變速器試驗臺測控系統(tǒng)的研制

蔣 巍 石曉輝 李文禮

(重慶理工大學(xué)汽車學(xué)院，重慶 400050)

0 引言

變速器是汽車傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響汽車的可靠性和動力性，因此，必須對其進(jìn)行試驗，測試和分析汽車變速器的耐久性、使用壽命、傳動效率等因素的影響，驗證變速器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、材料、負(fù)荷、轉(zhuǎn)速以及潤滑條件等參數(shù)的合理性，為產(chǎn)品設(shè)計與質(zhì)量評價提供可靠的科學(xué)依據(jù)，從而縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量［1］。

隨著測控技術(shù)軟硬件水平的不斷成熟和發(fā)展，變速器臺架試驗的功能和自動化水平也在不斷提高。變速器試驗臺需具有集成化、數(shù)字化和智能化的特點(diǎn)，以保證測試精度高、重復(fù)性好，同時要求其簡單可靠、成本低［2］。同時，為了節(jié)能，消除有害機(jī)械振動，傳統(tǒng)的機(jī)械封閉試驗臺逐漸被電封閉試驗臺淘汰［3］。

在此，本文介紹了重慶理工大學(xué)測試技術(shù)研究所為某公司研制的DCT變速器交流電封閉試驗臺的測控系統(tǒng)。

1 變速器臺架試驗方案

變速器臺架試驗方案的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗臺由變頻控制系統(tǒng)、升速變速箱、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、被測變速箱等組成。從被測變速箱經(jīng)兩個半軸分別接扭矩傳感器后與兩個配試變速箱連接，再接加載電機(jī)。

圖1 變速器試驗臺整體布置圖Fig.1 Layout of the test-bed of transmission box

2 變速器測控系統(tǒng)開發(fā)

試驗臺測控系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器和變送器、電磁控制閥、數(shù)據(jù)采集卡、CAN通信卡和歐姆龍PLC組成。數(shù)據(jù)采集卡采用PCL-812PG，通過擴(kuò)展端子板可以實現(xiàn)16路模擬量采集、2路模擬量輸出、16路數(shù)字量輸入(DI)、16路數(shù)字量輸出(DO)。

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的測量通過四川誠邦科技轉(zhuǎn)速扭矩傳感器把信號送給轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測量儀顯示出來，然后通過PCI-9810單路非智能CAN通信卡傳送給計算機(jī)，實現(xiàn)數(shù)字量讀?。?］。CAN通信卡的通信波特率范圍為5 kbit/s～1 Mbit/s，可 由 用 戶 設(shè) 定，本 系 統(tǒng) 選 用500 kbit/s。變頻器和換擋通信采用歐姆龍CPM2AH型PLC實現(xiàn)。測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)硬件配置圖Fig.2 Hardware configuration of the measurement and control system

3 變速器測控系統(tǒng)功能軟件

變速器測控系統(tǒng)軟件功能如圖3所示。系統(tǒng)功能主要包括參數(shù)設(shè)置、試驗項目、數(shù)據(jù)采集處理和報警監(jiān)控這幾個組成部分。

圖3 軟件系統(tǒng)功能Fig.3 Functions of software system

本系統(tǒng)采用的軟件開發(fā)平臺是美國國家儀器National Instrument(NI)公司的虛擬儀器軟件LabWindows/CVI。在擁有工業(yè)控制計算機(jī)以及相應(yīng)硬件板卡的環(huán)境下，LabWindows/CVI以其基于C語言的開發(fā)環(huán)境、良好的用戶界面(GUI)、強(qiáng)大的庫函數(shù)和方便快捷的調(diào)試手段，使設(shè)計者能夠以最快的速度設(shè)計、調(diào)試和開發(fā)實際的測試和控制系統(tǒng)［5］。

3.1 參數(shù)設(shè)置部分

參數(shù)設(shè)置部分主要包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和用戶參數(shù)設(shè)置［6］。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置包括扭矩儀和PLC通信參數(shù)設(shè)置以及模擬量輸入輸出參數(shù)設(shè)置，具體包括扭矩儀地址、波特率、串口號、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、停止位和油溫通道選擇、電機(jī)轉(zhuǎn)速零點(diǎn)設(shè)定等。用戶參數(shù)設(shè)置包括試驗基本參數(shù)設(shè)置和報警監(jiān)控參數(shù)設(shè)置。其中，試驗基本參數(shù)設(shè)置主要包括試驗編號、被測變速器出廠號、變速器結(jié)構(gòu)、被測變速器擋位速比等;報警監(jiān)控設(shè)置主要包括上限報警值和波動報警值，以及對轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、溫度和擋位速比的上限和波動值進(jìn)行設(shè)置。

3.2 試驗項目及試驗設(shè)置

試驗項目包括高速試驗、手動壽命試驗、自動壽命試驗、差速試驗和加載性能試驗5個部分。其中手動壽命試驗主要完成在手動操作環(huán)境下對試驗臺的數(shù)據(jù)采集和報警監(jiān)控功能;自動壽命試驗和差速試驗?zāi)軌虬凑蛰d荷譜編制的參數(shù)自動執(zhí)行載荷譜。設(shè)置的參數(shù)主要包括持續(xù)時間、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速步長、轉(zhuǎn)矩步長、擋位［7］。

