米 林，王幻之，譚 偉

(重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054)

變速器是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的好壞直接影響汽車的動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性、燃油經(jīng)濟(jì)性以及平順性[1-4]。近年來(lái)，汽車工業(yè)發(fā)展迅猛，汽車保有量逐年攀升，人們對(duì)汽車的駕駛舒適性提出了更高的要求。因此，對(duì)汽車變速箱換擋性能試驗(yàn)的研究是提高汽車產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵之一。通過(guò)換擋性能試驗(yàn)可以對(duì)變速箱進(jìn)行考核、評(píng)價(jià)，從而為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供科學(xué)的理論依據(jù)，縮短開(kāi)發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高汽車品質(zhì)。

汽車變速箱換擋性能試驗(yàn)分為道路試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)。道路試驗(yàn)受自然因素影響大，試驗(yàn)周期長(zhǎng)且成本高，因此研發(fā)變速箱換擋性能試驗(yàn)臺(tái)架是發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著虛擬儀器、傳感器等技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，具有高精度性和高集成化特點(diǎn)的汽車變速器換擋性能臺(tái)架試驗(yàn)逐漸成為了主要的試驗(yàn)手段。

早在1989年，大眾公司、GM公司和斯太爾公司就致力于研究能模擬汽車行駛工況的傳動(dòng)系綜合試驗(yàn)臺(tái)。在1991年，大眾汽車研制出的綜合試驗(yàn)臺(tái)能同時(shí)進(jìn)行變速器、離合器、傳動(dòng)軸、后橋的壽命試驗(yàn)[5]。但是國(guó)外研制的試驗(yàn)臺(tái)價(jià)格普遍昂貴，令許多企業(yè)望而卻步。國(guó)內(nèi)也做了大量關(guān)于變速器換擋性能臺(tái)架試驗(yàn)的研究，如蘇州吉孚動(dòng)力技術(shù)有限公司(GRC)開(kāi)發(fā)的換擋分析系統(tǒng)(GSA)近幾年廣泛應(yīng)用于手動(dòng)同步器變速箱的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域[6]，測(cè)試數(shù)據(jù)主要包括選換擋力及選換擋行程等，還可以通過(guò)離線分析得到選換擋力和位移關(guān)系曲線，從而評(píng)價(jià)變速器換擋品質(zhì)。但是其換擋裝置的設(shè)計(jì)采用人為操縱的方式，由安裝在換擋桿上的力傳感器和位移傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這種人工換擋方式不僅效率低下，而且性價(jià)比也很低，加之個(gè)人操縱習(xí)慣以及主觀感覺(jué)不同，影響了數(shù)據(jù)的客觀性，不利于評(píng)估變速器的換擋性能。

本文參考《汽車機(jī)械式變速器總成的技術(shù)條件》《機(jī)械工程變速器性能的試驗(yàn)方法》《汽車機(jī)械式變速器臺(tái)架試驗(yàn)方案》等標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外變速器換擋性能試驗(yàn)的先進(jìn)理論和方法，以工業(yè)一體式計(jì)算機(jī)為核心，采用基于數(shù)據(jù)流的LabVIEW虛擬技術(shù)，利用傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)以及數(shù)據(jù)采集卡和PLC為某齒輪傳動(dòng)廠家開(kāi)發(fā)了一款集自動(dòng)化、智能化為一身的商用車變速器換擋性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，為變速器換擋性能評(píng)價(jià)提供了客觀的數(shù)據(jù)[7-12]。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及原理

該試驗(yàn)臺(tái)采用直線布局方式(如圖1所示)，由交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械飛輪旋轉(zhuǎn)以模擬行車過(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以根據(jù)所需擋位不同而調(diào)整。變速器采用反托方式安裝于試驗(yàn)臺(tái)架上，其輸出端與慣量飛輪相連，輸入端僅安裝慣量盤，模擬離合器從動(dòng)慣量，無(wú)需結(jié)合、分離離合器。變速器輸入軸轉(zhuǎn)速一般保持為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，通常為2 500 r/min。

