TCS功能標(biāo)定工況電驅(qū)總成故障問題研究

陳珍穎　高曉辰　賴聰　金元麗　任超男　辛慶鋒

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有TCS功能標(biāo)定造成電驅(qū)總成故障的問題，結(jié)合故障工況及故障件拆解分析了其故障機(jī)理，提出在采用基于門限值的驅(qū)動(dòng)輪輪速差控制算法來進(jìn)行差速器保護(hù)。根據(jù)標(biāo)定工況下路面附著系數(shù)及整車參數(shù)，建立了對(duì)開路面TCS觸發(fā)工況下，包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型、ESC控制模型在內(nèi)的整車多體動(dòng)力學(xué)模型。利用Matlab-Simulink和Carsim開展聯(lián)合仿真，并根據(jù)仿真對(duì)比結(jié)果，制定了基于門限值的驅(qū)動(dòng)輪速差控制算法開發(fā)策略，最后通過整車標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證了模型仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：TCS標(biāo)定 Carsim聯(lián)合仿真 電驅(qū)故障 差速器保護(hù)

1 前言

TCS是ESC系統(tǒng)中用于防止車輛在加速過程中出現(xiàn)打滑，實(shí)現(xiàn)車輛加速性能和穩(wěn)定性能的提升的功能，根據(jù)路面附著系數(shù)的變化，TCS控制主要是控制車輪的輪速和扭矩。一般來說，TCS主要通過兩種形式對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)率進(jìn)行控制，一是降低驅(qū)動(dòng)扭矩以防止車輛側(cè)滑，二是通過增加打滑輪一側(cè)的制動(dòng)力以提高車輛的加速性能。

TCS功能通常需要在急彎道或高低附著系數(shù)的路面上進(jìn)行標(biāo)定和性能驗(yàn)證，最典型的是在對(duì)開坡道（坡度分別為10%、15%、20%）上面，高附側(cè)車輪轉(zhuǎn)速小，低附側(cè)車輪由于打滑車輪轉(zhuǎn)速大，同時(shí)由于爬坡時(shí)驅(qū)動(dòng)扭矩需求大，在這種測(cè)試條件下，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)差速器半軸齒輪承載能力的考驗(yàn)也非常苛刻，尤其是在TCS開始標(biāo)定時(shí)， 由于標(biāo)定參數(shù)不完全，標(biāo)定過程也會(huì)出現(xiàn)差速器故障的問題。

本文通過以某一車型在TCS標(biāo)定過程中出現(xiàn)電驅(qū)總成故障為案例，詳細(xì)剖析電驅(qū)故障產(chǎn)生原理，建立對(duì)開坡道下的TCS控制模型，對(duì)整車標(biāo)定時(shí)的左右車輪轉(zhuǎn)速及扭矩控制設(shè)置保護(hù)閾值，以避免電驅(qū)故障的產(chǎn)生，最后通過實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

2 故障工況分析

2.1 故障電驅(qū)拆解分析

該前驅(qū)車型在標(biāo)定過程中發(fā)現(xiàn)電驅(qū)總成漏油及異響的故障。通過故障件進(jìn)行拆解分析，發(fā)現(xiàn)電驅(qū)減速器殼體多處與差速器接觸面有磨損現(xiàn)象，差速器定位銷斷裂，中間軸脫出，殼體內(nèi)殘留大量鐵屑。因此可推測(cè)，電驅(qū)故障原因是差速器中間軸脫出后，與電機(jī)殼體間產(chǎn)生了磨削和碰撞，導(dǎo)致了電驅(qū)外殼體產(chǎn)生裂縫，潤(rùn)滑油由裂縫中漏出。

進(jìn)一步拆解差速器后，發(fā)現(xiàn)差速殼體軸孔擴(kuò)張，卷邊，并且突出軸表面有嚴(yán)重的磨損痕跡，中間軸與無銷釘側(cè)齒輪燒結(jié)在一起（如圖3），無法旋轉(zhuǎn)，中間軸有0.414mm的磨損，另一側(cè)齒輪可正常旋轉(zhuǎn)。

