重型全時全驅分動器電控系統設計

【摘" 要】文章首先分析傳統機械重型全時全驅分動器在使用及維護中的缺點，結合實際使用需求，在原有重型全時全驅分動器上加裝電子控制系統之后，在滿足基礎功能的同時也可實時反饋運行狀態，具備安全冗余措施及故障診斷機制。實踐證明：該系統結構簡單、操作便捷，方便故障維修，在操作與使用過程中，能夠有效防止誤操作，提高分動器使用效率，減小分動器損壞風險，并且控制器能夠與車輛其它電控系統通過CAN總線互通互聯，有利于提高車輛整體電控化程度。

【關鍵詞】分動器;電子控制;CAN總線

中圖分類號：U463.215" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）06-0065-04

Design of Electric Control System for Heavy Duty All Time and All Drive Transfer Case

ZHOU Yuanhao，WEI Zhiqiang，ZHAO Tianyu，ZHANG Xiaxia，JING Pan，LIU Yuxiang

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.，Ltd.，Xi'an 710200，China）

【Abstract】The article first analyzes the shortcomings of traditional heavy-duty all time drive transfer gears in use and maintenance. Based on practical usage needs，an electronic control system is added to the original heavy-duty all time drive transfer gears to meet basic functions while also providing real-time feedback on operating status，with safety redundancy measures and fault diagnosis mechanisms. Practice has proven that the system has a simple structure，convenient operation，and is convenient for fault maintenance. During operation and use，it can effectively prevent mis-operation，improve the efficiency of transfer case use，reduce the risk of transfer case damage，and the controller can communicate with other vehicle electronic control systems through the CAN bus，which is conducive to improving the overall level of vehicle electronic control.

【Key words】 transfer case;electronic control;CAN bus

作者簡介

周元豪，工程師，主要從事汽車電器設計，研究方向為電控系統、智能網聯等相關技術。

1" 前言

分動器是由齒輪組成的動力傳動裝置，能夠將變速器輸出的動力按一定扭矩比例分配到各驅動橋，并進一步實現增速或增扭，常用于多軸驅動的車輛上。

對于目前廣泛應用于國內重型車輛的全時全驅分動器而言，其額定輸入扭矩能夠達到10000N·m，額定轉速超過2000r/min，基本功能包括可實現高、空、低3種擋位，高、低擋之間切換可以實現增速或增扭，空擋時不傳遞動力;其次具有差速鎖，能夠同步前后輸出軸轉速，滿足全輪驅動的功能;再者擁有至少一個取力接口，通過萬向傳動裝置連接，以滿足上裝系統的取力需求。上述各功能均采用氣控的方式，通過氣缸推動活塞，使拔叉或嚙合套動作，進而實現相對應功能。對于這種純齒輪組合的結構，為防止齒輪嚙合時打齒損壞分動器，在操作時，需確保車輛處于靜止，變速器處于空擋狀態。

對于車輛操作人員而言，為了更方便、更安全地控制分動器，目前常采用在車輛儀表臺上安裝分動器擋位開關、全驅開關及取力器開關，通過硬線與繼電器配合，并附加一定的保護措施，控制對應的電磁閥動作。電磁閥出氣口接分動器本體對應的氣口，控制氣口的通斷氣，進而實現各功能。各功能的工作狀態則是通過點動開關的通斷信號反饋至儀表，提示駕駛員。除此之外，通過安裝在分動器后輸出軸尾部的車速傳感器輸出方波信號，連接至儀表做完處理后，才能正常顯示車速。

分動器通過內部齒輪旋轉帶動齒輪油進行潤滑，以保證齒輪正常運轉，若油位不合適，過多或過少則會導致潤滑不暢，分動器油溫變高，異常狀態不能及時反饋給駕駛員，進而影響分動器使用壽命，更嚴重者會燒毀分動器。

分動器在低溫環境下運行時，由于齒輪油粘滯，在進行功能切換，特別是掛取力器時，經常出現取力器齒嚙合不牢靠，當變速器掛擋后，出現取力器齒輪打齒現象，直接損壞分動器。

采用傳統的控制方式，系統結構復雜，裝配難度大，不利于維修。對于操作人員而言，需要注意事項過多，無誤操作保護機制。每個功能的控制及反饋信號只能通過硬線傳遞，控制方式及線束系統過于復雜，電控化程度低，不利于故障檢測。對于分動器出現油位低、油溫高的情況，不能及時告知駕駛員，會造成故障越來越嚴重，直至損壞分動器，導致車輛無法正常運行。

本文在一種重型全時全驅分動器基礎上進行電控化設計，增加了系統控制器、集成式電磁閥組、電動油泵、集成式油冷器、油溫傳感器、油位傳感器、轉速傳感器及相關輔件。通過軟件控制，在實現基礎功能的同時，又能實時反饋分動器運行狀態，且具備安全冗余措施和故障診斷機制。

