田韶鵬　趙　爽

（武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430070）

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汽車機(jī)械變速器潤(rùn)滑油溫升測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)*

田韶鵬趙爽

（武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430070）

【摘要】為測(cè)試微型車機(jī)械變速器最高工作油溫，設(shè)計(jì)了共直流母線能量回饋電封閉式變速器溫升檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)。介紹了該試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)、測(cè)試原理、通信方式、數(shù)據(jù)采集過程以及上、下位機(jī)的編程軟件。溫升檢測(cè)結(jié)果表明，在高轉(zhuǎn)速、無外界強(qiáng)制散熱的情況下，該試驗(yàn)臺(tái)可準(zhǔn)確測(cè)試變速器工作油溫，檢測(cè)效率高，且負(fù)載發(fā)電機(jī)在溫升試驗(yàn)空轉(zhuǎn)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。

1　前言

當(dāng)汽車變速器長(zhǎng)時(shí)間以滿載荷、高擋位高速運(yùn)行時(shí)，變速器內(nèi)潤(rùn)滑油溫度可達(dá)到120℃甚至更高［1］。油溫過高會(huì)使油液變稀，潤(rùn)滑效率下降，還會(huì)促使油液過早氧化，產(chǎn)生積炭，并可能產(chǎn)生卡滯等問題［2］，影響汽車的正常安全行駛。目前，我國關(guān)于變速器潤(rùn)滑油溫升測(cè)試大多針對(duì)重型車，微型車多采用實(shí)車運(yùn)行來檢測(cè)潤(rùn)滑油溫升，無法得到其極限最高工作油溫。為滿足某微型車生產(chǎn)商對(duì)其機(jī)械變速器溫升檢測(cè)要求，設(shè)計(jì)了共直流母線電封閉式變速器溫升測(cè)試系統(tǒng)，在沒有外界強(qiáng)制散熱的情況下，利用該系統(tǒng)對(duì)該微型車變速器的最高工作油溫進(jìn)行了測(cè)試。

2　溫升測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫升測(cè)試系統(tǒng)包括上位機(jī)、下位機(jī)S7300-PLC機(jī)柜、西門子S120變頻器機(jī)柜和試驗(yàn)臺(tái)等4部分，如圖1所示。其中，變頻器機(jī)柜包括電源、濾波器、整流器、主動(dòng)電機(jī)逆變器和負(fù)載電機(jī)逆變器等。主動(dòng)電機(jī)選用西門子水冷交流變頻電動(dòng)機(jī)1PH8186-1DL20-1LA1［3］，其散熱效果較好且內(nèi)置編碼器，主動(dòng)電機(jī)參數(shù)如表1所列。試驗(yàn)臺(tái)主要包括兩臺(tái)西門子水冷電機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡傳感器NI PXI-6221、油溫傳感器、水泵和被測(cè)試件等，如圖2所示。

圖1　溫升測(cè)試系統(tǒng)三維圖

表1　主動(dòng)電機(jī)參數(shù)

圖2　試驗(yàn)臺(tái)照片

3　溫升測(cè)試系統(tǒng)原理

3.1試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試原理

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試原理如圖3所示。因發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)臺(tái)上高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性不如電機(jī)，故采用主動(dòng)電機(jī)模擬微型車發(fā)動(dòng)機(jī)使變速器升至最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min，負(fù)載發(fā)電機(jī)在測(cè)試過程中只起發(fā)電作用。

圖3　試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試原理示意

根據(jù)微型車國家標(biāo)準(zhǔn)QCT 568.1—2011《汽車機(jī)械式變速器總成臺(tái)架試驗(yàn)方法第1部分》，在油溫與環(huán)境溫差絕對(duì)值小于2℃時(shí)開始試驗(yàn)，通過判斷變速器油溫穩(wěn)定時(shí)間和最高溫度來判定試驗(yàn)是否合格。測(cè)試流程如圖4所示。

