孫 宇

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

汽車變速器的性能直接影響汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性等性能。高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)是機(jī)械式變速器臺架試驗(yàn)的重要內(nèi)容，通過變速器各擋位在高轉(zhuǎn)速、滿負(fù)荷、高溫度和長時間的極限工況下的表現(xiàn)，可判斷換擋裝置、各擋齒輪、軸、軸承、殼體有無損壞［1］，反映變速器在極限工況下的耐久性和穩(wěn)定性，便于尋找不足之處并進(jìn)行改善。

應(yīng)某汽車企業(yè)的開發(fā)要求，利用西門子成熟的電機(jī)技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有的傳感器技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，通過VS2005 上位軟件開發(fā)平臺、下位機(jī)PLC S7-300 和NI PXI -6221 數(shù)據(jù)采集卡搭配組合，研發(fā)了機(jī)械式變速器高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)的臺架。通過該試驗(yàn)臺，對變速器性能進(jìn)行評估和數(shù)據(jù)比對，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的不足之處和設(shè)計(jì)缺陷，對改善機(jī)械式變速器傳動性能，提高變速器的設(shè)計(jì)水平，提升企業(yè)競爭力有著重要的意義［2-3］。

1 試驗(yàn)臺架測試原理

封閉式試驗(yàn)臺架與傳統(tǒng)的開放式試驗(yàn)臺架相比，雖然結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，不便于維護(hù)，但可以充分回收利用負(fù)載電機(jī)產(chǎn)生的熱能或電能，大大提高測試臺架的能源利用率。該高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)臺選用的共直流母線能量回饋電封閉式試驗(yàn)臺架無需多余的傳動組件和伺服加載設(shè)備，結(jié)構(gòu)相對簡單，可以實(shí)現(xiàn)載荷的穩(wěn)定控制，且尺寸鏈短，占地面積小，加工制造成本較低。通過直流母線能夠?qū)崿F(xiàn)“邊加載邊發(fā)電”，發(fā)出的電力可以直接被驅(qū)動電機(jī)回收利用，電能利用率顯著提高。負(fù)載電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)由獨(dú)立的矢量控制逆變器控制，可以實(shí)現(xiàn)平行驅(qū)動［4］。臺架整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 臺架整體結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1 可以看出，負(fù)載電機(jī)M2 模擬汽車行駛過程中所承受的負(fù)載。在驅(qū)動電機(jī)和變速器的輸出端分別裝有兩個高精度扭矩傳感器T40，實(shí)現(xiàn)對輸入/輸出扭矩的測量。在負(fù)載電機(jī)的輸入端安裝用于減速增扭的齒輪箱，將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至負(fù)載電機(jī)M2 可正常穩(wěn)定工作的范圍內(nèi)。電機(jī)M1、M2 均帶有編碼器，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流、電壓和溫度的自測。溫度傳感器用來實(shí)時測量變速器的油溫。電機(jī)冷卻方式為水冷，組裝合適功率的水泵后即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)快速冷卻。

根據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 568.1 -2011 的要求，1 ～4 擋通過M1 將轉(zhuǎn)速分別控制在4 000 r/min 和6 000 r/min 以下，對應(yīng)的扭矩通過M2 控制發(fā)動機(jī)最大扭矩，各轉(zhuǎn)速持續(xù)時間不小于30 min。5 擋輸入轉(zhuǎn)速在4 000 r/min 時控制發(fā)動機(jī)的扭矩最大。倒擋輸入轉(zhuǎn)速在3 000 r/min 時控制發(fā)動機(jī)的扭矩最大。每一擋位的測試，應(yīng)將變速器油溫控制在90 ～110 ℃之間。

2 試驗(yàn)臺架重要部件選型

驅(qū)動/負(fù)載電機(jī)、傳感器、齒輪箱和數(shù)據(jù)采集卡的選型對整個測試臺架的穩(wěn)定性、測量速度、擴(kuò)展性、制造成本，以及運(yùn)行安全有決定性的影響，并且這些部件的性能與參數(shù)應(yīng)該與微型客車廠家提供的B12 MCE 型發(fā)動機(jī)和N109 型變速器的性能相互匹配，其中，N109 型變速器適用于某微型商用車，是一款微型高轉(zhuǎn)速變速器。N109 型變速器各擋傳動比如表1 所示［5］。