結(jié)合以上分析，推測(cè)故障原因是差速器受到極大扭矩作用，且差速率過大，導(dǎo)致錐齒輪在中間軸上快速摩擦后燒結(jié)在一起，導(dǎo)致一側(cè)錐齒輪無法在中間軸上旋轉(zhuǎn)（原本可正常回轉(zhuǎn)）；當(dāng)車輛再次差速時(shí)，扭矩導(dǎo)致中間軸定位銷斷裂，致使中間軸在沒有定位銷的定位后脫出，與電驅(qū)殼體摩擦和切削，從而導(dǎo)致電驅(qū)殼體產(chǎn)生裂紋漏油。

2.2 故障機(jī)理分析

目前按照汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T1022-2015《純電動(dòng)乘用車用減速器總成技術(shù)條件》[2]，對(duì)差速器可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，主要包括兩種試驗(yàn)工況：

1.高速低扭試驗(yàn)。即把差速器一端固定，另一端輸入軸為最高輸入轉(zhuǎn)速的50%（高速），輸入扭矩為最大輸入轉(zhuǎn)矩的25%—35%，試驗(yàn)時(shí)間不少于30分鐘。

2.低速高扭試驗(yàn)。即保持差速器一端輸入轉(zhuǎn)速為的最高輸入轉(zhuǎn)速的20%左右（低速），差速率保持在12%—15%，輸入轉(zhuǎn)矩為最大扭矩的75%左右（高扭），總循環(huán)不少于200次。

然而TCS標(biāo)定時(shí)車輛的工況一般為高轉(zhuǎn)速差，高扭矩差，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)無法覆蓋這一工況，如果TCS負(fù)載工況超過差速器的承載能力，就會(huì)引起差速器失效。因此，為了探清電驅(qū)差速器故障的具體扭矩工況，需要根據(jù)具體車型參數(shù)建立動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析。

3 控制模型分析

3.1 模型推導(dǎo)

3.1.1 控制模式推導(dǎo)

TCS系統(tǒng)主要是對(duì)車輛的縱向力進(jìn)行控制，以獲得最佳滑移率為目標(biāo)，而汽車的縱向力包括驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力。其中驅(qū)動(dòng)力是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的扭矩經(jīng)過傳動(dòng)系傳遞到驅(qū)動(dòng)輪之后，由輪胎與路面之間正向的相互作用而產(chǎn)生；制動(dòng)力是由制動(dòng)力矩引起的輪胎與路面之間逆向互相作用而產(chǎn)生的。因此在進(jìn)行汽車的TCS標(biāo)定故障工況分析時(shí)，需要建立動(dòng)力傳動(dòng)系模型、制動(dòng)系統(tǒng)控制模型和整車模型[3]。

從電機(jī)輸出的扭矩為油門開度，為電機(jī)轉(zhuǎn)速，為駕駛員動(dòng)態(tài)扭矩需求，為ESC計(jì)算的額外電機(jī)扭矩值，

電機(jī)動(dòng)態(tài)扭矩特性可簡(jiǎn)化為帶滯后的一階慣性系統(tǒng)，即：

式中，為對(duì)應(yīng)油門開度下的電機(jī)穩(wěn)態(tài)工作扭矩，為系統(tǒng)滯后時(shí)間常數(shù)，為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。

若TCS功能觸發(fā)時(shí)，ESC要求電機(jī)降低輸出扭矩，電機(jī)目標(biāo)扭矩為，ESC需求目標(biāo)扭矩為

若DTC功能觸發(fā)時(shí)，ESC要求電機(jī)提高輸出扭矩，

若TCS/DTC功能都不觸發(fā)時(shí)，

電機(jī)扭矩控制為PI控制，為P值，為I值，

假設(shè)汽車坐標(biāo)原點(diǎn)與汽車重心重合，忽略車輛垂直運(yùn)動(dòng)，車輛繞Y軸俯仰角及繞X軸側(cè)傾角為零，方向盤轉(zhuǎn)角與前輪轉(zhuǎn)角成比例關(guān)系，可得如下動(dòng)力學(xué)方程：

則整車力學(xué)特性可簡(jiǎn)化為如上圖所示，圖中為轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角；為縱向力；為側(cè)向力；為迎風(fēng)阻力；為滾動(dòng)阻力; a、b分別為重心至前后軸的距離；d為輪距；為車體在固定坐標(biāo)系下的縱向車速；為車體在固定坐標(biāo)系下的側(cè)向車速；為車輛重心處的側(cè)偏角；為車輛橫擺角速度。

