周杭超，吳淳杰，董晨晨，張眾杰，陳 鋒，翁海舟

（浙江方圓檢測集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州310018）

0 引言

十多年來國內(nèi)的汽車行業(yè)得到了飛速的發(fā)展，對汽車變速器的需求量也得到了爆發(fā)式的增長，隨之而來的對汽車變速器性能要求和質(zhì)量要求也變得越來越高。因此，在變速器的制造過程中，除了對制造技術(shù)有嚴(yán)格的要求之外，還需要對其進(jìn)行相關(guān)性能試驗(yàn)。近半個(gè)世紀(jì)來，汽車變速器的檢測技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展，智能化、小型化以及綜合化的汽車變速器性能試驗(yàn)臺不斷出現(xiàn)[1]。如在五十年代初期，美國Gleason公司就生產(chǎn)出了以輪系作為加載系統(tǒng)的汽車變速器變速器試驗(yàn)臺，美國通用動(dòng)力公司、前蘇聯(lián)中央機(jī)械制造與設(shè)計(jì)研究院、日本豐田汽車公司等也相繼推出了汽車變速器變速器試驗(yàn)臺[2，3]。國內(nèi)汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展也帶動(dòng)了汽車變速器試驗(yàn)臺的研究[4]。山西省華北工學(xué)院的苗鴻賓[5]等設(shè)計(jì)了一種能對4種型號汽車變速器進(jìn)行測試的綜合性能試驗(yàn)臺，可對步進(jìn)電機(jī)、變頻調(diào)速器、離合器、磁粉制動(dòng)器等進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制，以及變速器輸入輸出軸扭矩和轉(zhuǎn)速的測量。江西理工大學(xué)的梁禮明與江鈴公司合作開發(fā)了一種新型大功率變速箱試驗(yàn)臺電加載控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠[6]。北京航空航天大學(xué)高升[7]等設(shè)計(jì)了一種采用電渦流測功器進(jìn)行加載的變矩器性能檢測試驗(yàn)臺，具有功能適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，我國還有一些如重慶理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、中汽研等研究機(jī)構(gòu)對汽車變速器試驗(yàn)設(shè)備和測試控制技術(shù)進(jìn)行了研究。

不過，不同于傳統(tǒng)燃油汽車，純電動(dòng)汽車并沒有搭載一臺傳統(tǒng)變速箱，而只是搭載了一組減速器，并不提供換擋功能。減速器的性能直接影響純電動(dòng)汽車的動(dòng)力性、穩(wěn)定性和耐久性。因而對純電動(dòng)汽車減速器的性能評價(jià)顯得尤其重要。

電動(dòng)汽車減速器主要標(biāo)準(zhǔn)為QC/T1022-2015《純電動(dòng)乘用車用減速器總成技術(shù)條件》，里面涉及的臺架試驗(yàn)項(xiàng)目主要有動(dòng)態(tài)密封性能試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、高溫性能試驗(yàn)、傳動(dòng)效率試驗(yàn)、超速性能試驗(yàn)等?，F(xiàn)有的國內(nèi)外試驗(yàn)臺位針對的是性能試驗(yàn)的全項(xiàng)目檢測，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜。針對于動(dòng)態(tài)密封性能試驗(yàn)來說，如表1所示，試驗(yàn)需要110.5 h，且減速器的最高輸入轉(zhuǎn)速往往有接近上萬轉(zhuǎn)，試驗(yàn)時(shí)間長，轉(zhuǎn)速高，現(xiàn)有的試驗(yàn)臺位為了適應(yīng)全項(xiàng)目檢測，存在些不足之處。如圖1所示，現(xiàn)有試驗(yàn)臺位中，交流變頻電機(jī)需要通過增速箱來增速，才能輸出滿足減速器試驗(yàn)所需的最高輸入轉(zhuǎn)速，安全可靠性差，耗能比較大。在上萬轉(zhuǎn)的速度長時(shí)間試驗(yàn)下，往往存在著減速器未損壞，而試驗(yàn)的臺位已經(jīng)損壞，例如高速連接軸斷裂，增速箱齒輪斷裂，軸承磨損等，存在著一定的安全隱患和檢驗(yàn)的可靠性。