表1 N109 變速器各擋傳動比

2.1 電機(jī)選型

電機(jī)選型采用SIZER 軟件，所選驅(qū)動電機(jī)型號為西門子1PH8186 -1DI20 -lIAl，負(fù)載電機(jī)型號為西門子1PH8288 -1DB20 -1BB1，電機(jī)參數(shù)如表2 所示。

表2 電機(jī)參數(shù)表

2.2 齒輪箱選型

為了滿足試驗(yàn)臺架的要求，輸入端最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于1 500 N·m，最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速應(yīng)大于7 000 r/min，以保證有一定的過載能力。從齒輪箱結(jié)構(gòu)來看，必須保證油壓在0.1 ～0.3 MPa 之間，尤其是在高轉(zhuǎn)速下，不能出現(xiàn)漏油等現(xiàn)象。冷卻系統(tǒng)需將油溫控制在110 ℃以下。

2.3 傳感器選型

扭矩傳感器是高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)臺架的核心組成部分之一，對測量精度、響應(yīng)速度和過載能力都有較高的要求。

T40 系列扭矩傳感器是一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特、響應(yīng)頻率快、測量精度高的新型非接觸式傳感器。主要由轉(zhuǎn)子和定子組成。該傳感器擁有200%的過載能力及±0.1 N·m 的測量精度，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到12 000 r/min，完全滿足臺架的使用要求［6］。T40 轉(zhuǎn)矩傳感器各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 轉(zhuǎn)矩傳感器技術(shù)參數(shù)表

2.4 數(shù)據(jù)采集卡選型

為配合VS2005 軟件開發(fā)平臺及滿足高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)臺架的設(shè)計(jì)要求，采用由美國國家儀器有限公司(簡稱NI)開發(fā)的NI PXI -6221 數(shù)據(jù)采集板卡。該板卡采集具有采樣高速性、采樣穩(wěn)定性、測量精度高、價格低廉和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并且自帶16 個模擬量輸入通道，兩個模擬量輸出通道和兩個數(shù)字量輸入端口。可以充分滿足使用要求，與VS2005 軟件平臺有較好的兼容性，便于使用C+ +語言進(jìn)行上位機(jī)測控軟件的開發(fā)。

3 基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械式變速器高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)臺模擬了變速器在極端工況下的工作情況，如工作在環(huán)境復(fù)雜、干擾源較多的工業(yè)現(xiàn)場或技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)室，因此要求整個測控系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。由于該臺架用于長時間、高轉(zhuǎn)速的測試，對抗干擾性的要求不是很高。同時，系統(tǒng)需要對試驗(yàn)過程中的多種物理量進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)對臺架工作過程的實(shí)時監(jiān)控。

工業(yè)以太網(wǎng)(industrial ethernet，IE)是一種能與IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)兼容的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)在于傳輸速度快(10 MB/s 的IE 傳送1 500 字節(jié)需要時間不大于1.2 ms)，兼容性好且全雙工通信。由于以前的工業(yè)以太網(wǎng)的通信延遲不確定且抗干擾能力較差，很少被用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域。但隨著材料科學(xué)的應(yīng)用和通信技術(shù)的發(fā)展，如分散結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、EMC 設(shè)計(jì)、冗余、自診斷等技術(shù)，其性能得到顯著提高，得到了越來越廣泛地應(yīng)用。

VS2005 被廣泛應(yīng)用于可視化虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境，利用高級語言C+ +開發(fā)的軟件具有靈活性高、兼容性好、開發(fā)成本低等特點(diǎn)。因此，系統(tǒng)基于以太網(wǎng)通信的測控結(jié)構(gòu)，利用VS2005 開發(fā)上位機(jī)程序。

3.1 測控系統(tǒng)硬件組成

與高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)臺架相匹配的測控系統(tǒng)硬件主要由研華工控機(jī)、PLC S7 -300 和傳感器3 個部分組成。需要完成整個試驗(yàn)臺啟停、運(yùn)轉(zhuǎn)、急停、復(fù)位等自動控制，以及采集、傳輸、顯示、儲存各類傳感器信號的功能，實(shí)現(xiàn)各硬件之間的通信。測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

