汽車驅動橋疲勞試驗控制系統研究

（武漢理工大學物流工程學院 武漢 430063）

0 引 言

隨著我國汽車工業的快速發展，汽車零部件性能測試得到越來越廣泛的重視．汽車驅動橋是汽車的重要動力傳遞部件，對汽車的使用壽命和安全性具有重要的影響．為了確保汽車的安全性和可靠性，提高汽車的使用壽命，汽車生產商一般都需要對每一批驅動橋進行整體性能測試，以獲得驅動橋的性能參數．為此，許多驅動橋生產商都希望建立了自己的驅動橋性能測試試驗臺．在汽車零部件生產中，為了獲得汽車零部件的性能參數，需要建立汽車零部件的性能測試平臺，而現有的一些汽車測試平臺大多采用手動控制方式．迫切需要一個自動化的控制系統，能夠自動獲得所需要的反映汽車零部件是否合格的性能參數．

本文針對汽車驅動橋性能測試的需求，將傳感器技術、自動控制技術運動到此控制系統中，建立了基于工控機的驅動橋性能測試控制系統，實現了對驅動橋加載轉矩和轉速等參數的控制，從而解決的企業對產品合格的檢驗，獲得了良好的應用效果．本文所設計的測試系統的特點有：參數設置（包括驅動橋的型號，額定轉速，最高溫度等參數的設定）、動態顯示、保存測試數據、自動跟蹤調整試驗速度和載荷、打印等特點．

1 汽車驅動橋系統硬件組成

1.1 汽車驅動橋的功能

汽車驅動橋處于動力傳動系的末端，其基本功能是增大由傳動軸或變速器傳來的轉矩，并將動力合理的分配給左、右驅動輪，另外還承受作用于路面和車架或車身之間的垂直立、縱向力和橫向力．驅動橋一般由主減速器、差速器、車輪傳動裝置和驅動橋殼等組成［1］．汽車驅動橋組成示意圖見圖1．

圖1 汽車驅動橋結構示意圖

1.2 控制系統的輸入輸出設備

控制系統的硬件構成包括：工控機，多功能I／O卡，輸入操作按鈕類操作裝置，轉矩、速度、溫度信號采集輸入傳感器，輸出狀態顯示裝置以及驅動電機工作的繼電器（圖中沒有表示）等．整個測試控制系統硬件架構見圖2．

控制系統主機選用平板式工控機，此類主機具有良好的軟硬件開放性，功能強大，性能可靠，能滿足各種軟件平臺下控制系統的開發需求．

多功能I／O卡是實現開關量與模擬量信號輸入／輸出的重要通道，一般可選用性能可靠，輸入／輸出通道數滿足控制系統要求，價格適中的多功能I／O卡［2］．

控制系統的輸入信號包括：操作按鈕信號，電器響應反饋信號，轉矩／速度傳感器信號，溫度傳感器信號等．輸入信號通過多功能I／O卡輸入到工控機中，控制系統根據這些信號進行響應操作，完成試驗過程．

圖2 驅動橋性能測試控制系統硬件構成示意圖

控制系統的輸出信號包括：試驗狀態信號，加載電機、調速電機的啟停信號，冷卻電磁閥的啟停信號等．這些信號由控制系統發出，通過多功能I／O卡輸出到控制繼電器或開關等，實現對電機的控制和狀態的顯示功能．

2 驅動橋疲勞試驗軟件系統設計

2.1 軟件功能

根據驅動橋試驗系統需求，設計系統控制軟件功能見圖3．

圖3 系統軟件功能構成

1）系統參數設置功能 此功能模塊實現系統參數的設置，如加載系統的傳動比，試驗系統所能達到的最大轉矩，試驗臺架安裝模式等，這些參數保存在系統數據庫中，供試驗時選用．

2）單步調試功能 此功能實現單一的調試功能，如調速電機的啟動、調速、停止控制，加載電機的正向加載、反向加載控制，轉矩、速度數據的采集檢測，急停按鈕的測試等．方便用戶對試驗臺架的調試．

3）測試參數設置功能 此功能實現具體測試項目參數的設置，如疲勞試驗各階段磨合次數，各階段轉矩系數，磨合試驗轉矩等．

4）測試過程狀態顯示功能 此功能實現測試過程狀態的顯示．磨合過程的轉矩以動態曲線方式顯示，并設置最大最小控制轉矩，極限磨合轉矩4條直線，可以直接觀察實測轉矩的變化，并能直接觀察到實測轉矩是否超過設定的最大最小界限．當實測轉矩超過設定值時，控制系統將提示警示信息，并根據轉矩的大下啟動加載電機自動調節轉矩，確保試驗在規定的條件下進行．

5）測試過程控制功能 此功能自動實現對試驗過程的控制．

6）測試報表生成、打印功能 試驗結束后，系統自動調用測試報表生成功能，完成試驗報告的顯示、打印任務．

7）系統幫助功能 此功能提供對系統具體操作的幫助信息，方便操作者使用．

8）除以上功能外，系統還提供了用戶權限和密碼設置功能，確保系統使用安全．

2.2 控制算法設計

驅動橋疲勞磨合試驗是一個復雜的過程，包含4次磨合試驗，1次正式試驗，每1次磨合試驗都有2萬～3萬次，正式試驗則在5萬次以上．試驗過程中轉矩要根據磨合次數逐步增大，而試驗速度、試驗溫度都要控制在給定值范圍內．因此，需要設計合理的控制策略和控制算法，保證試驗按要求穩定運行［3－7］．

