楊亞聯(lián)，宋安興，陸 通，鄭 揚

(重慶大學(xué)，機(jī)械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

前言

汽車自動變速器可分為液力機(jī)械自動變速器(AT)、雙離合自動變速器(DCT)、無級自動變速器(CVT)和機(jī)械自動變速器(AMT);按換擋操縱方式來分，有液動和電控的方式。由于液壓系統(tǒng)的比功率大，能對傳動部件進(jìn)行冷卻和潤滑，在汽車自動變速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，AT、CVT、DCT和AMT中都有相應(yīng)的電液控制系統(tǒng)。在自動變速器的液壓控制系統(tǒng)中，油泵作為動力源部件，對電液控制系統(tǒng)的性能起著決定性的影響作用:油泵的效率直接影響整車的油耗，油泵的容積效率和泵送性能直接影響變速器的工作可靠性和換擋品質(zhì)。由于汽車的運行工況較寬，因此考慮在不同溫度、不同流量和不同壓力等條件下油泵的性能測試，對于評估油泵對變速器傳動潤滑、換擋控制等性能的適用性方面具有非常重要的意義。

1 自動變速器油泵性能參數(shù)

1.1 自動變速器油泵種類

在現(xiàn)有的自動變速器液壓系統(tǒng)中，有多種結(jié)構(gòu)形式的油泵:外嚙合齒輪泵、內(nèi)嚙合齒輪泵和葉片泵。其中外嚙合齒輪油泵壓力脈動大，在自動變速器中應(yīng)用很少。

內(nèi)嚙合齒輪泵有內(nèi)嚙合齒輪泵和擺線轉(zhuǎn)子泵，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、生產(chǎn)成本低、自吸性好，在自動變速器中得到了廣泛的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 性能參數(shù)

表征自動變速器油泵的主要性能參數(shù)有:壓力p、排量V、流量q、轉(zhuǎn)速n、功率N和效率η。

(1)壓力 齒輪泵的壓力可分為表征液壓系統(tǒng)工作能力的油泵輸出壓力(工作壓力，油泵的工作壓力取決于外負(fù)載的大小)，還有表征油泵自吸和吸油阻力的油泵進(jìn)口真空壓力。

(2)排量、流量和容積效率 齒輪泵的排量V是指在無泄漏的理想情況下，泵軸每轉(zhuǎn)一周油泵所排出的油液的容積，它完全取決于油泵自身結(jié)構(gòu)和參數(shù)的物理量。

表征齒輪泵輸出流量的參數(shù)有理論流量qt與實際流量q。qt為不考慮油泵泄漏情況的理論輸出流量，它取決于泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)(排量)和轉(zhuǎn)速n，即

泵的實際流量q則是考慮油泵泄漏條件下的實際輸出流量。

泵的泄漏損失，通常用容積效率ηv來表示，其定義為實際流量與理論流量之比，即

(3)功率和效率 液壓系統(tǒng)在汽車自動變速器中，主要實現(xiàn)擋位的切換和傳動系統(tǒng)的潤滑等。因為沒有直接傳遞動力，因此，如果傳遞效率低或消耗功率大，將直接損害了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

油泵是將輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能的裝置，油泵的損失分為機(jī)械損失和液壓容積損失，油泵的效率定義為油泵輸出的液壓功率和輸入功率的比值，也等于油泵機(jī)械效率ηt和容積效率ηv的乘積。

式中:p為輸出壓力;T為輸入轉(zhuǎn)矩;ω為輸入角速度。

2 油泵電測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)特點

在滿足油泵系統(tǒng)性能測試需要的同時，本測試系統(tǒng)具備以下特點。

(1)油泵輸入轉(zhuǎn)速可以變化，以進(jìn)行不同發(fā)動機(jī)輸入轉(zhuǎn)速條件下油泵的性能測試。

(2)油泵輸出壓力可以調(diào)節(jié)，以進(jìn)行不同壓力負(fù)載條件下油泵的性能測試。

(3)油泵輸入阻力可以調(diào)節(jié)，以進(jìn)行不同吸油阻力條件下油泵的性能測試。

(4)油泵的輸入油溫和黏度可變，以進(jìn)行油液在不同的溫度和黏度條件下油泵的性能測試。

(5)能對油泵壓力、轉(zhuǎn)速、流量、溫度和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行實時的測量和記錄。

2.2 電測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)油泵性能測試，本系統(tǒng)采用了如圖2所示的電測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［1-2］。

