商用車中央集成式電驅橋下線檢測設備及方法的研究

雷鳴亞,何志偉,姚興林,弓宇,鄧敏泰,楊廷旭

1.中國重型汽車集團有限公司，山東濟南 250100;2.中機生產力促進中心有限公司，北京 100000

0 引言

隨著碳排放和環保法規的愈發嚴格，新能源發展成為全球汽車產業轉型升級、綠色發展的主要趨勢，也是我國汽車產業跨越發展的戰略選擇[1]。在商用車領域，國內外主機廠采用的新能源技術有純電動、混合動力和燃料電池。由于純電動渣土車、環衛車等城市工程車對于行駛里程要求不高，在新能源商用車的普及過程中具有更明顯的優勢。

電驅動橋作為一種高度集成的機電一體化驅動系統，與傳統驅動橋有諸多不同之處，而且由于電驅動總成布置方案和結構不盡不同，行業內尚未形成統一的下線檢驗標準[2-3]。為此，針對商用車中央集成式電驅橋開展了下線檢測設備開發及檢測方法研究工作。

1 中央集成式電驅橋結構及原理

依據驅動電機在驅動橋中布置位置的不同，可以劃分為中央集成式電驅橋和分布式電驅橋，中央集成式電驅橋的電機位于驅動橋中央，而分布式電驅橋的電機位于驅動橋兩側[1]。目前，新能源商用車電驅橋多采用單電機匹配兩擋變速箱方案，該方案具有結構緊湊、系統效率高、可提高整車經濟性等優點。

中央集成式電驅橋結構如圖1所示。主要由驅動電機、變速箱、換擋執行機構、橋殼、半軸、輪端等部件構成，其中所有齒輪傳動機構、行星排減速機構、差速器都具有支持其旋轉運動所需的軸承、密封件及潤滑油。驅動電機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。驅動電機為永磁同步電機，可將三相交流功率轉換成機械功率輸出，電機軸帶動變速箱一軸轉動，將轉矩依次經過變速箱二軸齒輪、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動，扭矩經差速器行星齒輪傳遞至半軸齒輪，最終傳遞至半軸，驅動車橋輪端轉動。換擋執行機構集成于變速箱上，它以伺服電機或者氣壓驅動換擋撥叉左右移動，進而撥動換擋滑套實現結合或者斷開目標擋位齒輪和三軸之間的動力傳遞。

圖1 中央集成式電驅橋結構

2 下線檢測工藝方案

在電驅橋總成出廠前，為保證產品功能的完整性且無故障，需要在裝配線的終端進行功能檢測。經過對電機、減速器、傳統車橋等單體檢測標準的研究以及行業調研[4-7]，考慮電驅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)外觀質量檢測：除電機、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、油封等部位出現泄漏現象，出廠前需做氣密性檢測。檢測方式：試驗介質的溫度應和試驗環境的溫度一致并保持穩定，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定值。

(3)電機絕緣電阻檢測：分別測量電機U、V、W接線端對機殼的絕緣電阻，機殼接地，要求測得絕緣電阻值大于20 MΩ[4]。測量結束后，每個線路應對接地的機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，給定電驅橋電機轉速為20～30 r/min，上位機通過TCU控制被測件依次執行以下換擋動作：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品內部的清潔度。測試時，將電機轉速從0升至100 r/min，依次切換被測件的各個擋位，確認無異常后，再依次檢測每個擋位的高速運轉情況；檢測電驅橋差速功能時，制動任意一側輪端，電驅橋電機驅動另一側輪端加倍旋轉，差速鎖鎖止時，電驅橋左右輪端轉速相同。在磨合運轉過程中，加注油系統的凈油箱油液經過多次過濾，持續在電驅橋變速箱內部循環沖洗，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，進而提高橋總成內部的清潔度。

(6)ABS輪速傳感器檢測：如圖2所示，防抱死剎車系統(ABS)輪速傳感器通過安裝支架固定在驅動橋上，齒圈安裝在輪轂上并隨車輪一起旋轉，隨著齒圈齒牙周期性地切割傳感器磁力線，在ABS輪速傳感器內產生周期性變化的感應電壓，整車控制器可根據感應電壓變化的頻率實時計算出車輪轉速，以監控和判斷車輪是否有滑移傾向。ABS 輪速傳感器檢測指標包括最大感應峰值電壓、最小感應峰值電壓、最大和最小感應峰值電壓的比值[8]，感應峰值電壓大小與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 試車臺設計方案

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

圖3 電驅橋空載試車臺布局

在上位機界面可以監控測試過程參數，對數據進行采集、分析、顯示、存儲、綁定產品流水編號等處理，當檢測參數超過設定的限值范圍時，上位機界面會顯示相應報警信息。電驅橋試車臺的主要技術要求，詳見表1。

表1 電驅橋試車臺的主要技術要求

3.1 試車臺機械系統設計

圖4為試驗臺體，主要包括基座、防護網、板簧座支架、導軌、光幕。其中板簧支架用于安裝被測件，導軌和右側板簧座支架固定在基座上，左側板簧座支架安裝在導軌上，左右板簧座支架沿橫向水平布置，左側板簧座支架可以沿導軌左右移動，以便于裝夾不同板簧距的電驅橋產品。光幕分別安裝于試驗臺體左右兩側，測試過程中，當操作人員進入光幕區域，設備會發生報警并停機，從而保證人員作業的安全性。