圖1 現(xiàn)有減速器性能試驗(yàn)臺位示意圖

由此可見，為了提高減速器動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)的安全可靠性，必須減少交流變頻電機(jī)與試驗(yàn)減速器之間的中間環(huán)節(jié)，但是交流變頻電機(jī)不通過增速箱根本無法直接輸出上萬的轉(zhuǎn)速。基于此，本文提出了一種純電動(dòng)乘用車用減速器動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)臺，可以直接給減速器提供上萬轉(zhuǎn)的輸入轉(zhuǎn)速，并且符合試驗(yàn)工況中的溫度和時(shí)間等其他要求，如圖2所示。該試驗(yàn)臺能夠提高檢驗(yàn)效率和準(zhǔn)確性，確保檢驗(yàn)安全性，切實(shí)提高檢驗(yàn)的自動(dòng)化程度。見表1。

圖2 減速器動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)臺位示意圖

表1 動(dòng)態(tài)密封性能試驗(yàn)條件

1 試驗(yàn)臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

純電動(dòng)乘用車用減速器動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)臺整體結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，主要由安裝架、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、減速器固定裝置、加熱裝置、工業(yè)冷風(fēng)機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器、熱電偶組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置由直流電機(jī)安裝底座、直流電機(jī)組成，主要由減速器提供動(dòng)力來源。減速器固定裝置包括減速器固定座、減速器連接盤，主要用于安裝試驗(yàn)件減速器。加熱裝置由加熱固定支撐架、紅外陶瓷加熱板組成，可對試驗(yàn)所需的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。本試驗(yàn)臺PLC控制系統(tǒng)控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)件減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器反饋減速器的轉(zhuǎn)速，同時(shí)控制系統(tǒng)控制加熱裝置對減速器進(jìn)行加熱、控制工業(yè)冷風(fēng)機(jī)對減速器進(jìn)行降溫，熱電偶反饋減速器的溫度，試驗(yàn)臺架實(shí)現(xiàn)對減速器轉(zhuǎn)速和溫度的控制。動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)臺實(shí)物圖如4所示。

圖3 純電動(dòng)乘用車用減速器動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)圖

圖4 動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)臺實(shí)物圖

2 電機(jī)選型與冷卻

由于減速器的動(dòng)態(tài)密封性能試驗(yàn)需要提供上萬轉(zhuǎn)的輸入轉(zhuǎn)速，但是為空載狀態(tài)，因而對提供動(dòng)力源的電機(jī)要求為可直接輸出上萬轉(zhuǎn)速，功率無需太大。傳統(tǒng)的試驗(yàn)臺架使用交流異步電機(jī)作為動(dòng)力源，但是不能直接輸出上萬轉(zhuǎn)速，需要變速箱進(jìn)行增速，才能達(dá)到所需的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安全可靠性差，耗能比較大。針對以上減速器動(dòng)態(tài)密封性能試驗(yàn)特點(diǎn)，可以選用直流電機(jī)做試驗(yàn)臺架的主要驅(qū)動(dòng)來源。因此，本次試驗(yàn)臺架使用ZD125A2-2000W型直流電機(jī)作為動(dòng)力源，最高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，功率為2 000 W，并配置了JP72100D型5 000 W直流穩(wěn)壓電源。直流電機(jī)長時(shí)間運(yùn)行會產(chǎn)生大量的熱，影響其使用壽命，并且產(chǎn)生的熱量會通過熱傳導(dǎo)傳遞給減速器，導(dǎo)致減速器密封圈過早老化，影響實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，因而需要對直流電機(jī)進(jìn)行冷卻。運(yùn)用普通的風(fēng)冷電機(jī)進(jìn)行冷卻，并不能有效降溫，往往電機(jī)表面較低，但是直流電機(jī)內(nèi)線圈溫度過高。因此，直流電機(jī)采用水冷的方式進(jìn)行冷卻，并且在直流電機(jī)與減速器固定座接觸間也通入冷卻水，可以有效地解決電機(jī)熱傳導(dǎo)對試驗(yàn)件減速器密封圈的影響，如圖5所示。

