汽車自動變速器油泵測試系統的研發*

楊亞聯，宋安興，陸 通，鄭 揚

(重慶大學，機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

前言

汽車自動變速器可分為液力機械自動變速器(AT)、雙離合自動變速器(DCT)、無級自動變速器(CVT)和機械自動變速器(AMT);按換擋操縱方式來分，有液動和電控的方式。由于液壓系統的比功率大，能對傳動部件進行冷卻和潤滑，在汽車自動變速系統中得到了廣泛的應用，AT、CVT、DCT和AMT中都有相應的電液控制系統。在自動變速器的液壓控制系統中，油泵作為動力源部件，對電液控制系統的性能起著決定性的影響作用:油泵的效率直接影響整車的油耗，油泵的容積效率和泵送性能直接影響變速器的工作可靠性和換擋品質。由于汽車的運行工況較寬，因此考慮在不同溫度、不同流量和不同壓力等條件下油泵的性能測試，對于評估油泵對變速器傳動潤滑、換擋控制等性能的適用性方面具有非常重要的意義。

1 自動變速器油泵性能參數

1.1 自動變速器油泵種類

在現有的自動變速器液壓系統中，有多種結構形式的油泵:外嚙合齒輪泵、內嚙合齒輪泵和葉片泵。其中外嚙合齒輪油泵壓力脈動大，在自動變速器中應用很少。

內嚙合齒輪泵有內嚙合齒輪泵和擺線轉子泵，由于其結構緊湊、生產成本低、自吸性好，在自動變速器中得到了廣泛的應用。其結構如圖1所示。

1.2 性能參數

表征自動變速器油泵的主要性能參數有:壓力p、排量V、流量q、轉速n、功率N和效率η。

(1)壓力 齒輪泵的壓力可分為表征液壓系統工作能力的油泵輸出壓力(工作壓力，油泵的工作壓力取決于外負載的大小)，還有表征油泵自吸和吸油阻力的油泵進口真空壓力。

(2)排量、流量和容積效率 齒輪泵的排量V是指在無泄漏的理想情況下，泵軸每轉一周油泵所排出的油液的容積，它完全取決于油泵自身結構和參數的物理量。

表征齒輪泵輸出流量的參數有理論流量qt與實際流量q。qt為不考慮油泵泄漏情況的理論輸出流量，它取決于泵的結構參數(排量)和轉速n，即

泵的實際流量q則是考慮油泵泄漏條件下的實際輸出流量。

泵的泄漏損失，通常用容積效率ηv來表示，其定義為實際流量與理論流量之比，即

(3)功率和效率 液壓系統在汽車自動變速器中，主要實現擋位的切換和傳動系統的潤滑等。因為沒有直接傳遞動力，因此，如果傳遞效率低或消耗功率大，將直接損害了整車的燃油經濟性。

油泵是將輸入的機械能轉換為液壓能的裝置，油泵的損失分為機械損失和液壓容積損失，油泵的效率定義為油泵輸出的液壓功率和輸入功率的比值，也等于油泵機械效率ηt和容積效率ηv的乘積。

式中:p為輸出壓力;T為輸入轉矩;ω為輸入角速度。

2 油泵電測系統結構

2.1 系統特點

在滿足油泵系統性能測試需要的同時，本測試系統具備以下特點。

(1)油泵輸入轉速可以變化，以進行不同發動機輸入轉速條件下油泵的性能測試。

(2)油泵輸出壓力可以調節，以進行不同壓力負載條件下油泵的性能測試。

(3)油泵輸入阻力可以調節，以進行不同吸油阻力條件下油泵的性能測試。

(4)油泵的輸入油溫和黏度可變，以進行油液在不同的溫度和黏度條件下油泵的性能測試。

(5)能對油泵壓力、轉速、流量、溫度和轉矩等參數進行實時的測量和記錄。

2.2 電測系統結構

為實現油泵性能測試，本系統采用了如圖2所示的電測系統結構［1-2］。

在油泵電測系統中，油泵由變頻控制器控制變頻電機驅動，通過控制變頻電機的轉速可控制油泵的輸出流量;在油泵和變頻電機之間安裝了轉速轉矩傳感器，能對油泵系統的輸入轉速和轉矩進行測量，也可相應計算輸入的機械功率;在油泵的出油口和進油口均安裝有壓力或真空度傳感器，通過質量流量傳感器測量油泵的輸出流量;系統的油溫由智能晶閘管控制器進行控制，而油泵的輸出壓力等由液壓系統的比例閥進行控制。