在油泵電測系統(tǒng)中，油泵由變頻控制器控制變頻電機(jī)驅(qū)動，通過控制變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速可控制油泵的輸出流量;在油泵和變頻電機(jī)之間安裝了轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，能對油泵系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測量，也可相應(yīng)計算輸入的機(jī)械功率;在油泵的出油口和進(jìn)油口均安裝有壓力或真空度傳感器，通過質(zhì)量流量傳感器測量油泵的輸出流量;系統(tǒng)的油溫由智能晶閘管控制器進(jìn)行控制，而油泵的輸出壓力等由液壓系統(tǒng)的比例閥進(jìn)行控制。

主要傳感器的型號和參數(shù)或精度如下:

(1)ABB ACS-550變頻控制器 7.5kW;

(2)HM28高溫藍(lán)寶石壓力變送器 0.1%;

(3)德國RCCS36質(zhì)量流量計 0.1%;

(4)德國LORENZ轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器 0.2%。

為滿足試驗的需要，系統(tǒng)中設(shè)計了相應(yīng)的液壓泵站，油泵的輸出壓力、輸入轉(zhuǎn)速和吸油阻力以及油液的溫度分別通過比例閥、變頻器、手動節(jié)流閥和智能晶閘管控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，為了解管道中氣泡的產(chǎn)生程度和情況，還在輸入油路上安裝了耐高溫、透明的石英玻璃觀察管。

3 油泵電測系統(tǒng)的設(shè)計

在油泵電測系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了基于板卡插槽式的工業(yè)控制機(jī)集成控制的方案。

本文中選擇了在ISA、PCI等總線有豐富數(shù)據(jù)采集卡資源的研華工業(yè)計算機(jī)平臺。為便于軟件的開發(fā)和維護(hù)，提高人機(jī)交互的友好性，采用了基于Lab-VIEW的編程語言。

為了能在LabVIEW平臺上驅(qū)動研華的數(shù)據(jù)采集卡，通過LabVIEW所提供的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點CLFN(call library function node)和代碼接口節(jié)點CIN(code interface node)將C語言同圖形化G語言結(jié)合起來，實現(xiàn)LabVIEW環(huán)境下普通數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)采集功能［3-4］。

3.1 LabVIEW對研華卡的動態(tài)連接

DLL動態(tài)鏈接庫文件是一種允許程序共享執(zhí)行特殊任務(wù)所必需的代碼和其他資源的可執(zhí)行文件。動態(tài)鏈接所調(diào)用的函數(shù)代碼沒有被拷貝到應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件中去，而是僅僅在其中加入了所調(diào)用函數(shù)的描述信息。僅當(dāng)應(yīng)用程序被裝入內(nèi)存開始運行時，在Windows的管理下，才在應(yīng)用程序相應(yīng)的DLL之間建立鏈接關(guān)系。

LabVIEW支持通過調(diào)用DLL文件的方式和其它編程語言混用。LabVIEW中通過CLFN節(jié)點來完成 DLL 文件的調(diào)用［5-7］。

圖3為研華CAN841卡所提供的DLL庫編程實現(xiàn)的CANSendMsg函數(shù)的部分程序框圖。在完成調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點所有參數(shù)配置之后，采用適合的約定方式，即可完成CAN通信函數(shù)的動態(tài)鏈接。

研華的函數(shù)庫的默認(rèn)安裝路徑為Windows的system32文件夾，采用動態(tài)加載方式后會有相應(yīng)的路徑輸入、輸出端口。連接的數(shù)據(jù)包括函數(shù)的返回、設(shè)備號、端口、主機(jī)ID和波特率設(shè)置。另外，延時和發(fā)送命令配置參數(shù)至關(guān)重要。發(fā)送命令要參考CAN總線幀格式的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式發(fā)送。其函 數(shù) 按 照 CANPortOpen、CANInit、CANSetNormal、CANSendMsg和CANPortClose流程即可實現(xiàn)指令的發(fā)送功能。其簡化的發(fā)送指令流程如圖4所示。

3.2 程序模塊化

根據(jù)汽車自動變速器油泵電測系統(tǒng)的試驗需要，以模塊化編程的方法，按照使用特性把系統(tǒng)劃分為登陸管理、數(shù)據(jù)采集、分析處理、數(shù)據(jù)顯示、實時存儲與離線回放和轉(zhuǎn)速與油溫控制等模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊是用來實現(xiàn)對所有數(shù)采信號和通信得到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，把所有相應(yīng)的信號打包到一起，用于下一步的數(shù)據(jù)分析。

