能，并采用Modbus協議與上位機進行數據交換。測控系統上位機使用研華工控機，軟件采用組態王編寫，完成人機交互。上位機主要包含參數設置、狀態監測、試驗數據獲取、界面顯示、手/自動切換等功能，軟件功能如8所示。上位機軟件界面由主界面、歷史曲線界面、實時/歷史報表查詢界面組成，其中主界面如圖9所示。

表3 電子限滑差速器測控系統主要硬件信息

圖8 測控系統軟件結構

圖9 ELSD試驗臺架測控系統主界面

5 試驗測試與結果分析

為測試設計完成的試驗臺架能否達到技術要求，針對某款電子限滑差速器進行路況模擬及限滑試驗，試驗臺架如圖10所示。

圖10 電子限滑差速器試驗臺架

試驗時需要進行變速器擋位選擇、變速器擋位填寫、車輛參數設置、路面參數設置以及電機轉速設置等，左、右兩側分別模擬冰路面和濕瀝青路面，具體參數如表4所示。

表4 試驗設置參數

由于兩側附著系數設置差異較大，在不進行限滑的情況下車輛將會打滑。兩側轉速穩定后，外部控制器給高速開關閥施加PWM信號，觀察兩側轉速和轉矩變化，試驗曲線如圖10和圖11所示。

圖10 左、右半軸轉速隨時間變化曲線

圖11 左、右半軸轉矩隨時間變化曲線

由圖10 和圖11 可知，在第1～3 s 之間，兩側轉矩大致穩定，并具有一定差值。附著系數大的右側轉矩較左側轉矩大約50 N·m，左側轉速提高至約156 r/min，右側轉速近似為0。這是由于未進行限滑時，兩側附著系數差值較大，差速器只能依靠行星齒輪發生自轉產生的內摩擦完成有限的轉矩分配，且附著系數小的左側轉速為差速器殼體轉速的2倍。在第3.2～3.8 s之間，右側轉矩增大，兩側轉速趨向相等。此時，外部控制器施加PWM信號，活塞運動產生內摩擦，左側轉矩基本不變，右側轉矩增大為負載轉矩。同時，由于活塞推動產生內摩擦，行星齒輪不再自轉，兩側轉速趨向相同且等于殼體轉速。由以上分析可知，當施加占空比為65%的PWM 信號時，其產生的內摩擦較大，使主減速器在試驗時達到了剛性連接的效果。

經過測試，電子限滑差速器測控系統工作正常、穩定、可靠，試驗結果與理論計算值相符。

6 結束語

本文以某款電子限滑差速器為試驗對象進行試驗臺架設計，通過分析其工作原理及構建臺架加載模型，搭建了試驗臺架機械本體和測控系統。測試結果表明，試驗臺架能夠配合控制器模擬左、右輪的不同加載狀態，對電子限滑差速器進行限滑性能分析。