商用車中央集成式電驅(qū)橋結(jié)構(gòu)及原理

電驅(qū)動橋作為一種高度集成的機(jī)電一體化驅(qū)動系統(tǒng)，與傳統(tǒng)驅(qū)動橋有諸多不同之處，而且由于電驅(qū)動總成布置方案和結(jié)構(gòu)不盡不同，行業(yè)內(nèi)尚未形成統(tǒng)一的下線檢驗標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。為此，針對商用車中央集成式電驅(qū)橋開展了下線檢測設(shè)備開發(fā)及檢測方法研究工作。

1 中央集成式電驅(qū)橋結(jié)構(gòu)及原理

依據(jù)驅(qū)動電機(jī)在驅(qū)動橋中布置位置的不同，可以劃分為中央集成式電驅(qū)橋和分布式電驅(qū)橋，中央集成式電驅(qū)橋的電機(jī)位于驅(qū)動橋中央，而分布式電驅(qū)橋的電機(jī)位于驅(qū)動橋兩側(cè)[1]。目前，新能源商用車電驅(qū)橋多采用單電機(jī)匹配兩擋變速箱方案，該方案具有結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)效率高、可提高整車經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點。

中央集成式電驅(qū)橋結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由驅(qū)動電機(jī)、變速箱、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、橋殼、半軸、輪端等部件構(gòu)成，其中所有齒輪傳動機(jī)構(gòu)、行星排減速機(jī)構(gòu)、差速器都具有支持其旋轉(zhuǎn)運動所需的軸承、密封件及潤滑油。驅(qū)動電機(jī)輸出端與變速箱一軸的輸入端采用花鍵連接，差速器輸出端與輪端通過半軸相連接。驅(qū)動電機(jī)為永磁同步電機(jī)，可將三相交流功率轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率輸出，電機(jī)軸帶動變速箱一軸轉(zhuǎn)動，將轉(zhuǎn)矩依次經(jīng)過變速箱二軸齒輪、三軸齒輪傳遞到行星減速器太陽輪，太陽輪將扭矩傳遞至行星架，行星架與差速器殼體固定連接，行星架帶動差速器殼體轉(zhuǎn)動，扭矩經(jīng)差速器行星齒輪傳遞至半軸齒輪，最終傳遞至半軸，驅(qū)動車橋輪端轉(zhuǎn)動。換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成于變速箱上，它以伺服電機(jī)或者氣壓驅(qū)動換擋撥叉左右移動，進(jìn)而撥動換擋滑套實現(xiàn)結(jié)合或者斷開目標(biāo)擋位齒輪和三軸之間的動力傳遞。

圖1 中央集成式電驅(qū)橋結(jié)構(gòu)

2 下線檢測工藝方案

在電驅(qū)橋總成出廠前，為保證產(chǎn)品功能的完整性且無故障，需要在裝配線的終端進(jìn)行功能檢測。經(jīng)過對電機(jī)、減速器、傳統(tǒng)車橋等單體檢測標(biāo)準(zhǔn)的研究以及行業(yè)調(diào)研[4-7]，考慮電驅(qū)動橋的功能特性為主，最終確定的下線檢測項目及方法如下：

(1)外觀質(zhì)量檢測：除電機(jī)、車輪螺栓、電氣接頭外，總成外表面涂漆無損傷、銹蝕、油漆流掛等缺陷，外殼無變形、裂紋。電機(jī)高壓、低壓接口及傳感器接線端子無破裂、異物，各緊固件連接無松動，銘牌不應(yīng)脫落且字跡清晰。

(2)橋總成氣密性檢測：為防止變速箱與車轎安裝接合面、油封等部位出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，出廠前需做氣密性檢測。檢測方式：試驗介質(zhì)的溫度應(yīng)和試驗環(huán)境的溫度一致并保持穩(wěn)定，被試樣件保留一個通氣孔，逐漸加壓至30～40 kPa，保壓一定時間后，壓力下降值不得超過工藝要求值，或者泄漏量不大于規(guī)定值。

(3)電機(jī)絕緣電阻檢測：分別測量電機(jī)U、V、W接線端對機(jī)殼的絕緣電阻，機(jī)殼接地，要求測得絕緣電阻值大于20 MΩ[4]。測量結(jié)束后，每個線路應(yīng)對接地的機(jī)殼做電氣連接使其放電。

(4)換擋功能測試:該項測試是為了驗證換擋功能是否正常，測試前擋位位于空擋，給定電驅(qū)橋電機(jī)轉(zhuǎn)速為20～30 r/min，上位機(jī)通過TCU控制被測件依次執(zhí)行以下?lián)Q擋動作：空擋掛入低擋、低擋回空擋、空擋掛入高擋、高擋回空擋，測試過程中，上位機(jī)依靠TCU解析擋位傳感器信號并記錄、顯示擋位信息。

