重型卡车在混合工况使用时ASR代替驱动轮轮间差速锁研究

关键词：混合工况； ASR ；轮间差速锁

0 引言

随着国家法规GB 1589 对整车总质量的严格限制，以及监管部门对按轴收费政策JT/ T489 的严格实施，用户对轻量化车辆的需求变得愈发迫切。这就要求制造商在开发制造重卡时，不仅要实现轻量化设计以降低车辆自重，还要确保车辆能够顺利通过各种随机出现的恶劣路况（ 当然还包括降低使用成本的要求）。

当用户在使用车辆进行营运时，普遍面临着最后几公里的困扰。无论是发货方还是收货方，他们的位置或仓库往往位于良好路况之外。这时，车辆就不得不行驶在坑洼、泥泞或湿滑路面上。对于装有单级减速驱动桥（ 轻量化公路车的常见配置）的车辆来说，在这样的路况下很容易出现轮胎打滑、侧滑甩尾等问题，甚至可能导致轮间闭锁损坏，从而严重影响车辆的通过性和安全性（ 见图1、图2、图3）。

1 机理分析

为了解决上述问题，我们与制动系统供应商进行了深入的沟通交流，并进行了理论分析。出现这个问题的原因为：单减桥受其较大的自身结构限制，轮间差速锁的强度和可靠性相对较低。部分车桥甚至未设计轮间差速锁，导致车辆在非对称路面行驶时，驱动轮的轮速会明显高于前轮（ 这种情况会引起轮胎的异常磨损）。当左右路面的附着系数不同（ 或者左右轮的轮荷不同） 时，在车辆加速阶段容易造成左右轮速不一致，严重时会导致甩尾现象的发生，或者使车辆无法驶出困境，或者造成轮胎因差速打滑而异常磨损，甚至导致差速锁损坏，进而引发安全事故。

解决办法是取消轮间差速锁（ 见图4）。差速锁的功能是在车辆正常行驶时，确保各个轮胎处于滚动状态，从而消除因路面差异导致的轮胎异常磨损。当某个轮胎打滑时，差速锁会启动闭锁功能，使车桥上的轮胎以相同的转速运转，从而确保车辆能够正常运行。为了消除轮胎异常磨损和差速锁易损坏的问题，我们可以采用ASR（ 牵引力控制系统）+ABS（ 防抱死制动系统） 来实现差速锁的功能。由于ABS 已经是卡车的标配，这里我们单独介绍一下ASR。ASR 的全称是Acceleration SlipRegulation，即牵引力控制系统或驱动防滑系统。它的主要作用是防止车辆尤其是大功率车辆，在起步和加速过程中驱动轮打滑，从而保持车辆行驶方向的稳定性。ASR 通过感知驱动车轮的信号，经过ECU 的判别，通过控制发动机节气门或对制动器进行干预，来防止车轮打滑，从而实现对汽车牵引力的控制，确保车辆的正常行驶。ASR 可以最大限度地利用发动机的驱动力矩，保证车辆在起动、加速和转向过程中的稳定性。其工作原理如图5 所示。

当汽车行驶在易滑（ 低附着） 路面上时，没有ASR 的汽车在加速时驱动轮容易打滑。如果是后驱动轮打滑，车辆容易甩尾；如果是前驱动打滑，车辆的方向容易失控。而配备了ASR的汽车在加速时就可以减轻或避免这种现象。在转弯时，如果发生驱动轮打滑，会导致整个车辆向一侧偏移。而ASR 则可以使车辆沿着正确的路线转向。ASR 与ABS 的区别在于，ABS是防止车轮在制动时被抱死而产生侧滑，而ASR 则是防止汽车在加速时因驱动轮打滑而产生的侧滑。ASR 是在ABS 基础上的扩充，没有ABS 就无法实现ASR，两者相辅相成，但ABS是基础。

从以上分析可以看出，在短暂经过非对称路面行驶的情况下，ABS+ASR 的功能完全可以替代轮间差速锁的作用，并且还具有智能控制、高可靠性的优势，能够有效避免机械故障的发生。

2 解决方案

针对车辆在非对称路面上的轮胎打滑、无法驶出、甩尾以及轮间闭锁容易损坏等问题，我们提出了采用6 通道（ 最少要比驱动桥多2 个通道）ABS+ASR 的解决方案。此方案旨在防止轮胎异常磨损，并确保车辆在各种路面条件下都能稳定行驶。

