电子扭矩管理器下线测试技术的研究与应用

鲍益智 张 伟 洪建强 周晓冬

(上海纳铁福传动系统有限公司， 上海 201315)

0 前言

电子扭矩管理器产品是断开式四驱传动系统的核心部件，如图1所示，通常装配于四驱车辆的后桥主减速器总成上。

图1 ETM总成图

当四驱车辆匀速行驶时，ETM总成可以断开后桥主要传动部件，以实现更高的燃油经济性。当需要后轮介入驱动时，ETM总成通过对电机转子位置的控制，可以在400毫秒内从两驱转换为四驱模式，从而达到出色的动态性能。电子扭矩管理器通过执行机构控制动力的结合和断开来实现整车两驱和四驱模式的自动切换。

ETM总成装配质量的优劣直接影响到整车四驱系统的性能，因此对ETM总成相关性能进行下线检测有着重要的意义。通过下线测试，有效地拦截一些不合格品，减少返工成本。

1 ETM产品介绍

1.1 ETM的零件组成

图2为某款ETM总成装配图，ETM总成主要由壳体①、球道支撑盘②、斜坡钢球压紧组件④、滚针止推轴承⑤、Z型盘⑥、离合器片组⑦、外摩擦片连接组件⑧、波形弹簧⑨、轴承(⑩、)、内钢片连接半轴、挡油圈、平行销、减速齿、调整垫片、电机和油封等零件装配而成。

图2 ETM总成装配

1.2 ETM的工作原理

ETM产品的工作原理，如图3所示，斜坡球道压紧组件由输入执行盘、球支架组件和输出制动盘三个零件组成，其中输出制动盘通过压装固定于球道支撑盘零件上，输入执行盘和减速齿连接，球支架组件装配于上述两个零件对称布置的单向斜坡球道沟槽中。当ETM从断开状态变为接合状态，电机通过减速齿驱动具有斜坡球道的输入执行盘，从而实现输出制动盘和输入执行盘的相对旋转运动[1]。该旋转扭矩可使球支架组件上的钢球沿相反的斜道向上滚动，由此将旋转运动转换为轴向运动，电机输出扭矩转换为轴向力。轴向力通过压力盘和滚针止推轴承最终作用于离合器片组上，实现扭矩的输出。

图3 工作原理图

基于上述原理，输出扭矩的大小可通过控制ECU对电机旋转位置以及输出电流的大小来进行控制。

1.3 ETM的产品优势

和其他液压离合器产品相比，ETM总成电机直接控制执行机构。当电机断电时，受压状态的波片弹簧靠弹力将执行机构推回至初始状态，确保ETM总成处于断开状态，提升四驱系统的安全性能。

2 电子扭矩管理器四驱切换过程分析

车辆两驱和四驱切换时，电子扭矩管理器通过对离合器的主动控制，实现两轮驱动或者四轮驱动功能，其工作过程如图4所示。

图4 位置特性图

第一阶段：此时斜坡球道压紧组件的钢球处于机械零点位置MEZ(Mechanical Zero)，斜坡球道压紧组件和离合器片组之间存在一定的间隙(Airgap)，也就是通常所说的空行程。离合器压盘、摩擦片之间为无转矩传递阶段，此时车辆为两驱状态[2]。

第二阶段：当电机驱动斜坡球道压紧组件的钢球到达扭矩传递初始位置点OPZ(Operational Zero)，离合器片组压盘、摩擦片受压传递扭矩，但是传递的转矩没有达到最大输出扭矩。此时电机持续输出扭矩，离合器片组传递的转矩持续增加直到输出扭矩达到四驱所需的扭矩。

实际工作过程中，离合器片组的压盘和摩擦片在扭矩传递过程中会产生相对滑摩，因此电子扭矩管理器工作一段时间之后，摩擦片表面会发生一定程度的磨损，其厚度会不断变小[3]。如下图所示，随着摩擦片的磨损，扭矩传递初始位置点会向右偏移，直至扭矩传递初始位置点偏移至OPZ(max)点时，此时最大扭矩传递点即球道的斜坡终点MEE(Mechanical End)。后续随着摩擦片的进一步磨损，离合器片组压缩行程将无法满足性能要求，其输出扭矩将无法达到四驱所需的扭矩。