(5)空載運轉(zhuǎn)檢測：該項測試主要目的是通過磨合消除零件的早期失效階段，改善各運動副的工作表面狀況以及提高產(chǎn)品內(nèi)部的清潔度。測試時，將電機(jī)轉(zhuǎn)速從0升至100 r/min，依次切換被測件的各個擋位，確認(rèn)無異常后，再依次檢測每個擋位的高速運轉(zhuǎn)情況；檢測電驅(qū)橋差速功能時，制動任意一側(cè)輪端，電驅(qū)橋電機(jī)驅(qū)動另一側(cè)輪端加倍旋轉(zhuǎn)，差速鎖鎖止時，電驅(qū)橋左右輪端轉(zhuǎn)速相同。在磨合運轉(zhuǎn)過程中，加注油系統(tǒng)的凈油箱油液經(jīng)過多次過濾，持續(xù)在電驅(qū)橋變速箱內(nèi)部循環(huán)沖洗，以將傳動系磨合掉的金屬碎屑帶至和變速箱排油孔相連的污油箱，進(jìn)而提高橋總成內(nèi)部的清潔度。

(6)ABS輪速傳感器檢測：如圖2所示，防抱死剎車系統(tǒng)(ABS)輪速傳感器通過安裝支架固定在驅(qū)動橋上，齒圈安裝在輪轂上并隨車輪一起旋轉(zhuǎn)，隨著齒圈齒牙周期性地切割傳感器磁力線，在ABS輪速傳感器內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的感應(yīng)電壓，整車控制器可根據(jù)感應(yīng)電壓變化的頻率實時計算出車輪轉(zhuǎn)速，以監(jiān)控和判斷車輪是否有滑移傾向。ABS 輪速傳感器檢測指標(biāo)包括最大感應(yīng)峰值電壓、最小感應(yīng)峰值電壓、最大和最小感應(yīng)峰值電壓的比值[8]，感應(yīng)峰值電壓大小與ABS輪速傳感器和齒圈端面之間的間隙呈線性關(guān)系，電壓比值的大小可反映齒圈裝配的端跳程度。

圖2 ABS輪速傳感器安裝

其中，總成氣密性和電機(jī)絕緣電阻分別通過專用氣密檢測儀、絕緣電阻檢測儀完成檢測，換擋功能測試、空載運轉(zhuǎn)檢測、ABS輪速傳感器檢測等項目由專用試車臺自動完成檢測。

3 試車臺設(shè)計方案

根據(jù)下線檢測工藝方案需求，開發(fā)了一款基于雙電機(jī)控制器搭建的電驅(qū)橋空載試車臺，如圖3所示。試車臺主要由水冷機(jī)、電控柜、直流電源、試驗臺體、雙電機(jī)控制器MCU、換擋控制器TCU、注油系統(tǒng)組成，試驗臺體用于固定被試件。在電氣系統(tǒng)中，采用直流電源作為動力電源，通過電機(jī)控制器來控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)方向及輸出扭矩，由換擋控制器控制電驅(qū)橋換擋動作，通過傳感器模塊檢測電驅(qū)橋測試過程中的參數(shù)，實現(xiàn)電驅(qū)橋的空載試車、換擋以及電驅(qū)橋各個功能的測試。

圖3 電驅(qū)橋空載試車臺布局

在上位機(jī)界面可以監(jiān)控測試過程參數(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、顯示、存儲、綁定產(chǎn)品流水編號等處理，當(dāng)檢測參數(shù)超過設(shè)定的限值范圍時，上位機(jī)界面會顯示相應(yīng)報警信息。電驅(qū)橋試車臺的主要技術(shù)要求，詳見表1。

表1 電驅(qū)橋試車臺的主要技術(shù)要求

3.1 試車臺機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

圖4為試驗臺體，主要包括基座、防護(hù)網(wǎng)、板簧座支架、導(dǎo)軌、光幕。其中板簧支架用于安裝被測件，導(dǎo)軌和右側(cè)板簧座支架固定在基座上，左側(cè)板簧座支架安裝在導(dǎo)軌上，左右板簧座支架沿橫向水平布置，左側(cè)板簧座支架可以沿導(dǎo)軌左右移動，以便于裝夾不同板簧距的電驅(qū)橋產(chǎn)品。光幕分別安裝于試驗臺體左右兩側(cè)，測試過程中，當(dāng)操作人員進(jìn)入光幕區(qū)域，設(shè)備會發(fā)生報警并停機(jī)，從而保證人員作業(yè)的安全性。

