王 欣

（1.西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014；2.東南大學(xué) 蘇州研究院，江蘇 蘇州 215123）

在汽車的傳動系統(tǒng)中，若采用機械式手動變速器，一般都配有同步器，其主要功能是：使接合套與待接合齒圈兩者之間能迅速同步，阻止在同步之前齒輪進行嚙合，防止產(chǎn)生接合齒圈之間的沖擊，縮短換檔時間，迅速完成換檔操作，并延長齒輪壽命。同步器的性能指標(biāo)直接影響變速器的效能表現(xiàn)，從而影響車輛的操控性[1-2]，所以要在安裝前對其技術(shù)性能和壽命進行一系列相關(guān)測試。

研制基于PLC的變速器同步器測試系統(tǒng)，可以對同步器換擋過程中的關(guān)鍵參數(shù)進行實時準(zhǔn)確的測試記錄，通過對比分析處理，從而對被試同步器的性能與壽命作出客觀準(zhǔn)確的評價[3]。因為PLC具有體積小、功能強、可靠性高等特點，所以采用PLC作為整個測試系統(tǒng)的控制核心，通過驅(qū)動電機模擬換擋過程，并且控制二個軸的轉(zhuǎn)速；同時配以計算機，設(shè)定測試條件，用以高速采集測試系統(tǒng)中多路傳感器信號，并對采集數(shù)據(jù)進行后期分析處理，并發(fā)出相應(yīng)指令。

1 測試系統(tǒng)組成

汽車同步器測試系統(tǒng)的主要部件有：結(jié)構(gòu)臺體、變頻電機、伺服電機、慣性飛輪、被試同步器、換擋機械手、循環(huán)潤滑系統(tǒng)、機械手控制箱、控制柜、各種檢測傳感器、PLC、計算機等，測試臺的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試臺的機械結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the mechanical test bed

測試臺能對一定型號的同步器進行3類主要測試[4-6]：連續(xù)測試、慣性測試和擠壓測試，連續(xù)測試與慣性測試測量同步器動摩擦系數(shù)和耐磨損性能，擠壓測試用于測量同步器的靜摩擦系數(shù)，測試是在室溫至120℃的潤滑油環(huán)境中進行的，通過對測試臺測量數(shù)據(jù)的分析與計算，觀測并記錄同步器的摩擦性能與耐磨損性能，從而對同步器的性能作出評價，其中連續(xù)測試流程如圖2所示。

圖2 連續(xù)試驗流程Fig.2 Continuous test process

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

整個測試系統(tǒng)的核心是測控部分，首先要求實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀況，以確保系統(tǒng)運行的安全可靠；同時在測試過程中，要求實時采集采集位移、轉(zhuǎn)速、同步扭矩、軸向力、潤滑油油溫和流速等一系列信號數(shù)據(jù)，通過處理采集到的信號數(shù)據(jù)及由此繪出的特性曲線，分析評價被測變速器同步器的相關(guān)性能[7-9]，其測控系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3 測控系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Functional block diagram of testing system

測控系統(tǒng)由PLC、計算機、各種傳感器、信號測試調(diào)理卡、驅(qū)動與控制電機等組成。測試系統(tǒng)由計算機和PLC共同控制，計算機作為上位機具有良好的人機交互功能，負責(zé)對整個測控系統(tǒng)進行監(jiān)控，向PLC發(fā)送指令及數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制，并通過數(shù)據(jù)分析軟件對采集到的測試數(shù)據(jù)進行進一步的處理，從而測試同步器的性能指標(biāo)[10]；因為PLC具有操作方便、可靠性高等優(yōu)點，能很好地滿足測試系統(tǒng)控制的要求，所以采用PLC來采集現(xiàn)場信號和輸出控制信號；負責(zé)直接控制與監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，包括換擋機械手的運動控制、電機速度的調(diào)節(jié)、變速器油溫控制等；傳感器負責(zé)采集現(xiàn)場的信號，經(jīng)信號測試調(diào)理卡轉(zhuǎn)換成模擬量傳送給PLC和計算機。需要指出的是：當(dāng)測試開始之前，必須對變速器各個擋位位置進行預(yù)先設(shè)定，將各個擋位對應(yīng)的選擋位置傳感器和掛擋位置傳感器數(shù)據(jù)存儲于PLC的存儲區(qū)，同時將機械手的控制參數(shù)如各個擋位的掛擋力、掛擋速度、擋位位置補償存儲于PLC的存儲區(qū)，在測試過程中，通過對這些數(shù)據(jù)的快速查詢而準(zhǔn)確快速的模擬換擋過程。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

測控系統(tǒng)采用計算機與PLC綜合控制。

作為上位機，計算機中的對應(yīng)控制程序基于Windows 2000/XP平臺系統(tǒng)進行開發(fā)，采用人性化用戶界面，能實現(xiàn)試驗臺的自動化控制和試驗數(shù)據(jù)的存儲及分析處理，其主要實現(xiàn)的功能有：

1）可以預(yù)先設(shè)定試驗程序，包括軸向力、加載時間、卸載時間、轉(zhuǎn)速差、潤滑油溫度等參數(shù)，并能對同步器參數(shù)和試驗工況進行編輯、保存、下載、打??；

2）連續(xù)自動記錄測試過程中的相關(guān)等數(shù)據(jù)，實時圖形顯示所有的測量和計算數(shù)據(jù)，并生成相應(yīng)變化曲線分析圖；

