機(jī)械式變速器換擋性能試驗臺架設(shè)計

王晶晶，張向奎，李文禮

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶 406620； 2.中國長安汽車集團(tuán)股份有限公司重慶青山工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 402776； 3.重慶理工大學(xué)汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054)

目前用戶對駕駛舒適性體驗的要求越來越高，變速器換擋性能是研發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，通過試驗對換擋性能進(jìn)行檢測、評價，可以對變速器出廠質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，降低研發(fā)成本。結(jié)合某企業(yè)開發(fā)需求，利用自動換擋機(jī)構(gòu)代替人工手動進(jìn)行換擋操作，避免人為主觀的影響，確保測試結(jié)果的可靠性，實時采集換擋過程中的各項性能指標(biāo)：選換擋力、選換擋位移、輸入及輸出端轉(zhuǎn)速等試驗數(shù)據(jù)，對采集的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、評價，為變速器換擋性能評價體系的建立提供客觀準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗臺總體設(shè)計

隨著汽車零部件檢測技術(shù)的快速發(fā)展，國家和汽車行業(yè)基本每年都會出臺一些有關(guān)變速器換擋性能試驗臺的試驗方法，為試驗臺的研制提供可以參考的標(biāo)準(zhǔn)。試驗臺由兩大部分組成：硬件部分和軟件部分，硬件部分可劃分為三大模塊：動力驅(qū)動模塊、換擋執(zhí)行模塊、計算機(jī)測控模塊。為了減少人工操作導(dǎo)致的誤差，提高試驗結(jié)果的精確度，試驗臺需配置自動換擋機(jī)構(gòu)替代人工手動進(jìn)行換擋操作，將換擋過程實現(xiàn)完全自動化。

該試驗臺架具備以下功能：(1)自動控制換擋過程；(2)自動記錄、存儲各傳感器采集的參數(shù)；(3)自動控制換擋時的變速器輸入軸轉(zhuǎn)速。試驗臺控制系統(tǒng)總體方案如圖1所示，試驗臺采用研華IPC-610H工控機(jī)加Schneider M258型PLC作為控制級，工控機(jī)負(fù)責(zé)整個信號的采集，并控制PLC實現(xiàn)變速器的自動換擋等功能，二者通過Ethernet通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；選換擋自動執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用交流伺服電機(jī)作為動力源；變頻器調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)為被測變速器提供轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速；慣性飛輪組模擬輸出慣量；PLC和變頻驅(qū)動器以及交流伺服驅(qū)動器之間的各路控制信號通過Canopen總線進(jìn)行通訊；數(shù)據(jù)采集單元實時采集各傳感器信號，并送入工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理操作。

試驗臺由動力驅(qū)動模塊、換擋執(zhí)行模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及其他輔助設(shè)備組成，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。驅(qū)動電機(jī)是整個試驗臺的主要運(yùn)動部件之一，變頻器調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)模擬汽車車輪在實際工況下的轉(zhuǎn)速。按照一定的設(shè)計原則，換擋操縱機(jī)構(gòu)布置為龍門式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，交流伺服電機(jī)作為換擋操縱機(jī)構(gòu)的動力源，在選檔方向和換擋方向各固定一個伺服電機(jī)，換擋時根據(jù)工控機(jī)發(fā)出的指令，按照給定的速度自動地進(jìn)行選換擋操作。

圖1 試驗臺測控系統(tǒng)框圖

圖2 試驗臺機(jī)械結(jié)構(gòu)

按照車輛的實際安裝方式，將變速器的輸入端與離合器相連接。為了簡化試驗系統(tǒng)，試驗臺采用的是反拖驅(qū)動方式，只需要將離合器從動片作為輸入端慣量模擬裝置與變速器聯(lián)接；變速器輸出端連接由交流電機(jī)和飛輪盤組成的整車慣量模擬裝置[1]。飛輪箱模擬汽車行駛過程中的轉(zhuǎn)動慣量，安裝有溫度傳感器，以對其溫度進(jìn)行實施監(jiān)控，在變速器輸入軸、輸出軸安裝轉(zhuǎn)速扭矩傳感器，測量其在換擋過程中轉(zhuǎn)速扭矩的實時變化。