進(jìn)行變速器換擋性能臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，將變速器和操縱機(jī)構(gòu)按照實(shí)車中的安放位置進(jìn)行固定，以便更好地模擬實(shí)際換擋操作。

1.變頻電機(jī)， 2.雙萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器，3.慣量飛輪， 4.轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器，5.被試變速箱，6.慣量盤，7.換擋機(jī)械手，8.支座，9.鑄鐵平臺(tái)

2 測(cè)控系統(tǒng)工作原理

測(cè)控系統(tǒng)工作原理如圖2所示。該系統(tǒng)分為控制室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控兩大方面。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)原理圖

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控部分主要包含數(shù)據(jù)采集卡、選換擋執(zhí)行部分和PLC測(cè)控主機(jī)。在進(jìn)行變速器換擋性能臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，測(cè)控系統(tǒng)需要利用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并打包、處理,通過(guò)抗干擾數(shù)據(jù)線發(fā)送至工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，利用這些測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)分析變速器的換擋性能?，F(xiàn)場(chǎng)操作終端在進(jìn)行調(diào)試的時(shí)候?qū)υ囼?yàn)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、調(diào)試，調(diào)試完畢后就可以斷開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)操作終端，將權(quán)限交與上位機(jī)(工業(yè)控制計(jì)算機(jī))。

選換擋執(zhí)行部分和交流變頻電機(jī)都由PLC控制，工作人員通過(guò)上位機(jī)操作軟件向下位機(jī)PLC發(fā)送控制指令，可以使換擋機(jī)械手自動(dòng)完成選、換擋操作，試驗(yàn)人員也可根據(jù)擋位對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制。

測(cè)控室主要放置研華IPC-610L工控機(jī)，操作人員利用工控機(jī)的顯示屏實(shí)現(xiàn)對(duì)下位機(jī)的遠(yuǎn)程控制。在人機(jī)界面上進(jìn)行試驗(yàn)功能選取，程序設(shè)置，測(cè)試參數(shù)設(shè)置和測(cè)試數(shù)據(jù)、控制運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，并存儲(chǔ)、打印數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)后期歷史數(shù)據(jù)的回訪、管理以及多組數(shù)據(jù)對(duì)比分析等功能。

3 臺(tái)架系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)

如圖3所示，整個(gè)變速器換擋性能測(cè)控系統(tǒng)大致可以分為三大部分：動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分、換擋執(zhí)行部分和測(cè)量控制部分。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)硬件配置

交流變頻電機(jī)作為整個(gè)換擋性能試驗(yàn)臺(tái)架的動(dòng)力源，需提供變速箱輸出軸所需的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩?？紤]到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的穩(wěn)定性和兼容性，采用ABB變頻電機(jī)。選用西門子SINAMICS G120變頻器為電機(jī)提供高精度的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制。

換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用以交流伺服電機(jī)為動(dòng)力源的電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，選用西門子SIMOTICS S-1FL6系列伺服電機(jī)和與之匹配的SINAMICS V90驅(qū)動(dòng)器。

為了測(cè)量變速器輸出軸的輸入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，選用湘儀動(dòng)力JC3A型轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器和與之配套的JW-3型扭矩儀。

本文需要對(duì)選、換擋力，換擋位移以及同步轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，以評(píng)價(jià)變速器換擋性能。選、換擋力由安裝在選、換擋軟軸和搖臂之間的CL-YD-312型雙向拉壓力傳感器測(cè)量，換擋位移由安裝在換擋搖臂處的同軸角位移傳感器測(cè)量，同步轉(zhuǎn)速由安裝在變速器輸入軸端的絕對(duì)式磁電編碼器測(cè)量。因此，采集卡需要采集4路差分模擬信號(hào)，分別為2路拉壓力信號(hào)、1路換擋位移信號(hào)和1路同步轉(zhuǎn)速信號(hào)。本文選用具有8個(gè)單端模擬輸入(AI)通道、2個(gè)模擬輸出(AO)通道、12個(gè)數(shù)字輸入/輸出(DIO)通道、1個(gè)32位計(jì)數(shù)器以及全速USB 接口的NI USB-6008型采集卡，該采集卡可以根據(jù)試驗(yàn)要求采集相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)信號(hào)。