主要傳感器的型號和參數或精度如下:

(1)ABB ACS-550變頻控制器 7.5kW;

(2)HM28高溫藍寶石壓力變送器 0.1%;

(3)德國RCCS36質量流量計 0.1%;

(4)德國LORENZ轉速轉矩傳感器 0.2%。

為滿足試驗的需要，系統中設計了相應的液壓泵站，油泵的輸出壓力、輸入轉速和吸油阻力以及油液的溫度分別通過比例閥、變頻器、手動節流閥和智能晶閘管控制器進行調節，為了解管道中氣泡的產生程度和情況，還在輸入油路上安裝了耐高溫、透明的石英玻璃觀察管。

3 油泵電測系統的設計

在油泵電測系統的設計中，采用了基于板卡插槽式的工業控制機集成控制的方案。

本文中選擇了在ISA、PCI等總線有豐富數據采集卡資源的研華工業計算機平臺。為便于軟件的開發和維護，提高人機交互的友好性，采用了基于Lab-VIEW的編程語言。

為了能在LabVIEW平臺上驅動研華的數據采集卡，通過LabVIEW所提供的調用庫函數節點CLFN(call library function node)和代碼接口節點CIN(code interface node)將C語言同圖形化G語言結合起來，實現LabVIEW環境下普通數據采集卡的數據采集功能［3-4］。

3.1 LabVIEW對研華卡的動態連接

DLL動態鏈接庫文件是一種允許程序共享執行特殊任務所必需的代碼和其他資源的可執行文件。動態鏈接所調用的函數代碼沒有被拷貝到應用程序的可執行文件中去，而是僅僅在其中加入了所調用函數的描述信息。僅當應用程序被裝入內存開始運行時，在Windows的管理下，才在應用程序相應的DLL之間建立鏈接關系。

LabVIEW支持通過調用DLL文件的方式和其它編程語言混用。LabVIEW中通過CLFN節點來完成 DLL 文件的調用［5-7］。

圖3為研華CAN841卡所提供的DLL庫編程實現的CANSendMsg函數的部分程序框圖。在完成調用庫函數節點所有參數配置之后，采用適合的約定方式，即可完成CAN通信函數的動態鏈接。

研華的函數庫的默認安裝路徑為Windows的system32文件夾，采用動態加載方式后會有相應的路徑輸入、輸出端口。連接的數據包括函數的返回、設備號、端口、主機ID和波特率設置。另外，延時和發送命令配置參數至關重要。發送命令要參考CAN總線幀格式的標準進行，采用標準幀格式發送。其函 數 按 照 CANPortOpen、CANInit、CANSetNormal、CANSendMsg和CANPortClose流程即可實現指令的發送功能。其簡化的發送指令流程如圖4所示。

3.2 程序模塊化

根據汽車自動變速器油泵電測系統的試驗需要，以模塊化編程的方法，按照使用特性把系統劃分為登陸管理、數據采集、分析處理、數據顯示、實時存儲與離線回放和轉速與油溫控制等模塊。

數據采集模塊是用來實現對所有數采信號和通信得到的信號進行數據集成，把所有相應的信號打包到一起，用于下一步的數據分析。

數據分析處理模塊用來分析、處理信號。對于簡單的信號，進行濾波或均值處理;對于控制信號，由于非線性與多因素時變不確定性，采用LabVIEW模糊邏輯工具箱(fuzzy logic for G toolkit)和PID控制工具箱進行模糊自整定PID控制，增強系統的動態響應與數據精度。圖5為LabVIEW模糊控制內部原理圖。