圖5 直流電機(jī)冷卻圖

3 加熱冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了更好地控制試驗(yàn)所需的加熱溫度，本文選用MFC3600型工業(yè)風(fēng)冷機(jī)進(jìn)行風(fēng)冷，風(fēng)量為3 600 m3/h，冷卻面積30 m2。加熱裝置包括800 W的紅外陶瓷加熱板、加熱固定支撐架、可滑動(dòng)支撐架、加熱裝置氣缸、角度調(diào)節(jié)板、加熱裝置滑輪組，如圖3所示。熱電偶選用PT100鉑熱電阻電熱偶。圖中，紅外陶瓷加熱板安裝在可滑動(dòng)支撐架和角度調(diào)節(jié)板上，熱電偶安裝在被測試件減速器上。選用具有具有PID自整定、獨(dú)立PID參數(shù)設(shè)置優(yōu)點(diǎn)的型號XC-E2AD2PT 2DA作為PID溫度控制模塊，支持2通道16位精度模擬量輸入、2通道PT100溫度輸入和2通道10位精度模擬量輸出。可編程邏輯控制器（PLC）實(shí)時(shí)監(jiān)測減速器的溫度，控制紅外陶瓷加熱板和工業(yè)冷風(fēng)機(jī)對減速器的加熱制冷，有效、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)了溫度控制，具有使用方便，結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢。

4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)實(shí)際使用需求，應(yīng)選用具有性價(jià)比高、穩(wěn)定性好、編程簡單的可編程邏輯控制器。因此，綜合考慮各方面因素，選用西門子S7-200系列小型可編程邏輯控制器，型號為224[8]。該型號PLC具有14個(gè)輸入點(diǎn)，10個(gè)輸出點(diǎn)，總共24個(gè)數(shù)字量點(diǎn)。首先需要對PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行編程，然后給PLC控制系統(tǒng)通電，利用編寫的程序設(shè)置控制基本參數(shù)，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)按照規(guī)定的要求運(yùn)轉(zhuǎn)，為試驗(yàn)臺架提供動(dòng)力來源。M16型霍爾轉(zhuǎn)速傳感器用于反饋減速器的轉(zhuǎn)速，熱電偶反饋減速器的溫度，控制程序如圖6所示，控制界面如圖7所示。為了更好地調(diào)試運(yùn)行，該試驗(yàn)臺架控制系統(tǒng)有手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式。手動(dòng)控制模式下，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制、正反轉(zhuǎn)控制、加熱溫度控制，可用于臺架的維修調(diào)試。自動(dòng)控制模式下，可以實(shí)現(xiàn)輸入轉(zhuǎn)速、加熱溫度、加熱時(shí)間循環(huán)次數(shù)的控制。在兩種模式下，都可以實(shí)時(shí)監(jiān)測直流電機(jī)轉(zhuǎn)速值和減速器溫度值，同時(shí)可顯示試驗(yàn)總時(shí)間以及試驗(yàn)次數(shù)。

圖6 控制程序框圖

圖7 PLC控制界面圖

5 控制試驗(yàn)驗(yàn)證

為了更好的驗(yàn)證本試驗(yàn)臺架控制轉(zhuǎn)速精度的準(zhǔn)確性，本文采用日本HIOKI日置的FT3405轉(zhuǎn)速表來進(jìn)行檢測驗(yàn)證，如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果見表2。從表可以看出，輸入轉(zhuǎn)速和實(shí)際測得轉(zhuǎn)速誤差在2%以內(nèi)，控制精度滿足減速器動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)要求。

圖8 測試轉(zhuǎn)速圖

表2 測試結(jié)果對比

6 結(jié)語

現(xiàn)有電動(dòng)汽車減速器試驗(yàn)臺架主要是針對減速器性能試驗(yàn)的全項(xiàng)目檢測，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安全可靠性差，耗能比較大。在上萬轉(zhuǎn)的速度長時(shí)間試驗(yàn)下，往往存在著減速器未損壞，而試驗(yàn)的臺位已經(jīng)損壞的情況。本文提出了一種純電動(dòng)乘用車用減速器動(dòng)態(tài)密封試驗(yàn)臺，利用直流電機(jī)對減速器進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，利用霍爾傳感器對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，同時(shí)利用熱電偶對減速器溫度進(jìn)行測量，并由PLC控制箱對轉(zhuǎn)速溫度進(jìn)行分析、計(jì)算，并由紅外陶瓷加熱板和工業(yè)冷風(fēng)機(jī)對減速器溫度進(jìn)行控制，由PLC控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速并由顯示器實(shí)時(shí)監(jiān)測直流電機(jī)轉(zhuǎn)速值和減速器溫度值，并按照設(shè)定程序進(jìn)行自動(dòng)控制，控制精度滿足試驗(yàn)要求。該試驗(yàn)臺能夠提高檢驗(yàn)效率和準(zhǔn)確性，確保檢驗(yàn)安全性，切實(shí)提高檢驗(yàn)的自動(dòng)化程度。