一种纯电动乘用车用减速器动态密封试验台

周杭超，吴淳杰，董晨晨，张众杰，陈 锋，翁海舟

（浙江方圆检测集团股份有限公司，浙江 杭州310018）

0 引言

十多年来国内的汽车行业得到了飞速的发展，对汽车变速器的需求量也得到了爆发式的增长，随之而来的对汽车变速器性能要求和质量要求也变得越来越高。因此，在变速器的制造过程中，除了对制造技术有严格的要求之外，还需要对其进行相关性能试验。近半个世纪来，汽车变速器的检测技术也得到了迅猛发展，智能化、小型化以及综合化的汽车变速器性能试验台不断出现[1]。如在五十年代初期，美国Gleason公司就生产出了以轮系作为加载系统的汽车变速器变速器试验台，美国通用动力公司、前苏联中央机械制造与设计研究院、日本丰田汽车公司等也相继推出了汽车变速器变速器试验台[2，3]。国内汽车行业的迅猛发展也带动了汽车变速器试验台的研究[4]。山西省华北工学院的苗鸿宾[5]等设计了一种能对4种型号汽车变速器进行测试的综合性能试验台，可对步进电机、变频调速器、离合器、磁粉制动器等进行计算机控制，以及变速器输入输出轴扭矩和转速的测量。江西理工大学的梁礼明与江铃公司合作开发了一种新型大功率变速箱试验台电加载控制系统，系统运行稳定，性能可靠[6]。北京航空航天大学高升[7]等设计了一种采用电涡流测功器进行加载的变矩器性能检测试验台，具有功能适应性强等优点。与此同时，我国还有一些如重庆理工大学、上海交通大学、中汽研等研究机构对汽车变速器试验设备和测试控制技术进行了研究。

不过，不同于传统燃油汽车，纯电动汽车并没有搭载一台传统变速箱，而只是搭载了一组减速器，并不提供换挡功能。减速器的性能直接影响纯电动汽车的动力性、稳定性和耐久性。因而对纯电动汽车减速器的性能评价显得尤其重要。

电动汽车减速器主要标准为QC/T1022-2015《纯电动乘用车用减速器总成技术条件》，里面涉及的台架试验项目主要有动态密封性能试验、温升试验、高温性能试验、传动效率试验、超速性能试验等。现有的国内外试验台位针对的是性能试验的全项目检测，其结构复杂。针对于动态密封性能试验来说，如表1所示，试验需要110.5 h，且减速器的最高输入转速往往有接近上万转，试验时间长，转速高，现有的试验台位为了适应全项目检测，存在些不足之处。如图1所示，现有试验台位中，交流变频电机需要通过增速箱来增速，才能输出满足减速器试验所需的最高输入转速，安全可靠性差，耗能比较大。在上万转的速度长时间试验下，往往存在着减速器未损坏，而试验的台位已经损坏，例如高速连接轴断裂，增速箱齿轮断裂，轴承磨损等，存在着一定的安全隐患和检验的可靠性。

图1 现有减速器性能试验台位示意图

由此可见，为了提高减速器动态密封试验的安全可靠性，必须减少交流变频电机与试验减速器之间的中间环节，但是交流变频电机不通过增速箱根本无法直接输出上万的转速。基于此，本文提出了一种纯电动乘用车用减速器动态密封试验台，可以直接给减速器提供上万转的输入转速，并且符合试验工况中的温度和时间等其他要求，如图2所示。该试验台能够提高检验效率和准确性，确保检验安全性，切实提高检验的自动化程度。见表1。

图2 减速器动态密封试验台位示意图

表1 动态密封性能试验条件

1 试验台整体结构设计

纯电动乘用车用减速器动态密封试验台整体结构组成如图3所示，主要由安装架、电机驱动装置、减速器固定装置、加热装置、工业冷风机、PLC控制系统、霍尔转速传感器、热电偶组成。电机驱动装置由直流电机安装底座、直流电机组成，主要由减速器提供动力来源。减速器固定装置包括减速器固定座、减速器连接盘，主要用于安装试验件减速器。加热装置由加热固定支撑架、红外陶瓷加热板组成，可对试验所需的温度进行调节。本试验台PLC控制系统控制直流电机驱动试验件减速器转动，霍尔转速传感器反馈减速器的转速，同时控制系统控制加热装置对减速器进行加热、控制工业冷风机对减速器进行降温，热电偶反馈减速器的温度，试验台架实现对减速器转速和温度的控制。动态密封试验台实物图如4所示。

