基于LabVIEW的同步器單體試驗臺測控系統研發

米 林，周 歡，譚 偉

(重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054)

基于LabVIEW的同步器單體試驗臺測控系統研發

米 林，周 歡，譚 偉

(重慶理工大學 車輛工程學院，重慶 400054)

針對某齒輪生產廠家對同步器的測試要求， 設計了一種同步器性能試驗臺。介紹了試驗臺機械系統的總體結構設計、測控系統設計及程序設計。以工控機為核心，通過 PLC 控制變頻器來改變驅動電機轉速，開發了基于LabVIEW虛擬儀器測控系統的同步器單體試驗臺。該試驗臺運行正常、測試精度高、實時性強、性能安全穩定，能完成同步器性能測試試驗。LabVIEW軟件提高了同步器性能測試系統的智能化和自動化水平，為同步器性能測試提供了一種簡便易行的方法。

同步器；試驗臺；測控系統；LabVIEW

同步器是手動變速箱的關鍵部件，其主要作用是使將要嚙合的齒輪達到一致的轉速而順利嚙合。手動變速箱配備同步器以后，即使技術并不熟練的駕駛員也能輕松完成換擋操作，從而提高了汽車安全性，同時同步器能讓換擋過程更加平順[1-2]。同步器也能提高齒輪及傳動系統的平均使用壽命,提升汽車行駛的安全性和乘坐的舒適性，并能有效改善汽車起步時的加速性和經濟性[3]。

為了確保同步器產品的高競爭力，還需要同步器具有更舒適的操作性、更長的使用壽命。因此,升級測控系統對汽車同步器性能進行改進，有利于提高企業產品質量和縮短研發周期，對實際生產有特別重要的意義[4]。

目前，法國ETSm專業技術與服務實驗室的同步器摩擦性能試驗臺、德國KLOTZ公司自動變速器測試臺架、日本新日本特機株式會社手動變速器試驗臺都是國外比較先進的同步器性能試驗臺，而國內吉林大學開發的同步器試驗臺、長春汽車研究所QYZ 型同步器試驗臺都還不是很成熟，性能也不是很穩定。通過國內外同步器性能測試試驗臺的發展情況對比可以看出：同步器單體試驗臺還很少見，且國內試驗臺換擋執行機構的驅動方式和控制程序的編寫語言都比較落后。同時，同步器性能試驗多數是在變速器總成試驗臺上進行，通過這種試驗方式來檢測不同型號同步器需要多次更換整個變速器，試驗不夠方便。因此，需要設計同步器單體試驗臺來對同步器性能進行檢測。商用車駕駛員換擋頻繁，對同步器的性能要求更高，此外國內外的其他類型的同步器試驗臺大多已經投入使用，因此可以借鑒其汽車慣量的模擬和換擋執行機構方面的技術，開發出更適合商用車變速器同步器性能測試的試驗臺。

1 試驗臺機械系統總體結構設計

本同步器性能試驗臺適用于重型商用車變速器總成。試驗臺要求能滿足同步器產品在油溫從室溫到120℃時的性能與耐久性試驗，能模擬同步器在變速器內部的實際工況。該同步器單體試驗臺摩擦面的相對轉速為300～1500 r/min，同步力矩為100～800 N·m。

本同步器單體試驗臺通過變頻電機帶動整車慣量飛輪旋轉，通過換擋執行機構進行同步器換擋試驗。主傳動軸是一實心主軸，變頻電機模擬變速器輸出軸的轉速，主傳動軸慣量飛輪模擬整車的轉動慣量。同步器試驗伺服電機用于建立同步器同步慣量的初始轉速。在同步器換擋同步過程中，該電機處于關閉狀態。電機功率為11 kW，最高轉速為3 000 r/min，額定轉速為1 500 r/min，額定扭矩為70 N·m。慣性飛輪值為12 kg·m2，動平衡精度等級為G2.5級。主傳動軸內部裝有齒轂軸，模擬的是變速器中的輸入軸。齒轂軸外端裝有慣量飛輪和轉速傳感器。該慣量飛輪模擬離合器壓盤的轉動慣量，而且要保證換擋同步過程中轉速波動小于3%，動平衡精度等級為G2.5級，數值為80 kg·m2。測力軸外端安裝軸向力傳感器和扭力臂，扭力臂下端裝有扭力傳感器，換擋執行機構上安裝有光柵尺和拉壓力傳感器。這樣，同步器性能試驗臺可以測得換擋力、換擋位移、軸向力、轉速、摩擦力矩等參數。試驗臺機械系統總體結構見圖1。

