整車驅動軸扭矩測試系統的開發與測試

唐 鈺，陶 亮，徐 奕，王 恒，陳 彬，張小龍

（1. 安徽農業大學 工學院，安徽 合肥 230036； 2. 安徽江淮汽車技術中心，安徽 合肥 230022）

進行汽車底盤（含輪胎）阻力拆解與能量流分析是研究整車品質的主要手段，其中測試、分析在不同工況下的驅動軸扭矩是重要方面[1]。在整車條件下，基于發動機的標定輸出扭矩對驅動軸扭矩進行估算的方法，出于模型精度及參數適應性等原因[2-4]，不能很好地滿足動態測試要求，特別是在選換擋以及“三高”路試工況下。目前，國內汽車企業進行驅動軸扭矩分析時一般是委托國外公司進行扭矩測試系統的定制化開發，這存在車型間不通用、系統開發和維護周期長等問題。針對不同車型的測試需求，車企和研發機構應增強整車驅動軸扭矩測試系統的開發能力，以提高整車分析的效率。

驅動軸扭矩測試系統開發中需要解決的技術難點包括不破壞驅動軸結構、系統須耐高溫和低溫、供電和信號無線傳輸可靠及快速標定等。傳統的磁彈式扭矩測試方法[5-7]、轉角相位差測試方法[8]等須改造驅動軸結構，并對驅動軸周圍空間的大小有較高要求。而基于電阻應變加組橋信號調理的方法，在軸類被測對象扭矩測試中有著廣泛應用，在溫度補償、彎矩解耦等方面具有優勢[9-11]。目前，國外IMC、Datatel、MSC等公司已研發出體積小巧的汽車級模塊用于對應變信號的處理和無線發送等，在開發驅動軸扭矩測試系統時可以選用。驅動軸旋轉工作時，由于無線供電過于復雜，通常采用電池供電方式，但須滿足電池續航時間及充電便捷性等要求。考慮到加載后驅動軸產生大軸向角變形，須設計對應的標定臺架來對開發的扭矩測試系統進行快速標定。

基于實際需求，作者進行了乘用車整車驅動軸扭矩測試系統的開發研究，包括應變片布片組橋、可充電軸套、快速標定裝置的設計等，并對所開發的扭矩測試系統進行了性能測試。

1 驅動軸扭矩測試系統的結構與整體設計

乘用車一般采用發動機前置、前輪驅動的布置形式。驅動軸連接分動器和驅動車輪，且其一側靠近發動機排氣管，存在空間狹小、環境溫度高等情況。在開發驅動軸扭矩測試系統時，須考慮：1）不破壞原驅動軸結構，保證動力傳遞的可靠性；2）能滿足不同車型的測試需求，如關鍵的傳感模塊應可移植使用，并支持快速標定；3）系統有溫度補償功能，能避免發動機排氣的影響及滿足在高溫或低溫環境中的測試要求；4）供電及信號無線傳輸穩定、可靠。

作者開發的驅動軸扭矩測試系統的結構如圖1所示，其由傳感總成、無線采集總成、標定臺架和上位機等組成，其中傳感總成基于試驗車驅動軸開發。實車試驗時，將傳感總成直接裝配到試驗車上，與無線采集總成和上位機進行組合；標定試驗時，將傳感總成布置在標定臺架上，同樣與無線采集總成和上位機進行組合。

圖1 驅動軸扭矩測試系統結構框圖Fig.1 Structural block diagram of drive shaft torque test system

傳感總成主要包括應變電橋、傳感模塊、充電電池模塊和封裝軸套等。為了提高測試系統的可靠性，傳感總成采用電池供電，持續供電時間須達到10 h。考慮到快速開發和移植的需要，選用德國 產datatel dt 1001T-ST 作為傳感模塊，并將它與供電電池一同封裝在專用軸套內。軸套與驅動軸封裝在一起，其體積小巧，可滿足驅動軸上下跳動時對周圍空間的約束要求。應變電橋布置在驅動軸外表面，由傳感模塊進行組橋和信號處理，并通過無線方式傳輸至RF（radio frequency，射頻）無線接收器。

無線采集總成既可以獨立工作，也可以與上位機相連而實時保存和顯示數據。其包括RF無線接收器、模數采集模塊和CAN（controller area network，控制器局域網絡）數據記錄儀等。模數采集模塊采集無線接收器的模擬輸出信號，并將數據實時發送至CAN數據記錄儀。

采用自主開發的標定臺架對傳感總成進行標定，得到其靈敏度和零偏度等關鍵參數。

扭矩測試系統各元件的性能參數如表1所示。

表1 驅動軸扭矩測試系統各元件的性能參數Table 1 Performance parameters of each component of drive shaft torque test system