2 自動換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖3 自動換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)實物圖

自動換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由三個執(zhí)行器實現(xiàn)X、Y、Z軸的合成運(yùn)動，換擋執(zhí)行模塊由驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)三個部分組成[2]。目前行業(yè)內(nèi)廣泛采用的換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式有氣動、液壓以及電動三種，電動系統(tǒng)定位精度高、反應(yīng)速度快，缺點是沒有緩沖；氣動系統(tǒng)可以實現(xiàn)快速直線循環(huán)運(yùn)動，緩沖性較好，缺點是不易獲得均勻、平穩(wěn)的運(yùn)動速度；液壓驅(qū)動可以實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速、工作平穩(wěn)，存在容易漏油、傳動效率低等缺點[3-4]。結(jié)合三種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，試驗臺采用混合驅(qū)動方式，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電動驅(qū)動，對換擋球頭的抓取操作采用氣動驅(qū)動。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是龍門式的構(gòu)造，其實物圖如3所示。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由以下幾部分組成：(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動力源——伺服電機(jī)；(2)采集選、換擋位移傳感器——直線位移傳感器；(3)采集換擋力傳感器——力傳感器；(4)保護(hù)裝置——選、換擋漸進(jìn)開關(guān)。

為保證換擋的穩(wěn)定性以及安全性，在選檔方向和換擋方向都有安裝漸進(jìn)開關(guān)，防止誤操作時發(fā)生實驗事故。從圖4可以看出，換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)在執(zhí)行換擋操作時和實際工況下駕駛員手動換擋的步驟是一樣的，即先選檔，再換擋[5]。工控機(jī)發(fā)出換擋指令后，換擋球頭氣缸向下伸展，抓住換擋球頭，伺服電機(jī)控制器控制選檔伺服電機(jī)直接驅(qū)動選檔桿(左、右)運(yùn)動，帶動與選檔桿相連接的選檔拉索運(yùn)動，實現(xiàn)對目標(biāo)檔位的選擇，選檔過程完成后，選檔伺服電機(jī)停止運(yùn)動。換擋過程與選檔過程類似，換擋桿(前、后)運(yùn)動，在換擋伺服電機(jī)的驅(qū)動下帶動與之相連的換擋拉索運(yùn)動，掛入目標(biāo)檔位。最后換擋球頭氣缸向上縮進(jìn)，放開換擋球頭。至此，換擋過程完成。以氣動驅(qū)動方式對換擋球頭的抓、放操作真實的再現(xiàn)了實際工況下人體手臂的柔性操作，有效防止了跳檔現(xiàn)象的產(chǎn)生。以伺服電機(jī)代替人手作為換擋的驅(qū)動源，真正實現(xiàn)了機(jī)械式變速器換擋過程的自動化[6]。

圖4 換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作流程

3 試驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗臺測控模塊主要由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集、傳感器以及通訊路線組成，工控機(jī)選用研華IPC-610H工控機(jī)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是機(jī)械式變速器換擋性能試驗臺重要的組成部分，采集系統(tǒng)框架如圖5所示。CL-BY型電阻應(yīng)變式力傳感器和GEFRAN LTC-300型位移傳感器獲得的模擬量信號通過濾波模塊輸入給采集卡NI9205，三晶JN338型轉(zhuǎn)速扭矩傳感器獲得的扭矩初始信號為應(yīng)變信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后為頻率信號，頻率信號經(jīng)過F/V轉(zhuǎn)換模塊后成為電壓信號接入NI9205采集卡，轉(zhuǎn)速頻率信號經(jīng)過F/V轉(zhuǎn)換模塊后成為電壓信號。

圖5 數(shù)據(jù)采集路線

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的是虛擬儀器和數(shù)據(jù)采集箱的試驗方案，該方案具有以下優(yōu)點：硬件集成度高；擁有豐富的軟件模塊包，適合進(jìn)行二次開發(fā)等功能；自動化程度高，能夠建立起高精度、低成本的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖6)[7]。