2 測控系統設計

測控系統主要由工控機、數據采集卡、PLC、電機、換擋執行機構以及傳感器組成。工作原理:布置在臺架上的傳感器經過 PLC 和計算機控制軟件實時獲取系統中的數據，測控系統可以根據這些數據實現采取保護措施、執行機械動作、繪制試驗曲線等功能。該同步器單體試驗臺測控系統原理圖布局見圖2所示。

1.驅動電機；2.主傳動軸；3.慣性飛輪；4.轉速轉矩傳感器；5.換擋執行機構；6.第1實心軸；7.同步器單體安裝箱；8.第2實心軸；9.慣量盤

圖1 試驗臺機械系統總體結構
Fig.1 The overall structure of the test bed’s mechanical system

圖2 測控系統原理圖布局Fig.2 The principle diagram and layout of the measurement and control system

測控系統以工業控制計算機為中心。為了實現LabVIEW和PLC之間的通訊，引入OPC技術，LabVIEW通過OPC 服務器與PLC進行數據交換[5]。上位機由LabVIEW組成，下位機由PLC、數據采集卡、信號調理模塊等組成。上位機主要進行系統的規劃控制，完成人機交互界面的建立。試驗人員不僅可以通過上位機對換擋次數、換擋擋位等試驗參數進行選定,而且可以觀察換擋力隨時間的變化過程,并通過相關的軟件分析結果。下位機程序的開發是基于PLC的,主要功能是完成上位機下達的任務。試驗操作人員根據試驗對象的需求通過工控機向 PLC下達任務命令，高速并實時采集現場數據,對換擋執行機構、變頻器和驅動電機等進行控制。

2.1 測控系統的硬件實現

測控系統共有2種信號傳遞路徑。第1種是對數據進行檢測。將位移傳感器測得的位移信號、編碼器測得的轉速信號、溫度傳感器測得的溫度信號及拉壓力傳感器測得的力信號傳遞給數據采集卡，然后數據采集卡將信號進行轉換，最后傳遞給工控機進行處理、顯示。第2種是對試驗臺進行控制。工控機和 PLC之間通過Profinet通訊協議進行通訊。試驗員根據現場環境和試驗樣件的需求通過工控機向 PLC發出控制命令，PLC 對變頻器進行控制， 從而控制驅動電機的轉速等。PLC 同時控制換擋執行機構的位移、換擋力。

硬件部分需要結合軟件完成的功能包括接收上位機命令、 控制換擋執行機構換擋、控制電機轉速、采集并將現場信號傳給上位機、實時監控系統狀態以防止危險的發生。在試驗過程中，測控系統需要實時采集溫度、摩擦因數、換擋位移、選擋位移、扭矩、平均換擋力、轉速等同步器各項參數。

測控系統的硬件主要指對換擋執行機構和動力驅動裝置進行控制的設備，包括可編程邏輯控制器、變頻器、驅動電機等。控制系統的硬件主要指對動力驅動裝置和換擋執行機構進行控制的設備，包括PLC、變頻器、伺服電機驅動器等。檢測系統的硬件主要是指在進行同步器性能試驗過程中對試驗參數進行數據采集和處理的設備，包括傳感器、信號調理裝置和數據采集卡等。以下重點介紹PLC、數據采集卡、信號調理裝置的選用。

2.1.1 PLC

因為本同步器性能試驗臺的自動控制要求相對簡單，設備之間的通信并不復雜，所以本同步器試驗臺采用西門子S7-200 SMART PLC，CPU為ST60。可編程邏輯控制器是一種數字運算操作的電子系統，主要由CPU模塊、信號模塊、功能模塊、接口模塊、通信處理器和編程計算機組成，具有編程簡單易學、使用方便、硬件配套齊全、抗干擾能力強、維修方便等特點。

