任工昌，翁 濤，曹錄海

（陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021）

0 引言

液力變矩器是一種以液體為介質，用來傳遞動力的傳動裝置，對外載荷具有自動適應能力，是汽車實現(xiàn)無級變速的關鍵部件，目前廣泛用于各類車輛傳動系統(tǒng)中[1,2]。柔性測試技術是以虛擬儀器技術、機電一體化技術、測試測量技術、通信及網(wǎng)絡技術、軟件技術等為基礎，對滿足測試測量系統(tǒng)需求的方法及手段進行深入研究的技術?？煽啃?、精確性、靈活性、適應性和可拓展性是柔性測試系統(tǒng)的研究目標，系統(tǒng)尤其注重測試測量系統(tǒng)功能的整體性[3]。

由于現(xiàn)代制造技術的飛速發(fā)展和液力變矩器的廣泛應用傳統(tǒng)的老式液力變矩器生產(chǎn)線正向自動化柔性化生產(chǎn)線轉變，而性能測試技術必須要適應并滿足于它所服務的對象，所以對液力變矩器柔性化性能檢測技術的研究顯得尤為重要。本文介紹了一種新型汽車液力變矩器柔性化性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在整合原有液力變矩器性能測試設備硬件資源的基礎上，通過虛擬儀器技術和先進的通訊及網(wǎng)絡技術的應用，實現(xiàn)對各種類型和型號的液力變矩器的各種性能測試，系統(tǒng)具有較高的可靠性、靈活性、適應性和可拓展性，能夠滿足液力變矩器柔性化性能測試需求。

1 試驗臺組成及工作原理

液力變矩器試驗臺由驅動/負載部分、測量與控制系統(tǒng)、油路供給系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1.1 驅動/負載部分

驅動部分的主要功能是模擬發(fā)動機向變矩器總成輸出動力，可以在不同的轉速和扭矩范圍下測定變矩器的各種性能，驅動電機在變矩器反向工況時可作為負載電機使用。負載部分采用交流變頻電機，負載吸收的功率以發(fā)電方式輸出電流并通過變頻系統(tǒng)的直流母線直接回饋到驅動電機的變頻系統(tǒng)，向驅動電機提供電能，負載電機在變矩器反向工況時可作為驅動電機使用。

圖1 試驗臺結構示意圖

鋼結構底座上還安裝有一個盤式制動器，一個扭矩傳感器和傳感器安裝底座。扭矩傳感器與被試液力變矩器用一根萬向節(jié)工業(yè)傳動軸連接。用于采用萬向聯(lián)軸節(jié)的傳動方式，對于被試件與傳感器的對中要求相對可以降低要求，便于被試件工件快速的拆卸和安裝。驅動/負載部分的安裝底座在基礎平板上前后、左右可調。

1.2 測量與控制系統(tǒng)

測試系統(tǒng)硬件由美國NI公司的PXI-1052機箱、MXI-4控制器單元、PXI數(shù)據(jù)采集單元、SCXI信號調理單元、計算機、打印機等組成。MXI-4控制器單元、PXI數(shù)據(jù)采集單元、SCXI信號調理單元安裝在現(xiàn)場專用控制柜內，完成各種試驗過程參量的隔離、濾波、整形、A/D轉換等功能，并通過MXI-4網(wǎng)絡傳輸至測控中心的計算機，計算機通過上位測控軟件最終實現(xiàn)高精度、高可靠性的數(shù)據(jù)采集、顯示、分析、存儲，由網(wǎng)絡打印機實現(xiàn)報表打印。

數(shù)據(jù)采集單元選用了NI公司的PXI總線機箱和板卡，PXI總線是專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集量身定制的模塊化儀器平臺，比PCI總線具有級別更高、定義更嚴謹?shù)沫h(huán)境性能指標，以及更為牢固的插接方式，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場使用，并且具有良好的長期穩(wěn)定性。同時集成了SCXI調理單元，在降低系統(tǒng)成本的同時，可通過機箱背板總線實現(xiàn)SCXI調理至PXI采集的數(shù)據(jù)傳輸，簡化了系統(tǒng)信號傳輸電纜連接，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。試驗臺現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設備與測控中心的測控主機通過MXI-4高速網(wǎng)絡傳輸技術實現(xiàn)PCI對PXI的遠程控制，連續(xù)傳輸速率可達78MB/s，不僅可以滿足高數(shù)據(jù)采集、通道同步等需求，同時比純PCI總線或純PXI總線具有更好的系統(tǒng)擴展靈活性和更高的性價比。

