劉志柱，李柱，蔡未末，張?chǎng)危ぞ?/p>

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一款全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器總成的開(kāi)發(fā)介紹

劉志柱1，李柱2，蔡未末1，張?chǎng)?，肖峻2

（1.東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058；2.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

為保證多軸驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的行駛性能和操作舒適性，分動(dòng)器的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。針對(duì)某款全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器總成的開(kāi)發(fā)與測(cè)試，介紹了全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器換擋機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制器組成原理、換擋策略設(shè)計(jì)、故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器總成開(kāi)發(fā)完成后在臺(tái)架上進(jìn)行換擋可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明：機(jī)械結(jié)構(gòu)可滿(mǎn)足換擋要求、換擋策略合理、控制器穩(wěn)定可靠。

分動(dòng)器；控制器；控制策略；故障診斷；臺(tái)架測(cè)試

引言

由于全輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)能夠使車(chē)輛擁有更好的穩(wěn)定性、通過(guò)性和操作性能，所以使其成為當(dāng)前越野汽車(chē)的主要特征之一，而分動(dòng)器則是汽車(chē)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[1]，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[2]。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(kāi)發(fā)、分動(dòng)器控制器TCU的開(kāi)發(fā)、控制策略的開(kāi)發(fā)、臺(tái)架實(shí)驗(yàn)困難。針對(duì)上述問(wèn)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(xiě)程序完成對(duì)整車(chē)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(wàn)次目標(biāo)耐久試驗(yàn)。

1 背景介紹

為充分發(fā)揮四驅(qū)車(chē)輛的性能和提供對(duì)車(chē)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(chē)速范圍，具體說(shuō)明如下：

HL模式：當(dāng)車(chē)輛行駛時(shí)出現(xiàn)輪胎打滑或車(chē)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(chē)輛安全，車(chē)速建議不要超過(guò)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(chē)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(chē)輛出現(xiàn)故障，車(chē)輛無(wú)法正常行駛需要拖車(chē)時(shí)，為了對(duì)車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)，拖車(chē)時(shí)，車(chē)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(wú)路、越野、爬坡、越障等條件下，車(chē)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(chē)輛安全，車(chē)速建議不要超過(guò)20km/h。

2 全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器方案開(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)由HL置為N，分動(dòng)器控制單元判斷車(chē)輛狀態(tài)是否滿(mǎn)足換擋條件，若滿(mǎn)足，則驅(qū)動(dòng)換擋電機(jī)15通過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(lèi)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[3]，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(guò)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(kāi)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(guò)處理后進(jìn)入控制器，分動(dòng)器控制器采通過(guò)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(mǎn)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[4]。在程序主循環(huán)中，控制器通過(guò)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(mǎn)足和新的檔位選擇開(kāi)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(mǎn)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(zhuān)業(yè)能力要求高的問(wèn)題，控制器中設(shè)計(jì)了完善的故障診斷系統(tǒng)[5]，故障診斷主要內(nèi)容見(jiàn)表5。整車(chē)CAN依據(jù)故障代碼將故障類(lèi)型顯示在顯示屏上或由專(zhuān)業(yè)汽車(chē)維修人員通過(guò)整車(chē)CAN讀取故障碼判斷故障類(lèi)型。

表5 故障碼對(duì)應(yīng)的故障信息以及處理措施

全時(shí)四驅(qū)電控分動(dòng)器開(kāi)發(fā)定型過(guò)程中以及產(chǎn)品量產(chǎn)后需要定期在帶前后負(fù)載的專(zhuān)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)[6]。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(chē)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[7]。根據(jù)分動(dòng)器中心距離以及在整車(chē)上的偏置角來(lái)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(lái)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(kāi)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(guò)程中出現(xiàn)的較小頻次換擋失敗現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)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(guò)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(méi)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(mǎn)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(guò)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(guò)程中出現(xiàn)的概率較小，一般要求在2%以?xún)?nèi)是可以接受的[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在手動(dòng)分動(dòng)器的基礎(chǔ)上開(kāi)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(lái)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(chē)速小于60km/h時(shí)換H擋與HL擋，在車(chē)速小于2km/h時(shí)實(shí)現(xiàn)換L擋和N擋。自主開(kāi)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(chē)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(guò)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(kāi)發(fā)的主要內(nèi)容，為其它汽車(chē)上控制器的開(kāi)發(fā)提供了參考。

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Development of a Full-time Four-drive Electrically Controlled Transfer Assembly

Liu Zhizhu1, Li Zhu2, Cai Weimo1, Zhang Xin1, Xiao Jun2

( 1.Dongfeng Automobile Technology Center, Wuhan Hubei 430058; 2.Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070 )

In order to ensure the driving performance and operation comfort of multi-axle drive vehicles, the design of actuator is very important. Aiming at the development and test of a full-time four-drive electronic control distributor assem -bly, this paper introduces the structure of the transmission mechanism, the principle of the controller, the design of the shift strategy and the design of the fault diagnosis system of the full-time four-drive electronic control distributor. After the development of full-time four-drive electronic control actuator assembly, the shift reliability test is carried out on the bench. The test results show that the mechanical structure can meet the shift requirements, the shift strategy is reasonable, and the controller is stable and reliable.

Transfer; Controller; Control Strategy; Fault Diagnosis; Bench Test

A

1671-7988(2019)05-131-04

U462

A

1671-7988(2019)05-131-04

: U462

劉志柱（1982-），男，工程師，就職于東風(fēng)汽車(chē)公司，主要研究方向：汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.040