陳錦賢，王紅軍，康運江

（1.北京信息科技大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100192；2.機械科學(xué)研究總院機科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

新能源汽車是實現(xiàn)綠色出行、節(jié)約能源、保護環(huán)境的重要工具，成為目前汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，也是中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)和重點發(fā)展領(lǐng)域。作為新能源汽車兩擋自動變速箱的重要功能部件，換擋機構(gòu)對提升電機的工作效率，提高新能源汽車的動力性、燃油經(jīng)濟性和駕駛性能等具有重要作用，其性能也直接影響新能源汽車的性能。我國新能源汽車的制造起步較晚，特別是制造過程的測試工藝，目前仍然采用傳統(tǒng)的人工測試方法生產(chǎn)兩擋自動變速箱換擋機構(gòu)。傳統(tǒng)方法數(shù)字化程度低、精確度不高、試驗操作繁瑣，亟需開展新能源汽車相關(guān)零部件生產(chǎn)裝配和性能檢測的自動化、智能化和柔性化技術(shù)的研究。

針對兩檔變速器設(shè)計制造，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究，取得了多項卓越的研究成果，大大提高了新能源汽車的整車性能。國外評估換擋質(zhì)量的參數(shù)，多采用變速器發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化、換檔過程的持續(xù)時間和加速度變化。國外在AMT（Automated Mechanical Transmission，自動機械式）變速器的裝配生產(chǎn)中全面采用現(xiàn)代化的裝配技術(shù)和測控系統(tǒng)，Z.Wang 等人提出采用FAW-Volkswagen 測試裝置進行數(shù)據(jù)流分析。國內(nèi)一般采用換擋器的換擋力矩、角位移及換擋信號3 個參數(shù)，也有將變速器的輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速作為測試參數(shù)的：李登高研究制定了自動檢測系統(tǒng)的總體方案，重點對自動檢測系統(tǒng)的控制與測試部分進行了研究與開發(fā)；王盛學(xué)等人通過模擬實車狀態(tài)下自動變速器的各種工況，研制了一種AMT 變速器在線自動測試裝置，包括測試臺架、驅(qū)動系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集/測量系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)等部分；劉長勇等人研發(fā)了汽車自動擋變速器換擋機構(gòu)的裝配系統(tǒng)，成功地解決了多品種共線柔性化自動裝配生產(chǎn)。但是在新能源車的性能檢測方面，國內(nèi)針對新能源汽車兩擋自動變速箱及相關(guān)部件的裝配和測試，大多數(shù)還停留在手工調(diào)節(jié)、人工讀表、人工數(shù)據(jù)處理的觸點控制方式。依據(jù)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及企業(yè)生產(chǎn)需求，亟需研究換擋機構(gòu)的電機電流和傳感器電壓在線加載測試裝置。本文研究的智能測試裝置可以實現(xiàn)電機電流和傳感器電壓在線加載測試，完成齒輪輸出端轉(zhuǎn)動時加最高4.5 N·m（5%精度）的負載，從規(guī)定原點（傳感器輸出電壓2.5 V）正反轉(zhuǎn)各60°，監(jiān)控最大電流不超過20 A，持續(xù)動作10 min。測試結(jié)束后，機構(gòu)停止在傳感器輸出電壓2.5 V 位置上。

1 智能測試裝置方案設(shè)計

1.1 總體方案

換擋機構(gòu)的自動裝配線占地面積為10 000 mm×4500 mm，工作平臺高1000 mm，有3 條生產(chǎn)線和4 臺上料料車。智能加載測試裝置布置在生產(chǎn)線末端，最大允許占地面積為1200 mm×1000 mm。

測試時，當(dāng)換擋執(zhí)行機構(gòu)整體裝配完成之后，由機器人從上一工位抓取換擋機構(gòu)，并完成機構(gòu)在測試裝置上的定位。此時，由測試裝置測試電機電流和傳感器電壓插頭完成與插針的連接，換擋執(zhí)行機構(gòu)齒輪輸出端轉(zhuǎn)動，加載裝置加載，裝置開始測試（圖1）。

圖1 換擋機構(gòu)測試流程

1.2 測試方案設(shè)計

為提高生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)線的裝配設(shè)備與測試裝置協(xié)調(diào)配合，不出現(xiàn)換擋機構(gòu)大量滯留等待測試的狀況，根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍和持續(xù)測試時長10 min 的要求，設(shè)計了水平同步式測試方案，3 個換擋機構(gòu)定位完成后同時開始測試（圖2）。

圖2 水平同步式測試時序

1.3 測試裝置加載方式的選擇

換擋執(zhí)行機構(gòu)需要帶載測試，加載時提供一個持續(xù)上升最高4.5 N·m 的負載、精度為5%。機械運動加載方式一般有3種，分別是電機驅(qū)動的電控加載方式、電液伺服加載方式和磁粉制動器加載方式。其中，前兩種加載方式一般應(yīng)用在較大功率情況下，后一種方式適用于功率較小的加載裝置。另外，磁粉制動器加載方式具有工作精度較高，在加載過程中有良好的快速響應(yīng)性，工作過程中沒有明顯的噪聲和振動產(chǎn)生，環(huán)保性好等優(yōu)點，可以實現(xiàn)對換擋機構(gòu)的加載。

