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一款全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器總成的開發(fā)介紹
2019-05-16 00:34:28· 來源：EDC電驅(qū)未來 作者：劉志柱
由于全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)能夠使車輛擁有更好的穩(wěn)定性、通過性和操作性能，所以使其成為當(dāng)前越野汽車的主要特征之一，而分動(dòng)器則是汽車實(shí)現(xiàn)全輪驅(qū)動(dòng)的核心部件。當(dāng)前
由于全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)能夠使車輛擁有更好的穩(wěn)定性、通過性和操作性能，所以使其成為當(dāng)前越野汽車的主要特征之一，而分動(dòng)器則是汽車實(shí)現(xiàn)全輪驅(qū)動(dòng)的核心部件。當(dāng)前四驅(qū)系統(tǒng)的工作方式主要有分時(shí)四驅(qū)、全時(shí)四驅(qū)、適時(shí)四驅(qū)三種模式，操作形式則可分為手動(dòng)和電動(dòng)兩種形式。手動(dòng)分動(dòng)器需要駕駛員在多變的越野路況下操作換擋桿，并兼顧其他操作，對(duì)駕駛技術(shù)要求高，而且分動(dòng)器有特定的檔位順序和換擋條件，駕駛員易造成誤操作。然而電控分動(dòng)器以換擋按鈕作為輸入信號(hào)，從而由驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行換擋。雖然電控分動(dòng)器具有換擋簡(jiǎn)單、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，但存在以下難點(diǎn)：換擋操縱裝置的開發(fā)、分動(dòng)器控制器TCU的開發(fā)、控制策略的開發(fā)、臺(tái)架實(shí)驗(yàn)困難。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)了具有“滑動(dòng)齒套差速不傳扭”特點(diǎn)的行星差速換擋機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)控制器和編寫程序完成對(duì)整車狀態(tài)信息采集，準(zhǔn)確判斷駕駛員操作意圖，從而發(fā)送換擋指令順利完成換擋以及信息提醒。最后，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器的臺(tái)架疲勞耐久試驗(yàn)以及電控?fù)Q擋操縱系統(tǒng)循環(huán)換擋10萬次目標(biāo)耐久試驗(yàn)。
1 背景介紹
為充分發(fā)揮四驅(qū)車輛的性能和提供對(duì)車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)，本款全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器設(shè)置有四個(gè)行駛模式，分別為HL、H、N及L模式。四個(gè)模式對(duì)應(yīng)著不同的適用行駛工況和車速范圍，具體說明如下：
HL模式：當(dāng)車輛行駛時(shí)出現(xiàn)輪胎打滑或車輛行駛在附著力低的路面（如結(jié)冰路面或雪地、潮濕光滑等路面）選擇HL模式行駛。在HL模式下行駛，為了車輛安全，車速建議不要超過60km/h。
H模式：在城市路面等較平坦的路面、高速公路等大部分路況下，選擇該H模式行駛，每次車輛下電后再次上電，分動(dòng)器初始擋位默認(rèn)為H擋，行駛模式旋鈕默認(rèn)H模式。
N模式: 當(dāng)車輛出現(xiàn)故障，車輛無法正常行駛需要拖車時(shí)，為了對(duì)車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)，拖車時(shí)，車輛分動(dòng)器需要處于N檔，行駛模式為N模式。
L模式：在極限工況下，如無路、越野、爬坡、越障等條件下，車輛設(shè)定為低檔四輪驅(qū)動(dòng)模式。在L模式下行駛，為了車輛安全，車速建議不要超過20km/h。
2 全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器方案開發(fā)設(shè)計(jì)