選取對(duì)開路面坡道典型工況對(duì)汽車可能出現(xiàn)打滑的工況進(jìn)行分析，由于當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力矩大于路面最大附著系數(shù)是，才可能出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力為：

變速器傳動(dòng)比；分動(dòng)器傳動(dòng)比;主變速器傳動(dòng)比；為傳動(dòng)系效率。

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與車速的關(guān)系可得，

為汽車行駛速度（m/s），Ｒ為車輪半徑（m），為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）。

忽略其他阻力，令為滾動(dòng)阻力系數(shù)，W為車輪載荷，為路面附著系數(shù)。可得：

滾動(dòng)阻力

路面最大附著力

3.1.2 基于門限值的驅(qū)動(dòng)輪速差控制算法開發(fā)策略

在對(duì)開路面上的TCS控制，一般采用基于門限的控制方法，即根據(jù)車輪滑轉(zhuǎn)率和車輪減速度是否達(dá)到某一設(shè)定門限，判斷是觸發(fā)TCS功能及TCS功能觸發(fā)后是否增加制動(dòng)壓力或者減小驅(qū)動(dòng)扭矩。因此門限值控制選取是門限值控制效果的關(guān)鍵，而在門限值中除了考慮路面條件下車輪的滑移率外，也需要設(shè)置差速器保護(hù)條件。

對(duì)差速器的保護(hù)，主要是通過對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的獨(dú)立制動(dòng)控制，保證兩側(cè)車輪輪速差保持在一定范圍內(nèi)，即對(duì)車輪的輪速差和車輪加速度[1]作為輔助門限。

對(duì)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛，實(shí)際車速通常通過兩非驅(qū)動(dòng)輪輪速平均值作為實(shí)際車速，即參考車速為：

其中為非驅(qū)動(dòng)輪左輪，為非驅(qū)動(dòng)輪左輪。

首先判斷車輛車速條件，設(shè)置TCS功能退出車速為V，若車速大于V時(shí)，TCS退出，然后對(duì)驅(qū)動(dòng)輪兩側(cè)車輪輪速（、）進(jìn)行判斷，并選取高轉(zhuǎn)速車輪輪速進(jìn)行控制，并以考慮到驅(qū)動(dòng)車輪車速變化過程，設(shè)高速輪輪速門限輪速差門限控制如圖5所示。考慮到在車輛加速度不大時(shí)，如果施加制動(dòng)壓力，往往會(huì)出現(xiàn)加壓過度導(dǎo)致車輪抱死的情況，所以本文TCS系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置輪速加速度門限施加制動(dòng)控制。對(duì)開路面TCS控制策略邏輯框圖如下，

驅(qū)動(dòng)輪兩輪的差速率為：

車輛驅(qū)動(dòng)車輪的受力關(guān)系為：

式中為車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為輪端驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

通過對(duì)輪速差門限值的調(diào)整，可以使兩側(cè)車輪之間的輪速差控制在一定范圍內(nèi)，低附側(cè)車輪（高速輪）也不會(huì)發(fā)生過度滑轉(zhuǎn)。因此，通過對(duì)輪速差的門限的設(shè)置可以將該工況下的差速器差速率控制在一定范圍內(nèi)，從而達(dá)到差速器保護(hù)的目的。

通過分析可知，加速度門限會(huì)影響控制系統(tǒng)的控制效果，過小，則接近輪速差門限控制的效果，可能導(dǎo)致過度制動(dòng)；過大，則會(huì)滯后驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)的判斷，使非驅(qū)動(dòng)輪的輪速變化幅度增大，增大傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)扭矩，從而影響包括差速器在內(nèi)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)部件的使用壽命。可以看出加速度受路面附著系數(shù)、車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，因此在選取加速度門限值時(shí)，需要根據(jù)路面附著系數(shù)及實(shí)際輪端的輸出轉(zhuǎn)矩來進(jìn)行選取。

3.2 模型仿真分析

3.2.1 仿真條件

選取某一車型在Matlab/Simulink環(huán)境和Carsim環(huán)境中進(jìn)行整車動(dòng)力性仿真模擬，進(jìn)行坡道對(duì)開路面控制邏輯和算法研究，并進(jìn)行對(duì)開路面基于門限值的驅(qū)動(dòng)輪控制進(jìn)行仿真研究。由于該車型為兩驅(qū)單速比變速器，對(duì)車輛最大油門的情況下，可選擇路面附著系數(shù)μ=0.1/0.5、坡度為15%的對(duì)開路面。仿真時(shí)將該算法與一般滑移率控制算法的控制模型進(jìn)行了仿真結(jié)果對(duì)比，以判斷該算法的控制效果。