數據顯示模塊負責數據分析、處理之后的實時顯示，有的信號之間有某種特定的關系，須將它們放到一起構成XY圖;有的信號可以數值、曲線、儀表和強度的方式呈現。圖6為其部分程序框圖。

數據實時存儲模塊用來實時存儲采集或分析后的數據。把這些數據和用戶操作的一些信息進行歸納，再存儲到LabVIEW專用的TDMS文件中，可以隨時回放或編輯。也可存儲為Word、Excel等文本格式。

數據離線回放模塊可隨時讀取已存儲的數據，并以圖文并茂的方式顯示，直觀且操作方便。存儲的數據也可用文本工具打開或編譯。

另外，軟件系統采用客戶端登陸方式和嚴格的流程控制，用戶需要正確的賬號與密碼登陸窗口，然后選擇試驗，制定試驗條件，進行試驗，保存數據，試驗完畢，退出系統。系統采用一個統一的界面將各軟件模塊集成，系統的運行參數以數值和圖形等方式實時顯示，對試驗人員、日期和方法等可以直觀設定，滿足了試驗的要求。

3.3 電機變頻控制MODBUS通信軟件的實現

變頻調速電機可在變頻器的驅動控制下實現不同的轉速控制，以滿足試驗轉速控制的要求。試驗中使用的ABB變頻器采用歐洲產品最標準的通信協議—MODBUS通信協議，須增加一個RS-485通信模塊，通過串口數據傳送RS指令即可實現對電機、變頻器的監視與控制。

MODBUS協議定義了RTU和ASCⅡ兩種傳輸模式。發送同樣的數據時，RTU模式的效率大約為ASCⅡ模式的兩倍，變速器油泵電控液壓系統采用RTU模式通信。主站一次可向所有從站發出指令，主設備通過消息幀的地址來選擇從設備。其數據格式為:從站地址、功能碼、數據域、CRC效驗碼。ABB變頻器數據域中的地址碼與寄存器一一對應，不同的寄存器有不同的內容。寄存器40001為控制字，40002為給定值，40004為狀態字，40005為實際值。其相關參數設置與說明如下:

9802=STD—MODBUS通信;

5304=1—效驗方式8N2;

5303=9.6kbit/s—波特率;

5302=1—站號;

1105=100Hz—基準頻率;

1103=8—采用COM口通信;

1102=0—由外部控制變頻器1給定速度;

1001=10—由MODBUS控制變頻器啟停。

系統采用的通信命令如表1所示。

表1 MODBUS通信命令

MODBUS通信控制程序在LabVIEW和工控機平臺上完成，其主要程序框圖如圖7所示。

3.4 油溫控制

傳統模擬交流調壓器幾乎都采用PID控制方法，但由于實際生產中的非線性和時變不確定性，而達不到理想的控制效果。因此本系統試驗油溫控制采用智能晶閘管控制器，是專為阻性負載的加熱設備而開發的成套控制設備總成，它與加熱元件及測溫元件組合，即可構成完善的溫度自動控制系統。它是以模糊PID為控制方式、DSP為控制核心的智能控制器，兼備了模糊控制魯棒性強、動態響應好與DSP運行迅速的特點。

智能晶閘管控制器控制端口輸入0～10V直流信號，可對主電路輸出功率進行平滑調節。控制方式可為手動電位器控制、儀表控制、微機控制、PLC控制，適用于阻性或感性負載。采用晶閘管變周期調功控溫方式保證了對工件進行持續而均勻的加熱，避免了采用固態繼電器調功方式和定周期觸發方式因斷續加熱而出現的“冷熱不均”和超溫、欠溫等現象。加熱相對均勻，控制特性較好。

