重型卡車在混合工況使用時ASR代替驅動輪輪間差速鎖研究

關鍵詞：混合工況； ASR ；輪間差速鎖

0 引言

隨著國家法規GB 1589 對整車總質量的嚴格限制，以及監管部門對按軸收費政策JT/ T489 的嚴格實施，用戶對輕量化車輛的需求變得愈發迫切。這就要求制造商在開發制造重卡時，不僅要實現輕量化設計以降低車輛自重，還要確保車輛能夠順利通過各種隨機出現的惡劣路況（ 當然還包括降低使用成本的要求）。

當用戶在使用車輛進行營運時，普遍面臨著最后幾公里的困擾。無論是發貨方還是收貨方，他們的位置或倉庫往往位于良好路況之外。這時，車輛就不得不行駛在坑洼、泥濘或濕滑路面上。對于裝有單級減速驅動橋（ 輕量化公路車的常見配置）的車輛來說，在這樣的路況下很容易出現輪胎打滑、側滑甩尾等問題，甚至可能導致輪間閉鎖損壞，從而嚴重影響車輛的通過性和安全性（ 見圖1、圖2、圖3）。

1 機理分析

為了解決上述問題，我們與制動系統供應商進行了深入的溝通交流，并進行了理論分析。出現這個問題的原因為：單減橋受其較大的自身結構限制，輪間差速鎖的強度和可靠性相對較低。部分車橋甚至未設計輪間差速鎖，導致車輛在非對稱路面行駛時，驅動輪的輪速會明顯高于前輪（ 這種情況會引起輪胎的異常磨損）。當左右路面的附著系數不同（ 或者左右輪的輪荷不同） 時，在車輛加速階段容易造成左右輪速不一致，嚴重時會導致甩尾現象的發生，或者使車輛無法駛出困境，或者造成輪胎因差速打滑而異常磨損，甚至導致差速鎖損壞，進而引發安全事故。

解決辦法是取消輪間差速鎖（ 見圖4）。差速鎖的功能是在車輛正常行駛時，確保各個輪胎處于滾動狀態，從而消除因路面差異導致的輪胎異常磨損。當某個輪胎打滑時，差速鎖會啟動閉鎖功能，使車橋上的輪胎以相同的轉速運轉，從而確保車輛能夠正常運行。為了消除輪胎異常磨損和差速鎖易損壞的問題，我們可以采用ASR（ 牽引力控制系統）+ABS（ 防抱死制動系統） 來實現差速鎖的功能。由于ABS 已經是卡車的標配，這里我們單獨介紹一下ASR。ASR 的全稱是Acceleration SlipRegulation，即牽引力控制系統或驅動防滑系統。它的主要作用是防止車輛尤其是大功率車輛，在起步和加速過程中驅動輪打滑，從而保持車輛行駛方向的穩定性。ASR 通過感知驅動車輪的信號，經過ECU 的判別，通過控制發動機節氣門或對制動器進行干預，來防止車輪打滑，從而實現對汽車牽引力的控制，確保車輛的正常行駛。ASR 可以最大限度地利用發動機的驅動力矩，保證車輛在起動、加速和轉向過程中的穩定性。其工作原理如圖5 所示。

當汽車行駛在易滑（ 低附著） 路面上時，沒有ASR 的汽車在加速時驅動輪容易打滑。如果是后驅動輪打滑，車輛容易甩尾；如果是前驅動打滑，車輛的方向容易失控。而配備了ASR的汽車在加速時就可以減輕或避免這種現象。在轉彎時，如果發生驅動輪打滑，會導致整個車輛向一側偏移。而ASR 則可以使車輛沿著正確的路線轉向。ASR 與ABS 的區別在于，ABS是防止車輪在制動時被抱死而產生側滑，而ASR 則是防止汽車在加速時因驅動輪打滑而產生的側滑。ASR 是在ABS 基礎上的擴充，沒有ABS 就無法實現ASR，兩者相輔相成，但ABS是基礎。

從以上分析可以看出，在短暫經過非對稱路面行駛的情況下，ABS+ASR 的功能完全可以替代輪間差速鎖的作用，并且還具有智能控制、高可靠性的優勢，能夠有效避免機械故障的發生。

2 解決方案

針對車輛在非對稱路面上的輪胎打滑、無法駛出、甩尾以及輪間閉鎖容易損壞等問題，我們提出了采用6 通道（ 最少要比驅動橋多2 個通道）ABS+ASR 的解決方案。此方案旨在防止輪胎異常磨損，并確保車輛在各種路面條件下都能穩定行駛。