2 驅動軸扭矩測試系統主要硬件設計

2.1 布片組橋設計

實車試驗時，驅動軸周邊存在發動機殼體和排氣管等的熱輻射作用，以致在車輛應用場景中其環境溫度變化較大，同時在驅動軸結構及其加工等的影響下會形成旋轉離心力，導致形成軸向彎矩[12]。因此，為了提高系統測試精度，溫度補償和去彎矩耦合是布片組橋設計時必須考慮的問題[13]。

溫度補償采取2個途徑：一是選用與驅動軸材料線膨脹系數相同或相近的應變片，如試驗車驅動軸材料為40 Cr時，選用表1所示的應變片；二是選用雙軸電阻應變片，以等臂、對稱、全橋的連接方式進行布片組橋[14]。應變片全橋連接及實物布置如圖2所示。

組橋時將兩雙軸電阻應變片分別布置在驅動軸軸桿沿環向相差180°的對稱表面上。首先，用砂紙打磨軸桿貼片位置，使其表面平整光滑；其次，在貼片位置用標記筆標出應變片的定位線；然后，清潔貼片位置表面，用黏合劑粘貼應變片并按壓，再涂抹防護膠水以防止應變片導線拉扯而改變貼片的位置和狀態；最后，用萬用表測量應變片阻值，檢查粘貼前后其值是否一致，以保證貼片正確。當軸桿受彎矩作用時，同一橋臂上的應變片一個受拉、另一個受壓，且拉、壓應力大小相等，則由電橋加減特性，可消除彎矩的影響。同理，當驅動軸受溫度影響時，各應變片所處溫度狀態相同，基于電橋加減特性，電橋輸出電壓隨溫度而改變的情況可以得到改善，從而獲得溫度補償的效果[15]。

2.2 軸套設計

傳感總成隨驅動軸一同旋轉，其由電池組供電，因此續航時間很重要。須設計固定在驅動軸軸桿表面的專用軸套，來對集成的傳感模塊、電池等進行防護，同時軸套應能隔熱、易于拆卸并且不干涉運動[16]。

電池組由4 節1.5 V鎳鋅可充電電池串聯而成，并集成為微型充電電路，總容量達到9 200 mWh，實測可續航20 h以上。所選電池的工作溫度為-40 ～80 ℃，能滿足寬溫域的測試要求。電池組可通過線纜連接到軸套上進行直接充電，通過指示燈可查看電池組電量情況。此外，設計了一種微型開關，可用來關閉電池供電，有利于電池容量的有效使用。

軸套裝配如圖3所示。軸套主體呈空心圓柱體狀，安裝在驅動軸軸桿上；兩側設置滑蓋以固定主體；軸套中布置著4 個充電電池，兩側對稱布置，同側的2個沿圓周方向間隔54°；1個傳感模塊布置在開關走線孔圓心的對稱位置，并在該位置設有尼龍墊塊以提高對稱性及隔絕軸桿傳遞的熱量，同時在傳感模塊位置的兩側開窗，以輔助散熱。另外，電池連接線束對動平衡有影響，因此，根據電池連接線束的尺寸，在軸套兩側面設置寬度為1.5 mm、深度為1 mm的布線槽。

圖3 軸套裝配示意Fig.3 Schematic of shaft sleeve assembly

軸套整體由尼龍材料3D 打印制作而成，固定時外部采用丁基膠帶。尼龍材料硬度高，具有耐熱性，丁基膠帶具有耐高溫、耐候性、耐腐蝕性、防水等特性，兩者集成使用可以為所開發的扭矩測試系統在多種惡劣工況下的測試提供有力保護。轉鼓試驗時，傳感模塊測量類型為熱電偶，軸套外側布置熱電偶并接入無線采集總成。汽車熱車20 km后，將車速恒定為10 km/h，通過測試可知軸套初始內部溫度與外部溫度的最高溫差達到23 ℃，如圖4 所示，說明軸套具備良好的隔熱能力。但密封會導致其散熱能力減弱，軸套內部溫度會逐減升高，在350 s內升溫約2.7 ℃。

圖4 10 km/h車速下軸套內外部溫度對比Fig.4 Comparison of internal and external temperature of shaft sleeve at speed of 10 km/h

2.3 標定裝置設計

由于驅動軸的材料和結構有所不同，以及布片組橋有差異，需要對制作好的傳感總成進行標定，量化其輸出的電信號與加載其上的傳動扭矩之間的關系。傳感總成基于應變原理構建，其動態頻率較寬，一般采用靜態標定方法即能滿足工程測試的精度要求[17]。

