直線電機(jī)選換擋試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)

費(fèi)明德 王建華 馬建清

摘 ?要：本文介紹了一種變速箱選換擋試驗(yàn)控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)直線電機(jī)分別推拉變速箱的選換擋軟軸，可實(shí)現(xiàn)對(duì)選換擋力、位移、速度等各項(xiàng)參數(shù)的精確、一致性控制，減少人為操作強(qiáng)度及誤差。試驗(yàn)系統(tǒng)可對(duì)變速箱的選換擋性能、壽命進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試和分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用該試驗(yàn)系統(tǒng)可更加高效、精確地滿足變速箱選換擋試驗(yàn)需求，同時(shí)對(duì)其他類(lèi)似產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)具有較好的適用性。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī);變速箱;選換擋;軟軸

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273.5 ?U467.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1005-2550（2020）05-0065-04

Abstract： This paper introduces a kind of gear selection and shifting test control system. The system can realize the accurate and consistent control of the gear selection and shifting force， displacement， speed and other parameters by pushing and pulling the gear selection and shifting soft shaft of the gearbox respectively by two linear motors， so as to reduce the artificial operation intensity and error. The test system can sample the performance and life of the gearbox and test and analyze it in real time. The test results show that the test system is more efficient and accurate to meet the needs of gear selection and shifting test， and has better applicability to the development of other similar products.

Key Words： Linear Motor; Gearbox; Gearshift; Flexible Shaft

1 ? ?前言

變速箱是汽車(chē)傳動(dòng)中的一個(gè)重要總成，其性能對(duì)整個(gè)車(chē)輛的動(dòng)力性、舒適性有重要影響。對(duì)變速箱的選換擋性能、壽命進(jìn)行測(cè)試和分析，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)，對(duì)縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和提高品質(zhì)有重要意義。汽車(chē)變速箱選換擋試驗(yàn)臺(tái)是汽車(chē)生產(chǎn)廠家必不可少的試驗(yàn)設(shè)備之一。

由于每個(gè)操縱者的操縱習(xí)慣不同，人工選換擋所施加給換擋桿的力和速度都難以達(dá)到一致或規(guī)定的值，其選換擋時(shí)間的起始時(shí)刻與終止時(shí)刻都很難測(cè)量，這就使得試驗(yàn)條件很難符合車(chē)輛實(shí)際工況。所以一般采用氣動(dòng)、液動(dòng)或電動(dòng)控制方式代替人工進(jìn)行自動(dòng)選換擋操作，一方面符合試驗(yàn)中模擬實(shí)際工況的要求，另一方面能有效減少試驗(yàn)工作量。本試驗(yàn)臺(tái)采用了直線電機(jī)控制選換擋，可以調(diào)節(jié)選換擋的力、位移及速度等參數(shù)控制，可以有效消除人為因素的影響，提高試驗(yàn)的客觀性與準(zhǔn)確度。

2 ? ?試驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)

由于試驗(yàn)臺(tái)架及夾具要考慮到選換擋準(zhǔn)確的定位以及可適應(yīng)性，因此采用了“口”字形框架結(jié)構(gòu)，如圖1所示。兩直線電機(jī)成垂直平放，通過(guò)一個(gè)萬(wàn)向支座固定于框架上，使直線電機(jī)在左右和上下方向上有二個(gè)自由度。兩個(gè)直線電機(jī)的動(dòng)子則通過(guò)一個(gè)緊固夾具固定在換擋桿上。汽車(chē)操縱器操縱軟軸，帶動(dòng)選換擋搖臂，進(jìn)行選換擋。在其中一個(gè)直線電機(jī)進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，另外一個(gè)直線電機(jī)則通過(guò)萬(wàn)向支座進(jìn)行前后、左右、上下的隨動(dòng)，這樣兩直線電機(jī)之間就不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械干涉現(xiàn)象。

本試驗(yàn)臺(tái)架相對(duì)于其它同類(lèi)試驗(yàn)設(shè)備有以下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需復(fù)雜的選換擋機(jī)械手;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)精巧簡(jiǎn)單，組裝調(diào)整方便，結(jié)構(gòu)緊湊，通用性好，成本低，易于推廣;行程大，控制精度高，能適用各種變速箱要求。

3 ? ?直線電機(jī)調(diào)試

直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)節(jié)和控制，無(wú)需絲杠等將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，因此有非常高的速度和加減速度。用直線電機(jī)控制選換擋，相較同類(lèi)的試驗(yàn)臺(tái)，具有高速、高加減速度、無(wú)需氣動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)源等優(yōu)勢(shì)。