圖4 試驗臺體

3.2 試車臺控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文創(chuàng)新性提出了一種基于雙電機(jī)控制器搭建的試車臺控制系統(tǒng)，包括測控系統(tǒng)和接觸器線圈控制回路，如圖5所示。所述測控系統(tǒng)主要包括雙電機(jī)控制器MCU、冷卻系統(tǒng)、控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、換擋控制器TCU，雙電機(jī)控制器的輸出端1通過第一中間繼電器KM5的常開觸點連接電驅(qū)橋電機(jī)，雙電機(jī)控制器的輸出端2通過第二中間繼電器KM6的常開觸點連接電驅(qū)橋電機(jī)，控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過CAN總線分別與雙電機(jī)控制器和換擋控制器的控制端相連接，用于實現(xiàn)控制器與控制系統(tǒng)之間的通信。雙電機(jī)控制器通過低壓信號線分別連接驅(qū)動電機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器(簡稱旋變)和溫度傳感器，以便于監(jiān)測驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角以及電機(jī)溫度，ABS輪速傳感器電性連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖5 試車臺控制系統(tǒng)原理

所述接觸器線圈控制回路包括并聯(lián)連接的繼電器KM5線圈和繼電器KM6線圈以及并聯(lián)連接的繼電器KA11線圈和繼電器KA12線圈。通過三位旋鈕開關(guān)SB5接通繼電器KA11線圈電路時，繼電器KA11常開觸點閉合，進(jìn)而使繼電器KM5線圈通電，繼電器KM5常開觸點閉合，最終雙電機(jī)控制器輸出端1與電驅(qū)橋電機(jī)三相線接通。同理，接通繼電器KA12線圈電路，電驅(qū)橋電機(jī)三相線與雙電機(jī)控制器輸出端2相連。

該方案通過接觸器線圈控制回路的3位旋鈕開關(guān)SB5，選擇電驅(qū)橋電機(jī)與雙電機(jī)控制器兩種不同功率輸出端中的任意一端相連，使試車臺可兼容兩種不同功率電機(jī)，在面臨產(chǎn)品測試或更換時，節(jié)省了更換電機(jī)控制器或者刷寫電機(jī)控制器軟件的工作量，且減少設(shè)備制造成本。

3.3 試車臺控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

上位機(jī)開機(jī)初始化界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)開機(jī)初始化界面

采用LabVIEW軟件搭建上位機(jī)軟件并編寫開機(jī)初始化、參數(shù)設(shè)置、測試等人機(jī)交互界面，上位機(jī)啟動后自動進(jìn)入開機(jī)初始化界面，控制系統(tǒng)自動檢測上位機(jī)與 PLC、電機(jī)控制器、換擋控制器以及傳感器之間的通信狀態(tài)，若通信正常，界面右下角的“PLC”“MCU”“TCU”3個指示按鈕顯示綠色。通過CAN-USB接口和RS232-CAN建立上位機(jī)和實時控制系統(tǒng)(下位機(jī))之間的CAN總線通信，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制和傳感器信號采集等功能。

4 電驅(qū)橋電機(jī)旋變零位偏角的標(biāo)定

永磁同步電機(jī)的矢量控制一般采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)方式[9-10]，電機(jī)控制器需根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置和母線電壓的變化，實時計算出電機(jī)定子繞組的電流矢量，以此產(chǎn)生和電機(jī)轉(zhuǎn)子同步的旋轉(zhuǎn)磁場，計算過程依據(jù)存儲在電機(jī)控制器當(dāng)中的電機(jī)參數(shù)特性公式或者三維MAP。

由于不同型號電機(jī)的設(shè)計或者裝配工藝不同，電機(jī)旋變轉(zhuǎn)子零位和電機(jī)轉(zhuǎn)子零位的偏差角也不相同，如不進(jìn)行旋變零位偏角的標(biāo)定，會直接影響電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息的準(zhǔn)確性，以致降低電機(jī)轉(zhuǎn)速或扭矩控制精度，甚至出現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)、燒毀等現(xiàn)象。因此，電驅(qū)橋空載試車臺搭建完成后，必須通過電機(jī)控制器標(biāo)定不同型號電機(jī)的旋變零位偏角，并將相應(yīng)的電機(jī)特性、傳感器特性或者M(jìn)AP固化到電機(jī)控制器軟件中。

電驅(qū)橋電機(jī)旋變零位偏角標(biāo)定示意如圖7所示。

圖7 電驅(qū)橋電機(jī)旋變零位偏角標(biāo)定示意

在電機(jī)空載或無機(jī)械連接情況下，給定電機(jī)控制器直流電壓，控制電機(jī)U相繞組電流為某一正值，電機(jī)V相和W相繞組電流為相應(yīng)的負(fù)值(即電機(jī)U相輸入端上半橋通電，V相和W相輸入端下半橋通電)，此時U、V、W三相繞組合成電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場和電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的磁場相互作用，使電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至一固定位置，即電機(jī)轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶颗cU、V、W三相繞組合成的電流矢量相重合。此時，通過解碼器解讀出旋變轉(zhuǎn)子角位移為θ，依據(jù)以下公式計算出旋變零位偏角δ：