驅動軸加載后會產生大軸向角變形，因此須按照整車安裝方式及實際扭矩傳遞路徑設計標定裝置。自主設計的標定臺架的裝配如圖5所示。標定臺架采用了AVL（李斯特公司）轉鼓試驗臺的標定橫臂14[18]，在其兩端掛接的砝碼盤中放置砝碼以施加扭矩；固定支座4、固定支臺8 通過緊固件固定在鑄鐵平臺1 上，其中固定支座4 一端設有呈環形凸起結構的定位滑環，能卡住花鍵法蘭3，使其可繞自身軸線轉動，支持雙向標定；另一花鍵法蘭6 通過緊固件安裝在傳力板9 上；傳力板9上設有定位銷，與橫臂14 上的定位孔配合實現準確加載，且其兩端對稱布置帶座外球面軸承10，以消除橫臂14 徑向力的影響；兩花鍵法蘭內圈設計為內花鍵，且設計花鍵法蘭6 為分動器側內花鍵，以符合實際工況。

圖5 標定臺架裝配Fig.5 Calibration bench assembly

T40B 扭矩傳感器11 用來測量由橫臂加載在驅動軸上的扭矩，為選配件。如果沒有扭矩傳感器，則扭矩載荷的加載和砝碼懸吊都與驅動軸的旋轉角度有關，須進行角度補償計算。

要求橫臂的強度和剛度不能影響標定精度，故對其剛度和強度進行校核。

將基于SolidWorks軟件構建的傳力板和橫臂的裝配體模型導入ABAQUS軟件中。傳力板和橫臂的材料參數如表2所示。在Interaction模塊中采用綁定約束來簡化螺紋聯接關系。在Load模塊中固定傳力板兩端，在傳力板一端施加載荷。考慮網格劃分的簡便性及仿真效率，在Mesh 模塊中選擇四面體單元C3D10 對各部件進行網格劃分，共劃分為32 9881個單元[19]。

表2 傳力板和橫臂的材料參數Table 2 Material parameters of transmission plate and cross arm

傳力板和橫臂裝配體的應力云圖如圖6所示。由圖可知：在2 000 N載荷下，最大應力為371.681 43 MPa，出現在傳力板上，小于40 Cr 合金鋼的屈服強度785 MPa；橫臂的最大應力為168.529 54 MPa，低于45號鋼的屈服強度355 MPa。裝配體位移云圖如圖7所示。由圖可知：在2 000 N載荷下，最大位移發生在橫臂施加載荷的一端，為5.630 86 mm，變形量較小；傳力板的最大位移為0.278 46 mm，而其最大允許位移為5 mm。可見裝配體的剛度和強度都滿足設計要求。

圖6 傳力板和橫臂裝配體應力云圖Fig.6 Stress nephogram of assembly of transmission plate and cross arm

圖7 傳力板和橫臂裝配體位移云圖Fig.7 Displacement nephogram of assembly of transmis‐sion plate and cross arm

由此可知，標定臺架可以滿足驅動軸扭矩雙向快速標定的需求，且加載方便、占地面積小、標定快捷方便。

3 傳感總成標定試驗與分析

3.1 標定試驗

傳感總成標定試驗過程如下：首先，采集傳感總成空載輸出作為其偏置計算的依據；其次，將橫臂沿一方向旋轉一定角度，通過驅動軸的兩側外花鍵連接固定在標定臺架上；然后，在砝碼盤中加載砝碼，使橫臂沿另一方向轉動并趨向水平（根據坡度計示數）；最后，上位機同步采集傳感總成和T40B扭矩傳感器的輸出信號，并由無線采集總成將傳感總成的輸出信號轉換為模擬電壓信號。試驗時，每次加載砝碼后穩定40～60 s 再卸載砝碼。共進行13 組試驗，前6 次為逆時針加載，后7 次為順時針加載。所得試驗數據如表3所示。

表3 傳感總成標定試驗數據Table 3 Data of calibration test of sensing assembly

3.2 標定結果分析

T40B扭矩傳感器的線性精度為0.03%，其電壓與扭矩的換算系數為0.2。以Us為橫坐標，以通過換算得到的T40B扭矩傳感器的加載扭矩Tl為縱坐標，對兩者進行擬合，得到的標定曲線如圖8所示，可以表示為：

圖8 傳感總成標定曲線Fig.8 Calibration curve of sensing assembly

通過進一步計算可得，傳感總成的扭矩測試值與擬合值的最大偏差為-3.41 N·m，線性度為99.811%，對應的滿量程為1713.57 N·m。試驗結果表明，傳感總成線性度好，符合設計要求，可用于整車測試。

