陳漢軍 程麗娟 馮祖軍 尹芝峰 胡世東

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

汽車(chē)換擋性能測(cè)量系統(tǒng)研究

陳漢軍 程麗娟 馮祖軍 尹芝峰 胡世東

（泛亞汽車(chē)技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

為實(shí)現(xiàn)在實(shí)車(chē)環(huán)境下對(duì)換擋系統(tǒng)換擋力和位移的精確、快速測(cè)量，針對(duì)自動(dòng)變速器開(kāi)發(fā)了一套汽車(chē)換擋性能測(cè)量系統(tǒng)，并完成其軟、硬件開(kāi)發(fā)。該測(cè)試系統(tǒng)主要由二維推拉力傳感器及球面坐標(biāo)測(cè)量裝置組成，運(yùn)用三維坐標(biāo)變換和球面最小二乘擬合的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了換擋力與手柄角位移關(guān)系及換擋力與坐標(biāo)投影距離關(guān)系的實(shí)時(shí)測(cè)量。考慮到手動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)的分散性，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，獲得穩(wěn)定、一致的測(cè)量結(jié)果，為后續(xù)換擋性能分析研究提供參考。

1 前言

車(chē)輛換擋系統(tǒng)的換擋質(zhì)量一般依靠駕駛員的主觀(guān)評(píng)價(jià)，因而人為因素會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果的不同，所以有必要利用客觀(guān)測(cè)量方法將換擋質(zhì)量特征化[1]。通過(guò)動(dòng)態(tài)檢測(cè)換擋過(guò)程中換擋器的推拉操縱力與轉(zhuǎn)角位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以評(píng)判操縱機(jī)構(gòu)的裝配質(zhì)量、系統(tǒng)磨損等狀況。

本文提出的換擋系統(tǒng)測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)了換擋力和位移的同步測(cè)試。通過(guò)球面擬合，獲得手柄角位移或手柄受力點(diǎn)運(yùn)動(dòng)弧長(zhǎng)，使換擋力-位移關(guān)系更精準(zhǔn)。該裝置主要用于整車(chē)環(huán)境下?lián)Q擋系統(tǒng)（包括換擋器、拉索及變速器棘爪）的動(dòng)態(tài)性能測(cè)量，也可在試驗(yàn)室條件下用于換擋系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

換擋系統(tǒng)測(cè)量裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x由2個(gè)角位移測(cè)量編碼器和1個(gè)直線(xiàn)位移傳感器組成；二維換擋力傳感器固定于換擋手柄頂端；直線(xiàn)位移傳感器通過(guò)球形萬(wàn)向節(jié)與換擋器中心線(xiàn)連接，即以萬(wàn)向節(jié)的球軸承中心作為位移測(cè)量點(diǎn)；車(chē)載測(cè)量支架設(shè)計(jì)為高度可調(diào)形式，方便固定；設(shè)計(jì)了通用球頭夾具，以便測(cè)試時(shí)不需拆卸換擋手柄球頭。

圖1 換擋力-位移測(cè)量裝置

該裝置分別通過(guò)三坐標(biāo)測(cè)試儀和二維力傳感器測(cè)量換擋位移和換擋力，利用數(shù)據(jù)采集卡采集傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入計(jì)算機(jī)，使用LabVIEW[2]進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理，最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 數(shù)學(xué)模型建立及計(jì)算

駕駛員操作換擋器手柄繞其回轉(zhuǎn)中心P0（見(jiàn)圖2）旋轉(zhuǎn)，通過(guò)拉索換至意向擋位。自動(dòng)變速器的換擋手柄施力點(diǎn)（球頭最高點(diǎn)向下15 mm處，即擋位點(diǎn)及力的測(cè)量點(diǎn)）在P、R、N、D、M等各擋的位置形成一個(gè)球冠。實(shí)際測(cè)量中，如果直接用球面坐標(biāo)或直角坐標(biāo)表示擋位和路徑，方位（或姿態(tài)）的傾斜常使結(jié)果不直觀(guān)，所以需要將原始的測(cè)量結(jié)果向?qū)崪y(cè)擋位點(diǎn)構(gòu)成的工作坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。為準(zhǔn)確獲得每個(gè)擋位的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用最小二乘法擬合，并引入方差來(lái)保證測(cè)量精度。

圖2 換擋器模型

圖3 坐標(biāo)系模型

空間任意一點(diǎn)（如R點(diǎn)）位置可由球面坐標(biāo)參數(shù)θ、φ及L確定，如圖3所示。R點(diǎn)原始直角坐標(biāo)值為：

式中，θ為空間點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線(xiàn)的仰角（與Z軸夾角）；φ為空間點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線(xiàn)在XOY坐標(biāo)平面上的投影與X軸的夾角；L為空間點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線(xiàn)的長(zhǎng)度。