4 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

變速器換擋性能臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)軟件框圖如圖4所示。測(cè)控系統(tǒng)主要能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)管理、試驗(yàn)設(shè)置、擋位標(biāo)定、試驗(yàn)控制、數(shù)據(jù)處理和狀態(tài)監(jiān)控等功能。

圖4 測(cè)控系統(tǒng)軟件框圖

本文測(cè)控系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家儀器公司(national lnstrument)推出的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境LabVIEW，配合工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)挠布x器，可以為用戶構(gòu)建一個(gè)靈活的、層次結(jié)構(gòu)分明的、功能強(qiáng)大的且人機(jī)交互界面友好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和穩(wěn)定、高效、便捷的控制系統(tǒng)[7]。

系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存儲(chǔ)試驗(yàn)人員的用戶名和密碼，若試驗(yàn)人員輸入的登錄信息匹配成功則可以進(jìn)行后續(xù)操作。試驗(yàn)管理人員可以修改其信息和權(quán)限、動(dòng)態(tài)刪除測(cè)試數(shù)據(jù)。試驗(yàn)操作人員只具有進(jìn)行試驗(yàn)的功能。

試驗(yàn)設(shè)置部分主要包括試驗(yàn)流程設(shè)置和試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置。試驗(yàn)流程設(shè)置主要有試驗(yàn)人員信息、試驗(yàn)日期、換擋次數(shù)、變速箱型號(hào)和編號(hào)以及傳動(dòng)比參數(shù)等。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置包括選換擋速度、選換擋正向和反向限位、標(biāo)定選換擋力、擋位停留時(shí)間、啟動(dòng)加速時(shí)間、制動(dòng)減速時(shí)間以及輸出軸轉(zhuǎn)速限定等。

擋位標(biāo)定主要是控制選換擋電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，根據(jù)選換擋力和選換擋位移的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)定，并加以修正和保存。

4.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制

圖5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制流程

西門子SINAMICS G120變頻器可以控制試驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。 S7-200 SMART PLC作為主機(jī)通過(guò)Modbus RTU通信與從機(jī)G120變頻器通信，Modbus RTU通信通過(guò)信號(hào)板CM01和控制單位的X128 RS485接口實(shí)現(xiàn)。執(zhí)行任務(wù)按照通訊的性質(zhì)可以被分為以下2部分：① S7-200通過(guò)Modbus RTU控制G120參數(shù)，更改交流變頻電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，如正轉(zhuǎn)啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)啟動(dòng)、自由停車、運(yùn)行準(zhǔn)備和故障確認(rèn)等；② S7-200通過(guò)Modbus RTU讀取G120參數(shù)，包括電機(jī)的電流值、電壓值和運(yùn)行頻率。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制流程如圖5所示。

4.2 自動(dòng)換擋的實(shí)現(xiàn)

換擋控制部分是測(cè)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的核心部分。根據(jù)不同試驗(yàn)的需求，將試驗(yàn)擋位的傳動(dòng)比換算成變速箱輸出軸的轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)人員通過(guò)對(duì)G120變頻器的控制使臺(tái)架電機(jī)達(dá)到需求轉(zhuǎn)速，必要時(shí)可在變頻電機(jī)和慣量飛輪間加裝升速箱以滿足試驗(yàn)條件。通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制電動(dòng)缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)換擋。在進(jìn)行商用車變速器換擋性能試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)人員編制完試驗(yàn)流程和試驗(yàn)參數(shù)后開(kāi)始試驗(yàn)，上位機(jī)讀取由傳感器獲得的當(dāng)前擋位信息，并判斷和設(shè)定程序的擋位信息是否一致。如若一致，則直接退出選換擋操作；如若擋位信息不同，上位機(jī)則按照設(shè)定的試驗(yàn)流程向下位機(jī)發(fā)送選換擋命令。

