前置前驅乘用車機械式變速器同步器試驗臺設計

占銳，程華國，李俊，徐康，沈超（國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽），襄陽441004）

前置前驅乘用車機械式變速器同步器試驗臺設計

占銳，程華國，李俊，徐康，沈超
（國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽），襄陽441004）

針對前置前驅式乘用車機械式變速器存在同步器試驗項目試驗難度大的難題，設計了一種前置前驅式乘用車機械式變速器同步器試驗臺。試驗臺的創新之處主要在于保證試驗結果準確性的基礎上實現了不拆開變速器并不破壞樣品內部結構就可完成試驗。通過試驗證明，該試驗臺結構合理、試驗效果好，完全能滿足試驗需求。

前置前驅；乘用車；機械式變速器；同步器；試驗臺

占銳

畢業于武漢理工大學車輛工程專業，工學碩士，工程師，研究方向為總成及零部件試驗技術、汽車結構疲勞試驗技術。

1　引 言

目前在我國乘用車市場，雖然配備自動變速器的車輛所占比例正在呈逐年上市趨勢，但是機械式變速器扔占據著中國變速器市場最大的份額，自動變速器暫時還無法取代機械式變速器在中國變速器市場的主流地位［1］。前置前驅乘用車由于其布置免去了變速器和驅動橋之間的傳動軸和萬向節，可以有效降低車身底板高度，有利于提高汽車的乘坐舒適性和操縱穩定性等優點而廣泛應用于微型和中型乘用車上［2］。目前常見的前置前驅式乘用車機械式變速器的同步器試驗臺存在測量精度不高或差速器內部原有結構等缺點，為滿足前置前驅式乘用車機械式變速器同步器的試驗需求，設計了一套前置前驅乘用車機械式變速器同步器試驗臺。

2　前置前驅乘用車機械式變速器結構

常見前置前驅乘用車機械式變速器的結構示意圖如圖1所示，其包含一根輸入軸和一根輸出軸，其中，主動齒輪均布置于輸入軸上，從動齒輪均布置于輸出軸上，發動機動力由輸入軸進入齒輪傳動系統，后通過換檔機構與同步器的作用，使動力經過輸出軸傳至差速器系統，經差速器的半軸齒輪傳至輪胎。從圖1可以看出，前置前驅乘用車機械式變速器與傳統兩軸式變速器的最大區別在于多了主減速器和差速器，而輸出端1和輸出端2在試驗過程中不能出現差速，否則可能會造成變速器燒傷乃至損壞，因此用普通的適用于兩軸式機械式變速器同步器試驗臺進行乘前置前驅乘用車機械式變速器同步器試驗難度較大。

3　試驗臺總體方案設計

目前前置前驅乘用車機械式變速器同步器試驗主要采用如下兩種技術方案：

（1）在變速器的外側布置一個同步裝置，同步裝置的兩個輸出接口分別采用皮帶輪與變速器的左右輸出端連接，這種方式可以保證變速器兩個輸出端不差速，但由于中間環節比較多，同時皮帶輪方式存在具有蓄能作用、間隙等缺點，在換檔沖擊中會影響換檔時間、同步扭矩等參數的準確性。

（2）將變速器內部的差速器殼體內部的半軸齒輪和行星齒輪焊接，左輸出端通過傳動軸與試驗臺驅動裝置連接，這種方式也可以實現變速器左右輸出不差速，但這一方案對焊接技術要求高，而且在試驗過程中焊渣容易脫落對變速器造成損傷，焊接強度也沒法保證，同時焊接也破壞了差速器內部原有結構，零部件也不能恢復。

針對于以上兩種方案中的缺點，提出了如下技術方案：驅動電機與機械慣量飛輪組連接，機械慣量飛輪組與扭矩傳感器連接，扭矩傳感器通過傳動軸與差速器差速鎖止花鍵軸連接，差速器差速鎖止花鍵軸與前置前驅乘用車機械式變速器右輸出接口連接，前置前驅乘用車機械式變速器安裝在安裝支架上，選檔和換檔機械手和前置前驅乘用車機械式變速器連接，在前置前驅乘用車機械式變速器第一軸上依次安裝離合器從動盤和轉速傳感器。試驗臺結構示意圖見圖2：