直線電機(jī)是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要作用是通過(guò)模擬汽車(chē)駕駛員的選換擋動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)變速箱的選換擋動(dòng)作操控。通過(guò)直線電機(jī)的電流環(huán)Cp、Ci和速度環(huán)Vp、Vi及位移環(huán)Pp、Aff、Vff等參數(shù)大小的調(diào)節(jié)，在動(dòng)作上模擬人類(lèi)操縱選換擋的柔順性和快速性，滿足汽車(chē)選換擋的運(yùn)動(dòng)要求，實(shí)現(xiàn)選換擋任意位置的準(zhǔn)確定位。同時(shí)，也具有行程調(diào)整方便，振動(dòng)噪聲小，重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

在本試驗(yàn)臺(tái)中，直線電機(jī)選用Dunkermotoren的STA2510-309-S型，其主要技術(shù)指標(biāo)為瞬間最大推力為780N，連續(xù)保持推力為102.4N，行程位移為309mm，位移分辨率為12.5um，最大速度可達(dá)4.2m/s，峰值加速度為586m/s。它內(nèi)置增量式編碼器和電流傳感器，無(wú)需外接位移傳感器和拉壓力傳感器，簡(jiǎn)化了機(jī)械臺(tái)體。同時(shí)直線電機(jī)無(wú)需潤(rùn)滑內(nèi)置軸承，壽命遠(yuǎn)長(zhǎng)于滾珠絲杠。驅(qū)動(dòng)器則選用Copley公司的XTL230-36S。

直線電機(jī)應(yīng)用的一個(gè)重點(diǎn)是PID的調(diào)試。Copley公司為直線電機(jī)提供了PID調(diào)試程序CME2。直線電機(jī)有三重閉環(huán)控制環(huán)路，由里到外分別是電流環(huán)、速度環(huán)和位移環(huán)。三個(gè)環(huán)路的PID調(diào)試好壞與否，直接影響系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。如果PID參數(shù)調(diào)試不好，會(huì)嚴(yán)重影響直線電機(jī)的定位精度，甚至可能出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象而不能正常運(yùn)行。常規(guī)調(diào)試直線電機(jī)PID參數(shù)時(shí)，先電流環(huán)，再速度環(huán)，后位移環(huán)。一般先用電流環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)Auto Tune功能整定電流環(huán)PID。但在掛擋過(guò)程中，由于齒套先經(jīng)過(guò)一段空行程，再和同步環(huán)接觸摩擦，然后和結(jié)合齒結(jié)合，最后再經(jīng)過(guò)一段空行程完成掛擋。在此過(guò)程中換擋負(fù)載變化非常大。故在調(diào)試好電流環(huán)后，建議將直線電機(jī)在位移環(huán)下運(yùn)行，微調(diào)速度環(huán)Vp和Vi。一般降低Vp，少量增加Vi，直到電機(jī)在位移環(huán)中不發(fā)生振動(dòng)，然后再調(diào)整位移環(huán)的Pp減少定位誤差。一般地，速度前饋Vff選用默認(rèn)值16384。在調(diào)試過(guò)程中，如果怎么都調(diào)試不好PID，有可能是換擋負(fù)載變化太大，直線電機(jī)的推力余量不夠所致。另外，調(diào)試PID時(shí)，各機(jī)械連接部分必須牢固，不允許出現(xiàn)松動(dòng)現(xiàn)象;而且，機(jī)械臺(tái)體必須穩(wěn)固。這些，都可能影響直線電機(jī)的PID正常調(diào)試。

4 ? ?測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)是整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的核心，根據(jù)變速箱選換擋試驗(yàn)的特點(diǎn)和運(yùn)行需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了配套的測(cè)控系統(tǒng)，其測(cè)控系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。測(cè)控系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)USB端口通過(guò)研華USB4604BM 4端口RS-232轉(zhuǎn)換器與Copley XTL230-36進(jìn)行串口通訊，2個(gè)Copley驅(qū)動(dòng)器分別控制選擋直線電機(jī)和換擋直線電機(jī)。在執(zhí)行選換擋動(dòng)作時(shí)，二直線電機(jī)必須一個(gè)使能，另一個(gè)失能，以免產(chǎn)生電氣干涉。二直線電機(jī)的動(dòng)子一端共同連接于換擋桿上，換擋桿操縱軟軸，軟軸操縱變速箱選擋搖臂和換擋搖臂，進(jìn)行選換擋動(dòng)作。串口的操作采用Microsoft公司提供的簡(jiǎn)化Windows下串行通信編程的ActiveX控件MSComm，它是Windows API函數(shù)的有機(jī)集成，在串口編程時(shí)非常方便。通過(guò)對(duì)此控件的屬性和事件編程，就可通過(guò)串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)。

變速箱的擋位變化由換擋桿在“口”字形框架內(nèi)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，單“H”型選換擋位置如圖3所示：