2.1 全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該款電控分動(dòng)器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主要由殼體、行星減速機(jī)構(gòu)、行星差速機(jī)構(gòu)、換擋操縱機(jī)構(gòu)、鏈輪鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)六個(gè)部分組成。核心電控?fù)Q擋操縱裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，換擋電機(jī)依據(jù)換擋信號(hào)驅(qū)動(dòng)換擋凸輪軸從而進(jìn)行HL、H、N、L四個(gè)模式的切換。
圖1 全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器總成機(jī)械本體結(jié)構(gòu)
1-分動(dòng)器輸入軸 2-行星減速機(jī)構(gòu)3-前殼體 4-高低檔滑動(dòng)齒套 5-后橋驅(qū)動(dòng)軸軸套 6-差速鎖止撥叉套 7-行星差速機(jī)構(gòu) 8-中殼體 9-鏈輪傳動(dòng)裝置 10-后殼體 11-后橋驅(qū)動(dòng)軸 12-電控?fù)Q擋操縱裝置 13-電機(jī)位置編碼器 14-電機(jī)減速器 15-換擋電機(jī) 16-前橋驅(qū)動(dòng)軸
圖2 電控?fù)Q擋操縱裝置結(jié)構(gòu)示意圖
13-電機(jī)位置編碼器 14-電機(jī)減速器 15-換擋電機(jī) 17-電機(jī)減速器輸出軸 18-換擋凸輪軸 19-差速退檔彈簧 20-差速鎖止導(dǎo)塊 21-差速進(jìn)檔彈簧固定架 22-差速鎖止撥叉 23-差速進(jìn)檔彈簧 24-撥叉軸 25-高低檔撥叉 26-彈性件支撐片27-彈性件 28-高低檔滾輪 29-凸輪 30-差速鎖止?jié)L輪
如圖2所示，換擋電機(jī)15輸出端和電機(jī)減速器14相連。電機(jī)減速器14端部裝有電機(jī)位置編碼器13，用于反饋電機(jī)位置信號(hào)。電機(jī)減速器輸出軸17通過三角形凹槽和換擋凸輪軸18軸端的三角形凸起連接，凸輪29和彈性件27空套在換擋凸輪軸18上。彈性件支撐片26和換擋凸輪軸18采用焊接或鉚接，可同步旋轉(zhuǎn)。差速退檔彈簧19、差速鎖止導(dǎo)塊20、差速進(jìn)檔彈簧固定架21、差速鎖止撥叉22、差速進(jìn)檔彈簧23和高低檔撥叉25均空套在撥叉軸24上。凸輪29上設(shè)有高低檔軌跡槽A和差速鎖止軌跡槽B，高低檔滾輪28一端在高低檔軌跡槽A內(nèi)，另一端固定在高低檔撥叉25上。差速鎖止?jié)L輪30一端在差速鎖止軌跡槽B內(nèi)，另一端固定在差速鎖止導(dǎo)塊20上。
高低檔軌跡槽A為封閉式，換擋時(shí)，由軌跡槽推動(dòng)高低檔滾輪28和高低檔撥叉25沿?fù)懿孑S24左右運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行換擋操作。差速鎖止軌跡槽B左半邊為開放式，當(dāng)由N（非鎖止）檔進(jìn)入L（鎖止）檔時(shí)，軌跡槽B推動(dòng)差速鎖止?jié)L輪30、差速鎖止導(dǎo)塊20、進(jìn)檔彈簧固定架21向左運(yùn)動(dòng)，壓縮進(jìn)檔彈簧23，由進(jìn)檔彈簧23推動(dòng)差速鎖止撥叉22向左運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入L檔，同時(shí)壓縮退檔彈簧19；而從L（鎖止）檔退入N（非鎖止）檔時(shí)，軌跡槽B僅給滾輪30留出向右運(yùn)動(dòng)的空間，由退檔彈簧19提供退檔力。
下面以從HL（高速鎖止）檔換入N檔（空檔）為例，介紹電控?fù)Q擋操縱裝置的實(shí)施方式。如圖2所示，當(dāng)駕駛員將檔位選擇開關(guān)由HL置為N，分動(dòng)器控制單元判斷車輛狀態(tài)是否滿足換擋條件，若滿足，則驅(qū)動(dòng)換擋電機(jī)15通過彈性件27推動(dòng)換擋凸輪29按照?qǐng)D2中箭頭所示方向旋轉(zhuǎn)α°，旋轉(zhuǎn)過程中，凸輪29上的高低檔軌跡槽A不斷向左延伸，推動(dòng)軌跡槽內(nèi)的高低檔滾輪28和高低檔撥叉25沿?fù)懿孑S24向左運(yùn)動(dòng)，從H（高速）檔進(jìn)入N檔（空檔）。與此同時(shí)，旋轉(zhuǎn)過程中，由于凸輪29上的差速鎖止軌跡槽B向右延伸，而軌跡槽B左邊為開放式，這樣就給差速鎖止?jié)L輪30留出了向右運(yùn)動(dòng)的空間，退檔彈簧19推動(dòng)差速鎖止?jié)L輪30和差速鎖止撥叉22沿?fù)懿孑S24向右運(yùn)動(dòng)，從L（鎖止）檔退入N（非鎖止）檔。以此類推，當(dāng)換擋電機(jī)15帶動(dòng)凸輪29旋轉(zhuǎn)時(shí)，軌跡槽推動(dòng)兩組滾輪和撥叉沿?fù)懿孑S運(yùn)動(dòng)，使得分動(dòng)器進(jìn)入相應(yīng)檔位。