NI PXI -6221 數(shù)據(jù)采集卡裝于工控機(jī)中，主要負(fù)責(zé)模擬量信號輸入(AI)和數(shù)字量信號輸出(DO)。AI 主要讀取負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩和變速器油溫信號。DO 主要輸出S120 的電源和齒輪箱油泵的兩個開關(guān)信號。

自帶微處理器的CP1613 網(wǎng)卡，通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC S7-300 的以太網(wǎng)通信模塊CP343-1 相連。上位機(jī)的控制字通過工業(yè)以太網(wǎng)，經(jīng)過網(wǎng)卡CP1613 和CP343-1 發(fā)送給整理單元和逆變單元并返回狀態(tài)字。

3.2 電機(jī)控制

電機(jī)控制單元S120 分為整流單元和逆變單元兩部分，根據(jù)對應(yīng)的報(bào)文結(jié)構(gòu)發(fā)送控制字并返回狀態(tài)字。整流單元發(fā)送控制字報(bào)文2447 -E_STW1，用于控制逆變器啟停，接收狀態(tài)字報(bào)文2457 -E_ZSW1，實(shí)現(xiàn)報(bào)警和故障判斷。逆變單元選用Standard telegram 1 PZD2/2，用于讀取電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速、實(shí)際轉(zhuǎn)矩、輸出電流、輸出電壓等參數(shù)，其控制字1 報(bào)文為2425 -STW1_BM，控制字2 報(bào)文為2426 -STW2_B，其狀態(tài)字1 為2428 -ZSW1_BM，狀態(tài)字2 為2429 -ZSW2_BM。

高轉(zhuǎn)速的變速器試驗(yàn)要求升速、降速、升扭和降扭的變化率不能太快，否則電機(jī)產(chǎn)生的沖擊載荷會對齒輪軸承等造成沖擊，甚至破壞試件。此外，考慮到變速器的傳動比變化范圍較大(5 擋傳動比為0.808)，客戶根據(jù)自己實(shí)際要求設(shè)定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化速率是不切實(shí)際的，因此，筆者設(shè)計(jì)的測控系統(tǒng)根據(jù)不同的擋位將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化率設(shè)定為一個合理的固定值，在上位機(jī)軟件中編寫合適的斜坡函數(shù)，以使臺架安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 S7 -300 與上位機(jī)通信

PLC 與上位機(jī)的通信需要采用SimaticNET 軟件，通過S7 協(xié)議進(jìn)行通信。為了解決VS2005 平臺與PLC S7 -300 的通信問題，需要使用SIEMENS公司提供的OPC.SimaticNET。

OPC 是基于COM 組件開發(fā)的面向?qū)ο蟮脑谶^程控制方面的應(yīng)用軟件，采用Server/Customer模式，將底層代碼封裝，只向客戶提供外部接口?？蛻艨梢酝ㄟ^QueryInterface()函數(shù)查詢接口名稱或通過CLSID 得到接口指針，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。Microsoft 公司開發(fā)該項(xiàng)應(yīng)用的目的在于為工業(yè)自動化軟件開發(fā)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。OPC. SimaticNET為客戶提供多個OPCServer 數(shù)據(jù)接口，方便客戶開發(fā)上位機(jī)客戶程序。

PC 站OPCServer 的組態(tài)方法如下：首先設(shè)置網(wǎng)卡CP1613，在SimaticNET 軟件中使用Configuration Console 配置工具，設(shè)置Configured mode 的索引號為“3”。將訪問點(diǎn)設(shè)置為“S7 ONLINE”和“PC internal(local)”。組態(tài)PC 在STEP7 中添加名稱為“SIMATIC PC STATION(1)”的PC 站。硬件組態(tài)里添加“OPC Server”，槽號和網(wǎng)卡的索引號保持一致。在CPU 中定義DB 塊，一個DB 塊對應(yīng)報(bào)文的一個字，其對應(yīng)關(guān)系如表4 所示。