開(kāi)始試驗(yàn)前，需要對(duì)變速箱各個(gè)擋位的選換擋位置進(jìn)行標(biāo)定紀(jì)錄。手動(dòng)選擋和換擋，紀(jì)錄下各個(gè)擋位對(duì)應(yīng)的選擋位置和換擋位置，其數(shù)據(jù)紀(jì)錄于一個(gè)二維數(shù)組中dis[gear，num]，gear擋位為圖3所示的1、2、3、4、5擋;而num為1時(shí)表示選擋位置，2表示掛擋位置，3表示退擋位置。試驗(yàn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)查詢(xún)二維數(shù)組，快速準(zhǔn)確的模擬人工選換擋定位。很容易知道，本系統(tǒng)對(duì)雙“H”型變速箱同樣適用。

5 ? ?系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)中的控制程序是基于windowsXP系統(tǒng)下進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用Delphi語(yǔ)言編寫(xiě)。依據(jù)《QC/T568-1999 汽車(chē)機(jī)械變速器臺(tái)架試驗(yàn)方法》測(cè)試要求，控制程序主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

（1）通過(guò)RS232串口，向Copley XTL230-36S發(fā)送指令，控制選換擋的力、速度，精確控制選換擋行程。其中選換擋定位控制精度在0.1mm以?xún)?nèi)，選換擋速度最大可達(dá)0.85m/s。

（2）對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的選擋不到位、掛擋不到位及退擋不到位，系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行并彈出對(duì)話框，提醒試驗(yàn)人員注意。

（3）試驗(yàn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232串口實(shí)時(shí)讀取驅(qū)動(dòng)器中直線電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，如選換擋力、速度、位移，并將數(shù)據(jù)保存于文件流中。

（4）采用第三方iPlot繪圖控件，實(shí)時(shí)繪制選換擋力、速度、位移曲線，并可以此進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（5）對(duì)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)可進(jìn)行曲線回放、分析與打印。

整個(gè)程序軟件控制流程框圖如圖4所示：

程序?qū)崿F(xiàn)的其余功能還有：

（1）為方便用戶(hù)編輯動(dòng)作，軟件將變速箱選換擋分解為退擋、選擋、掛擋三個(gè)動(dòng)作模塊，用數(shù)字代表?yè)跷粨Q擋動(dòng)作。以6擋箱為例，選擋位置從左到右三個(gè)位置依次是A、B、C，見(jiàn)圖3。如用戶(hù)設(shè)定5→3→2，就執(zhí)行如下動(dòng)作：退擋5→選擋B→掛擋3→退擋3→選擋A→掛擋2→退擋2→選擋C→掛擋5→計(jì)數(shù)→退擋5，如此動(dòng)作循環(huán)到動(dòng)作設(shè)定次數(shù)后，自動(dòng)停機(jī)運(yùn)行。本試驗(yàn)系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)單向換擋和相鄰兩擋間的交替換擋，也可實(shí)現(xiàn)多擋位間的跨擋換擋。這種由用戶(hù)自由的簡(jiǎn)單編程方法，極大的方便了用戶(hù)的應(yīng)用。

（2）在退擋、選擋及掛擋之間，軟件有互鎖功能，避免電氣干涉。在自動(dòng)方式下，必須預(yù)先在參數(shù)設(shè)定界面設(shè)定如下參數(shù)：掛擋時(shí)間、選擋時(shí)間、掛擋延時(shí)時(shí)間、退擋延時(shí)時(shí)間和動(dòng)作次數(shù)設(shè)定。時(shí)間參數(shù)的設(shè)置，方便試驗(yàn)人員在變速箱換擋齒輪齒端沖擊磨損試驗(yàn)及同步器性能和壽命試驗(yàn)中控制換擋頻率。本選換擋試驗(yàn)系統(tǒng)極限換擋頻率可達(dá)20次/min。

6 ? ?結(jié)論

直線電機(jī)式選換擋試驗(yàn)臺(tái)是機(jī)電一體化、自動(dòng)控制、汽車(chē)工程學(xué)等學(xué)科交叉應(yīng)用的自動(dòng)化設(shè)備，該試驗(yàn)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某試驗(yàn)室中。該試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械部分設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、成本低，便于維護(hù)和保養(yǎng);選換擋定位精度高，選換擋速度可控可調(diào)，通用性好，可實(shí)現(xiàn)任意擋位間的切換。試驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間、高重復(fù)性的完成選換擋試驗(yàn)，試驗(yàn)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。它對(duì)提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、縮短試驗(yàn)周期具有重要的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)，本試驗(yàn)臺(tái)無(wú)需多加改動(dòng)，也可進(jìn)行軟軸總成耐久性試驗(yàn)、換擋器疲勞壽命試驗(yàn)及換擋桿疲勞壽命試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)多用的目的。將直線電機(jī)應(yīng)用于變速箱選換擋試驗(yàn)中，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。但本試驗(yàn)系統(tǒng)中的直線電機(jī)是通過(guò)串口控制的，雖減少了外接傳感器的麻煩，但存在采樣速率低的問(wèn)題;同時(shí)直線電機(jī)動(dòng)子是磁性材料，易于吸附金屬粉塵，要求使用環(huán)境必須潔凈，這二點(diǎn)在應(yīng)用中是必須注意的。

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