測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某純電動(dòng)客車在高低附對(duì)開(kāi)路面急加速時(shí)，后橋差速器傳動(dòng)失效。本文找出其失效原因，并通過(guò)增加速差保護(hù)功能解決該問(wèn)題，最后通過(guò)實(shí)車驗(yàn)證。

　　由于電動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)扭矩響應(yīng)快，在高低附對(duì)開(kāi)等特殊路面行駛時(shí)電動(dòng)車極易出現(xiàn)單輪打滑的情況，若兩側(cè)車輪速差過(guò)大則會(huì)有損壞差速機(jī)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)行某款純電動(dòng)輕型客車路試時(shí)發(fā)現(xiàn)，多臺(tái)測(cè)試車均出現(xiàn)差速器傳動(dòng)失效的故障。本文分析故障原因，在不修改硬件結(jié)構(gòu)及材料的前提下，通過(guò)在控制軟件中增加后橋速差保護(hù)功能的方式解決該技術(shù)問(wèn)題。

　　一、故障件分析

　　故障現(xiàn)象

　　當(dāng)車輛在高低附對(duì)開(kāi)路面上急加速時(shí)，低附路面一側(cè)車輪出現(xiàn)打滑空轉(zhuǎn)。車輛由 0 km /h 加速至 60 km /h，重復(fù)加速 5 ～ 10 次后，后橋橋殼溫度由-15 ℃ 升至 75 ℃，橋殼附近有灼燒味。靜置 15 min 后查看后橋狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)后橋差速器失效，電機(jī)僅可通過(guò)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一側(cè)車輪，另一側(cè)車輪無(wú)動(dòng)力輸出。

　　差速器拆解及分析

　　故障發(fā)生后，對(duì)多臺(tái)差速器進(jìn)行拆解，拆解圖如圖 1 所示。發(fā)現(xiàn) b 點(diǎn)位置差速器中心軸與行星齒輪間有燒蝕及磨損痕跡，a 點(diǎn)位置行星齒輪及中心軸均發(fā)生部分碎裂缺損。除上述磨損痕跡外，其余接觸零部件均未發(fā)現(xiàn)異常磨損痕跡，該現(xiàn)象說(shuō)明差速器內(nèi)部潤(rùn)滑脂無(wú)異常。

　　結(jié)合上述燒蝕及磨損痕跡分析故障原因?yàn)? 單側(cè)車輪高速打滑時(shí)，行星齒輪圍繞中心軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致中心軸與行星輪間出現(xiàn)高溫并發(fā)生粘著磨損，中心軸與行星輪粘連導(dǎo)致中心軸及行星齒輪碎裂。碎裂部分脫離原有位置導(dǎo)致傳動(dòng)失效。

　　差速器中心軸強(qiáng)度校核

　　該差速器中心軸軸頸與行星齒輪軸瓦之間在滑動(dòng)摩擦下工作，可視為徑向滑動(dòng)軸承機(jī)構(gòu)。徑向滑動(dòng)軸承所能承受的載荷與線速度的關(guān)系用 PV 曲線來(lái)表示，其中橫軸對(duì)應(yīng)軸承滑動(dòng)線速度 V，縱軸對(duì)應(yīng)軸承載荷 P。當(dāng)軸承的( V，P) 在圖中所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)處于安全工作區(qū)域時(shí)，軸承可正常工作，否則軸承則會(huì)存在損壞風(fēng)險(xiǎn)。

　　查閱該差速器中心軸參數(shù)，該中心軸軸承的 PV 曲線如圖 2 所示，其安全區(qū)域?yàn)橛?0，0) ，(3，0) ，(3，9. 6) ，(0，47. 9) ，(0. 83，47. 9) 5 點(diǎn)所圍成的五邊形陰影區(qū)域。

　　1) 該車型電機(jī)端峰值扭矩為 320 N·m，在電機(jī)轉(zhuǎn)速 0～1 500 r/min 時(shí)可維持峰值扭矩，電機(jī)通過(guò)單級(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)與差速器相連，傳動(dòng)比為 11. 6，經(jīng)減速器扭矩放大后峰值輪邊扭矩 T_max = 320 × 11. 6 = 3 712 ( N·m) 。當(dāng)車輛處于電機(jī)輸出最大扭矩的高附側(cè)車輪靜止、低附側(cè)車輪打滑的極限打滑工況時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩幾乎全部作用在行星輪上，此時(shí)行星輪承受的最大徑向力 F_t，max 為

　　式中: d₂ 為行星齒輪基圓直徑，取 0. 2 m。

　　由徑向軸承的徑向載荷計(jì)算公式: P_max = F_t，max / (Bd) 可得出行星輪加載到軸承上的最大徑向壓強(qiáng)為 15. 47 MPa，式中 B 為中心軸寬度，取 0. 1 m; d 為中心軸軸徑，取 0. 03 m。

　　行星輪在電機(jī)最大輸出扭矩范圍內(nèi)的最大線速度 V_max1 為

　　式中: n 為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比，取 11. 6; Z₁ 為半軸齒輪齒數(shù)，取 13; Z₂ 為行星齒輪齒數(shù)，取 7; r 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，取 1 500 r/min。

