機械式變速器換擋性能評價系統(tǒng)軟件開發(fā)

王晶晶，張向奎，李文禮

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

隨著我國汽車保有量的持續(xù)增長，商家為爭取更大的市場占有率，必須高度重視汽車性能和質量，因此需要對產(chǎn)品進一步優(yōu)化和提升。在汽車各零部件中，變速器性能的好壞直接影響其動力性、燃油經(jīng)濟性、操作可靠性及換擋平順性[1]。隨著用戶對車輛駕駛舒適性要求越來越高，變速器換擋性能的檢測是研發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，通過試驗對換擋性能的考核、評價，可以對變速器出廠質量進行把關，降低研發(fā)成本。

1 換擋性能評價指標分析

目前國內(nèi)外對于換擋性能的評價指標并沒有統(tǒng)一的標準，一般包括換擋時間、換擋力、換擋行程、力變率、力與行程關系、拉索效率等。本文參考相關資料和行業(yè)標準提出以同步時間、選換擋力、力與行程的線性關系、力變率作為機械式變速器換擋性能評價指標。

1.1 同步時間t

同步時間是體現(xiàn)換擋性能的主要綜合指標之一。同步時間是指變速箱輸入端與輸出端轉速差逐步減少并最終達到轉速差為零的這段時間，從圖1中可以看出，同步時間開始時刻位于換擋過程中換擋位移的斜率突然減小的時刻，結束的時刻位于換擋過程中換擋位移的斜率突然增大的時刻[2]。

換擋時間從換擋位移開始變化，也就是換擋操縱桿開始移動，到換擋位移不再變化，即已換入目標檔位。換擋過程中使用最小的換擋力實現(xiàn)最短的同步時間可以提升駕駛員的換擋舒適度，因此選擇同步時間作為舒適度評價指標。

1.2 最大換擋力Fmax

最大換擋力是對換擋性能評價過程中最直接的性能指標。從人體的主觀感受上來說，操縱力值越小越好，但如果操縱力值過小，在換擋操作時人體就不能通過力來感知換擋操作的實時狀態(tài)，反而會影響換擋舒適性。因此在換擋操作的過程中，操縱力與最佳力值范圍的差值不能太大[3-4]。

1.3 同步?jīng)_量I

實際換擋過程中，在相同沖量下駕駛員通過換擋操縱桿施加在同步器上的推力和同步時間成反比關系，因此單純用同步時間和換擋力評價換擋性能優(yōu)劣的說服力不夠[2]。同步?jīng)_量不隨駕駛員特性變化而變化，是換擋系統(tǒng)所固有的特性，沖量值越小，換擋性能越好。

1.4 力與行程的線性關系GL

根據(jù)GB/T14775-93操縱器一般人類工效學要求，為了確保系統(tǒng)輸出的準確性，人體在操作過程中，要求操作力與操作行程呈現(xiàn)出線性或近似線性關系，線性關系越好，換擋平順性越好，舒適度也越好[2]。

1.5 力變率Gc

力變率表示力隨著時間的變化程度，即力關于時間曲線的斜率。力變率大，力值波動就大，對人體的沖擊就越大，僅從力的大小來評價操作舒適性是不全面的。研究表明，人體在操作過程中，力變率太大或者太小都不適宜。力變率過大時，突變的力會對操縱者產(chǎn)生沖擊，影響操作舒適性；當力變率為零時，操縱者舒適性最好，但操縱者無法根據(jù)力的變化來分辨操作完成的狀態(tài)，所以力變率不能過小[5]。

2 換擋性能評價體系構建

結合上文對于評價指標分析，在查閱了相關資料以及在企業(yè)和專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)的基礎上，以關聯(lián)矩陣法對各指標進行權重的計算，給出各評價等級的評分標準。

指標權重計算方法為[6]：

(l)對于同一層次的兩個指標，以兩兩對比的方式對其重要性進行對比。比如對同步時間和力變率的重要性進行比較，從換擋舒適性的角度來說，力變率相對于同步時間對換擋性能的優(yōu)劣有更大影響，因此同步時間賦值為0.5，力變率賦值為1，依此類推。

(2)將每個評價指標的得分相加，計算出累計得分，以其累計得分除以所有指標總得分，即可計算出該評價指標的權重值(表1)。

表1 換檔性能各指標權重

(3)結合企業(yè)對各指標的測試數(shù)據(jù)和駕駛員主觀評價(表2)，并參考相關資料中的設計和優(yōu)化值，確定各指標的評價等級及其對應分數(shù)(表3)。

表2 評價標準劃分表

表3 評價等級對應分數(shù)表

表4 操作舒適性評價等級對應表

最后根據(jù)各指標的權重wi與其對應的評分Ri，即可計算中總評分R：

(1)