由于在油泵的試驗系統中，油溫控制只是一種定值控制，而現有的智能晶閘管控制器已經具備了良好的控制功能。為簡化控制系統，在試驗臺中，數采測控系統只對油溫進行采集監控，而直接由設定顯示儀表與智能晶閘管控制器組合，實現了溫度的設定與控制。

4 油泵性能試驗

搭建的臺架實物如圖8所示。試驗臺分為3個模塊:前端為基于LabVIEW的工控機控制系統和電氣控制柜;下部為壓力、油溫等可控的液壓泵站和油箱;上部的四周和頂部相對封閉，底部為T型槽平臺，面上為待測的油泵與驅動系統、相應的機械工裝和傳感器的測量系統。

參照現有美國自動變速器油泵的SAE標準，進行了油泵的性能試驗，試驗中采用長城ATF-III自動變速器油，在不同壓力、溫度和轉速等條件下，進行了大量的試驗，圖9和圖10為摘取的部分試驗結果。

由圖9可見，隨著轉速的上升，負載功率逐步增大，容積效率迅速上升，1000r/min之后機械效率趨于穩定，總效率緩慢上升;但轉速升至4000r/min以后，油泵的流量增大、流速增加、吸油口真空度增加，進油管逐步產生了較多的氣泡，產生氣蝕現象，油泵振動噪聲增大，容積效率和總效率明顯降低。

為研究不同工作壓力對油泵性能的影響，進行了溫度在40℃，壓力分別為2.2MPa和0.5MPa下的性能對比試驗，結果如圖10所示。由圖可見:隨著壓力的增加，油泵的負載增加，油泵的機械效率增高，泄漏也增大，但總效率增加;在壓力比較低時，雖然油泵的泄漏少，油泵容積效率高，但此時油泵自身的摩擦損失比較大，機械效率比較低，相應的總效率較低。同時隨著負載壓力的增大，油泵產生氣蝕的轉速也降低。

雖然壓力高時，油泵的效率高，但能耗也高，在自動變速器中液壓系統所消耗的功率只是起執行機構的作用，即減少了駕駛的操縱強度，但是增加了油耗。在滿足自動變速器性能的前提下，須要油泵在能耗和效率之間謀求平衡。

5 結論

(1)采用工業計算機和相應的數據采集卡組成測控平臺。基于LabVIEW的編程語言，采用CLFN節點來完成數據采集卡DLL動態鏈接文件的調用，實現了測控軟件的開發，人機交互界面友好，軟件便于開發和維護。

(2)基于ABB變頻器MODBUS通信協議，在系統中增加RS-485通信模塊，采用LabVIEW編制串口數據通信程序，實現了對變頻電機的檢測和控制。

(3)組合采用智能晶閘管控制器與儀表，實現了對油箱油溫的閉環控制，采用LabVIEW編制了相應的溫度監控和保護程序，系統簡單可靠。

(4)通過油泵的實際測試表明，系統能夠完成預期的試驗內容，集成度高、數據精度好、動態響應快，達到了預期的研制目的。

［1］Kim Yeonho，Lee Jaesang，Jo Chihoon，et al.Development and Control of an Electric Oil Pump for Automatic Transmission-Based Hybrid Electric Vehicle［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2011，60(5).

［2］杜鵬程，過學迅，程飛.自動變速器試驗臺的設計研究［J］.現代制造工程，2006(10).

［3］Abu-Mulaweh H I，Mueller D W.The Use of LabVIEW and Data Acquisition Unit to Monitor and Control a Bench-Top Air-to-Water Heat Pump［J］.Computer Applications in Engineering Education，2008，16(2).

［4］LabVIEW 2010 Help［G］.National Instruments Corporation，2010.

［5］曹陽，張培峰.基于LabVIEW的虛擬液壓傳動實驗設計［J］.機械工程師，2008(2).

［6］張倫，孟曉偉.基于LabVIEW的汽車變速器測試系統［J］.測試技術學報，2002，16(13).

［7］朱剛.基于虛擬儀器的模擬試驗臺測控系統設計［D］.西安:西北工業大學，2007.