圖6 自動(dòng)換擋流程

本臺(tái)架的設(shè)計(jì)無(wú)需結(jié)合、分離離合器，但選擋、選擋到位、換擋、換擋到位等一系列程序都是在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的工況下運(yùn)行，因此每個(gè)動(dòng)作在執(zhí)行前都要驗(yàn)證是否嚴(yán)格滿足操作條件，以確保試驗(yàn)的安全性。自動(dòng)換擋流程如圖6所示。

本程序具有系統(tǒng)異常和換擋失敗報(bào)警功能，當(dāng)啟動(dòng)換擋試驗(yàn)時(shí)，傳感器將采集到的信息發(fā)送至上位機(jī)與試驗(yàn)人員預(yù)設(shè)值對(duì)比分析進(jìn)行系統(tǒng)自檢程序，若出現(xiàn)程序異常則發(fā)送報(bào)警指示。在進(jìn)行換擋試驗(yàn)的過(guò)程中，若換擋失敗次數(shù)累加到預(yù)設(shè)次數(shù)時(shí)，程序發(fā)送報(bào)警指示并停止電機(jī)使能。停頓時(shí)間分為推停頓時(shí)間和拉停頓時(shí)間，分別指電動(dòng)缸向外伸對(duì)應(yīng)奇數(shù)擋停頓時(shí)間和電動(dòng)缸向內(nèi)伸對(duì)應(yīng)偶數(shù)擋停頓時(shí)間，均可由試驗(yàn)人員根據(jù)試驗(yàn)需要在參數(shù)設(shè)置中設(shè)置。

4.3 數(shù)據(jù)采集和處理

數(shù)據(jù)采集處理模塊主要是針對(duì)選換擋力、選換擋位移、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測(cè)量。變速器換擋性能試驗(yàn)有龐大的數(shù)據(jù)需要采集和處理，前期數(shù)據(jù)處理主要是根據(jù)設(shè)定的采集頻率采集評(píng)價(jià)變速器換擋性能參數(shù)的測(cè)試數(shù)據(jù)，并在操作主界面上實(shí)時(shí)顯示選擋力、換擋力、選擋位移、換擋位移、轉(zhuǎn)速、扭矩的曲線圖，同時(shí)將所有的歷史數(shù)據(jù)和信息保存至設(shè)定的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便后期能分析和處理以往各次試驗(yàn)得到的測(cè)試數(shù)據(jù)。操作人員可以以圖表或者報(bào)表的形式打印需要的測(cè)試記錄，包括試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)次數(shù)、試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)人員等信息。

4.4 狀態(tài)監(jiān)控和報(bào)警

報(bào)警監(jiān)控模塊根據(jù)作業(yè)指令和采集卡采集的測(cè)試信息對(duì)換擋過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或者故障，上位機(jī)就向試驗(yàn)人員發(fā)送報(bào)警指令或者根據(jù)試驗(yàn)人員前期對(duì)試驗(yàn)報(bào)警程序的設(shè)定自動(dòng)采取急停操作。

報(bào)警監(jiān)控部分共有兩級(jí)監(jiān)控報(bào)警機(jī)制：1級(jí)報(bào)警為警示報(bào)警，警示燈顯示為黃色，此時(shí)提醒操作人員系統(tǒng)已進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，操作人員可以修改預(yù)設(shè)的報(bào)警參數(shù)或者點(diǎn)擊停止試驗(yàn)按鈕；2級(jí)報(bào)警為停機(jī)報(bào)警，警示燈顯示為紅色，此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉電機(jī)使能。

在主窗口界面上實(shí)時(shí)顯示選換擋力、選換擋位移、同步轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線，程序試驗(yàn)的次數(shù)以及選換擋機(jī)械手伺服電機(jī)和交流變頻電機(jī)的工作狀態(tài)，有助于換擋過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制參數(shù)的在線調(diào)試。添加“停止試驗(yàn)”“開(kāi)始試驗(yàn)”“制動(dòng)停車”“電機(jī)啟動(dòng)”等按鈕有效地增加了人為控制的干涉，起到了一定的保護(hù)作用。