2．2．1 啟動過程控制 試驗啟動過程由一系列控制動作完成，其中又包括了傳感器數據的檢測，調速電機，加載電機的控制過程，試驗啟動基本流程見圖4．

2．2．2 速度調節控制算法 驅動橋性能測試系統從啟動到穩定運行再到停止，需要按照試驗要求實現調速電機的控制，為此，特設計按圖5所示的速度控制規律曲線來進行調速電機的控制．

由圖5可見，AB段為調速電機啟動階段，變頻器輸出頻率均勻增加，調速電機的速度隨之勻速增加；BC段為速度平穩運行階段，此階段調速電機穩定運行，保證試驗按要求進行．CD段為調速電機停機階段，速度均勻降低．

根據圖5的速度控制規律，設計得到調速電機控制算法，整個控制流程由3個函數實現．

圖4 試驗啟動過程算法流程

圖5 速度控制規律

1）啟動調速電機函數

Begin

根據調速電機的轉向接通正轉或反轉啟動繼電器；

給定變頻器頻率調整參數；

啟動變頻器啟動觸點（啟動調速電機）；

End

2）動態調整調速電機參數的函數

Begin

If檢測得到的調速電機速度判斷是否已經滿足速度要求；

Then停止改變電機頻率；

給出停止調速標志；

Else繼續按給定參數改變電機頻率；

End

3）停止調速電機函數

Begin

按停車要求給定變頻器頻率調整參數；

調用動態調整調速電機參數的函數；End

2．2．3 轉矩調節控制算法 根據驅動橋疲勞試驗規范，驅動橋疲勞性能測試過程一般分3次磨合試驗和1次正式試驗，在磨合試驗階段，試驗轉矩分別為：第1次為0．25Te，第2次0．5Te，第3次0．75Te．正式試驗設定轉矩為Te．

顯然，試驗過程中，試驗轉矩需要根據試驗階段進行調整．試驗轉矩的調整分兩種情況：（1）跨階段的調整，即某個階段結束后進入下一階段的轉矩調整．這種調整幅度比較大，持續時間相對要長一些．調整時，加載電機持續加載，直到到達給定的轉矩值，加載電機停止加載，加載過程完成；（2）試驗階段中的調整．由于驅動橋的磨合作用，加上機械系統的間隙等原因，試驗過程中轉矩有可能逐漸減小，如果試驗轉矩小于設定的范圍，則需要對試驗轉矩進行調整，調整算法見圖6．

圖6 轉矩調整算法

3 系統運行示例

3.1 設置的參數

當進入本系統后選擇所要進行測試的驅動橋型號，例如選擇型號為2402B11－410－6．33的驅動橋，然后進入如圖7所示的參數設置，填寫完整試驗參數后，點“確定”，就可以進入測試子窗口．

圖7 汽車驅動橋試驗參數設置

3.2 試驗過程

當完成了參數設置后，進入試驗界面可得到如圖8所示的實時轉矩動態數據曲線，實時溫度、轉速、試驗次數顯示窗口．該子窗口中數據曲線及縱向格線每隔時間段就同時自右向左移動一個單位，動態顯示效果很好．圖中狀態是從第二次磨合進入第三次磨合的實時情況，可以很直觀的看出當前變頻電機的轉向和加載電機的加載方向．如果有報警，則軟報警和應報警都會點亮來提示操作工人．

在試驗進行的過程中，遇到試驗次數到達10萬次左右時，驅動橋出現轉矩加載不上去的情況，這說明驅動橋的齒輪出現了斷齒，造成轉矩無法繼續加載．但10萬次達到了國家對于驅動橋質量標準，由此可以檢驗驅動橋是否合格．

圖8 試驗實例狀態顯示界面

根據上述原理設計的驅動橋疲勞性能測試系統已經投入運行，一年多來多次試驗結果表明系統運行穩定，運行結論可靠，完全滿足驅動橋疲勞性能測試規范與技術要求，正在取得預期的效益．

至此，整個控制系統的主要部分都介紹完畢，此系統在工業現場控制中，很好的滿足了企業的要求，系統在運行的過程中，基本正常．

4 結束語

本文講述了在驅動橋疲勞試驗控制系統中對于電機控制所要用到硬件設備和軟件實現方法．其中所用的一些工業控制的思想方法，具有一定使用價值，可以用在很多工業控制領域．

［1］陳家瑞．汽車構造［M］．北京：機械工業出版社，2001．

［2］馮 瑞，趙秀栩，羅元月．汽車變速器試驗臺自動控制系統的開發［J］．武漢理工大學學報：信息與管理工程版，2006，28（4）：1－4．

［3］SHEPHERD G，WINGO S．深入解析 MFC［M］．趙劍云，卿 瑾，譯．北京：中國電力出版社，2003．

［4］李國強，劉峻巖，任雙瑛．工程裝備底盤傳動部件試驗臺集成研制［J］．工程機械，2010（7）：55－58．

［5］桑 楠．汽車自動變速器實物仿真試驗臺的設計［J］．長春工業大學學報：自然科學版，2008（6）：102－105．

［6］王皖君，張為公，楊 帆，等．變速器試驗臺測控系統設計［J］．測控技術，2011（9）：87－90．

［7］臧懷泉，劉巍波，王智勇．電封閉式汽車變速器加載試驗臺控制系統的設計［J］．北京工業大學學報，2010（6）：56－59．