差速器包括差速器半軸齒輪、差速器行星齒輪軸、差速器行星齒輪。差速器差速鎖止花鍵軸與右輸出端的差速器半軸齒輪連接，并穿過差速器行星齒輪軸與左輸出端的差速器半軸齒輪連接，差速器差速鎖止花鍵軸在差速器右輸出方向上與傳動軸連接。變速器內部差速器的結構示意圖見圖3，圖中左邊箭頭為差速器右輸出方向，右邊箭頭為差速器左輸出方向。

差速器差速鎖止花鍵軸的花鍵分別與差速器左輸出端和右輸出端的差速器半軸齒輪連接，差速器差速鎖止花鍵軸的徑向孔剛好能夠錯開差速器行星齒輪軸，差速器差速鎖止花鍵軸上有卡簧槽，卡簧卡在卡簧槽內保證加強花鍵塊軸向不竄動，加強花鍵塊能夠承受同步器換檔時產生的同步扭矩，保護差速器差速鎖止花鍵軸的花鍵端不受破壞。差速器差速鎖止花鍵軸安裝示意圖見圖4：

4　試驗臺系統關鍵部件設計

4.1動力電機選擇

驅動電機最常見的是直流電機和交流電機［3］，它們的優缺點如表1所示：

表1　直流電機和交流電機優缺點

從經濟性角度考慮，選擇交流電機作為動力驅動裝置，變頻電機在額定轉速以下為恒轉矩控制，在額定轉速以上為恒功率控制。為實現調速，配備了ABB公司的ACS550型變頻器，轉速可通過手動調節，也可通過試驗臺測控系統自動進行調節。調速系統還具有過電流、過載、過熱、超速、欠壓、接地過熱、短路和冷卻風扇等異常保護及報警功能。

4.2慣量模擬裝置選擇

慣性模擬裝置的主要作用有兩個：其一是使試驗臺盡量模擬汽車行駛的實際工況，它代表整個汽車的轉動慣量；其二是降低換檔過程中電機轉速的波動，使試驗臺平穩運行，避免變速器發生正常試驗以外的損傷。目前主要有三種方式可以實現慣量模擬：純機械慣量、電慣量和機電混合慣量［4］，它們的優缺點見表2：

表2　慣量模擬裝置優缺點

從節約成本角度考慮，選擇機純機械慣量作為慣量模擬裝置，根據計算［3］機械慣量飛輪組總慣量為160kg·m2，飛輪數量為4個，4個飛輪慣量分別為10kg·m2、20kg·m2、50kg·m2、80kg·m2，可以任意組合。

4.3選檔和換檔機械手選擇

機械手的驅動方式主要有三種：氣動系統、液壓系統和伺服電機［6］，它們的優缺點見表3：

表3　機械手驅動方式優缺點

由于本試驗臺的試驗對象主要是變速器總成，從經濟性、方便性考慮，對比這三種方式的優缺點，決定選檔機械手采用伺服電機驅動，通過轉速、位置及力矩混合控制，實現選檔位置、選檔速度及選檔力的控制。換檔機械手采用氣動系統驅動，通過氣壓、壓縮空氣流量和氣缸位置調節，實現對換檔力、換檔速度的控制。

4.4關鍵傳感器選擇

關鍵傳感器主要包括扭矩傳感器、選檔力/換檔力傳感器、位移傳感器等，傳感器的精度對試驗結果的準確性有很大影響，為了保證試驗結果的準確性，選用了高精度、合適量程的傳感器，具體選型見表4：

表4　關鍵傳感器選型

4.5控制及測量系統設計

試驗臺控制系統主要由變頻器、PLC控制板、工控機、數據采集卡和選檔力等各種傳感器等組成，結構如圖5所示：

所有的傳感器信號、控制信號全部通過光隔與電腦通訊，保證電腦不受外部信號的干擾，系統全部采用卡式儀器即虛擬儀器采集選檔力、換擋力、選檔位移、換檔位移、轉速、溫度等參數，因而系統結構簡單且具有高可靠性。在軟件上，為了滿足較高的換檔頻率，直接采用C++編程，把控制與數據采集兩項工作分為兩個獨立的線程，以確保控制與數據采集的實時性與同步性。