4 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

本實驗臺測試系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)監(jiān)測軟件和下位機(jī)控制軟件，上位機(jī)軟件選擇的是C#語言，C#語言以其大的操作能力和便捷的面向組件編程成為.NET技術(shù)開發(fā)平臺的首選語言。下位機(jī)軟件由Schneider TM258LF42DT型PLC開發(fā)，下位機(jī)控制軟件主要負(fù)責(zé)變頻器、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及各種開關(guān)量的控制，是現(xiàn)場控制的核心部分[1]。

試驗臺監(jiān)測軟件分為三個模塊：參數(shù)設(shè)置、手動換擋、自動換擋。軟件具備的功能有：數(shù)據(jù)測試及保存、報警保護(hù)機(jī)制、試驗過程和工況參數(shù)設(shè)置、打印報表、報警參數(shù)的管理，具體功能劃分如圖7所示。

圖7 監(jiān)控軟件框圖

系統(tǒng)主界面應(yīng)以簡潔、美觀、人機(jī)友好為原則，包含軟件運(yùn)行時的主要信息，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)主界面

圖9 變速器換檔性能試驗臺

5 試驗數(shù)據(jù)分析

將變速器換擋性能試驗臺機(jī)械部分搭建好后，安裝待測變速器及換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)，試驗臺架整體實物圖如圖9所示。

試驗流程包括三個階段：試驗準(zhǔn)備、參數(shù)測量、后期試驗數(shù)據(jù)分析。試驗的前期準(zhǔn)備包括傳感器的標(biāo)定、磨合試驗、檔位標(biāo)定，以確保達(dá)到試驗臺的檢測精度要求；參數(shù)測量的主要工作是在工況參數(shù)和循環(huán)次數(shù)設(shè)定之后可以自動控制試驗臺的啟停、各信號的采集、自動換擋、報警功能、數(shù)據(jù)顯示等；后期試驗數(shù)據(jù)分析是對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行自動處理、保存，為用戶提供數(shù)據(jù)管理等功能。

為了驗證試驗臺的可靠性，選用某型號的汽車機(jī)械式變速器進(jìn)行多次換擋性能試驗，由于換擋過程基本一致，所以選用二檔換三檔的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗結(jié)果如圖10～圖12。

圖10 換擋性能曲線

圖11 換擋力—時間曲線

圖12 換擋力—換擋位移曲線

由圖10可以看出，變速器輸出端轉(zhuǎn)速基本沒有變化，很好地模擬了車輛在換檔過程中由于動力中斷、機(jī)械飛輪的慣量使得車速基本不發(fā)生變化的狀況；輸入端轉(zhuǎn)速先降低后升高，穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下，這是因為在換擋過程中，同步器結(jié)合套分離，動力中斷，由于變速器轉(zhuǎn)動慣量較小，故轉(zhuǎn)速降低得很快，當(dāng)同步器重新結(jié)合，動力恢復(fù)傳遞，轉(zhuǎn)速升高。

結(jié)合圖11和圖12中曲線可知，在換擋過程中，換擋力曲線出現(xiàn)兩個波峰，這是因為同步器在分離和結(jié)合過程中會產(chǎn)生二次沖擊，它出現(xiàn)在接合套與接合齒圈嚙合時，二次沖擊會導(dǎo)致駕駛員有頓挫感，對于換擋舒適性有重要影響，行業(yè)內(nèi)一般認(rèn)為二次沖擊若不大于最大換擋力的50%，駕駛員主觀上幾乎感覺不到。

6 結(jié)語

通過分析被試變速器的換擋性能曲線可知，試驗臺運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，試驗結(jié)果符合理論分析。根據(jù)測試結(jié)果能夠評定出被試變速器換擋性能的優(yōu)劣，這表明本文設(shè)計的試驗臺能夠真實地模擬機(jī)械式變速器的實際運(yùn)行工況，為變速器換擋性能的評價提供客觀數(shù)據(jù)支撐。

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