電子扭矩管理器下線測試技術(shù)的研究與應(yīng)用

鮑益智 張 偉 洪建強(qiáng) 周曉冬

(上海納鐵福傳動系統(tǒng)有限公司， 上海 201315)

0 前言

電子扭矩管理器產(chǎn)品是斷開式四驅(qū)傳動系統(tǒng)的核心部件，如圖1所示，通常裝配于四驅(qū)車輛的后橋主減速器總成上。

圖1 ETM總成圖

當(dāng)四驅(qū)車輛勻速行駛時，ETM總成可以斷開后橋主要傳動部件，以實現(xiàn)更高的燃油經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)需要后輪介入驅(qū)動時，ETM總成通過對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的控制，可以在400毫秒內(nèi)從兩驅(qū)轉(zhuǎn)換為四驅(qū)模式，從而達(dá)到出色的動態(tài)性能。電子扭矩管理器通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制動力的結(jié)合和斷開來實現(xiàn)整車兩驅(qū)和四驅(qū)模式的自動切換。

ETM總成裝配質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到整車四驅(qū)系統(tǒng)的性能，因此對ETM總成相關(guān)性能進(jìn)行下線檢測有著重要的意義。通過下線測試，有效地攔截一些不合格品，減少返工成本。

1 ETM產(chǎn)品介紹

1.1 ETM的零件組成

圖2為某款ETM總成裝配圖，ETM總成主要由殼體①、球道支撐盤②、斜坡鋼球壓緊組件④、滾針止推軸承⑤、Z型盤⑥、離合器片組⑦、外摩擦片連接組件⑧、波形彈簧⑨、軸承(⑩、)、內(nèi)鋼片連接半軸、擋油圈、平行銷、減速齒、調(diào)整墊片、電機(jī)和油封等零件裝配而成。

圖2 ETM總成裝配

1.2 ETM的工作原理

ETM產(chǎn)品的工作原理，如圖3所示，斜坡球道壓緊組件由輸入執(zhí)行盤、球支架組件和輸出制動盤三個零件組成，其中輸出制動盤通過壓裝固定于球道支撐盤零件上，輸入執(zhí)行盤和減速齒連接，球支架組件裝配于上述兩個零件對稱布置的單向斜坡球道溝槽中。當(dāng)ETM從斷開狀態(tài)變?yōu)榻雍蠣顟B(tài)，電機(jī)通過減速齒驅(qū)動具有斜坡球道的輸入執(zhí)行盤，從而實現(xiàn)輸出制動盤和輸入執(zhí)行盤的相對旋轉(zhuǎn)運動[1]。該旋轉(zhuǎn)扭矩可使球支架組件上的鋼球沿相反的斜道向上滾動，由此將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為軸向運動，電機(jī)輸出扭矩轉(zhuǎn)換為軸向力。軸向力通過壓力盤和滾針止推軸承最終作用于離合器片組上，實現(xiàn)扭矩的輸出。

圖3 工作原理圖

基于上述原理，輸出扭矩的大小可通過控制ECU對電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置以及輸出電流的大小來進(jìn)行控制。

1.3 ETM的產(chǎn)品優(yōu)勢

和其他液壓離合器產(chǎn)品相比，ETM總成電機(jī)直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)電機(jī)斷電時，受壓狀態(tài)的波片彈簧靠彈力將執(zhí)行機(jī)構(gòu)推回至初始狀態(tài)，確保ETM總成處于斷開狀態(tài)，提升四驅(qū)系統(tǒng)的安全性能。

2 電子扭矩管理器四驅(qū)切換過程分析

車輛兩驅(qū)和四驅(qū)切換時，電子扭矩管理器通過對離合器的主動控制，實現(xiàn)兩輪驅(qū)動或者四輪驅(qū)動功能，其工作過程如圖4所示。

圖4 位置特性圖

第一階段：此時斜坡球道壓緊組件的鋼球處于機(jī)械零點位置MEZ(Mechanical Zero)，斜坡球道壓緊組件和離合器片組之間存在一定的間隙(Airgap)，也就是通常所說的空行程。離合器壓盤、摩擦片之間為無轉(zhuǎn)矩傳遞階段，此時車輛為兩驅(qū)狀態(tài)[2]。

第二階段：當(dāng)電機(jī)驅(qū)動斜坡球道壓緊組件的鋼球到達(dá)扭矩傳遞初始位置點OPZ(Operational Zero)，離合器片組壓盤、摩擦片受壓傳遞扭矩，但是傳遞的轉(zhuǎn)矩沒有達(dá)到最大輸出扭矩。此時電機(jī)持續(xù)輸出扭矩，離合器片組傳遞的轉(zhuǎn)矩持續(xù)增加直到輸出扭矩達(dá)到四驅(qū)所需的扭矩。