參照表4即可完成對被試變速器換檔品質的評價[7]。

3 換擋性能評價軟件設計

評價軟件的設計選擇以LabVIEW和LabWindows/CVI作為編程語言，其中LabVIEW以圖形化的G語言進行編寫，產(chǎn)生的是框圖式的程序結構，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)測試、分析、自動化控制等功能[8]。LabWindows/CVI是NI推出的交互式C語言開發(fā)平臺，產(chǎn)生的是基于文本的程序代碼。

在數(shù)據(jù)分析處理方面，LabVIEW提供了豐富的庫函數(shù)，直觀、簡潔，但LabVIEW框圖式的程序結構不利于復雜數(shù)學公式的編寫，LabWindows/CVI文本語言式的程序代碼正好彌補了LabVIEW的不足。

3.1 軟件總體設計方案

換擋性能評價軟件應用流程為：先選擇評價對象，并對其權重參數(shù)進行設置，輸入符合條件的換擋性能試驗數(shù)據(jù)，在評價軟件界面以曲線形式顯示，通過游標截取相關波段，對截取波段進行數(shù)據(jù)處理，顯示評價結果。

評價系統(tǒng)的軟件設計包括三個模塊：對換擋性能試驗臺采集數(shù)據(jù)的回放、對截取波形的數(shù)據(jù)處理以及對歷史評價結果的查詢。

在LabVIEW中讀取Excle中的數(shù)據(jù)有多種方法，NI公司推出了一款方便用戶使用的Report Generation Toolkit工具包，考慮到工具包需要另外付費，本文采用ActiveX控件進行試驗數(shù)據(jù)的讀取，程序框圖如圖2所示。

在對換擋過程曲線進行截取的過程中，截取的波形需以數(shù)組的形式輸出，再對輸出的數(shù)組進行分析，計算出換擋性能總評分。因力與位移線性關系和力變率兩個指標的計算相對復雜，若用LabVIEW編寫會導致連線混亂，可讀性差，而采用文本語言Lab Windows/CVI編寫數(shù)學公式靈活、方便，且LabVIEW和LabWindows/CVI都是NI公司開發(fā)的，兩種語言可以很方便地實現(xiàn)通訊。利用LabVIEW提供的“調用庫函數(shù)節(jié)點”可以在LabVIEW中實現(xiàn)DLL的調用。對于其它評價指標的計算相對簡潔，均在LabVIEW中編寫完成，此處不再詳述。

3.2 各指標評價得分及評價等級計算

各指標評價得分的編寫方法類似，在這里只論述最大換擋力評價得分的編寫方法。根據(jù)換擋力評價等級劃分表將換擋力值分為5個條件判斷結果，并創(chuàng)建數(shù)組，將布爾數(shù)組轉換為數(shù)值輸入到條件結構，條件結構共6個分支分別對應6種情況，程序框圖如圖3所示。

上一節(jié)對各評價指標的得分進行了計算，根據(jù)公式(1)將各評價指標的得分進行相加可得到評價總得分，結合表4即可得出評價等級(圖4)。

換擋性能評價系統(tǒng)的評價結果回顧功能不僅便于與其它同類型的評價進行對比，也方便了變速器研發(fā)人員對評價結果的后續(xù)分析，其界面如圖5所示。

4 評價實例分析

由于各檔位在換擋性能測試過程中對換擋性能的指標要求是一致的，在此僅以四檔換三檔為例對換擋性能評價軟件的可靠性進行驗證。

從圖6可以看出，在換擋過程中共出現(xiàn)了三次峰值，峰值1是由于退檔開始時，換擋桿需要克服定位銷的自鎖阻力，換擋力增大；峰值2出現(xiàn)在換擋位移比較平穩(wěn)的區(qū)間，也即是同步區(qū)間，此時換擋阻力最大；峰值3出現(xiàn)在同步過程之后，由于轉速差消失，齒輪嚙合過程中出現(xiàn)的二次沖擊。

從評價結果可以看出，同步時間、最大換擋力、同步?jīng)_量以及力與位移線性關系均在比較理想的范圍之內(nèi)，只有力變率比較大，從而導致?lián)Q擋等級只有三級，換擋過程較不舒適，換擋性能一般。

5 總結

本文提出以同步時間、最大換擋力、同步?jīng)_量、力與位移線性關系、力變率作為換擋性能評價指標，以關聯(lián)矩陣法確定各指標權重，建立主客觀相結合的即以客觀試驗數(shù)據(jù)加主觀賦值方法為理論核心的換擋性能綜合評價系統(tǒng)，并以LabVIEW和Lab Windows/CVI為開發(fā)工具編寫換擋性能評價系統(tǒng)軟件。將變速器換擋性能試驗數(shù)據(jù)輸入到評價軟件，得到相應的評價等級，為機械式變速器換擋性能的檢測提供了參考依據(jù)。