　　最大壓強(qiáng)及該壓強(qiáng)下的最高轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)處于圖 2 的安全工作區(qū)域內(nèi)。

　　電機(jī)轉(zhuǎn)速在 1 500 r/min 時(shí)可保持 320 N·m 的峰值扭矩，隨后隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提升，電機(jī)峰值扭矩逐漸下降，在轉(zhuǎn)速達(dá)到 10 000 r/min 時(shí)峰值扭矩降至 89 N·m。根據(jù)單輪打滑的極限工況，按照上述方法校核軸承滑動(dòng)速度為 1 m /s、2 m /s、3 m /s 時(shí)軸承的最大徑向載荷分別為 15. 43 MPa、9. 72 MPa、3. 44 MPa，均 處于圖 2 所示的軸承安全工作區(qū)域內(nèi)。由于扭矩隨轉(zhuǎn)速變化相對(duì)線性，因此可判斷在軸承允許的線速度范圍內(nèi)軸承徑向載荷滿足設(shè)計(jì)需求。

　　2) 該車型電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 r_max 為 10 000 r/min，當(dāng)車輛處于高附側(cè)車輪靜止、低附側(cè)車輪打滑的極限工況時(shí)，由公式 n_max = 2 rmax /n 可得左右輪最大轉(zhuǎn)速差 n_max 為 1 724. 14 r/min。當(dāng)電機(jī)處于最高轉(zhuǎn)速時(shí)，減速器主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速 n₁ = n_max，由公式 Z₁ /Z₂ = n₂ /n₁ 可得行星齒輪( 即中心軸) 最大轉(zhuǎn)速 n₂ 為 3 202 r/min。由徑向軸承的滑動(dòng)速度計(jì)算公式 v = πdn₂ 可得此時(shí)中心軸的最大滑動(dòng)速度為 5. 03 m /s，超出了該軸承所能承受的最高速度( 圖 2 所示的 3 m /s)，不在安全工作區(qū)域內(nèi)。

　　二、優(yōu)化方案

　　優(yōu)化方案選型

　　針對(duì)差速器失效的優(yōu)化方案有 2 種，一種為通過(guò)強(qiáng)化差速器內(nèi)部零部件的強(qiáng)度使其滿足單輪打滑極端工況下的性能要求; 另一種為在不影響系統(tǒng)正常工作的前提下部分限制驅(qū)動(dòng)輪扭矩及速差，使其處于差速器允許的性能范圍內(nèi)。考慮到單輪完全滑移的行駛工況出現(xiàn)概率較低，在該工況下駕駛員對(duì)整車動(dòng)力性能無(wú)過(guò)大要求，且提升零部件強(qiáng)度會(huì)明顯提升成本并延長(zhǎng)研發(fā)周期，因此本文采用限制驅(qū)動(dòng)輪扭矩及速差的方式對(duì)差速器進(jìn)行保護(hù)。

　　在整車扭矩鏈中，整車控制器(VCU) 首先采集車輛狀態(tài)信息并計(jì)算駕駛員需求扭矩，將該扭矩發(fā)送給電機(jī)控制器(MCU) ，MCU 響應(yīng) VCU 的扭矩請(qǐng)求并控制電動(dòng)機(jī)以該扭矩輸出動(dòng)力。通過(guò)在 VCU 軟件中嵌入速差保護(hù)功能，根據(jù)實(shí)際速差及扭矩對(duì)請(qǐng)求扭矩進(jìn)行限制，是解決該問(wèn)題較為簡(jiǎn)單高效的方法。

　　方案確定及軟件建模

　　本文差速器保護(hù)模塊的功能邏輯方案如圖3 所示。

　　由圖 3 可知，該功能模塊可細(xì)分為 5 個(gè)子模塊， 其具體工作邏輯如下:

　　1) 駕駛員需求扭矩計(jì)算模塊負(fù)責(zé)根據(jù)采集到的車輛行駛信息及駕駛員操作意圖計(jì)算駕駛員需求扭矩 Ta。

　　2) 速差計(jì)算模塊負(fù)責(zé)分別采集左右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪輪速 v_L 及 v_R，并計(jì)算出左右輪速差 v_x。