為何采用6 通道ABS+ASR ？對于一般的4 橋車，ABS系統通常采用4S4M 配置（ 圖6），即4 個通道足以保證制動時車輛的良好操縱性。但這種配置存在明顯缺陷：由于后2 個驅動橋中只有一個橋上有傳感器，對另一個橋上的狀態判斷可能缺失或錯誤。當沒有傳感器的橋打滑時，ASR 功能無法被激活；而當有傳感器的橋打滑時，ASR 功能可能對2 個橋的一側車輪全部作用，導致錯誤的動作。因此，為了精確控制每個驅動輪的差速動作，必須選用6 通道ABS+ASR 系統（ 因為轉向前橋也需要2 個通道，圖7）。

再來看ABS+ASR 工作原理。ABS+ASR 系統中的每個輪上傳感器都會監控所有驅動車輪的運動姿態。一旦檢測到有打滑車輪出現，系統會立即對打滑車輪進行干預，以防止起步時打滑（ASR 功能） 以及車輪在非對稱路面行駛時突然打滑導致的車輛甩尾。通過OEM 軟件，可以標定ASR 介入比率，從而進一步提高車輛的通過性。這意味著，經過標定后，驅動橋上可以取消機械式輪間差速鎖。在實際工作中，如果ABS 的ECU 激活了ASR 功能，當車速低于35 km/h（ 以WABCO 為例） 時，系統會進行差速制動；而當車速高于此值時，會通過CAN網絡發出TSC1 報文請求發動機降低轉速。安裝ASR 的功能價值和整車要求如表1 所示。

3 試驗驗證

為了充分驗證該方案的合理性和可行性，我們進行了試驗驗證，試驗方法如下。

3.1 ASR 低附啟動試驗

試驗方法：車輛處于空載狀態且不帶掛，使用千斤頂將后橋的一側驅動輪墊起，使其處于懸空狀態。隨后發動車輛，并緩慢踩踏油門踏板，此時被墊起的車輪會出現空轉現象，以此模擬車輛在低附著路面上的啟動情況。

試驗限值：期望的結果是車輛能夠順利從千斤頂上脫離并正常開動，這表明ASR 系統在低附著路面上能夠有效防止車輪打滑，提供足夠的牽引力使車輛啟動。

3.2 ASR 沙石路被陷啟動試驗

3.2.1 半幅車輪掩埋測試

試驗方法：車輛滿載并帶掛車，停在沙石路面上。將后橋的驅動輪用沙石掩埋至車輪中心高度，然后車輛掛Ⅰ擋啟動，并緩慢踩踏油門踏板。

試驗限值：期望車輛能夠順利從沙堆中脫離并正常開動，這證明了ASR 系統在車輪部分掩埋的情況下仍能提供足夠的牽引力，幫助車輛擺脫困境。

3.2.2 整幅車輪掩埋測試

試驗方法：與半幅車輪掩埋測試類似，但此次將后橋的驅動輪完全用沙石掩埋。車輛同樣掛Ⅰ擋啟動，并緩慢踩踏油門踏板。

試驗限值：同樣期望車輛能夠順利從沙堆中脫離并正常開動，這進一步驗證了ASR 系統在車輪完全掩埋的極端情況下的牽引力和防滑性能。

3.3 試驗結果

經過上述試驗驗證，我們可以得出以下結論（ 見表2），ABS+ASR 功能不僅完全達到了輪間閉鎖的效果，而且實現了自動控制，無需人工干預。

4 結論

隨著市場對輕量化車輛需求的日益增長，特別是在運輸公路的首尾端常出現的混合工況（ 即非對稱路面） 條件下，車輛驅動橋的技術革新顯得尤為重要。本研究發現，采用比驅動輪多2 個通道（ 對于2 個后驅動橋的車輛而言，即6 通道） 的ABS+ASR 組合，可以作為一種有效的替代方案，來替代傳統的驅動橋輪間閉鎖功能。這一技術革新在確保車輛實現輕量化提升和可靠性提高的同時，也顯著提升了車輛的安全性和通過性。此外，從經濟性的角度來看，這一技術革新也帶來了顯著的效益。根據市場調研數據，采用該技術的車輛每年損失費用可以節省約2 000 元（ 具體數據見表1）。這一節省主要來源于車輛行駛效率的提高、輪胎磨損的減少以及維修成本的降低等方面。

綜上所述，采用6 通道的ABS+ASR 組合替代驅動橋的輪間閉鎖功能，不僅符合市場對輕量化車輛的需求，也能夠在復雜工況下確保車輛的安全性和通過性，同時帶來顯著的經濟性效益。因此，該技術革新具有廣闊的應用前景和市場價值。