重型汽車雙驅(qū)動橋試驗(yàn)臺研制

陳宗林，晏 濤，晏 飄，賈志強(qiáng)

（中國汽車工程研究院，重慶 401122）

重型汽車大多采用6×4結(jié)構(gòu)型式，在實(shí)際使用中，驅(qū)動橋損壞比例相對較高，特別是工程車輛。這與使用環(huán)境惡劣有關(guān)外，還與在驅(qū)動橋設(shè)計(jì)階段的試驗(yàn)驗(yàn)證方法有關(guān)。一直以來，我國對驅(qū)動橋的臺架試驗(yàn)方法[1]都是采用對中后驅(qū)動橋進(jìn)行分別試驗(yàn)，所加試驗(yàn)載荷經(jīng)驅(qū)動橋的臺架試驗(yàn)方法計(jì)算獲得，并對試件施加這個恒定載荷。該試驗(yàn)方法與車輛實(shí)際使用工況嚴(yán)重不符，為了減少損壞，車橋制造廠不斷從設(shè)計(jì)、工藝、材料等方面提高驅(qū)動橋性能，導(dǎo)致車輛簧下質(zhì)量不斷增加，對車輛安全平穩(wěn)運(yùn)行造成威脅。本研究針對該試驗(yàn)方法的弊端，研制了雙驅(qū)動橋試驗(yàn)臺，載荷的施加除了傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)載荷外，還能夠按預(yù)給定的載荷譜進(jìn)行試驗(yàn)。

1　試驗(yàn)臺方案

1.1　試驗(yàn)臺參數(shù)

輸入轉(zhuǎn)矩≯ 50 kNm，輸入轉(zhuǎn)速≯ 450 r/min，驅(qū)動橋單邊輸出轉(zhuǎn)矩≯ 300 kNm，驅(qū)動橋速比范圍4～24，試驗(yàn)功率≯ 630 kW，最高輸入轉(zhuǎn)速6500 r/min（軌道交通減速器試驗(yàn)）。

1.2　試驗(yàn)項(xiàng)目

試驗(yàn)臺能夠?qū)χ泻篁?qū)動橋同時進(jìn)行溫升試驗(yàn)、效率試驗(yàn)、橋間差速試驗(yàn)、輪邊差速試驗(yàn)和疲勞壽命試驗(yàn)，特別是在安裝了原車變速器和傳動軸的情況下，能夠?qū)φ麄€傳動系統(tǒng)進(jìn)行效率試驗(yàn)，在設(shè)計(jì)評價整車油耗方面具有重要意義。試驗(yàn)臺也可以同時試驗(yàn)單橋和變速器或軌道交通用減速器。

1.3　試驗(yàn)方法

由于大多數(shù)整車廠或車橋廠不具備提供載荷譜的能力，所以試驗(yàn)臺保留了穩(wěn)態(tài)加載方式，同時，整車廠或車橋廠為保險起見，采用加大試驗(yàn)載荷的方法對中后驅(qū)動橋分別進(jìn)行試驗(yàn)，因此，試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)仍然保留了單橋試驗(yàn)方法。國外廠家在變速器、驅(qū)動橋試驗(yàn)方面廣泛采用載荷譜試驗(yàn)方法，根據(jù)車輛實(shí)際使用區(qū)域，選取典型道路工況，采集載荷數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，截取有效損傷數(shù)據(jù)，建立臺架試驗(yàn)載荷譜[2-3]。

2　試驗(yàn)臺匹配設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[4]

2.1　試驗(yàn)臺匹配

根據(jù)各類重型公路用車、非公路用車和工程機(jī)械目前的傳動系統(tǒng)配置和發(fā)展趨勢，驅(qū)動橋輸入端最大轉(zhuǎn)矩不大于50 kNm，輸入轉(zhuǎn)速不高于450 r/min，驅(qū)動橋單邊輸出不大于300 kNm，傳遞功率不大于630 kW。因此，選擇1臺710 kW驅(qū)動電機(jī)和4臺380 kW電機(jī)功率尚能滿足預(yù)設(shè)試驗(yàn)要求。通過匹配計(jì)算，配置速比13.5的減速器能夠滿足對驅(qū)動橋的輸入轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩的要求，升速器速比21與法斯特12擋變速器匹配使用，能夠覆蓋速比在4～24之間的用于各類重型汽車和非公路用車的驅(qū)動橋總成輸出加載要求。

2.2　試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺采用電封閉型式[5]，以達(dá)到節(jié)約能源、降低使用成本的目的。配置1臺710 kW變頻電機(jī)作為驅(qū)動，4臺380 kW變頻電機(jī)作為加載，與各種傳感器、傳動軸、升降速器、聯(lián)軸器等構(gòu)成整個試驗(yàn)系統(tǒng)的機(jī)械部分。