图3 纯电动乘用车用减速器动态密封试验台结构图

图4 动态密封试验台实物图

2 电机选型与冷却

由于减速器的动态密封性能试验需要提供上万转的输入转速，但是为空载状态，因而对提供动力源的电机要求为可直接输出上万转速，功率无需太大。传统的试验台架使用交流异步电机作为动力源，但是不能直接输出上万转速，需要变速箱进行增速，才能达到所需的试验转速，结构复杂，安全可靠性差，耗能比较大。针对以上减速器动态密封性能试验特点，可以选用直流电机做试验台架的主要驱动来源。因此，本次试验台架使用ZD125A2-2000W型直流电机作为动力源，最高转速为12 000 r/min，功率为2 000 W，并配置了JP72100D型5 000 W直流稳压电源。直流电机长时间运行会产生大量的热，影响其使用寿命，并且产生的热量会通过热传导传递给减速器，导致减速器密封圈过早老化，影响实验的准确性，因而需要对直流电机进行冷却。运用普通的风冷电机进行冷却，并不能有效降温，往往电机表面较低，但是直流电机内线圈温度过高。因此，直流电机采用水冷的方式进行冷却，并且在直流电机与减速器固定座接触间也通入冷却水，可以有效地解决电机热传导对试验件减速器密封圈的影响，如图5所示。

图5 直流电机冷却图

3 加热冷却系统设计

为了更好地控制试验所需的加热温度，本文选用MFC3600型工业风冷机进行风冷，风量为3 600 m3/h，冷却面积30 m2。加热装置包括800 W的红外陶瓷加热板、加热固定支撑架、可滑动支撑架、加热装置气缸、角度调节板、加热装置滑轮组，如图3所示。热电偶选用PT100铂热电阻电热偶。图中，红外陶瓷加热板安装在可滑动支撑架和角度调节板上，热电偶安装在被测试件减速器上。选用具有具有PID自整定、独立PID参数设置优点的型号XC-E2AD2PT 2DA作为PID温度控制模块，支持2通道16位精度模拟量输入、2通道PT100温度输入和2通道10位精度模拟量输出。可编程逻辑控制器（PLC）实时监测减速器的温度，控制红外陶瓷加热板和工业冷风机对减速器的加热制冷，有效、稳定、实时地实现了温度控制，具有使用方便，结构简单等优势。

4 PLC控制系统设计

依据实际使用需求，应选用具有性价比高、稳定性好、编程简单的可编程逻辑控制器。因此，综合考虑各方面因素，选用西门子S7-200系列小型可编程逻辑控制器，型号为224[8]。该型号PLC具有14个输入点，10个输出点，总共24个数字量点。首先需要对PLC控制系统进行编程，然后给PLC控制系统通电，利用编写的程序设置控制基本参数，实现直流电机按照规定的要求运转，为试验台架提供动力来源。M16型霍尔转速传感器用于反馈减速器的转速，热电偶反馈减速器的温度，控制程序如图6所示，控制界面如图7所示。为了更好地调试运行，该试验台架控制系统有手动控制和自动控制两种模式。手动控制模式下，可以实现电机的转速控制、正反转控制、加热温度控制，可用于台架的维修调试。自动控制模式下，可以实现输入转速、加热温度、加热时间循环次数的控制。在两种模式下，都可以实时监测直流电机转速值和减速器温度值，同时可显示试验总时间以及试验次数。

图6 控制程序框图

图7 PLC控制界面图

5 控制试验验证

为了更好的验证本试验台架控制转速精度的准确性，本文采用日本HIOKI日置的FT3405转速表来进行检测验证，如图8所示。试验结果见表2。从表可以看出，输入转速和实际测得转速误差在2%以内，控制精度满足减速器动态密封试验要求。

图8 测试转速图

表2 测试结果对比

6 结语

现有电动汽车减速器试验台架主要是针对减速器性能试验的全项目检测，结构复杂，安全可靠性差，耗能比较大。在上万转的速度长时间试验下，往往存在着减速器未损坏，而试验的台位已经损坏的情况。本文提出了一种纯电动乘用车用减速器动态密封试验台，利用直流电机对减速器进行直接驱动，利用霍尔传感器对直流电机转速进行测量，同时利用热电偶对减速器温度进行测量，并由PLC控制箱对转速温度进行分析、计算，并由红外陶瓷加热板和工业冷风机对减速器温度进行控制，由PLC控制直流电机转速并由显示器实时监测直流电机转速值和减速器温度值，并按照设定程序进行自动控制，控制精度满足试验要求。该试验台能够提高检验效率和准确性，确保检验安全性，切实提高检验的自动化程度。