當(dāng)90°<θ<360°時，δ=360°-θ；

當(dāng)θ≤90°時，δ=θ。

在實際工作中，為進(jìn)一步提高檢測精度可對電機(jī)合成的多個電流矢量分別進(jìn)行零位偏角標(biāo)定，最終計算出其平均值。

5 試車臺驗證及檢測結(jié)果

利用研制的試車臺和建立的測試方法完成了公司某型號中央集成式電驅(qū)橋相關(guān)試車測試，其電驅(qū)橋參數(shù)見表2。

表2 某集成式電驅(qū)橋參數(shù)

被測件完成了換擋功能測試、空載運轉(zhuǎn)檢測及ABS輪速傳感器檢測3個測試項目，試車測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 試車測試結(jié)果

5.1 換擋功能測試

(1)將電驅(qū)橋固定在試驗臺體上，連接電機(jī)三相線，變速箱注油口和放油口分別與加注油系統(tǒng)相連，連接換擋氣源。

(2)將試車臺的換擋電磁閥、擋位傳感器、ABS輪速傳感器等線束接頭連接至電驅(qū)橋相應(yīng)位置。

(3)電機(jī)接通電源，啟動測試軟件，試車臺開始自動檢測所有測試項目。

(4)給定電機(jī)轉(zhuǎn)速30 r/min,試車臺控制換擋機(jī)構(gòu)執(zhí)行以下?lián)Q擋動作：空擋掛入低擋、低擋回空擋、空擋掛入高擋、高擋回空擋，上位機(jī)顯示低擋、空擋、高擋擋位信息為：18.5、32、48。

5.2 空載運轉(zhuǎn)檢測

換擋功能檢測完畢，試車臺自動執(zhí)行空載運轉(zhuǎn)檢測，測試流程如下：

(1)按技術(shù)條件自動加油。

(2)給定電機(jī)轉(zhuǎn)速100 r/min，空擋掛入低擋，電機(jī)轉(zhuǎn)速升至1 000 r/min，穩(wěn)速運轉(zhuǎn)5 min。

(3)電機(jī)轉(zhuǎn)速降至100 r/min，低擋回空擋，空擋掛高擋，電機(jī)轉(zhuǎn)速升至1 000 r/min,穩(wěn)速運轉(zhuǎn)5 min。

(4)擋位保持在高擋位，電機(jī)轉(zhuǎn)速降至597 r/min(等效輪端轉(zhuǎn)速30 r/min),開始檢測電驅(qū)橋差速功能：制動任意一側(cè)輪端，通過ABS輪速傳感器測得另一側(cè)輪端轉(zhuǎn)速為60 r/min，當(dāng)差速鎖鎖止時，電驅(qū)橋輪間差速功能關(guān)閉，試車臺通過輪速傳感器測得電驅(qū)橋左側(cè)車輪和右側(cè)車輪的轉(zhuǎn)速分別為30 r/min。

(5)空載運轉(zhuǎn)過程中，使用分貝儀測量距離減速器殼體水平和垂直方向300 mm的噪聲分別為76、75 dB。

5.3 ABS輪速傳感器檢測

該檢測項目和上述差速功能檢測同步進(jìn)行，當(dāng)電驅(qū)橋差速鎖鎖止時，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速597 r/min(等效輪端轉(zhuǎn)速30 r/min)，穩(wěn)速運轉(zhuǎn)5 s，在此期間，試車臺自動采集ABS輪速傳感器的最大、最小感應(yīng)峰值電壓數(shù)據(jù)，并計算出最大和最小感應(yīng)峰值電壓的比值。表3為ABS輪速傳感器測量結(jié)果。

表3 ABS輪速傳感器測量結(jié)果

空載試車臺搭建完成后，還進(jìn)行了其他型號的電驅(qū)橋試車測試，試車臺運行狀況良好，測量系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。

6 結(jié)論

(1)制定的下線檢測方法可以滿足商用車中央集成式電驅(qū)橋常規(guī)功能和性能檢測，為制造部門的檢測系統(tǒng)開發(fā)、質(zhì)量評定提供了參考依據(jù)。采用雙電機(jī)控制器的電驅(qū)橋空載試車臺可驅(qū)動兩種不同功率的電驅(qū)橋電機(jī)，在面臨換產(chǎn)時節(jié)省了臺架重新拆裝的工作量，具有產(chǎn)品兼容性強(qiáng)、布局簡單、維護(hù)成本低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢。

(2)在后續(xù)工作中，還需要在空載試車方案基礎(chǔ)上增加加載運轉(zhuǎn)和NVH檢測功能，以實現(xiàn)整車工況模擬及在線故障診斷，這也是下一步的重點研究方向。