3）查閱、刪除、分析、打印歷史測試數(shù)據(jù)或曲線圖；

4）實時顯示測試中的設(shè)備狀態(tài)及可能出現(xiàn)的錯誤故障，按照出錯等級（警告、錯誤、嚴重錯誤、致命錯誤）自動做出應(yīng)對；

作為下位機，PLC負責(zé)對現(xiàn)場設(shè)備進行控制與監(jiān)控，PLC中的控制程序采用德國倍福公司的TwinCAT PLC編程軟件編寫[11]，整個程序控制流程如圖4所示。

圖4 整個程序控制流程圖Fig.4 Flow chart of the whole controlling programmer

PLC中的控制程序?qū)崿F(xiàn)的功能主要有:

1）控制換擋 PLC根據(jù)計算機發(fā)送的控制命令，提取其存儲區(qū)內(nèi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)換擋動作；同時計算機通過讀取相應(yīng)傳感器信號監(jiān)視換擋動作完成情況，若選擋未能到位或換擋超時，會即刻強制空擋，起到安全保險作用；當(dāng)選擋及時準(zhǔn)確到位時，則發(fā)出下一步指令。

2）采集數(shù)據(jù) 因為測試環(huán)境中通常存在強烈的電磁干擾，如不采取相應(yīng)的抗干擾措施，其會以傳導(dǎo)和輻射的形式進入測控系統(tǒng)，嚴重影響測試結(jié)果，所以要從硬件和軟件上加以相應(yīng)處理，硬件上要采取相應(yīng)的電磁屏蔽，在測試信號調(diào)制卡設(shè)置多重濾波電路，利用PLC的I/O模塊帶有電氣隔離功能進行光電隔離；軟件上采用相應(yīng)算法進行濾波處理，進一步減低干擾影響。

3）安全保護 當(dāng)不當(dāng)操作或測試同步器零件總成發(fā)生過早損害或其他故障（電機過載、超速、超溫等）時，使試驗臺能夠快速自動停止，對變頻器具有過流、過載、過壓、欠壓、過熱、短路和冷卻風(fēng)扇異常保護，對電動機具有過載和超速保護，對系統(tǒng)具有超速、超扭和超溫保護，所有報警信號通過主控制計算機顯示故障原因或故障代碼；緊急停車是必須的硬件功能，可以手動執(zhí)行或系統(tǒng)自動執(zhí)行；緊急停車時加載機構(gòu)處于中間位，電機通過制動單元緊急停車、機械手摘到空擋，報警器發(fā)出報警。

4 結(jié) 論

同步器測試系統(tǒng)是包含信號采集處理、電子電路、機械結(jié)構(gòu)等學(xué)科于一體的自動控制機電一體化設(shè)備，能夠完成典型的長時間、高重復(fù)性測試項目，運行穩(wěn)定可靠，對于提高同步器測試自動化水平具有重要的實用價值。

[1]周同磊.汽車變速器同步器[J].現(xiàn)代零部件，2009（3）:92-94.

ZHON Tong-lei.The synchronizers of automobile gearbox[J].Modern Components，2009（3）:92-94.

[2]馮晉祥.汽車構(gòu)造[M].北京：人民交通出版社，2010.

[3]龔宗洋.機械式汽車變速箱同步器試驗系統(tǒng)研制[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2005（5）:60-62.

GONG Zong-yang.Developmentofautomobile gearbox synchronizer testing system[J].Industrial Instrumentation&Automation，2005（5）:60-62.

[4]王傳金.CVX轎車同步器換檔性能研究與試驗分析[D].武漢:中南大學(xué)，2009.

[5]武彩崗，馬吉勝.同步器工作的數(shù)學(xué)模型及磨損壽命[J].機械工程師，2007（3） :28-29.

WU Cai-gang，MA Ji-sheng.Mathematical model and abrasion life of synchronizer[J].Mechanical Engineer，2007 （3）:28-29.

[6]張發(fā)勇.同步器常用概念及其在設(shè)中的應(yīng)用[J].機械工程與自動化，2010（3）:203-204.

ZHANG Fa-yong.Explanation and Design Application of General Terms about Synchronizers[J].Mechanical Engineering&Automation，2010（3）:203-204.

[7]李小玲.傳感器與檢測技術(shù)在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006（1）:121-122.

LI Xiao-ling.Application of sensor and measuring technology in mechatronics system[J].Modern Electronics Technique，2006（1）:121-122.

[8]楊富超，段翠芳，吳媛.機電一體化系統(tǒng)中傳感檢測模塊的設(shè)計[J].機械工程與自動化，2006（6）:168-170.

YANG Fu-chao，DUAN Cui-fang，WU Yuan.Design of sensing and detection module in the system of mechatronics[J].Mechanical Engineering&Automation，2006（6）:168-170.

[9]魏寶林.工程設(shè)計中幾種常用傳感器的快速選擇[J].工礦自動化，2010（9）:119-120.

WEI Bao-ling.Quick Selection of Several common sensor in engineering design[J].Industry and Mine Automation，2010（9）:119-120.

[10]李亭亭，張為公，龔宗洋，等.設(shè)計模式在同步器試驗系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機工程與設(shè)計，2009，30（20）:4739-4740.

LI Ting-ting，ZHANG Wei-gong，GONG Zong-yang，etal.Application of design patterns in synchronizer’s testing system[J].Computer Engineering and Design，2009，30（20）:4739-4740.

[11]TwinCAT PLC編程手冊[S].北京:德國倍福電氣有限公司，2005.