采用模塊設(shè)計(jì)，便于不同尺寸驅(qū)動橋試驗(yàn)時試驗(yàn)臺的調(diào)整。將驅(qū)動電機(jī)、減速器和輸入轉(zhuǎn)矩傳感器集成在一個底座上，構(gòu)成驅(qū)動頭，驅(qū)動頭有兩個輸出接口，右邊的輸出接口是專為軌道交通減速器試驗(yàn)設(shè)計(jì)的。將加載電機(jī)、變速器、升速器和輸出轉(zhuǎn)矩傳感器集成在一個底座上，構(gòu)成加載頭，后橋兩個加載頭各有兩個接口，其中一個接口是為重型汽車變速器試驗(yàn)設(shè)計(jì)的，可以方便地進(jìn)行重型汽車變速器總成效率和壽命試驗(yàn)。5個動力頭可以獨(dú)立調(diào)整相互配置，變速器驅(qū)動橋可以同時試驗(yàn)，提高了試驗(yàn)臺的使用效率。這種設(shè)計(jì)不但節(jié)約成本，還減少了調(diào)整工作量，降低了試件安裝調(diào)整難度。

圖1為中后橋同時試驗(yàn)，可以控制中后橋載荷分配比。如果把輸入端減速器換成原車變速器，再用原車傳動軸替代后橋輸入測量裝置，就能夠?qū)υ噦鲃酉到y(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，特別是效率試驗(yàn)對整車節(jié)能減排的設(shè)計(jì)具有重要意義。

圖1　中后橋同時試驗(yàn)

中橋單獨(dú)試驗(yàn)如圖2所示，可以進(jìn)行中橋的常規(guī)項(xiàng)目試驗(yàn)和橋間差速器試驗(yàn)。

圖2　中橋單獨(dú)試驗(yàn)

2.3　試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)臺的試驗(yàn)?zāi)芰σ蠛推ヅ溆?jì)算，驅(qū)動電機(jī)和加載電機(jī)的性能要求見表1和表2。由于試驗(yàn)臺兼顧了軌道交通用減速器，因此輸入轉(zhuǎn)速最高要求為6500 r/min。根據(jù)我國電機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)制造水平，對高速電機(jī)只提出功率和轉(zhuǎn)速要求是達(dá)不到試驗(yàn)臺要求的，一般高速電機(jī)在高速段的輸出轉(zhuǎn)矩會大幅下降，實(shí)際輸出功率也會快速下降。

電封閉控制系統(tǒng)采用艾默生變頻器[6-8]，并用直流母線并聯(lián)，加載電機(jī)發(fā)出的電能通過直流母線回饋到驅(qū)動電機(jī)的直流母線，系統(tǒng)從電網(wǎng)攝取的電能用于補(bǔ)充控制系統(tǒng)的效率損失，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。

艾默生變頻器的特點(diǎn)，除具備轉(zhuǎn)速控制和主動加載功能外，還有被動加載功能，即在零速（未被帶動）時，加載給定無效，當(dāng)系統(tǒng)失載時，電機(jī)不會失控。試驗(yàn)過程中，如果出現(xiàn)某個環(huán)節(jié)損壞，如試件損壞、連接件斷裂等，系統(tǒng)就會失載，但電機(jī)不會失控，這對保障系統(tǒng)安全和人員安全至關(guān)重要。

系統(tǒng)配置采用艾默生1624型功率模塊，其性能參數(shù)為電流168 A，功率185 kW。0#（驅(qū)動電機(jī)）配置5個功率模塊；1#、2#（中橋加載電機(jī)）各配置2個功率模塊；3#、4#（后橋加載電機(jī)）各配置3個功率模塊，主要滿足非道路運(yùn)輸車輛和工程機(jī)械驅(qū)動橋以及重型汽車變速器的試驗(yàn)要求。

考慮到上位機(jī)因各種原因可能出現(xiàn)不能正常工作的狀況，因而專門設(shè)計(jì)了控制面板，可以獨(dú)立操控試驗(yàn)系統(tǒng)，并在上位機(jī)出現(xiàn)故障或上位機(jī)與可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）發(fā)生通訊故障時，設(shè)備仍能保持原運(yùn)行狀態(tài)。為了保障試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行安全，在PLC內(nèi)設(shè)置了快速停機(jī)執(zhí)行程序，當(dāng)緊急情況發(fā)生時，方便試驗(yàn)員在操作面板、上位機(jī)、外設(shè)快停鍵等任何一處進(jìn)行緊急停機(jī)。