圖4　溫升測(cè)試流程

3.2測(cè)試系統(tǒng)通信原理

3.2.1通信連接

對(duì)上位機(jī)編程時(shí)，由于上位機(jī)組態(tài)軟件不能直接訪問和修改PLC中的數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)通信報(bào)文的傳遞，故采用SimaticNet［4］提供的OPC Server工具來實(shí)現(xiàn)該功能。其中，上位機(jī)需要安裝SimaticNet軟件，下位機(jī)PLC需要用Step7軟件編程，從而建立其與上位機(jī)中OPC服務(wù)器基于S7通信協(xié)議的連接。上位機(jī)、下位機(jī)和變頻器均為雙向以太網(wǎng)通信，利用計(jì)算機(jī)安裝的監(jiān)控軟件STARTERV4.4可實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻器的狀態(tài)，若試驗(yàn)臺(tái)出現(xiàn)故障，可通過讀取變頻器故障代碼找到故障原因。通信原理如圖5所示，其中單箭頭為單向通信。

圖5　通信原理示意

3.2.2通信報(bào)文

該測(cè)試系統(tǒng)中所用的通信報(bào)文是十進(jìn)制數(shù)字，在PLC中實(shí)現(xiàn)接收、轉(zhuǎn)化（進(jìn)制轉(zhuǎn)換）和發(fā)送等功能。報(bào)文的二進(jìn)制位對(duì)應(yīng)相應(yīng)S120變頻器內(nèi)的開關(guān)量，通信報(bào)文結(jié)構(gòu)如表2所列。其中，0～F是16位，代表報(bào)文的二進(jìn)制位數(shù)；0位置的0表示停止，1位置的0表示急停。如需要實(shí)現(xiàn)打開逆變器的功能，需要給報(bào)文的0位置一個(gè)上升沿觸發(fā)，即給逆變器的控制字位INT2先后賦值1 024、1 050和1 051。

表2　通信報(bào)文結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)速控制是按照百分比計(jì)算方式來實(shí)現(xiàn)的。參考西門子變頻器的控制說明書，十進(jìn)制數(shù)16 384對(duì)應(yīng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速7 000 r/min。相應(yīng)的小于16 384的某個(gè)正數(shù)按照比例對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)速，如需設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速為500 r/min，即可給INT24賦值1 170，轉(zhuǎn)矩控制也是同樣的原理。該報(bào)文通信方式簡(jiǎn)單可靠，且采用的是基于OPC的以太網(wǎng)通信方式，通信傳輸速度快，測(cè)試靈敏度高，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確。

3.3數(shù)據(jù)采集原理

數(shù)據(jù)采集組件包括油溫傳感器PT100和數(shù)據(jù)采集卡NI PXI-6221，需要采集5個(gè)試驗(yàn)參數(shù)。油溫傳感器PT100安裝在變速器殼的油池內(nèi)，其測(cè)量精度為A級(jí)，四線制輸出，測(cè)量范圍為-50～250℃［5］。數(shù)據(jù)采集卡NI PXI-6221測(cè)量的是0～10 V的電壓值，通過標(biāo)定換算后可讀取準(zhǔn)確的試驗(yàn)值。該測(cè)試系統(tǒng)利用了模擬量輸入（AI）和數(shù)字量輸出（DO）的功能，AI負(fù)責(zé)采集變速器輸入端、輸出端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，DO負(fù)責(zé)控制測(cè)試系統(tǒng)總電源、變速器油泵和水閥3個(gè)開關(guān)信號(hào)。數(shù)據(jù)采集原理如圖6所示。

3.4上、下位機(jī)設(shè)計(jì)

3.4.1上位機(jī)

該溫升測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)使用的控制軟件是利用VS2005（Visual Studio 2005）設(shè)計(jì)開發(fā)。上位機(jī)還需要安裝SimaticNet軟件，以實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)PLC的以太網(wǎng)通信。測(cè)試軟件編寫包括單步調(diào)試和溫升測(cè)試兩個(gè)界面，單步界面如圖7所示。界面類型選取Dialog中的IDD_FORMVIEW類視圖，基類采用窗體視圖的CFormView類，支持滾動(dòng)功能。圖8為3擋時(shí)溫升試驗(yàn)的測(cè)試界面。

圖6　測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理

圖7　測(cè)試系統(tǒng)單步調(diào)試界面

圖8　溫升試驗(yàn)測(cè)試界面

3.4.2下位機(jī)

該溫升測(cè)試系統(tǒng)選用了西門子300PLC，其電源模塊選用PS307 5A，中央處理器選用CPU325-2PN/DP,內(nèi)置兩個(gè)基于Ethernet TCP/IP的PROFINET接口，分別與上位機(jī)和變頻器相連。數(shù)字量輸入、輸出模塊選用SM321 DI16xDC24V模塊。PLC硬件組態(tài)如圖9所示。