5 試驗(yàn)運(yùn)行及結(jié)果

變速器換擋性能臺(tái)架測(cè)試主界面如圖7所示。為了評(píng)判該測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)試效果，選用某齒輪廠家的某型號(hào)商用車變速器進(jìn)行換擋性能臺(tái)架測(cè)試，評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為換擋力和換擋位移的動(dòng)態(tài)曲線圖。變速器各個(gè)擋位傳動(dòng)比如表1所示。

圖7 測(cè)試程序前面板

表1 變速箱傳動(dòng)比

將待測(cè)變速器和自動(dòng)換擋機(jī)械手以及相關(guān)硬件安裝完畢后，對(duì)變速器各個(gè)擋位進(jìn)行標(biāo)定，將修正后的結(jié)果存儲(chǔ)于上位機(jī)中，之后對(duì)變速器進(jìn)行300次換擋磨合試驗(yàn)，磨合試驗(yàn)結(jié)束后更換清潔潤(rùn)滑油即可進(jìn)行正式換擋性能測(cè)試試驗(yàn)。

下面以“2-3-2”工況為例進(jìn)行多次連續(xù)自動(dòng)換擋試驗(yàn)。在上位機(jī)LabVIEW軟件中設(shè)定好試驗(yàn)工況：輸出軸轉(zhuǎn)速為2300 r/min，換擋頻率為10次/min，循環(huán)次數(shù)為1 000次以及換擋力、換擋位移保護(hù)值等。試驗(yàn)結(jié)果如圖8～10所示，其中：縱坐標(biāo)正向?yàn)?擋；負(fù)向?yàn)?擋。

由圖8中換擋力和時(shí)間的關(guān)系曲線可知:在進(jìn)行“2-3-2”工況換擋操作的過(guò)程中，出現(xiàn)換擋力大小不同、方向相反的情況。該特點(diǎn)符合換擋實(shí)際，且各個(gè)階段換擋力的變化曲線能夠較好地模擬出人工換擋的各個(gè)階段換擋力的變化過(guò)程。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位)，最大換擋力為-1 345.71 N、 +705.86 N，查詢?cè)撟兯倨鞯墓逃刑匦裕瑢?shí)際最大換擋力為-1 300 N、+735 N，誤差控制在1%～5%的范圍內(nèi)，符合試驗(yàn)要求。

圖8 換擋力曲線

由圖9換擋位移和時(shí)間的變化曲線可知:換擋位移出現(xiàn)了方向相反、大小大致相等的特點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位)，最大換擋位移為52.50 mm、 -43.00 mm。出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題的原因可能是由于安裝的過(guò)程中在對(duì)中性的調(diào)整上存在一定的誤差，因此該臺(tái)架需要進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)試。

圖10 換擋力和換擋位移關(guān)系曲線

由圖10換擋位移和換擋力的變化關(guān)系可以看出：曲線較為平滑，不存在因?yàn)橥綍r(shí)效而使結(jié)合套發(fā)生明顯倒退現(xiàn)象的特征[8]。

綜上所述，該試驗(yàn)臺(tái)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合換擋操作的理論分析結(jié)果，試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足試驗(yàn)要求。進(jìn)行換擋試驗(yàn)的過(guò)程中該測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行良好，因此能夠完成變速器換擋性能測(cè)試試驗(yàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文采用基于數(shù)據(jù)流的虛擬儀器作為測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件，采用LabVIEW為編程語(yǔ)言，以工控機(jī)為核心，利用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集和處理，圖形化數(shù)據(jù)處理方式便于提取選換擋力和換擋位移。采用PLC對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，該控制方法在自動(dòng)換擋系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，可將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的離線分析。通過(guò)本試驗(yàn)結(jié)果可以確定該商用車變速器換擋性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)能進(jìn)行換擋試驗(yàn)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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