數(shù)據(jù)分析處理模塊用來分析、處理信號。對于簡單的信號，進(jìn)行濾波或均值處理;對于控制信號，由于非線性與多因素時變不確定性，采用LabVIEW模糊邏輯工具箱(fuzzy logic for G toolkit)和PID控制工具箱進(jìn)行模糊自整定PID控制，增強(qiáng)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)與數(shù)據(jù)精度。圖5為LabVIEW模糊控制內(nèi)部原理圖。

數(shù)據(jù)顯示模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析、處理之后的實時顯示，有的信號之間有某種特定的關(guān)系，須將它們放到一起構(gòu)成XY圖;有的信號可以數(shù)值、曲線、儀表和強(qiáng)度的方式呈現(xiàn)。圖6為其部分程序框圖。

數(shù)據(jù)實時存儲模塊用來實時存儲采集或分析后的數(shù)據(jù)。把這些數(shù)據(jù)和用戶操作的一些信息進(jìn)行歸納，再存儲到LabVIEW專用的TDMS文件中，可以隨時回放或編輯。也可存儲為Word、Excel等文本格式。

數(shù)據(jù)離線回放模塊可隨時讀取已存儲的數(shù)據(jù)，并以圖文并茂的方式顯示，直觀且操作方便。存儲的數(shù)據(jù)也可用文本工具打開或編譯。

另外，軟件系統(tǒng)采用客戶端登陸方式和嚴(yán)格的流程控制，用戶需要正確的賬號與密碼登陸窗口，然后選擇試驗，制定試驗條件，進(jìn)行試驗，保存數(shù)據(jù)，試驗完畢，退出系統(tǒng)。系統(tǒng)采用一個統(tǒng)一的界面將各軟件模塊集成，系統(tǒng)的運行參數(shù)以數(shù)值和圖形等方式實時顯示，對試驗人員、日期和方法等可以直觀設(shè)定，滿足了試驗的要求。

3.3 電機(jī)變頻控制MODBUS通信軟件的實現(xiàn)

變頻調(diào)速電機(jī)可在變頻器的驅(qū)動控制下實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速控制，以滿足試驗轉(zhuǎn)速控制的要求。試驗中使用的ABB變頻器采用歐洲產(chǎn)品最標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議—MODBUS通信協(xié)議，須增加一個RS-485通信模塊，通過串口數(shù)據(jù)傳送RS指令即可實現(xiàn)對電機(jī)、變頻器的監(jiān)視與控制。

MODBUS協(xié)議定義了RTU和ASCⅡ兩種傳輸模式。發(fā)送同樣的數(shù)據(jù)時，RTU模式的效率大約為ASCⅡ模式的兩倍，變速器油泵電控液壓系統(tǒng)采用RTU模式通信。主站一次可向所有從站發(fā)出指令，主設(shè)備通過消息幀的地址來選擇從設(shè)備。其數(shù)據(jù)格式為:從站地址、功能碼、數(shù)據(jù)域、CRC效驗碼。ABB變頻器數(shù)據(jù)域中的地址碼與寄存器一一對應(yīng)，不同的寄存器有不同的內(nèi)容。寄存器40001為控制字，40002為給定值，40004為狀態(tài)字，40005為實際值。其相關(guān)參數(shù)設(shè)置與說明如下:

9802=STD—MODBUS通信;

5304=1—效驗方式8N2;

5303=9.6kbit/s—波特率;

5302=1—站號;

1105=100Hz—基準(zhǔn)頻率;

1103=8—采用COM口通信;

1102=0—由外部控制變頻器1給定速度;

1001=10—由MODBUS控制變頻器啟停。

系統(tǒng)采用的通信命令如表1所示。

表1 MODBUS通信命令

MODBUS通信控制程序在LabVIEW和工控機(jī)平臺上完成，其主要程序框圖如圖7所示。

3.4 油溫控制

傳統(tǒng)模擬交流調(diào)壓器幾乎都采用PID控制方法，但由于實際生產(chǎn)中的非線性和時變不確定性，而達(dá)不到理想的控制效果。因此本系統(tǒng)試驗油溫控制采用智能晶閘管控制器，是專為阻性負(fù)載的加熱設(shè)備而開發(fā)的成套控制設(shè)備總成，它與加熱元件及測溫元件組合，即可構(gòu)成完善的溫度自動控制系統(tǒng)。它是以模糊PID為控制方式、DSP為控制核心的智能控制器，兼?zhèn)淞四：刂启敯粜詮?qiáng)、動態(tài)響應(yīng)好與DSP運行迅速的特點。