PLC的主程序由兩部分組成，F(xiàn)C203為信息傳輸模塊，MOVE為報(bào)警中斷模塊。當(dāng)按下控制臺(tái)上的紅色按鈕時(shí)，PIW0會(huì)收到一個(gè)開關(guān)信號(hào)，中斷測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)傳遞，測(cè)試電機(jī)斷電，自由停車。

圖9　PLC硬件組態(tài)

4　溫升測(cè)試結(jié)果分析

標(biāo)準(zhǔn)QC/T 568.1—2011中規(guī)定，變速器溫升試驗(yàn)過程中變速器油溫應(yīng)不高于最高使用溫度150℃，在5 h內(nèi)油溫穩(wěn)定在150℃以下某個(gè)溫度0.5 h以上，且油溫—時(shí)間曲線應(yīng)平滑無突變，即合格［6］。

利用該溫升測(cè)試系統(tǒng)對(duì)某微型車機(jī)械變速器進(jìn)行了最高擋極限工作油溫測(cè)試，該微型客車變速器為SC12M5B系列，最高工作溫度為150°C，使用的潤(rùn)滑油型號(hào)為SAE75W90，比熱容為1.87 kJ/（kg·℃）。圖10為連續(xù)進(jìn)行3天試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果。

圖10　油溫—時(shí)間關(guān)系曲線

由圖10可看出，初始試驗(yàn)時(shí)油溫略有下降，原因是變速器運(yùn)轉(zhuǎn)后攪動(dòng)了潤(rùn)滑油而加速了散熱以及變速器殼體內(nèi)溫度分布不均勻所致；第3天的測(cè)試溫度比前2天略有下降，原因是變速器磨合時(shí)間變長(zhǎng)，摩擦熱量減少；變速器油溫穩(wěn)定后的運(yùn)行時(shí)間超過0.5 h，且最高油溫為142℃，未超過標(biāo)準(zhǔn)要求的最高溫度，表明變速器處于正常使用狀態(tài)。

通過理論計(jì)算［7］得出，該潤(rùn)滑油的理論最高溫度為146.2℃，大于測(cè)試值142℃,這是由于去除了與變速器接觸組件的熱傳導(dǎo)導(dǎo)致，理論最高溫度與測(cè)試值的誤差為4.2％，在誤差允許范圍內(nèi)，表明該溫升測(cè)試系統(tǒng)可準(zhǔn)確測(cè)量變速器潤(rùn)滑油的最高工作溫度。

5　結(jié)束語

為測(cè)試微型車機(jī)械變速器潤(rùn)滑油極限工作溫度，設(shè)計(jì)了共直流母線電封閉式機(jī)械變速器溫升測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)采用了基于OPC的以太網(wǎng)報(bào)文通信方式，通信方式簡(jiǎn)單可靠，通信報(bào)文的傳輸速度快，測(cè)試靈敏度高。試驗(yàn)結(jié)果表明，在沒有外界散熱情況下，該測(cè)試系統(tǒng)可準(zhǔn)確測(cè)量變速器最高擋位工作油溫，測(cè)試結(jié)果為變速器的安全運(yùn)行提供了保證。

參考文獻(xiàn)

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7余志生.汽車?yán)碚摚ǖ?版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年1月3日。

主題詞:機(jī)械變速器工作油溫檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)

Development of Temperature Rise Test System of Automotive Mechanical Transmission Lubricating Oil

Tian Shaopeng, Zhao Shuang
（Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components, Wuhan University of Technology, Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan 430070）

【Abstract】The authors design an electrically closed test bench with DC-bus to feed-back transmission oil rise to detect the maximum operating temperature of transmission oil of mini vehicle. The structure of this test bench, test principle, communication method, data acquisition process as well as programming software of the host computer the lower computer are introduced. The temperature detection results show that the test bench can accurately test working temperature of transmission oil with high efficiency at high revolution and without externally forced heat dissipation, and the loaded generator can generate power during idling of temperature rise test.

Key words:Mechanical transmission, Working oil temperature, Test bench

基金項(xiàng)目：國家科技部“863”項(xiàng)目（2011AA11A260）。

中圖分類號(hào):U467.4+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）04-0045-04