3.1 球面坐標(biāo)最小二乘擬合

換擋手柄上任意一點(diǎn)在空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡為一組球面圓弧曲線(xiàn)。反復(fù)測(cè)量各擋位點(diǎn)坐標(biāo)，各測(cè)量點(diǎn)至回轉(zhuǎn)中心P0的距離應(yīng)為常數(shù)。即

考慮到制造、裝配和測(cè)量的誤差，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間存在殘差。為此，可通過(guò)多次測(cè)量，找到一個(gè)擬合球面，使其測(cè)量點(diǎn)的殘差最小，即進(jìn)行最小二乘擬合計(jì)算，使殘差滿(mǎn)足精度λ要求，λ越小越好。

擬合后，可同時(shí)獲得換擋手柄回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)(X0,Y0,Z0)及回轉(zhuǎn)半徑r。

3.2 坐標(biāo)變換

如圖4所示，完成由坐標(biāo)系O-XYZ向O1-X1Y1Z1的轉(zhuǎn)換需分2個(gè)步驟進(jìn)行：

a.將O-XYZ直角坐標(biāo)系原點(diǎn)由O平移至O1，即坐標(biāo)平移。

式中，X、Y、Z為原始坐標(biāo)值；dx、dy、dz為平移量。

b.通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)完成坐標(biāo)值的轉(zhuǎn)換。兩坐標(biāo)系值間有轉(zhuǎn)換關(guān)系：

式中，x1、y1、z1為第一步平移后坐標(biāo)值；X1、Y1、Z1為第二步旋轉(zhuǎn)后坐標(biāo)值；M為方向余弦的旋轉(zhuǎn)矩陣，即變換矩陣；α1、β1、γ1分別為X1軸至X、Y、Z軸的方向角；α2、β2、γ2分別為Y1軸至X、Y、Z軸的方向角；α3、β3、γ3分別為Z1軸至X、Y、Z軸的方向角。

圖4 坐標(biāo)變換

圖5為某H型自動(dòng)換擋系統(tǒng)的擋位點(diǎn)實(shí)際測(cè)量解算結(jié)果與由UG/Open Grip[3]根據(jù)擋位點(diǎn)P、D、M建立工作坐標(biāo)系（O1-X1Y1Z1）計(jì)算獲得的擋位點(diǎn)的對(duì)比結(jié)果（圖中每個(gè)擋位點(diǎn)包含不同解算方法所得2個(gè)坐標(biāo)值）。UG/Open Grip計(jì)算誤差可小至微米，因此，可對(duì)測(cè)量裝置的計(jì)算誤差進(jìn)行檢查。通過(guò)對(duì)比可知，測(cè)量裝置誤差約為±1 mm。

圖5 測(cè)量結(jié)果校驗(yàn)

3.3 回轉(zhuǎn)角度值計(jì)算

由于位移測(cè)量點(diǎn)Pt通常不與手柄受力點(diǎn)（loadapply position，LAP）Ps重合，測(cè)量裝置所測(cè)位移需進(jìn)一步換算。球面擬合所得半徑OPt與換擋手柄長(zhǎng)度OPs如圖6所示。

圖6 測(cè)量點(diǎn)與手柄受力點(diǎn)坐標(biāo)關(guān)系

實(shí)際Ps點(diǎn)坐標(biāo)為：

根據(jù)擬合及長(zhǎng)度變換的結(jié)果，實(shí)時(shí)測(cè)量手柄旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角度，如圖6所示。

角位移為：

對(duì)應(yīng)弧度為：

結(jié)合換擋力的同步測(cè)量，可獲得實(shí)時(shí)換擋力-角度關(guān)系或經(jīng)變換可得換擋力-圓弧長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

4 軟件開(kāi)發(fā)

基于LabVIEW的軟件開(kāi)發(fā)主要流程如圖7所示。

圖7 程序框圖

實(shí)際擋位位置學(xué)習(xí)分為2次：在球面擬合中，換擋手柄撥動(dòng)至各擋位，程序可記錄各點(diǎn)坐標(biāo)，經(jīng)多點(diǎn)擬合，獲得后續(xù)測(cè)量中作為常數(shù)的回轉(zhuǎn)半徑r及回轉(zhuǎn)中心O的坐標(biāo)；經(jīng)變換后，再次學(xué)習(xí)可獲得Ps對(duì)應(yīng)各擋位的坐標(biāo)。程序可獲取其中3點(diǎn)（如圖2中的P、N、D）建立工作坐標(biāo)系并計(jì)算平移量及方向余弦。

從擋位學(xué)習(xí)獲得變換所需各參數(shù)后，結(jié)合換擋力的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)力與位移關(guān)系運(yùn)算及顯示。圖形顯示或復(fù)雜運(yùn)算（如統(tǒng)計(jì)處理等）可考慮作離線(xiàn)處理。