表1　驅(qū)動電機(jī)性能要求

表2　加載電機(jī)性能要求

表3　對710 kW電機(jī)在高速段的轉(zhuǎn)矩要求

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)[9-10]是試驗(yàn)臺的重要組成部分，應(yīng)具備工作可靠、測量精度高的特點(diǎn)。該系統(tǒng)主要對各類開關(guān)量信號，驅(qū)動橋的輸入轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩，試件的油溫，電機(jī)的軸承溫度、延伸端溫度、線圈繞組溫度，變速器的潤滑油壓，以及其它重要信息進(jìn)行采集。及時獲取這些信號有利于控制和協(xié)調(diào)系統(tǒng)的總體運(yùn)行，如加載量控制、差速控制等。以上各部分都應(yīng)嚴(yán)格按照試驗(yàn)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)工作，完成試驗(yàn)及測試，同時為監(jiān)測和分析提供數(shù)據(jù)。

輔助控制[11]主要是為潤滑安全、電機(jī)安全、系統(tǒng)安全而設(shè)計(jì)的。包括動力頭齒輪箱和潤滑油泵任意一臺沒有開啟，試驗(yàn)系統(tǒng)不能啟動；動力頭電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)沒有開啟，相應(yīng)的電機(jī)不能啟動；試件油溫控制機(jī)沒有開啟，試驗(yàn)系統(tǒng)也不能啟動。

為了監(jiān)控試件狀態(tài)，盡早發(fā)現(xiàn)試件缺陷，以便通過分析故障形成機(jī)理，找到故障解決辦法，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時也能夠早期避免因試件損壞而導(dǎo)致的試驗(yàn)系統(tǒng)損壞，配置了一套б故障診斷儀，其特點(diǎn)是通過對同類試件的多次試驗(yàn)，可自學(xué)習(xí)形成控制參數(shù)，達(dá)到監(jiān)控目的，也可以人為設(shè)定控制參數(shù)，達(dá)到監(jiān)控目的。測控系統(tǒng)如圖3所示。

測控系統(tǒng)共有32路傳感器信號（轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號8路，配置7個應(yīng)變式傳感器）；3路加速度信號，溫度信號16路（配置16個溫度傳感器，分配為電機(jī)5個、變速器5個、試件1個）；5路風(fēng)冷（5臺電機(jī)各1個）和5路潤滑（5臺變速器各1個）；32路開關(guān)量（輸入24/輸出8）。

圖3　測控系統(tǒng)

3　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：（1） 組合性強(qiáng)，各動力頭的操控可選。（2） 操作安全。電機(jī)的工作方式，原始狀態(tài)為被動加載方式（在未被驅(qū)動時，轉(zhuǎn)矩給定無效），鎖定后，不能改變電機(jī)的方向、工作方式和更換動力頭。進(jìn)入快停后，設(shè)備將按正常速率的一定倍數(shù)（此倍數(shù)可在控制參數(shù)中設(shè)置）減速、減載至0，快速結(jié)束異常狀態(tài)?！翱焱！贝?zhèn)鹘y(tǒng)的斷電源式“緊急停機(jī)”，避免了斷電對設(shè)備和試件帶來的巨大沖擊。（3）將載荷譜轉(zhuǎn)換為Excel形式，計(jì)算機(jī)將按載荷譜進(jìn)行試驗(yàn)。

圖4　控制界面

圖5　控制邏輯框圖

圖6　要求載荷譜

4　應(yīng)用實(shí)例

應(yīng)用研制的試驗(yàn)系統(tǒng)對某外資企業(yè)驅(qū)動橋進(jìn)行了載荷譜試驗(yàn)，使用表明，本試驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，工作可靠，載荷譜加載準(zhǔn)確，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)頻率較高。

表4　載荷譜

圖7　載荷譜試驗(yàn)現(xiàn)場

5　結(jié)論

研制的重型汽車雙驅(qū)動橋試驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過了對SEM平地機(jī)驅(qū)動橋的載荷譜試驗(yàn)，對帶軸間差速驅(qū)動橋（457貫通橋總成和457單周節(jié)限滑差速器）的差速試驗(yàn)，中后橋恒定負(fù)荷試驗(yàn)，軌道交通齒輪箱（CW350D轉(zhuǎn)向架齒輪箱，最大功率650 kW）試驗(yàn)，以及變速器（D18X變速器）試驗(yàn)的驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制精度達(dá)到±1 r/min，轉(zhuǎn)矩控制精度達(dá)到0.5%，測試響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)（頻率傳送）。

該系統(tǒng)組合靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)變速器、驅(qū)動橋、軌道交通齒輪箱產(chǎn)品的單獨(dú)或同時試驗(yàn)，以及中后橋同時試驗(yàn)；能夠進(jìn)行上述產(chǎn)品目前已知的總成試驗(yàn)項(xiàng)目，能夠進(jìn)行載荷譜動態(tài)試驗(yàn)，且更接近實(shí)車狀況。設(shè)計(jì)中充分考慮了大型試驗(yàn)系統(tǒng)的安全性、可操作性和方便性。

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