2 加載測試裝置插拔結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 測試節(jié)拍分析計算

換擋執(zhí)行機構(gòu)年產(chǎn)量要求實現(xiàn)30 000 套，工作時間為270 d/年（10 h/d），產(chǎn)線負荷率為85%，換擋執(zhí)行機構(gòu)的生產(chǎn)節(jié)拍約4.6 min。根據(jù)測試參數(shù)要求，測試時持續(xù)測試時長為10 min，生產(chǎn)3 個零件需要4.6×3=13.8 min，大于測試持續(xù)時長10 min，一次需要同時測試3 個換擋機構(gòu)。測試裝置設(shè)置3個測試工位，可以滿足生產(chǎn)節(jié)拍。

2.2 插拔機構(gòu)設(shè)計

插拔機構(gòu)用來完成換擋機構(gòu)電機電流和傳感器電壓的插頭與插針的連接，通過氣缸執(zhí)行元件的推力和拉力實現(xiàn)插拔。

常見的執(zhí)行元件包括電動執(zhí)行元件、液壓執(zhí)行元件和氣動執(zhí)行元件。氣動執(zhí)行元件經(jīng)濟實惠，結(jié)構(gòu)簡單，易于操控及后期維護，選用氣動執(zhí)行元件。根據(jù)換擋機構(gòu)電機和傳感器插頭的結(jié)構(gòu)及滑塊與浮動接頭的型號尺寸，將插拔機構(gòu)分為連接底座、插頭上固定架、插頭下固定架和插頭（圖3）。

圖3 測試電機電流插頭連接底座

換擋機構(gòu)測試電機電流插頭總裝，氣缸固定在支架上，活塞桿通過浮動接頭消除與插拔機構(gòu)在垂直方向上的誤差，并與插拔機構(gòu)完成裝配，其中螺母有擰緊防松的作用。插頭連接架固定在滑塊和導(dǎo)軌之上，工作時氣缸通過活塞桿產(chǎn)生推力和拉力帶動插頭完成與插針的插入和拔出（圖4）。

圖4 測試電機電流插頭總裝

3 加載測試裝置設(shè)計

根據(jù)測試參數(shù)要求，齒輪輸出端在轉(zhuǎn)動時，在齒輪上施加一個持續(xù)上升最高為4.5 N·m（5%精度）的負載，選用FZ10.J 型磁粉制動器。磁粉制動器作為加載裝置，通過聯(lián)軸器、扭矩傳感器和固定套筒向齒輪端傳遞負載力（圖5）。扭矩傳感器軸端為鍵連接，齒輪輸出端為外齒輪，與兩者相配合的固定套筒一端采用鍵連接，另一端采用內(nèi)齒輪，兩齒嚙合傳遞負載力。設(shè)計完成的換擋機構(gòu)智能測試裝置如圖6 所示。

圖5 磁粉加載裝置

圖6 換擋機構(gòu)智能測試裝置三視圖

根據(jù)測試方案，測試節(jié)拍為10 min，同時完成3個換擋機構(gòu)的測試，扭矩傳感器固定板和磁粉制動器固定板與測試平臺之間的連接采用焊接。設(shè)計的換擋機構(gòu)測試裝置支撐架如圖7 所示。

圖7 換擋機構(gòu)加載測試裝置支撐架

4 智能控制與監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

4.1 換擋機構(gòu)測試裝置智能控制系統(tǒng)設(shè)計

如果最大電流值超過20 A 或該換擋機構(gòu)停止時傳感器輸出電壓不為2.5 V，則該產(chǎn)品不合格，PLC控制器控制機械手對機構(gòu)進行揀出；如果所測得的最大電流值低于20 A、電壓值為2.5 V，則產(chǎn)品合格，PLC 控制器控制機械手完成該產(chǎn)品成品出庫（圖8）。換擋機構(gòu)測試裝置智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)了裝置的智能化控制，減少了勞動力和生產(chǎn)成本，極大地提高了測試效率。

圖8 測試裝置智能控制系統(tǒng)總體方案

4.2 測試裝置測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

采用LabVIEW 軟件設(shè)計換擋機構(gòu)電機電流和傳感器電壓測試系統(tǒng)。對換擋執(zhí)行機構(gòu)的測試結(jié)果進行處理和分析，顯示當(dāng)前所測得的電流和電壓，并進行記錄存儲（圖9）。

圖9 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

以新能源汽車AMT 變速器換擋機構(gòu)為研究對象，根據(jù)換擋機構(gòu)性能測試要求，給出了換擋機構(gòu)智能測試裝置，實現(xiàn)了線上加載測試，替代了人工測試。具有精度和測試效率高、生產(chǎn)成本低、工藝性和環(huán)保性好的優(yōu)點，有助于實現(xiàn)新能源汽車AMT變速器換擋機構(gòu)測試的自動化和智能化。