在NetPro 下載組態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接建立連接S7_Connection_1，將PC 站下載至PC，即可通過OPCServer 訪問PLC 站的數(shù)據(jù)。利用m_pIOPCServer-＞AddGroup()添加相應(yīng)的組并輸出組的句柄。m_pIOPCItemMgt- ＞AddItem()將定義的OPCItem加入組中。m_pIOPCItemMgt - ＞QueryInterface()得到組對象接口m_pIOPCAsyncIO2。以上為初始化過程，初始化無誤后，使用m_pIOPCAsyncIO2 -＞W(wǎng)rite 對OPC 進(jìn)行寫操作，使用m_pIOPCAsyncIO2 - ＞Read 對OPC 進(jìn)行讀操作。利用COPCDataCallback 類中的OnDataChange()和OnRead-Complete()實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)端的數(shù)據(jù)交換消息響應(yīng)。

表4 參量、DB 塊與報(bào)文對應(yīng)表

3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)測試系統(tǒng)采用VS2005 軟件平臺下的C+ +語言編寫控制程序。底層控制程序完成模擬量的采集、處理、可視化、保存、數(shù)字量輸出、系統(tǒng)保護(hù)和電機(jī)控制7 個功能。人機(jī)交互界面上有實(shí)時數(shù)據(jù)變化、實(shí)時數(shù)據(jù)曲線、系統(tǒng)狀態(tài)提示、各項(xiàng)功能按鍵、當(dāng)前操作者姓名及登錄時間、擋位選擇等。人機(jī)交互界面如圖3 所示。

采用VC+ +軟件編寫底層程序，程序執(zhí)行效率高，設(shè)計(jì)靈活，在多線程、網(wǎng)絡(luò)通信、分布應(yīng)用方面有較大優(yōu)勢［7］。測試時，驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、變速器溫度等5 個模擬量通過NI PXI-6221 數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為0 ～10 V 的電壓值，經(jīng)過VS2005 編寫的采集程序讀取相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)數(shù)據(jù)處理并可視化。根據(jù)計(jì)算機(jī)的處理速度，為得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，設(shè)置數(shù)據(jù)采樣周期為100 ms。以3 擋為例，程序流程如圖4 所示。

圖3 人機(jī)交互界面

圖4 程序流程圖

3.5 測試系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果評價

對經(jīng)過高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)的變速器的評價分為直接觀察評價和拆解觀察評價兩部分。

(1)直接觀察評價應(yīng)有以下幾點(diǎn)：①直接觀察被測變速器在高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)下是否出現(xiàn)異響、震動、干涉等異常現(xiàn)象;②高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)束后，觀察被測變速器有無滲油、漏油現(xiàn)象。

(2)拆解觀察評價應(yīng)有以下幾點(diǎn)：①各連接處是否松動;②同步器摩擦面是否出現(xiàn)異常磨損情況;③各擋齒輪嚙合面磨痕是否均勻，有無異常磨損;④各處軸承有無燒蝕、發(fā)黑、異常磨損、破壞等異?，F(xiàn)象;⑤各個嚙合齒的齒側(cè)間隙是否在允許范圍內(nèi);⑥各擋齒輪的軸向間隙是否在允許范圍內(nèi);⑦各同步器的后備行程是否在允許范圍內(nèi);⑧各關(guān)鍵零件有無裂紋、剝落、斷裂［8］。

若經(jīng)過高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)的變速器沒有出現(xiàn)以上現(xiàn)象或者在可接受范圍內(nèi)，則視被測變速器為合格。

4 結(jié)論

該機(jī)械式變速器高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)簡單，使用西門子高轉(zhuǎn)速電機(jī)驅(qū)動，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到6 500 r/min，轉(zhuǎn)速控制精度達(dá)到±5 r/min，轉(zhuǎn)矩控制精度達(dá)到±1 N·m。測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了變速器試驗(yàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確控制，大大提高了試驗(yàn)效率，并能實(shí)現(xiàn)自動采集、處理、顯示特征數(shù)據(jù)，功能齊全，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。同時，該臺架擴(kuò)展性較好，可通過修改底層控制程序或加裝部分機(jī)械組件實(shí)現(xiàn)變速器效率試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)和耐久試驗(yàn)。

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