2.2 全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器控制器設(shè)計(jì)
全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器控制器作為全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器總成的核心部件，對(duì)分動(dòng)器的正常工作關(guān)系重大，而硬件則又是控制器能夠穩(wěn)定、安全工作的基礎(chǔ)和保障。
經(jīng)過分析，分動(dòng)器控制器的主要功能有以下三點(diǎn)：換擋電機(jī)控制、換擋電機(jī)位置檢測(cè)以及系統(tǒng)故障診斷。針對(duì)以上三項(xiàng)功能，系統(tǒng)分動(dòng)器控制器電控單元原理圖如圖3所示，控制器主要包含電源、信號(hào)采集、CAN通信、驅(qū)動(dòng)和電流檢測(cè)及驅(qū)動(dòng)保護(hù)等部分。其中開關(guān)信號(hào)包含檔位選擇、離合器位置、制動(dòng)等信號(hào)。轉(zhuǎn)速信號(hào)和換擋信號(hào)經(jīng)過處理后進(jìn)入控制器，分動(dòng)器控制器采通過馬達(dá)位置編碼器檢測(cè)檔位位置。比較換擋信號(hào)和換擋后實(shí)際位置形成位置閉環(huán)控制，從而準(zhǔn)確完成檔位調(diào)換。
圖3 電控分動(dòng)器控制器原理圖
2.3 控制策略設(shè)計(jì)
圖4 換擋控制策略流程圖
為滿足全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器功能要求和安全需求，軟件整體策略由上電初始化自檢模塊、換擋模塊、通信模塊、故障診斷模塊和下電處理模塊等組成。在程序主循環(huán)中，控制器通過馬達(dá)位置編碼器和檔位選擇按鈕不斷讀取分動(dòng)器當(dāng)前檔位和目標(biāo)檔位，設(shè)置換擋條件進(jìn)行此次換擋行為的合法判斷從而決定是否執(zhí)行換擋操作。當(dāng)目標(biāo)檔位和當(dāng)前檔位一致時(shí)則等待條件滿足和新的檔位選擇開關(guān)信號(hào)。當(dāng)目標(biāo)檔位和當(dāng)前檔位不一致時(shí)進(jìn)行換擋條件判定，如果滿足則執(zhí)行換擋操作。為增強(qiáng)分動(dòng)器的可靠性和可維護(hù)性，主程序中同時(shí)設(shè)置周期為500ms的故障診斷程序?yàn)轳{駛員提供可能出現(xiàn)的故障參考。全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器控制策略原理圖如圖4所示。
2.4 故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)
由于復(fù)雜電路的使用，全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器在為駕駛員提供操作方便的同時(shí)也降低了其可維護(hù)性。針對(duì)出現(xiàn)故障時(shí)檢查度大、專業(yè)能力要求高的問題，控制器中設(shè)計(jì)了完善的故障診斷系統(tǒng)，故障診斷主要內(nèi)容見表5。整車CAN依據(jù)故障代碼將故障類型顯示在顯示屏上或由專業(yè)汽車維修人員通過整車CAN讀取故障碼判斷故障類型。
表5 故障碼對(duì)應(yīng)的故障信息以及處理措施
3 換擋可靠性臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)
圖6 分動(dòng)器模擬換擋測(cè)試臺(tái)架布置
全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器開發(fā)定型過程中以及產(chǎn)品量產(chǎn)后需要定期在帶前后負(fù)載的專業(yè)檢測(cè)臺(tái)架上進(jìn)行電控分動(dòng)器換擋功能可靠性的檢測(cè)認(rèn)可試驗(yàn)。試驗(yàn)樣品進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器裝于試驗(yàn)臺(tái)上應(yīng)與其在汽車上的實(shí)際工況相似。試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)架所需的一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、兩臺(tái)測(cè)功機(jī)布置安裝根據(jù)電控分動(dòng)器的偏置進(jìn)行適應(yīng)調(diào)整。根據(jù)分動(dòng)器中心距離以及在整車上的偏置角來設(shè)計(jì)臺(tái)架試驗(yàn)工裝，將被測(cè)試的樣品安裝固定。輸入電機(jī)、輸出測(cè)功機(jī)，試驗(yàn)樣品在臺(tái)架布置如圖6所示。