實際工作過程中，離合器片組的壓盤和摩擦片在扭矩傳遞過程中會產(chǎn)生相對滑摩，因此電子扭矩管理器工作一段時間之后，摩擦片表面會發(fā)生一定程度的磨損，其厚度會不斷變小[3]。如下圖所示，隨著摩擦片的磨損，扭矩傳遞初始位置點會向右偏移，直至扭矩傳遞初始位置點偏移至OPZ(max)點時，此時最大扭矩傳遞點即球道的斜坡終點MEE(Mechanical End)。后續(xù)隨著摩擦片的進(jìn)一步磨損，離合器片組壓縮行程將無法滿足性能要求，其輸出扭矩將無法達(dá)到四驅(qū)所需的扭矩。

3 下線測試設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用

3.1 下線測試設(shè)備原理

如圖5所示，ETM下線測試設(shè)備主要由PLC(Programmable Logic Controller)、EOL ECU(Electronic Control Unit)以及被測對象組成。

圖5 測試臺布局

PLC運行ETM的測試邏輯(自主開發(fā)策略)，通過CAN總線與EOL ECU進(jìn)行通信，發(fā)送信號指令控制ETM進(jìn)行測試，并通過EOL ECU采集位置信號電流信號等對被測件進(jìn)行偏差判斷。PLC通過I/O端口，CAN接口與EOL ECU相連接，EOL ECU與ETM通過DSUB 9連接器進(jìn)行CAN通訊。

EOL ECU包括測試硬件以及測試軟件。如圖6所示，測試硬件選用德國ADCOS公司開發(fā)的快速控制原型平臺PUMA PTM。

圖6 測試原理圖

ECU的電源主要是外接供電，為KL30。ECU是否工作由KL15信號控制。當(dāng)KL15小于設(shè)定閾值時，為無效信號。當(dāng)KL15大于閾值時，為有效信號，當(dāng)電源管理芯片收到KL15喚醒信號時便會打開內(nèi)部電子開關(guān)或啟動開關(guān)電源，ECU系統(tǒng)才真正開始工作。發(fā)出CAN信號控制ETM測試，回采霍爾傳感器采集的位置信號以及電機(jī)的三相電流進(jìn)行校驗，最后判斷被測件是否合格。CAN總線需要安裝120 Ω的終端電阻。

測試軟件是通過MATLAB工具搭建的Simulink模型進(jìn)行開發(fā)，包含了以下幾個模塊：

(1)控制模塊：ETM的控制邏輯；

(2)信號接收模塊：CAN信號發(fā)送與接受，故障信號上報；

(3)測試模塊：將采集的位置信號以及電流信號等與預(yù)設(shè)值進(jìn)行判斷。

通過MATLAB里的Embedded Coder生成代碼。最后使用刷寫工具更新到測試硬件中。

執(zhí)行電機(jī)被安裝于ETM總成的殼體上，通過接插件以及線束和測試ECU進(jìn)行連接，ECU通過電流環(huán)及位置環(huán)實現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行控制。一方面ECU通過全橋電路對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，通過PWM控制并同時檢測電機(jī)的電流。另一方面，對安裝在電機(jī)里面的霍爾傳感器的信號進(jìn)行解碼監(jiān)測，實時監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動量。根據(jù)采集的電流信號以及位置信號完成閉環(huán)控制。

3.2 測試流程

如圖7所示，一次完整測試過程分為四個階段，依次為初始化階段、機(jī)械零點位置MEZ檢測階段、總成性能參數(shù)檢測階段以及安全脫開性能階段。

圖7 測試循環(huán)

初始化階段為電機(jī)的正轉(zhuǎn)以及反轉(zhuǎn)，確認(rèn)斜坡球道壓緊組件工作過程中是否存在異常卡滯。

機(jī)械零點位置MEZ檢測階段：此時斜坡球道壓緊組件和離合器片組之間存在最大的間隙，離合器片組處于斷開狀態(tài)，并且在控制邏輯中將該位置設(shè)置為零，即機(jī)械零點位置MEZ。

總成性能參數(shù)檢測階段：通過占空比控制電機(jī)電流的大小，對總成性能參數(shù)進(jìn)行測試，并在EOL結(jié)束時記錄測試項數(shù)據(jù)，下線測試參數(shù)如下表所示。

表1 下線測試參數(shù)

安全脫開性能階段：當(dāng)電流到達(dá)額定設(shè)置的最大電流后，電流信號設(shè)置為0，ECU記錄上述電流變化過程中對應(yīng)的位置變化量(電機(jī)轉(zhuǎn)角)。該項內(nèi)容主要檢測受壓的波形彈簧能否讓斜坡球道壓緊組件回到機(jī)械零點位置MEZ，即ETM總成處于斷開狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1) 目前下線測試設(shè)備已正式投入使用，該測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，能有效檢測并識別不合格的產(chǎn)品，最終提升了生產(chǎn)節(jié)拍，保證總成的裝配質(zhì)量，滿足公司裝配制造的緊迫需求；

(2) 該項下線測試技術(shù)的研究以及應(yīng)用也為公司的質(zhì)量提升，品牌認(rèn)可度提升產(chǎn)生了積極的效果，最終提升了公司產(chǎn)品的核心競爭力，提高了公司在行業(yè)中的領(lǐng)先地位以及客戶對公司先進(jìn)裝配技術(shù)水平的認(rèn)可，為后續(xù)ETM新項目的獲取提供必要的支撐條件。