5　試驗臺測試驗證

利用該試驗臺對某廠家的前置前驅乘用車機械式變速器同步器參考試驗標準QC/T 568.1-2011《汽車機械式變速器臺架試驗方法第1部分：微型》［8］進行了同步器性能試驗，實時采集換檔過程中的換檔力、換檔位移、輸入軸轉速及同步過程扭矩，1檔換到2檔過程曲線見圖6和圖7，圖6為 1-2檔換檔1檔曲線，圖7為1-2檔換檔2檔曲線，其中L為換檔位移，f為換擋力，n為變速器輸入軸轉速，M為同步過程扭矩。該變速器1檔總速比為16.82，2檔總速比為8.91，驅動電機給定轉速為131r/min，換檔至1檔時變速器輸入軸轉速穩定在131×16.82≈2203r/min附近，換檔至2檔時變速器輸入軸轉速穩定在131×8.91≈1167r/min附近，說明換檔完成時前置前驅乘用車機械式變速器左右輸出沒有差速。

由圖6和圖7可知，采集的數據符合理論分析，可以完成前置前驅乘用車機械式變速器同步器性能試驗。

6　結論

本文設計了一種前置前驅乘用車機械式變速器同步器試驗臺，詳細的闡述了試驗臺的總體方案及關鍵部件設計，并通過試驗臺測試驗證了該試驗臺可以完成前置前驅乘用車機械式變速器同步器性能試驗，試驗臺的創新之處主要在于保證試驗結果準確性的基礎上實現了不拆開變速器并不破壞樣品內部結構就可完成試驗，具有較好的應用前景。

［1］倪小波.汽車機械式變速器性能試驗臺設計與研究［D］.武漢：武漢理工大學，2013.

［2］汽車構造.陳家瑞（第2版下冊）［M］. 北京 機械工業出版社，2007.

［3］吳俊.汽車變速器換擋試驗臺測控系統研發［D］.重慶：重慶理工大學，2014.

［4］李靖.機械式變速器用同步器同步性能測試試驗臺設計與研究［D］.武漢：武漢理工大學，2011.

［5］袁曉晨.商用車變速器同步器性能測試試驗臺研究與設計［D］.重慶：重慶理工大學，2015.

［6］張鴻飛.單片機控制同步器綜合試驗臺研究［D］.長春：吉林大學，2013.

［7］王行娟，萬偉，周偉.基于LabVIEW與PLC之間通信接口的設計［J］.武漢理工大學學報（信息與管理工程版），2006（11）：45-47.

［8］Q C/T568-2011.1，汽車機械式變速器臺架試驗方法第1部分：微型［S］.

專家推薦

鄧祖國：

本文詳細的闡述了前置前驅乘用車機械式變速器同步器試驗臺的總體方案及關鍵部件設計，并通過實際測試驗證了該試驗臺試驗結果準確性，該試驗設備在行業上具有較好的應用前景。

Design of Test Bench for FF Mechanical Transmission Synchronizer

ZHAN Rui，CHENG Hua-guo，LI Jun，XU Kang，SHEN Chao
（ National Automobile Quality Supervison And Test Center［Xiangyang］，Xiangyang 441004，China ）

Aimed at the problem of high difficulty of the synchronizer test item for front-engine，front-wheel-drive passenger car mechanical transmission，the test bench for front-engine，front-wheeldrive passenger car mechanical transmission synchronizer is designed. The innovation of the test bench is that the test can be accomplished without opening and checking the transmission on the basis of the accuracy of test result. It was demonstrated by the test that the test bench has reasonable structure，good test effect and can satisfy the test requirements completely.

Front-engine； front-wheel-drive； Passenger car； Mechanical transmission；Synchronizer； Test bench

2016-03-25

U463.2

A

1005-2550（2016）04-0078-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.04.014