为何采用6 通道ABS+ASR ？对于一般的4 桥车，ABS系统通常采用4S4M 配置（ 图6），即4 个通道足以保证制动时车辆的良好操纵性。但这种配置存在明显缺陷：由于后2 个驱动桥中只有一个桥上有传感器，对另一个桥上的状态判断可能缺失或错误。当没有传感器的桥打滑时，ASR 功能无法被激活；而当有传感器的桥打滑时，ASR 功能可能对2 个桥的一侧车轮全部作用，导致错误的动作。因此，为了精确控制每个驱动轮的差速动作，必须选用6 通道ABS+ASR 系统（ 因为转向前桥也需要2 个通道，图7）。

再来看ABS+ASR 工作原理。ABS+ASR 系统中的每个轮上传感器都会监控所有驱动车轮的运动姿态。一旦检测到有打滑车轮出现，系统会立即对打滑车轮进行干预，以防止起步时打滑（ASR 功能） 以及车轮在非对称路面行驶时突然打滑导致的车辆甩尾。通过OEM 软件，可以标定ASR 介入比率，从而进一步提高车辆的通过性。这意味着，经过标定后，驱动桥上可以取消机械式轮间差速锁。在实际工作中，如果ABS 的ECU 激活了ASR 功能，当车速低于35 km/h（ 以WABCO 为例） 时，系统会进行差速制动；而当车速高于此值时，会通过CAN网络发出TSC1 报文请求发动机降低转速。安装ASR 的功能价值和整车要求如表1 所示。

3 试验验证

为了充分验证该方案的合理性和可行性，我们进行了试验验证，试验方法如下。

3.1 ASR 低附启动试验

试验方法：车辆处于空载状态且不带挂，使用千斤顶将后桥的一侧驱动轮垫起，使其处于悬空状态。随后发动车辆，并缓慢踩踏油门踏板，此时被垫起的车轮会出现空转现象，以此模拟车辆在低附着路面上的启动情况。

试验限值：期望的结果是车辆能够顺利从千斤顶上脱离并正常开动，这表明ASR 系统在低附着路面上能够有效防止车轮打滑，提供足够的牵引力使车辆启动。

3.2 ASR 沙石路被陷启动试验

3.2.1 半幅车轮掩埋测试

试验方法：车辆满载并带挂车，停在沙石路面上。将后桥的驱动轮用沙石掩埋至车轮中心高度，然后车辆挂Ⅰ挡启动，并缓慢踩踏油门踏板。

试验限值：期望车辆能够顺利从沙堆中脱离并正常开动，这证明了ASR 系统在车轮部分掩埋的情况下仍能提供足够的牵引力，帮助车辆摆脱困境。

3.2.2 整幅车轮掩埋测试

试验方法：与半幅车轮掩埋测试类似，但此次将后桥的驱动轮完全用沙石掩埋。车辆同样挂Ⅰ挡启动，并缓慢踩踏油门踏板。

试验限值：同样期望车辆能够顺利从沙堆中脱离并正常开动，这进一步验证了ASR 系统在车轮完全掩埋的极端情况下的牵引力和防滑性能。

3.3 试验结果

经过上述试验验证，我们可以得出以下结论（ 见表2），ABS+ASR 功能不仅完全达到了轮间闭锁的效果，而且实现了自动控制，无需人工干预。

4 结论

随着市场对轻量化车辆需求的日益增长，特别是在运输公路的首尾端常出现的混合工况（ 即非对称路面） 条件下，车辆驱动桥的技术革新显得尤为重要。本研究发现，采用比驱动轮多2 个通道（ 对于2 个后驱动桥的车辆而言，即6 通道） 的ABS+ASR 组合，可以作为一种有效的替代方案，来替代传统的驱动桥轮间闭锁功能。这一技术革新在确保车辆实现轻量化提升和可靠性提高的同时，也显著提升了车辆的安全性和通过性。此外，从经济性的角度来看，这一技术革新也带来了显著的效益。根据市场调研数据，采用该技术的车辆每年损失费用可以节省约2 000 元（ 具体数据见表1）。这一节省主要来源于车辆行驶效率的提高、轮胎磨损的减少以及维修成本的降低等方面。

综上所述，采用6 通道的ABS+ASR 组合替代驱动桥的轮间闭锁功能，不仅符合市场对轻量化车辆的需求，也能够在复杂工况下确保车辆的安全性和通过性，同时带来显著的经济性效益。因此，该技术革新具有广阔的应用前景和市场价值。