仿真時(shí)整車及電驅(qū)主要參數(shù)如表1所示。

3.2.2 仿真模型搭建

根據(jù)TCS控制邏輯搭建系統(tǒng)控制模型如圖所示，由Carsim整車模型、制動(dòng)執(zhí)行器模型和制動(dòng)模式估算模型組成，如圖7所示。

其中制動(dòng)模式估算模型包含對(duì)基于門限值的驅(qū)動(dòng)輪的輪速差控制模型及對(duì)非驅(qū)動(dòng)輪基于滑移率控制模型，如圖8所示。

3.2.3 仿真結(jié)果與分析

在仿真時(shí)使用AB兩種方式進(jìn)行對(duì)比仿真分析：即A策略是采用一般滑移率控制算法，對(duì)四輪均采用基于滑移率的PID控制，B策略是對(duì)驅(qū)動(dòng)輪采用基于門限值的輪速差控制，對(duì)非驅(qū)動(dòng)輪仍采用基于滑移率的PID控制。從靜止開始以駕駛員最大油門進(jìn)行加速的情況進(jìn)行仿真。

通過仿真對(duì)比，選取門限值參數(shù)如表2。

差速器輸入轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果如圖9所示。

從圖中可以看出，低速時(shí)（車速小于3kph）A策略的差速器最大輸入轉(zhuǎn)矩為400Nm，B策略的最大輸入轉(zhuǎn)矩為350Nm，且起步時(shí)扭矩振蕩幅度降低12.5%。

車速仿真結(jié)果如圖10所示，從仿真結(jié)果可以看出，在車速小于7.5kph時(shí)，B策略起步車速比A策略起步車速高，當(dāng)車速大于7.5kph時(shí)，B策略車速明顯低于A策略車速。因此可知，基于門限值的驅(qū)動(dòng)輪輪速差控制策略適用于在低速階段提升車輛的起步加速性能。

如圖11輪速控制效果可知，可使驅(qū)動(dòng)輪在1.8s時(shí)驅(qū)動(dòng)輪輪速差控制在20%內(nèi)。

綜合以上仿真結(jié)果對(duì)比可知，B策略即基于門限值的驅(qū)動(dòng)輪門速差控制策略可在車輛起步的低速階段對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的輪速差施加控制，同時(shí)一定程度上降低差速器的輸入扭矩控制，使其控制在合理范圍內(nèi)。

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證

在該車上測(cè)試時(shí)TCS功能觸發(fā)時(shí)整車動(dòng)力性能，獲得電驅(qū)輸出力矩和輪速測(cè)試數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如表3所示。

從測(cè)試數(shù)據(jù)可值，采用基于門限值的驅(qū)動(dòng)輪輪速差控制策略明顯減低了驅(qū)動(dòng)輪輪速差最大值，即電驅(qū)差速率得到了有效控制，同時(shí)驅(qū)動(dòng)輪扭矩振蕩最大幅值也降低了。由此可證明此控制策略的有效性。

4 結(jié)束語

本文基于某前驅(qū)純電動(dòng)車TCS標(biāo)定過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)故障漏油問題進(jìn)行了研究，闡述了其產(chǎn)生機(jī)理，并進(jìn)行TCS控制模型建模，通過基于Matlab-Simulink與Carsim聯(lián)合仿真，得到了TCS標(biāo)定極端工況下差速器扭矩特性的仿真結(jié)果，采用差速器保護(hù)優(yōu)化控制策略后，差速器扭矩差和轉(zhuǎn)速差值明顯降低，差速器負(fù)載工況得到優(yōu)化，且滿足整車動(dòng)力性能，結(jié)果表明在低速范圍內(nèi)，該控制策略可有效降低差速器負(fù)載，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)有一定保護(hù)作用。

本仿真中驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊模型采用通用電驅(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)搭建電驅(qū)模型，與實(shí)際可能存在差距，后續(xù)應(yīng)結(jié)合整車驅(qū)動(dòng)扭矩測(cè)試對(duì)電驅(qū)模仿真模型進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高TCS控制模型仿真準(zhǔn)確性。

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