1.3 供油系統(tǒng)

供油系統(tǒng)由油箱、油泵電機、變頻器、溫度和壓力傳感器、各種閥體和連接件等組成，油路供給系統(tǒng)原理如圖2所示。系統(tǒng)選用雙聯(lián)泵，共用一臺電機。在試樣的入口管路旁路和出口管路中設置氣動調節(jié)閥，用于調節(jié)入口和出口壓力，在一臺油泵的出口設置一臺氣動調節(jié)閥，用于調節(jié)流量；配備變頻器，通過調節(jié)油泵電機轉速來保證入口流量滿足試驗要求。加熱器安裝在油箱中，冷卻器安裝在回油管路中，冷卻水經(jīng)過氣動調節(jié)閥，進入冷卻器后排出，通過控制加熱器和氣動調節(jié)閥控制冷卻水的流量，調節(jié)介質油溫度。

在測功系統(tǒng)啟動前，輔助油源系統(tǒng)預先開始工作，啟動輔助油源加熱器，循環(huán)升溫到試驗要求溫度，然后按照產(chǎn)品的試驗工況要求，將壓力、流量和溫度調節(jié)至要求值，啟動冷卻水系統(tǒng)，然后再啟動測功系統(tǒng)。

流量調節(jié)原理：通過變頻器調節(jié)油泵電機轉速在150r/min～3000r/min范圍內連續(xù)可調，通過PLC與流量形成閉環(huán)控制。

壓力調節(jié)原理：通過PLC調節(jié)入口氣動調節(jié)閥、出口調節(jié)閥和旁路的調節(jié)閥，分別與產(chǎn)品入口壓力、出口壓力形成閉環(huán)控制，保證壓力的調節(jié)。

圖2 油源系統(tǒng)原理圖

溫度調節(jié)原理：在油箱內安裝加熱器，在系統(tǒng)管路中安裝冷卻器。先啟動油泵電機，將輔助油源的油流動起來，形成回路。接通加熱器，對液壓油進行加熱，通過PLC控制加熱器和冷卻水的氣動調節(jié)閥，與油溫形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)油溫的調節(jié)。

為適應不同的傳動油，輔助油源配備兩套，都分別集中在油源車上，方便移動。油源對外有三路接口，一路接液力變矩器進口油路，一路接液力變矩器出口油路，這兩路油路通過換向閥可以快速切換油路方向，另一路接液力變矩器閉鎖控制油路。由于油源的油泵能力較大，同時液力變矩器進口油路安裝有氣動調節(jié)閥，可以保證壓力控制在0.5MPa～1.2MPa；液力變矩器出口油路安裝有氣動調節(jié)閥，在出口氣動調節(jié)閥之前安裝有冷卻器，可以保證壓力控制在0.2MPa～1.2MPa；液力變矩器閉鎖控制油路入口設計有減壓閥，可以保證壓力控制在0.5MPa～2MPa。

2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件開發(fā)采用NI公司的虛擬儀器LabVIEW圖形化編程軟件，Windows操作系統(tǒng)作為運行平臺。虛擬儀器就是在通用計算機平臺上，用戶根據(jù)自己的需求，定義和設計儀器的測試功能，其實質是將傳統(tǒng)儀器硬件和最新計算機軟件技術充分結合起來，以實現(xiàn)并并擴展傳統(tǒng)儀器的功能，也就是“軟件即儀器”[4]。正是由于虛擬儀器技術具有這些特點，幾乎是柔性測試系統(tǒng)的開發(fā)所必需用到的技術。

2.1 軟件設計思想

本系統(tǒng)軟件主要功能是通過對動力-驅動電機和負載-負載電機以及對變矩器油溫、流量的控制，對變矩器各種性能參數(shù)（轉速、扭矩、功率、壓力、流量、溫度）的測量來考核變矩器的各種工作狀況和性能指標；圍繞著完成這些功能還提供錯誤提示、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲等輔助功能。系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。