2.1.2 數據采集卡

測控系統需要對同步位移、同步扭矩、平均換擋力、摩擦因數、同步時間等參數進行實時采集。考慮到測控系統的兼容性，本同步器單體試驗臺選用研華PCI-1780U脈沖計數卡用于位移和轉速信號的采集，選用研華PCI-1716A/D轉換卡用于力信號采集，選用研華ADAM4015模塊用于溫度信號采集。

2.1.3 信號調理裝置

同步器單體試驗臺需要選取電荷放大器對力信號進行放大和濾波處理。本同步器試驗臺選擇的是江蘇聯能 YE5852B電荷放大器。江蘇聯能 YE5852B電荷放大器具有良好的隔離性能，且集成度高、噪聲低、精度高，內設多擋高低通濾波器，支持電荷、電壓和IEPE多種輸入[6]。

2.2 測控系統的軟件實現

本試驗臺的控制程序采用 LabVIEW 軟件編寫。LabVIEW是由美國國家儀器公司National Instruments開發的，是一種圖形化虛擬技術開發平臺。LabVIEW 是一種用圖標代替文本行創建應用程序的圖形化編程語言[7]，由前面板和后面板組成，具有技術集成化高、開發簡便、性能擴充性好等優點。

本同步器單體試驗臺測控軟件系統主要由系統登陸模塊、試驗人員管理模塊，參數設置模塊、測試模塊、數據查詢模塊等組成。參數設置模塊是配置同步器性能試驗的運行參數。測試模塊可以對變頻電機和換擋執行機構進行自動控制并對各種試驗參數進行采集[8]。圖3為測控系統軟件總體設計方案。以下重點介紹試驗人員管理、力測試系統、數據存儲的軟件系統程序設計。

試驗人員管理程序如圖4所示。試驗人員管理模塊的程序使用數據庫函數，while循環里面嵌套了條件結構，只有條件滿足時才執行條件結構里面的事件結構程序。

圖3 測控系統軟件總體設計方案Fig.3 The overall design of the software of the measurement and control system

同步器試驗臺測控系統的力測試系統子程序如圖5所示。該程序首先設置數據采集卡的通道和輸入電壓范圍，再將數據讀取出來。將讀取的電壓值換算成工程量單位的數據，同時存入數組中。程序中0通道存入采集到的換擋力信號數據，1通道存入采集到的軸向力數據，2通道存入采集到的扭力數據[6]。

同步器單體試驗臺測控系統的數據存儲程序如圖6所示。該程序首先將采集的試驗數據進行捆綁，形成一個一維數組，然后在數據的開頭加入序號和測試時間等信息，統一存入一個簇中，并連接數據庫，打開相應的數據庫，獲取表頭，新建表格，將這個簇存入新建的表格中。程序運行結束后會斷開與數據庫的連接[6]。

圖4 試驗人員管理程序Fig.4 Test personnel management program

圖5 力測試系統子程序Fig.5 Force test system’s subroutine

圖6 數據存儲程序Fig.6 Data storage program

3 同步器性能試驗

一個同步環的試驗一般分為3個部分：首先進行磨合試驗，增加齒環摩擦面的接觸面積，便于發揮出最好的性能；之后進行相關的性能試驗，性能試驗的每次曲線數據要進行保存，便于以后分析和展示，性能試驗期間可以根據試驗要求進行相關的加強試驗等；最后進行正常工況下的疲勞試驗，一般進行10 萬次，結束后將試驗結果匯總成一條趨勢曲線，便于分析。

該同步器單體試驗臺系統監控界面通過“同步器單體試驗臺測控系統”軟件可以對系統中的數據進行全面的監控，如圖7所示。界面最左面是一系列同步器性能試驗時需要的各種功能按鈕，如“試驗設置”、“參數設置”、“數據處理”、“初始標定”、“生成報表”、“鎖定”等功能按鍵。“數據處理”和“生成報表”是為了試驗后期對采集數據進行自動處理和保存，方便給測試試驗提供數據借鑒。