測(cè)試內(nèi)容需要根據(jù)實(shí)際電控分動(dòng)器各檔位排列設(shè)計(jì)順序來確定。測(cè)試臺(tái)架監(jiān)控各檔位是否按照設(shè)計(jì)的臺(tái)架既定換擋策略進(jìn)行換擋，反饋換擋成功與失敗次數(shù)。由于目前開發(fā)電控分動(dòng)器四個(gè)擋位是按照HL、H、N、L進(jìn)行依次排列設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)換擋機(jī)構(gòu)可靠性，將按照上述四個(gè)擋位測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行可靠性臺(tái)架試驗(yàn)。電控分動(dòng)器換擋可靠性臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果包括以下內(nèi)容如表7所示。
表7 全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器換擋可靠性臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
對(duì)于測(cè)試過程中出現(xiàn)的較小頻次換擋失敗現(xiàn)象，經(jīng)過分析原因如下。電控分動(dòng)器換擋操縱機(jī)構(gòu)的換擋撥叉齒套與結(jié)合齒在換擋過程中會(huì)較小概率的出現(xiàn)需要換擋力較大情況。當(dāng)換擋電機(jī)提供的換擋力小于需要的換擋力時(shí)，換擋機(jī)構(gòu)中具有換擋緩沖作用的扭簧給換擋機(jī)構(gòu)蓄能，保證換擋電機(jī)不會(huì)堵轉(zhuǎn)。當(dāng)換擋馬達(dá)的位置編碼器識(shí)別到目標(biāo)擋位時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，具有自鎖功能的換擋機(jī)構(gòu)鎖止電機(jī)不會(huì)反轉(zhuǎn)。但是，實(shí)際分動(dòng)器換擋撥叉沒有到位，當(dāng)外界需要的換擋力變小時(shí)，扭簧提供的換擋力滿足換擋力需求時(shí)，換擋撥叉到位，即在實(shí)際工作中表現(xiàn)為換擋到位需要延遲一定時(shí)間。由于臺(tái)架換擋測(cè)試的連續(xù)性以及臺(tái)架控制標(biāo)定時(shí)間參數(shù)與實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試的全過程不可能完全匹配，所以臺(tái)架測(cè)試時(shí)會(huì)出現(xiàn)換擋失敗現(xiàn)象。這種出現(xiàn)頻次在測(cè)試過程中出現(xiàn)的概率較小，一般要求在2%以內(nèi)是可以接受的。
4 結(jié)束語
本文在手動(dòng)分動(dòng)器的基礎(chǔ)上開發(fā)全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器，在檔位操縱機(jī)構(gòu)上面使用步進(jìn)電機(jī)、凸輪、位置編碼器等來完成換擋動(dòng)作和位置檢測(cè)。同時(shí)使用彈性件，避免機(jī)構(gòu)因剛性連接而損壞，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在車速小于60km/h時(shí)換H擋與HL擋，在車速小于2km/h時(shí)實(shí)現(xiàn)換L擋和N擋。自主開發(fā)的電控分動(dòng)器控制器TMM和換擋控制策略，可準(zhǔn)確判斷駕駛員意圖，根據(jù)采集的車輛狀態(tài)信息，發(fā)送換擋指令，并可與儀表進(jìn)行通訊，在儀表上顯示相關(guān)信息等。通過分動(dòng)器試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器總成進(jìn)行最后的臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，該總成穩(wěn)定可靠，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。文章介紹了電控分動(dòng)器開發(fā)的主要內(nèi)容，為其它汽車上控制器的開發(fā)提供了參考。
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