3 下线测试设备的设计与应用

3.1 下线测试设备原理

如图5所示，ETM下线测试设备主要由PLC(Programmable Logic Controller)、EOL ECU(Electronic Control Unit)以及被测对象组成。

图5 测试台布局

PLC运行ETM的测试逻辑(自主开发策略)，通过CAN总线与EOL ECU进行通信，发送信号指令控制ETM进行测试，并通过EOL ECU采集位置信号电流信号等对被测件进行偏差判断。PLC通过I/O端口，CAN接口与EOL ECU相连接，EOL ECU与ETM通过DSUB 9连接器进行CAN通讯。

EOL ECU包括测试硬件以及测试软件。如图6所示，测试硬件选用德国ADCOS公司开发的快速控制原型平台PUMA PTM。

图6 测试原理图

ECU的电源主要是外接供电，为KL30。ECU是否工作由KL15信号控制。当KL15小于设定阈值时，为无效信号。当KL15大于阈值时，为有效信号，当电源管理芯片收到KL15唤醒信号时便会打开内部电子开关或启动开关电源，ECU系统才真正开始工作。发出CAN信号控制ETM测试，回采霍尔传感器采集的位置信号以及电机的三相电流进行校验，最后判断被测件是否合格。CAN总线需要安装120 Ω的终端电阻。

测试软件是通过MATLAB工具搭建的Simulink模型进行开发，包含了以下几个模块：

(1)控制模块：ETM的控制逻辑；

(2)信号接收模块：CAN信号发送与接受，故障信号上报；

(3)测试模块：将采集的位置信号以及电流信号等与预设值进行判断。

通过MATLAB里的Embedded Coder生成代码。最后使用刷写工具更新到测试硬件中。

执行电机被安装于ETM总成的壳体上，通过接插件以及线束和测试ECU进行连接，ECU通过电流环及位置环实现对电机进行控制。一方面ECU通过全桥电路对电机进行驱动，通过PWM控制并同时检测电机的电流。另一方面，对安装在电机里面的霍尔传感器的信号进行解码监测，实时监测电机转子转动量。根据采集的电流信号以及位置信号完成闭环控制。

3.2 测试流程

如图7所示，一次完整测试过程分为四个阶段，依次为初始化阶段、机械零点位置MEZ检测阶段、总成性能参数检测阶段以及安全脱开性能阶段。

图7 测试循环

初始化阶段为电机的正转以及反转，确认斜坡球道压紧组件工作过程中是否存在异常卡滞。

机械零点位置MEZ检测阶段：此时斜坡球道压紧组件和离合器片组之间存在最大的间隙，离合器片组处于断开状态，并且在控制逻辑中将该位置设置为零，即机械零点位置MEZ。

总成性能参数检测阶段：通过占空比控制电机电流的大小，对总成性能参数进行测试，并在EOL结束时记录测试项数据，下线测试参数如下表所示。

表1 下线测试参数

安全脱开性能阶段：当电流到达额定设置的最大电流后，电流信号设置为0，ECU记录上述电流变化过程中对应的位置变化量(电机转角)。该项内容主要检测受压的波形弹簧能否让斜坡球道压紧组件回到机械零点位置MEZ，即ETM总成处于断开状态。

4 结论

(1) 目前下线测试设备已正式投入使用，该测试系统工作稳定、可靠，能有效检测并识别不合格的产品，最终提升了生产节拍，保证总成的装配质量，满足公司装配制造的紧迫需求；

(2) 该项下线测试技术的研究以及应用也为公司的质量提升，品牌认可度提升产生了积极的效果，最终提升了公司产品的核心竞争力，提高了公司在行业中的领先地位以及客户对公司先进装配技术水平的认可，为后续ETM新项目的获取提供必要的支撑条件。