在試驗準備初期，要首先對試驗中使用的傳感器進行標定和對機械手選換擋軸進行位置標定。“初始標定”功能鍵很好地簡化了標定工作的繁瑣步驟，滿足了前期準備的要求。關于中間的監控圖表，系統可以監控6個量，即選擋力、換擋力、選擋位移、換擋位移、同步轉速、扭矩。界面右側是試驗臺檢測部分，輸入與輸出轉速由旋轉編碼器測量，扭矩為同步過程中產生的扭矩。最右側測試界面還有“啟動” “停車” “開始試驗” “停止試驗”等按鍵，可以對試驗過程進行人為的干涉，在一定程度上也起到了保護的作用。

圖7 同步器單體試驗臺測控系統界面Fig.7 Measurement and control system interface of a single test bed

4 試驗結果分析

為了驗證同步器單體試驗臺在換擋過程中模擬人工換擋作業的實際效果，選取一段3擋換2擋過程的換擋力動態特性曲線，如圖8所示。由圖中可以清晰地看到換擋過程中各個運動階段的換擋力變化：

1～2 s為摘擋階段，在此階段里換擋執行機構需要克服同步壓簧施加的鎖止力、撥叉軸的自鎖力使結合套與同步環分離。因此，換擋力F1出現了小幅度的升高。摘擋動作結束以后，換擋力又降低到平衡數值范圍內。

2～3 s為同步階段，換擋執行機構施加換擋力使結合套推動其他部件向目標擋位的軸向運動，直到同步環和結合齒圈接觸，此階段需借助摩擦力的作用使轉速不同的兩部件逐漸減小速度差。此階段換擋力會進行大幅度的增加[9]。同步環、結合齒圈轉速達到同步以后，因為撥環力矩的作用使同步環與結合套內齒圈嚙合進入結合套內部，所以換擋力又迅速地減小。

3～5 s為結合齒圈和結合套的嚙合階段，因為兩者存在細微的轉速差使結合套的內齒與結合齒圈的齒斜面接觸時會出現輕微的沖擊，所以此階段開始時換擋力會有一個小幅度的急升。最后結合套和結合齒圈相嚙合，擋位的轉換結束，換擋力趨于平穩并歸零。

根據試驗數據分析可知：同步器單體試驗臺在實際操作運用中滿足了試驗操作要求，成功模仿出人工換擋各個階段的換擋力變化過程。

圖8 換擋力動態特性曲線Fig.8 Dynamic characteristic curve of shifting force

5 結束語

主要闡述基于LabVIEW的同步器單體試驗臺測控系統研發情況，詳細闡述了試驗臺的機械總體結構設計和測控系統軟硬件設計過程。該同步器單體試驗臺的優點是結構簡單、操作簡便、效率較高，一次安裝就能完成相鄰兩擋同步環的測試， 能對不同類型的同步器產品進行測試，并將采集到的試驗數據進行簡單的數據分析，完成同步器性能測試試驗，有較為廣闊的應用前景。

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(責任編輯 劉 舸)

Research and Development of Measurement and Control System Based on LabVIEW for the Single Test Bench of the Synchronous Machine

MI Lin, ZHOU Huan，TAN Wei

(College of Vehicle Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

According to the testing requirements of a gear manufacturer to the synchronization device, the paper designed a performance test bed. The general structure design, measurement and control system design and program design of the mechanical system of the test bed are introduced. With industrial control computer as the core, through the PLC control inverter to change the drive motor’s speed, the development of the virtual instrument was based on LabVIEW control system of the synchronization of the single test bench. Only if the test platform runs normally, the test precision is high, the real-time performance is strong, and the test performance is safe and stable, it can finish the performance test of the synchronous machine. The LabVIEW software improves the intelligence and automation level of the performance test system and provides a simple and easy method for the performance test of the synchronous machine.

synchronizer;test-bed;measurement and control system;LabVIEW

2016-09-18 基金項目：重慶理工大學科研啟動基金資助項目(2015ZD06)

米林(1964—)，男，重慶人，博士，教授，主要從事機電測控方面的研究，E-mail:linmi@cqut.edu.cn。

米林，周歡，譚偉.基于LabVIEW的同步器單體試驗臺測控系統研發[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(2):7-13.

format：MI Lin, ZHOU Huan，TAN Wei.Research and Development of Measurement and Control System Based on LabVIEW for the Single Test Bench of the Synchronous Machine[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(2):7-13.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.02.002

U463.212+.41

A

1674-8425(2017)02-0007-07