5 實(shí)時(shí)測(cè)試結(jié)果及分析

5.1 裝置實(shí)時(shí)測(cè)試界面和結(jié)果

圖8和圖9分別為H型和I型換擋路徑的換擋力-位移曲線(xiàn)，由于齒形板設(shè)計(jì)不同，換擋力的變化斜率明顯不同，手感或柔順性也不同。

圖8 H型換擋路徑P-R-N-D間換擋力-位移測(cè)量結(jié)果

圖9 I型換擋路徑P-R-N-D-M間換擋力-位移測(cè)量結(jié)果

圖10為H型及I型換擋器手柄運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量結(jié)果。擋位處黑色散點(diǎn)分布大小為換擋力在5～15 N作用下的手柄位移范圍，亦可作為機(jī)構(gòu)間隙量，散點(diǎn)分布越廣，換擋機(jī)構(gòu)間隙量越大。

圖10 擋位點(diǎn)間隙測(cè)量

5.2 統(tǒng)計(jì)分析

由于人的介入，測(cè)量結(jié)果包含了諸多隨機(jī)信號(hào)，難以獲得明確的定量結(jié)果。引入試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法[4]，通過(guò)多次重復(fù)動(dòng)作的統(tǒng)計(jì)分析，可以獲得其內(nèi)在的客觀(guān)規(guī)律。

多次測(cè)量獲得的換擋力-位移關(guān)系如圖11所示。由于隨機(jī)因素的存在，每次采樣對(duì)應(yīng)的力與位移皆可能不同（如圖11中各點(diǎn)），為此，以1 mm位移為單位進(jìn)行分組，分別求得平均值m及標(biāo)準(zhǔn)偏差σ：

標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，測(cè)量點(diǎn)值越接近平均值。換言之，標(biāo)準(zhǔn)偏差可以作為1 mm位移組內(nèi)數(shù)據(jù)分散性的指標(biāo)。據(jù)此，可以對(duì)不同車(chē)型進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算比較。

圖11 統(tǒng)計(jì)分析

圖12 車(chē)型A R-P及P-R換擋力實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果與數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖13 車(chē)型B R-P及P-R換擋力實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果與數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖12、圖13分別為車(chē)型A和車(chē)型B的換擋力-位移關(guān)系測(cè)量及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理結(jié)果。根據(jù)測(cè)量及處理結(jié)果，可以對(duì)系統(tǒng)換擋力進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，例如：車(chē)型A P至R擋換擋力最大值為13 N，車(chē)型B P至R擋換擋力最大值為20 N，車(chē)型B換擋力大于車(chē)型A；從曲線(xiàn)的形狀可以看出，車(chē)型B更接近正弦線(xiàn)，車(chē)型B的擋位吸入感優(yōu)于車(chē)型A，即車(chē)型B更換更清晰；從平均值和方差來(lái)看，車(chē)型A和車(chē)型B的平均值與實(shí)測(cè)值的走勢(shì)曲線(xiàn)相一致，方差的變化范圍都比較小，說(shuō)明擋位的一致性都很好，兩種車(chē)型換擋都比較順滑。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種換擋系統(tǒng)性能測(cè)試裝置，適用于整車(chē)環(huán)境下的H型、I型換擋器系統(tǒng)的測(cè)量。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了換擋手柄受力點(diǎn)空間運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量和系統(tǒng)換擋力及各個(gè)擋位間隙的連續(xù)測(cè)量，可實(shí)時(shí)獲得換擋性能曲線(xiàn)。同時(shí)，系統(tǒng)還可對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，過(guò)濾人為因素，使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確，為換擋系統(tǒng)的性能優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持。

1 Wang Z H,Yan F W,Tian S P,et al.The development of manual transmission shift performance test bench.Interna?tional Conference on Electric Information and Control Engi?neering，Wuhan，2011.

2 楊樂(lè)平，李海濤，楊磊.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：北京電子工業(yè)出版社，2001.

3 王慶林.UG/Open Grip實(shí)用編程基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社，2002.

4 Bayin S S.Mathematical Methods in Science and Engineer?ing.Hoboken：John Wiley&Sons,Inc.，2006.

（責(zé)任編輯斛 畔）

修改稿收到日期為2016年4月27日。

Research on Vehicle Gear Shifting Performance Measuring System

Chen Hanjun,Cheng Lijuan,Feng Zujun,Yin Zhifeng,Hu Shidong
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd,Shanghai 201201）

In order to measure the gear shifting system force and displacement in driving environment quickly and accurately,a shifting system performance test system was developed for automatic transmission,the mechanical design and software development were completed.This test system consists of a 2-axis load cell and a sphere coordinate measuring system,shifting force and displacement can be measured during shift operation with algorithm of 3-axis coordinate transform and sphere surface fitting are used to transform and measure the shifting positions lash and the shifter lever moving angles to get more accurate force-displacement measurement.Considering the manual control dispersion,the statistical treatment is used to get a stable and consistent measuring result,which guides shifting performance analysis and research.

Automatic transmission,Shifting performance,Testing device,Statistical treatment

自動(dòng)變速器 換擋性能 測(cè)量系統(tǒng) 統(tǒng)計(jì)處理

U467.4；U463.2

A

1000-3703（2016）12-0041-04