　　3) 扭矩采集模塊負(fù)責(zé)采集電機(jī)當(dāng)前的實(shí)際輸出扭矩 T_b。

　　4) 速差限制模塊首先根據(jù)公式 v_h = d ×Z₁ ×v_x / ( 2×Z₂×R) 計(jì)算出差速器中心軸軸承的相對(duì)滑動(dòng)速度 v_h，式中 d 為中心軸軸徑，R 為車輪滾動(dòng)半徑; 然后再根據(jù)公式 P_j = 2n×T_b /( B×d×d₂ ) 計(jì)算出中心軸的徑向載荷 P_j，式中 B 為中心軸寬度，d₂ 為行星齒輪基圓直徑，n 為減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比。最后將 P_j 作為圖 2 中的 P 值，v_h 作為圖 2 中的 V 值，對(duì)照?qǐng)D 2 中的 PV 曲線查詢并判斷軸承的該 PV 值是否處于安全工作區(qū)域內(nèi); 當(dāng)處于安全工作區(qū)域內(nèi)時(shí)速差保護(hù)功能不激活，不對(duì)需求扭矩進(jìn)行處理; 當(dāng)處于安全工作區(qū)域外時(shí)速差保護(hù)功能激活，此時(shí)判斷輪速差 v_x 是否小于 5 km /h，當(dāng)輪速差不小于 5 km /h 時(shí)將需求扭矩限制為 0，當(dāng)輪速差小于 5 km /h 時(shí)退出速差保護(hù)功能并解除對(duì)需求扭矩的限制; 輸出處理后的需求扭矩 T_c 進(jìn)入請(qǐng)求扭矩濾波模塊。

　　5) 請(qǐng)求扭矩濾波模塊負(fù)責(zé)對(duì)速差限制模塊計(jì)算得出的扭矩 T_c 進(jìn)行斜率限制，扭矩變化斜率上限 K 依照整車駕駛性及平順性的要求進(jìn)行標(biāo)定，在整車平順性可滿足屬性要求的情況下可適當(dāng)增大 K 值以確保差速保護(hù)功能的響應(yīng)速度，本文 K 為 900 N·m /s，輸出限制變化率后的請(qǐng)求扭矩 T_d，MCU 響應(yīng) VCU 的最終請(qǐng)求扭矩 T_d，結(jié)束。

　　使用 SUMILINK 軟件對(duì)上述功能邏輯進(jìn)行軟件建模并集成進(jìn) VCU 軟件中。

　　三、實(shí)車驗(yàn)證

　　由于低附工況一般出現(xiàn)在冰雪路面行駛過(guò)程中，因此測(cè)試選擇在冬季冰面試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，分別進(jìn)行高低附對(duì)開(kāi)路面急加速測(cè)試及低附路面耐久測(cè)試。

　　首先將車輛靜止在高低附對(duì)開(kāi)路面，全油門加速至 60 km /h，通過(guò) CAN-APE 設(shè)備實(shí)時(shí)觀察并記錄各輪速及扭矩變化情況，標(biāo)定量為 900 N·m /s 和 1 600 N·m /s 的測(cè)試數(shù)據(jù)分別如圖 4 和圖 5 所示。

　　由圖 5 可知，踩下加速踏板 0. 483 s 后，電機(jī)扭矩達(dá)到 320 N·m 的峰值，此時(shí)驅(qū)動(dòng)輪速差為 51 km /h，隨后電機(jī)扭矩開(kāi)始下降，當(dāng)電機(jī)扭矩降至 104 N·m 時(shí)速差達(dá)到最大值，此時(shí)速差為 139 km /h，隨后速差在 0～106 km /h 間反復(fù)波動(dòng)，直至車速達(dá)到 60 km /h，測(cè)試終止。

　　測(cè)試過(guò)程中，中心軸軸承相對(duì)滑動(dòng)速度最大值為 3. 8 m /s，超出了軸承 PV 曲線的安全工作區(qū)域。經(jīng)分析，當(dāng)差速達(dá)到最大值時(shí)，速差保護(hù)模塊已經(jīng)觸發(fā)并開(kāi)始限制扭矩，但因扭矩下降斜率較慢導(dǎo)致扭矩下降過(guò)程中速差仍在上升，且超出了安全工作區(qū)域，標(biāo)定工程師隨即將輪邊扭矩下降斜率標(biāo)定量由 900 N·m /s 修改為 1 600 N·m /s 并重復(fù)上述測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖 5 所示。

　　圖 5 所示測(cè)試過(guò)程中的駕駛平順性在可接受范圍，中心軸軸承相對(duì)滑動(dòng)速度最大值為 2. 12 m /s，且測(cè)試全程中心軸 PV 值均處于軸承的安全工作區(qū)域內(nèi)。連續(xù)重復(fù)上述測(cè)試 20 組，后橋橋殼溫度由-15 ℃升至-7 ℃，無(wú)灼燒味出現(xiàn)，傳動(dòng)系統(tǒng)未見(jiàn)異常。

　　隨后對(duì)車輛進(jìn)行低附耐久試驗(yàn)，模擬正常使用工況在低附測(cè)試路段行駛 500 km，后橋傳動(dòng)系統(tǒng)未見(jiàn)異常，隨后對(duì)后橋總成進(jìn)行拆解，中心軸與行星齒輪均未發(fā)現(xiàn)過(guò)量磨損。

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　本文提出的差速保護(hù)功能，可在不修改硬件結(jié)構(gòu)及材料的前提下解決電動(dòng)車輛后橋因速差過(guò)大導(dǎo)致的損壞失效問(wèn)題，提高了車輛安全性及后橋使用壽命，同時(shí)還降低了成本。

　　參考文獻(xiàn)略.