4 驅動軸扭矩測試系統的測試與分析

4.1 道路試驗

采用所開發的驅動軸扭矩測試系統對某試驗車進行實車試驗，來初步驗證系統的有效性和可靠性。傳感總成裝車圖如圖9所示。無線采集總成置于車艙內，其中無線接收器的吸盤天線吸附在金屬板上，靠近傳感總成并用膠帶加固。

城鄉學生運動素質指標比較（表3）調查顯示，除握力外，城市和農村男生50m跑、立定跳遠、耐力跑、肌力、坐位體前屈差異均有統計學意義（P＜0.01），除肌力外，城市和農村女生的50m跑、立定跳遠、耐力跑、肌力、坐位體前屈差異均有統計學意義（P＜0.01）。

圖9 傳感總成裝車圖Fig.9 Installation diagram of sensing assembly

在某汽車技術中心試驗場進行常規道路試驗和復雜道路試驗。常規道路試驗在平整的柏油道路上進行，分為高速直行和低速轉彎兩種工況。復雜道路包括顛簸路段、石塊路段、鵝卵石路段和減速坎路段等，分為高速通過和低速通過兩種工況。

試驗過程中傳感總成結構完好、表面無破損，封裝軸套與軸桿間無松動，且數據采集完整。道路試驗表明，所開發的測試系統結構合理，無線傳輸穩定、可靠。

4.2 轉鼓試驗

在實際工況下汽車車速是隨時變化的。通過轉鼓（即底盤測功機）帶動車輛行駛且控制轉鼓轉速來模擬車速變化，由無線采集總成記錄試驗過程中傳感總成扭矩和輪邊扭矩，結果如圖10所示。由圖可知：汽車制動時傳感總成扭矩和輪邊扭矩的變化規律一致；滑行時傳感總成扭矩逐漸減小，而輪邊扭矩直接衰減為0，這符合實際扭矩變化情況。

圖10 變車速下傳感總成扭矩和輪邊扭矩測試結果Fig.10 Test results of sensing assembly torque and wheel rim torque under variable vehicle speed

當車速恒定時，傳感總成扭矩與輪邊扭矩近似成正比。通過控制油門踏板開度，對比兩扭矩的關系，來驗證測試系統的精度。試驗時采用“車帶轉鼓”的恒速模式，車輛行駛阻力在一定的踏板開度和車速下恒定。試驗時設定車速為10 km/h，控制油門踏板處于不同開度，為傳動系提供不同的驅動扭矩。

試驗車輪胎的滾動半徑為0.349 m。由轉鼓試驗臺測得的輪邊扭矩Tw為：

式中：F為輪邊力，N；R為輪胎滾動半徑，m。

恒定車速下傳感總成扭矩和輪邊扭矩測試結果如圖11所示。由圖可知，車速恒定時，傳感總成扭矩與輪邊扭矩的變化趨勢一致，經計算兩扭矩的相關度為0.998 6。油門踏板開度一定時，不斷改變發動機轉速和擋位，發現兩扭矩波動趨勢相同。試驗表明，測試所得的傳感總成扭矩與輪邊扭矩的變化一致性較好。

圖11 恒定車速下傳感總成扭矩和輪邊扭矩測試結果Fig.11 Test results of sensing assembly torque and wheel rim torque under constant vehicle speed

取傳感總成扭矩和輪邊扭矩穩定段的扭矩均值，可得其關系曲線，如圖12所示，表示為：

圖12 恒定車速下傳感總成扭矩與輪邊扭矩的關系曲線Fig.12 Relationship curve between sensing assembly torque and wheel rim torque under constant vehi‐cle speed

式中：Ts為傳感總成扭矩，N·m。

擬合曲線的斜率為0.911 22，表明傳感總成扭矩與輪邊扭矩的變化一致性較好。經計算可得皮爾遜相關系數和可決系數分別為0.999 93和0.999 86，表明兩扭矩相關度高。

綜上可知，所開發的驅動軸扭矩測試系統性能良好，測試精度較高。

5 結 論

1）開發了整車驅動軸扭矩測試系統，對其關鍵技術進行了深入研究，包括可實現溫度補償和去彎矩耦合的布片組橋設計、可適應狹小空間的可充電軸套設計以及適用于加載后驅動軸大軸向角變形工況的傳感總成快速標定試驗臺的開發等。通過道路試驗測試了扭矩測試系統的功能，通過轉鼓試驗測試了系統的精度。

2）所研發的整車驅動軸扭矩測試系統具有標定快速，關鍵傳感模塊可移植、可重復使用等優勢，具有很好的應用價值。相關技術可以應用于其他類似測試系統的開發。