點(diǎn)擊“執(zhí)行載荷譜”按鈕后，計算機(jī)會按每點(diǎn)的載荷譜設(shè)置參數(shù)，并按設(shè)定步長增加或減少轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩;達(dá)到所需設(shè)定值之后，按照設(shè)定值保持一段時間，然后順序執(zhí)行下一點(diǎn)載荷譜。若選擇循環(huán)次數(shù)，計算機(jī)可根據(jù)設(shè)定值循環(huán)執(zhí)行載荷譜，執(zhí)行完所有載荷譜和循環(huán)次數(shù)后，自動停機(jī)。

用戶在編制完載荷譜后，可預(yù)繪載荷譜，以便通過曲線更清楚地了解載荷譜編制的信息。為了減輕試驗人員的工作強(qiáng)度，載荷譜編制后可以保存起來，下次試驗時導(dǎo)入即可。

由于試驗項目較多，操作臺各種設(shè)置復(fù)雜，為降低試驗人員的工作難度，保證試驗項目設(shè)置的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)開發(fā)了試驗項目的自檢測模塊。試驗人員在欲進(jìn)入試驗項目之前，系統(tǒng)先檢測該試驗項目的設(shè)置是否正確，若不正確則無法進(jìn)入試驗，并提示故障原因。

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要完成對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油溫和振動參數(shù)的測量［8］。試驗過程中可以用曲線實時顯示數(shù)據(jù)，以便試驗人員查看和對比，數(shù)據(jù)采集的頻率可以設(shè)置。前期數(shù)據(jù)處理主要是計算變速器輸入輸出功率，得到被測變速器能傳動效率，并在軟件界面上畫出轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、傳動效率和溫度的關(guān)系曲線;同時，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)保存。后期數(shù)據(jù)處理包括回放、多組數(shù)據(jù)的對比以及試驗項目管理和歷史數(shù)據(jù)的管理等。

3.4 報警監(jiān)控功能

報警監(jiān)控功能分為兩級報警，一級為警告報警，報警燈顯示黃色;二級為停機(jī)報警，報警燈顯示紅色，系統(tǒng)停止運(yùn)行。報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of the alarm system

報警監(jiān)控主要完成以下功能。

①上限報警完成監(jiān)測轉(zhuǎn)速是否大于額定轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩是否大于額定轉(zhuǎn)矩;

②波動報警是在恒定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩試驗工況下對轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的波動監(jiān)控;

③速比檢測報警是判斷當(dāng)前擋位下的輸入輸出軸的實際速比和目標(biāo)速比是否一致;

④油溫監(jiān)控報警是對被測變速器和高速箱潤滑油溫度的監(jiān)控;

⑤振動監(jiān)控報警是通過振動信號判斷被試變速器的運(yùn)行健康狀況，檢測兩輸出軸的轉(zhuǎn)速是否一致;

⑥空擋檢測是為了防止試驗中變速器脫擋導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速失去控制。

3.5 自動換擋的實現(xiàn)

變速器換擋采用電磁閥控制氣動換擋裝置，可實現(xiàn)計算機(jī)自動換擋。換擋分為停機(jī)狀態(tài)下?lián)Q擋和試驗臺運(yùn)行過程中的載荷譜自動換擋。前者是為了滿足試驗人員在做手動試驗過程中對擋位的選取。后者則是在自動試驗過程中編制完載荷譜如拖轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩和運(yùn)行時間及所選擋位后，計算機(jī)讀取傳感器獲得的當(dāng)前擋位信號，并判斷設(shè)置的擋位，如與當(dāng)前擋位不一致，則執(zhí)行換擋指令，若一致則不換擋，只在設(shè)定時間下執(zhí)行轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩設(shè)定目標(biāo)［9］。

自動換擋程序流程如圖5所示。由圖5可知，由于松開離合器、換擋、閉合離合器都是在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下工作的，因而每一個動作命令的發(fā)出都要先檢驗其條件是否嚴(yán)格滿足，以保證安全。

離合器松開的條件是電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi);換擋的條件是必須檢測到離合器已松開;離合器閉合條件是換擋到位。如果條件不滿足，就等待條件滿足，但對等待時間也有限制，故采用定時器計時的方法來控制順序動作等待時間。當(dāng)擋位換到位時，按該擋位下的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩設(shè)定參數(shù)進(jìn)行升降速和加載，到達(dá)目標(biāo)后按設(shè)定的時間值保持，然后執(zhí)行下一點(diǎn)的載荷譜［10］。

圖5 自動換擋程序流程圖Fig.5 Flowchart of the automatic range-switching program

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)經(jīng)過運(yùn)行后，效果良好，達(dá)到了設(shè)計的要求和目的。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)。

①交流電封閉模式達(dá)到了能量回饋的目的，節(jié)約了能源，適合長期運(yùn)行要求的疲勞壽命試驗;

②自動化程度高，系統(tǒng)控制方法精確;

③控制程序采用PID控制算法，保證了試驗過程中轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確和穩(wěn)定;

④友好的人機(jī)界面減輕了試驗人員的工作強(qiáng)度。

目前，試驗臺已經(jīng)過株洲某齒輪廠驗收，獲得了用戶好評，并將得到進(jìn)一步推廣。

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