圖4 試驗臺體

3.2 試車臺控制系統硬件設計

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

圖5 試車臺控制系統原理

所述接觸器線圈控制回路包括并聯連接的繼電器KM5線圈和繼電器KM6線圈以及并聯連接的繼電器KA11線圈和繼電器KA12線圈。通過三位旋鈕開關SB5接通繼電器KA11線圈電路時，繼電器KA11常開觸點閉合，進而使繼電器KM5線圈通電，繼電器KM5常開觸點閉合，最終雙電機控制器輸出端1與電驅橋電機三相線接通。同理，接通繼電器KA12線圈電路，電驅橋電機三相線與雙電機控制器輸出端2相連。

該方案通過接觸器線圈控制回路的3位旋鈕開關SB5，選擇電驅橋電機與雙電機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，在面臨產品測試或更換時，節省了更換電機控制器或者刷寫電機控制器軟件的工作量，且減少設備制造成本。

3.3 試車臺控制系統軟件設計

上位機開機初始化界面如圖6所示。

圖6 上位機開機初始化界面

采用LabVIEW軟件搭建上位機軟件并編寫開機初始化、參數設置、測試等人機交互界面，上位機啟動后自動進入開機初始化界面，控制系統自動檢測上位機與 PLC、電機控制器、換擋控制器以及傳感器之間的通信狀態，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建立上位機和實時控制系統(下位機)之間的CAN總線通信，以實現數據傳輸、電機轉速控制和傳感器信號采集等功能。

4 電驅橋電機旋變零位偏角的標定

永磁同步電機的矢量控制一般采用轉速、電流雙閉環方式[9-10]，電機控制器需根據電機的轉子位置和母線電壓的變化，實時計算出電機定子繞組的電流矢量，以此產生和電機轉子同步的旋轉磁場，計算過程依據存儲在電機控制器當中的電機參數特性公式或者三維MAP。

由于不同型號電機的設計或者裝配工藝不同，電機旋變轉子零位和電機轉子零位的偏差角也不相同，如不進行旋變零位偏角的標定，會直接影響電機轉子位置信息的準確性，以致降低電機轉速或扭矩控制精度，甚至出現電機反轉、燒毀等現象。因此，電驅橋空載試車臺搭建完成后，必須通過電機控制器標定不同型號電機的旋變零位偏角，并將相應的電機特性、傳感器特性或者MAP固化到電機控制器軟件中。

電驅橋電機旋變零位偏角標定示意如圖7所示。

圖7 電驅橋電機旋變零位偏角標定示意

在電機空載或無機械連接情況下，給定電機控制器直流電壓，控制電機U相繞組電流為某一正值，電機V相和W相繞組電流為相應的負值(即電機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生的感應磁場和電機轉子永磁體的磁場相互作用，使電機轉子轉至一固定位置，即電機轉子總磁鏈矢量與U、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子角位移為θ，依據以下公式計算出旋變零位偏角δ：

當90°<θ<360°時，δ=360°-θ；

當θ≤90°時，δ=θ。

在實際工作中，為進一步提高檢測精度可對電機合成的多個電流矢量分別進行零位偏角標定，最終計算出其平均值。

5 試車臺驗證及檢測結果

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橋相關試車測試，其電驅橋參數見表2。

表2 某集成式電驅橋參數

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

圖8 試車測試結果

5.1 換擋功能測試

(1)將電驅橋固定在試驗臺體上，連接電機三相線，變速箱注油口和放油口分別與加注油系統相連，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橋相應位置。

(3)電機接通電源，啟動測試軟件，試車臺開始自動檢測所有測試項目。

(4)給定電機轉速30 r/min,試車臺控制換擋機構執行以下換擋動作：空擋掛入低擋、低擋回空擋、空擋掛入高擋、高擋回空擋，上位機顯示低擋、空擋、高擋擋位信息為：18.5、32、48。

5.2 空載運轉檢測

換擋功能檢測完畢，試車臺自動執行空載運轉檢測，測試流程如下：

(1)按技術條件自動加油。

(2)給定電機轉速100 r/min，空擋掛入低擋，電機轉速升至1 000 r/min，穩速運轉5 min。

(3)電機轉速降至100 r/min，低擋回空擋，空擋掛高擋，電機轉速升至1 000 r/min,穩速運轉5 min。

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

(5)空載運轉過程中，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行，當電驅橋差速鎖鎖止時，控制電機轉速597 r/min(等效輪端轉速30 r/min)，穩速運轉5 s，在此期間，試車臺自動采集ABS輪速傳感器的最大、最小感應峰值電壓數據，并計算出最大和最小感應峰值電壓的比值。表3為ABS輪速傳感器測量結果。

表3 ABS輪速傳感器測量結果

空載試車臺搭建完成后，還進行了其他型號的電驅橋試車測試，試車臺運行狀況良好，測量系統穩定、可靠。

6 結論

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

(2)在后續工作中，還需要在空載試車方案基礎上增加加載運轉和NVH檢測功能，以實現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。