2" 技術方案

2.1" 功能需求

1）分動器實現高/空/低3個擋位、全驅功能、取力器功能，通過氣動方式切換，切換時需要車輛靜止、輸入軸轉速低于300r/min。

2）分動器作為車速采集載體，能夠進行車速采集與狀態反饋。

3）分動器長時間工作時，易產生高溫，需通過液冷的方式降溫。環境溫度過低時，初次運行時，需進行升溫。

4）分動器的運行狀態信息（擋位、油溫、油位）需要實時反饋至儀表。

5）具備故障報警機制，對于操作不當，油溫、油位異常時，進行故障報警，發送故障代碼。

2.2" 系統組成

基于上述功能需求，對傳統機械分動器進行電控化設計。分動器電控系統原理如圖1所示，包括分動器本體、電動油泵、集成式油冷器、集成式電磁閥組、分動器擋位開關、全驅開關、取力器開關、系統控制器、電源、開關及附屬裝置。分動器本體和電控系統有關的部件包括輸入軸轉速傳感器、高擋信號開關、低擋信號開關、全驅信號開關、油溫傳感器、輸出軸轉速傳感器、油位傳感器和取力器信號開關。

1）分動器為傳統重型大功率分動器，采用齒輪油對齒輪進行潤滑。其主要功能有：可實現高、空、低3種擋位，高、低擋之間切換可以實現增速或增扭，空擋時不傳遞動力;具有差速鎖，能夠同步前后輸出軸轉速，滿足全輪驅動的功能;擁有至少一個取力接口，通過萬向傳動裝置連接，滿足上裝系統的取力需求。各功能均采用電控氣的方式，通過氣缸推動活塞，使拔叉或嚙合套動作，進而實現相對應功能。

2）系統控制器為電子控制器，具有數字量輸入、頻率值輸入及電流模擬輸入接口;具有數字驅動接口和PWM驅動接口，具備短路保護機制，能夠實時反饋驅動電流和短路狀態;具備兩路CAN通信接口，支持CAN總線刷寫和標定功能。

3）集成式電磁閥組包括高擋電磁閥、空擋電磁閥、低擋電磁閥、取力器電磁閥和全驅電磁閥。采用一路進氣，多路出氣的方式設計，其中控制高擋的為常開電磁閥，其余為常閉電磁閥。

2.3" 功能實現

分動器控制框圖如圖2所示，包括開關輸入信號、模擬電流信號、模擬頻率信號、CAN總線信號、開關驅動信號和PWM驅動信號。

2.3.1" 基礎功能及實現

分動器基礎功能主要包括擋位切換、全驅控制和取力器控制。控制器采集擋位開關、全驅開關及取力器開關狀態，同時預留有外部控制接口，外部接口與3個開關控制邏輯一致。控制器根據控制需求和輸入軸轉速傳感器與輸出軸轉速傳感器采集的轉速大小，判斷是否處于安全轉速范圍內。若是，則控制集成式電磁閥組對應電磁閥工作，實現相應功能，避免高轉速下操作導致分動器打齒。同時采集高擋信號開關、低擋信號開關、全驅信號開關、取力器信號開關狀態，處理后，以CAN信號的方式發送至儀表。控制流程如圖3所示，總線控制報文見表1。

分動器高/空/低3種擋位需通過3個電磁閥實現，控制器采集擋位開關信號，根據車輛當前運行狀態控制電磁閥，實現3種擋位間切換。高/空/低擋電磁閥控制邏輯如表2所示。

2.3.2" 車速采集及實現

分動器輸出軸連接車輛傳動軸，進而通過驅動橋連接車輪，通過采集分動器輸出軸轉速可以間接計算出車輛實際行駛車速。分動器輸出軸安裝有轉速傳感器，轉速傳感器為霍爾式，可輸出標準方波信號，一圈64個脈沖。控制器通過頻率采集端口采集傳感器脈沖數，通過公式（1）計算出車輛速度。

v=（360×f）/nhm（1）

式中：v——車輛速度，km/h;360——單位轉換系數;f——轉速傳感器采集頻率;nhm——百米脈沖數。根據分動器輸出軸到車輪傳動比以及輪胎滾動半徑確定。

2.3.3" 分動器溫度控制

分動器齒輪油保護機制主要是防止齒輪油溫過高或過低造成分動器燒毀或出現打齒現象，影響分動器使用壽命。控制器采集油溫傳感器電流值，換算處理后，輸出油溫大小，并根據油溫控制電動油泵轉速，使齒輪油在集成式油冷器中充分循環，與冷卻液進行熱交換，形成閉環控制系統。油溫過高或過低時，增大齒輪油流速，確保齒輪油處于合適的工作溫度。

2.3.4" 分動器狀態檢測

分動器控制器能夠采集分動器本體各點位的狀態信息，并轉換為總線信號發送至組合儀表。分動器狀態報文見表3。

2.3.5" 分動器故障處理

控制器實時監控、判斷各傳感器與執行機構是否有開短路故障，輸入信號值是否處于合理范圍，CAN信號是否通信錯誤及總線節點是否掉線等故障。當發生故障時，將故障代碼以CAN報文的方式發送至儀表。故障診斷滿足SAE J1939標準中DM1報文規定。具體發送的故障代碼如表4所示。

3" 結論

本文主要對一種重型全時全驅分動器進行加裝電控系統設計。與原有分動器相比，加裝電控系統后，在滿足基礎功能的同時，也可實時反饋運行狀態，具備安全冗余措施及故障診斷機制。該系統結構簡單、操作便捷，方便故障維修。在操作與使用過程中，能夠有效防止誤操作，提高了分動器使用效率，減小了分動器損壞風險。主控制器能夠與車輛其它電控系統通過CAN總線互通互聯，提高車輛整體電控化程度。

參考文獻：

[1] SAE J1939-71—2008，Vehicle Application Layer[S].

[2] 余志生. 汽車理論（第五版）[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2023-11-27