用戶登錄界面必不可少，用戶需要輸入用戶名、密碼進行用戶信息的認證，才能進入測試項目選擇界面。系統(tǒng)主要功能在各測試項目的主界面來完成，包括試驗轉速、轉矩控制，信號采集方式的選擇，產(chǎn)品信息以及試驗狀態(tài)的顯示。試驗完成后可進行數(shù)據(jù)處理、保存與曲線繪制。相應的軟件界面如圖4～圖6所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

圖4 登陸窗體

圖5 試驗主界面

圖6 結果顯示界面

2.2 軟件結構設計

軟件采用模塊化設計思想[5]，針對變矩器類型多、型號多和所需測試項目多的特點，將變矩器各個試驗項目建立成不同的測試模塊，各個模塊執(zhí)行獨立的測試項目，各測試模塊又由若干個子模塊組成，可完成不同的子任務。

需要指出的是，各測試項目中，可能存在相同的子任務，執(zhí)行這些相同的任務可通過調用同一個功能模塊來實現(xiàn)。通過這樣的結構設計，就把液力變矩器的性能測試過程，變成了按測試要求靈活匹配測試任務的配置過程，測試過程因此具有規(guī)律性，也大大提高了測試程序的通用性和可移植性[6]。

3 柔性化在系統(tǒng)中的實現(xiàn)

3.1 硬件部分

柔性測試技術在硬件方面主要通過柔性重構技術[7]來實現(xiàn)。所謂柔性重構就是要求系統(tǒng)可以根據(jù)不同的測試需求匹配不同的硬件資源，例如匹配不同的傳感器或其他測試儀器、采用不同的工裝、不同的數(shù)據(jù)通訊方式等。本系統(tǒng)中，安裝了多種不同量程和類型的傳感器，可以根據(jù)測試要求任意匹配；底座有滑動導軌，可適應不同的工裝；交流變頻電機可提供較大變化范圍的動力；PXI-SCXI混合機箱[8]使得該系統(tǒng)具有極高的信號適應性，具備對轉矩、轉速、溫度、壓力、頻率等不同類型信號的采集與處理能力，極大的增加了系統(tǒng)通訊的靈活性。

3.2 軟件部分

軟件采用模塊化結構，可以使各測試項目中的每個功能測試互相獨立，互不影響。當試驗需求改變，需要對功能進行擴展或更新時，不需要對全部的軟件進行重新設計，只要對某個特定功能測試模塊的軟件進行更新即可，可減少工作量，也體現(xiàn)出測試軟件的通用性和靈活性。而各測試項目中存在的相同測試功能的子模塊也可以相互調用，實現(xiàn)資源的重復利用[9]。

柔性化測試系統(tǒng)最重要的體現(xiàn)在于軟件系統(tǒng)的功能實現(xiàn)上。測試人員只需根據(jù)測試需求，用鼠標選擇要進行的測試項目，跳過不必要的過程，提高了測試效率。進入測試項目后，用戶可以對試驗參數(shù)進行編輯，包括工藝參數(shù)和傳感器參數(shù)編輯兩部分，工藝參數(shù)主要是指與試驗工藝相關的參數(shù)設置，傳感器參數(shù)是指試驗所用的傳感器標定值編輯。如果需要更換試驗產(chǎn)品的型號，直接在產(chǎn)品型號下拉窗選擇，如果需要添加新型號，可在添加型號輸入窗內輸入新型號進行添加。參數(shù)編輯界面如圖7所示。

圖7 參數(shù)編輯界面

4 結論

1) 試驗臺驅動和加載裝置選用了額定功率、額定轉矩大小合適，工作范圍最佳的交流變頻電機，選用的不同量程的傳感器，測量精度和靈敏度較高，性能可靠。

2) 變矩器的油路供給系統(tǒng)采用雙聯(lián)泵，配備變頻器、冷卻器和加熱器，安裝了多個氣動調節(jié)閥，能夠有效調節(jié)、控制介質油的油壓、油溫，可以適應各種試驗要求。

3) PXI總線是專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集量身定制的模塊化儀器平臺，能夠適合惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，具有良好的長期穩(wěn)定性。PXI數(shù)據(jù)采集單元和SCXI信號調理單元能夠實現(xiàn)高精度、高可靠性的數(shù)據(jù)采集與處理。

4) 采用LabVIEW軟件進行系統(tǒng)開發(fā)，靈活性強，開發(fā)時間短。系統(tǒng)采用模塊化結構，人機界面友好，可擴展性強，功能豐富，基本可滿足液力變矩器的柔性化測試需求。

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