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TCS功能标定工况电驱总成故障问题研究

陈珍颖高晓辰赖聪金元丽任超男辛庆锋

摘要：针对现有TCS功能标定造成电驱总成故障的问题，结合故障工况及故障件拆解分析了其故障机理，提出在采用基于门限值的驱动轮轮速差控制算法来进行差速器保护。根据标定工况下路面附着系数及整车参数，建立了对开路面TCS触发工况下，包括驱动电机模型、ESC控制模型在内的整车多体动力学模型。利用Matlab-Simulink和Carsim开展联合仿真，并根据仿真对比结果，制定了基于门限值的驱动轮速差控制算法开发策略，最后通过整车标定试验验证了模型仿真结果。

关键词：TCS标定Carsim联合仿真电驱故障差速器保护

TCS是ESC系统中用于防止车辆在加速过程中出现打滑，实现车辆加速性能和稳定性能的提升的功能，根据路面附着系数的变化，TCS控制主要是控制车轮的轮速和扭矩。一般来说，TCS主要通过两种形式对驱动轮的滑转率进行控制，一是降低驱动扭矩以防止车辆侧滑，二是通过增加打滑轮一侧的制动力以提高车辆的加速性能。

TCS功能通常需要在急弯道或高低附着系数的路面上进行标定和性能验证，最典型的是在对开坡道（坡度分别为10%、15%、20%）上面，高附侧车轮转速小，低附侧车轮由于打滑车轮转速大，同时由于爬坡时驱动扭矩需求大，在这种测试条件下，对驱动系统差速器半轴齿轮承载能力的考验也非常苛刻，尤其是在TCS开始标定时，由于标定参数不完全，标定过程也会出现差速器故障的问题。

本文通过以某一车型在TCS标定过程中出现电驱总成故障为案例，详细剖析电驱故障产生原理，建立对开坡道下的TCS控制模型，对整车标定时的左右车轮转速及扭矩控制设置保护阈值，以避免电驱故障的产生，最后通过实车测试验证了模型的准确性。

2故障工况分析

2.1故障电驱拆解分析

该前驱车型在标定过程中发现电驱总成漏油及异响的故障。通过故障件进行拆解分析，发现电驱减速器壳体多处与差速器接触面有磨损現象，差速器定位销断裂，中间轴脱出，壳体内残留大量铁屑。因此可推测，电驱故障原因是差速器中间轴脱出后，与电机壳体间产生了磨削和碰撞，导致了电驱外壳体产生裂缝，润滑油由裂缝中漏出。

进一步拆解差速器后，发现差速壳体轴孔扩张，卷边，并且突出轴表面有严重的磨损痕迹，中间轴与无销钉侧齿轮烧结在一起（如图3），无法旋转，中间轴有0.414mm的磨损，另一侧齿轮可正常旋转。

结合以上分析，推测故障原因是差速器受到极大扭矩作用，且差速率过大，导致锥齿轮在中间轴上快速摩擦后烧结在一起，导致一侧锥齿轮无法在中间轴上旋转（原本可正常回转）；当车辆再次差速时，扭矩导致中间轴定位销断裂，致使中间轴在没有定位销的定位后脱出，与电驱壳体摩擦和切削，从而导致电驱壳体产生裂纹漏油。

2.2故障机理分析

目前按照汽车行业标准QC/T1022-2015《纯电动乘用车用减速器总成技术条件》[2]，对差速器可靠性验证试验，主要包括两种试验工况：

1.高速低扭试验。即把差速器一端固定，另一端输入轴为最高输入转速的50%（高速），输入扭矩为最大输入转矩的25%—35%，试验时间不少于30分钟。

2.低速高扭试验。即保持差速器一端输入转速为的最高输入转速的20%左右（低速），差速率保持在12%—15%，输入转矩为最大扭矩的75%左右（高扭），总循环不少于200次。

然而TCS标定时车辆的工况一般为高转速差，高扭矩差，行业标准的试验无法覆盖这一工况，如果TCS负载工况超过差速器的承载能力，就会引起差速器失效。因此，为了探清电驱差速器故障的具体扭矩工况，需要根据具体车型参数建立动力学模型进行分析。

3控制模型分析

3.1模型推导

3.1.1控制模式推导

TCS系统主要是对车辆的纵向力进行控制，以获得最佳滑移率为目标，而汽车的纵向力包括驱动力和制动力。其中驱动力是由驱动电机输出的扭矩经过传动系传递到驱动轮之后，由轮胎与路面之间正向的相互作用而产生；制动力是由制动力矩引起的轮胎与路面之间逆向互相作用而产生的。因此在进行汽车的TCS标定故障工况分析时，需要建立动力传动系模型、制动系统控制模型和整车模型[3]。

从电机输出的扭矩为油门开度，为电机转速，为驾驶员动态扭矩需求，为ESC计算的额外电机扭矩值，

电机动态扭矩特性可简化为带滞后的一阶惯性系统，即：

式中，为对应油门开度下的电机稳态工作扭矩，为系统滞后时间常数，为系统时间常数。

若TCS功能触发时，ESC要求电机降低输出扭矩，电机目标扭矩为，ESC需求目标扭矩为

若DTC功能触发时，ESC要求电机提高输出扭矩，

若TCS/DTC功能都不触发时，

电机扭矩控制为PI控制，为P值，为I值，

假设汽车坐标原点与汽车重心重合，忽略车辆垂直运动，车辆绕Y轴俯仰角及绕X轴侧倾角为零，方向盘转角与前轮转角成比例关