智能晶閘管控制器控制端口輸入0～10V直流信號，可對主電路輸出功率進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)?？刂品绞娇蔀槭謩与娢黄骺刂?、儀表控制、微機(jī)控制、PLC控制，適用于阻性或感性負(fù)載。采用晶閘管變周期調(diào)功控溫方式保證了對工件進(jìn)行持續(xù)而均勻的加熱，避免了采用固態(tài)繼電器調(diào)功方式和定周期觸發(fā)方式因斷續(xù)加熱而出現(xiàn)的“冷熱不均”和超溫、欠溫等現(xiàn)象。加熱相對均勻，控制特性較好。

由于在油泵的試驗系統(tǒng)中，油溫控制只是一種定值控制，而現(xiàn)有的智能晶閘管控制器已經(jīng)具備了良好的控制功能。為簡化控制系統(tǒng)，在試驗臺中，數(shù)采測控系統(tǒng)只對油溫進(jìn)行采集監(jiān)控，而直接由設(shè)定顯示儀表與智能晶閘管控制器組合，實現(xiàn)了溫度的設(shè)定與控制。

4 油泵性能試驗

搭建的臺架實物如圖8所示。試驗臺分為3個模塊:前端為基于LabVIEW的工控機(jī)控制系統(tǒng)和電氣控制柜;下部為壓力、油溫等可控的液壓泵站和油箱;上部的四周和頂部相對封閉，底部為T型槽平臺，面上為待測的油泵與驅(qū)動系統(tǒng)、相應(yīng)的機(jī)械工裝和傳感器的測量系統(tǒng)。

參照現(xiàn)有美國自動變速器油泵的SAE標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了油泵的性能試驗，試驗中采用長城ATF-III自動變速器油，在不同壓力、溫度和轉(zhuǎn)速等條件下，進(jìn)行了大量的試驗，圖9和圖10為摘取的部分試驗結(jié)果。

由圖9可見，隨著轉(zhuǎn)速的上升，負(fù)載功率逐步增大，容積效率迅速上升，1000r/min之后機(jī)械效率趨于穩(wěn)定，總效率緩慢上升;但轉(zhuǎn)速升至4000r/min以后，油泵的流量增大、流速增加、吸油口真空度增加，進(jìn)油管逐步產(chǎn)生了較多的氣泡，產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，油泵振動噪聲增大，容積效率和總效率明顯降低。

為研究不同工作壓力對油泵性能的影響，進(jìn)行了溫度在40℃，壓力分別為2.2MPa和0.5MPa下的性能對比試驗，結(jié)果如圖10所示。由圖可見:隨著壓力的增加，油泵的負(fù)載增加，油泵的機(jī)械效率增高，泄漏也增大，但總效率增加;在壓力比較低時，雖然油泵的泄漏少，油泵容積效率高，但此時油泵自身的摩擦損失比較大，機(jī)械效率比較低，相應(yīng)的總效率較低。同時隨著負(fù)載壓力的增大，油泵產(chǎn)生氣蝕的轉(zhuǎn)速也降低。

雖然壓力高時，油泵的效率高，但能耗也高，在自動變速器中液壓系統(tǒng)所消耗的功率只是起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用，即減少了駕駛的操縱強(qiáng)度，但是增加了油耗。在滿足自動變速器性能的前提下，須要油泵在能耗和效率之間謀求平衡。

5 結(jié)論

(1)采用工業(yè)計算機(jī)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集卡組成測控平臺?；贚abVIEW的編程語言，采用CLFN節(jié)點來完成數(shù)據(jù)采集卡DLL動態(tài)鏈接文件的調(diào)用，實現(xiàn)了測控軟件的開發(fā)，人機(jī)交互界面友好，軟件便于開發(fā)和維護(hù)。

(2)基于ABB變頻器MODBUS通信協(xié)議，在系統(tǒng)中增加RS-485通信模塊，采用LabVIEW編制串口數(shù)據(jù)通信程序，實現(xiàn)了對變頻電機(jī)的檢測和控制。

(3)組合采用智能晶閘管控制器與儀表，實現(xiàn)了對油箱油溫的閉環(huán)控制，采用LabVIEW編制了相應(yīng)的溫度監(jiān)控和保護(hù)程序，系統(tǒng)簡單可靠。

(4)通過油泵的實際測試表明，系統(tǒng)能夠完成預(yù)期的試驗內(nèi)容，集成度高、數(shù)據(jù)精度好、動態(tài)響應(yīng)快，達(dá)到了預(yù)期的研制目的。

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