直線電機選換擋試驗臺的開發

費明德 王建華 馬建清

摘 ?要：本文介紹了一種變速箱選換擋試驗控制系統，本系統通過兩個直線電機分別推拉變速箱的選換擋軟軸，可實現對選換擋力、位移、速度等各項參數的精確、一致性控制，減少人為操作強度及誤差。試驗系統可對變速箱的選換擋性能、壽命進行數據采樣同時進行實時測試和分析。試驗結果表明：采用該試驗系統可更加高效、精確地滿足變速箱選換擋試驗需求，同時對其他類似產品的開發具有較好的適用性。

關鍵詞：直線電機;變速箱;選換擋;軟軸

中圖分類號：TP273.5 ?U467.3 ?文獻標識碼：A ?文章編號：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

變速箱是汽車傳動中的一個重要總成，其性能對整個車輛的動力性、舒適性有重要影響。對變速箱的選換擋性能、壽命進行測試和分析，為產品設計提供可靠的科學數據，對縮短產品的開發周期和提高品質有重要意義。汽車變速箱選換擋試驗臺是汽車生產廠家必不可少的試驗設備之一。

由于每個操縱者的操縱習慣不同，人工選換擋所施加給換擋桿的力和速度都難以達到一致或規定的值，其選換擋時間的起始時刻與終止時刻都很難測量，這就使得試驗條件很難符合車輛實際工況。所以一般采用氣動、液動或電動控制方式代替人工進行自動選換擋操作，一方面符合試驗中模擬實際工況的要求，另一方面能有效減少試驗工作量。本試驗臺采用了直線電機控制選換擋，可以調節選換擋的力、位移及速度等參數控制，可以有效消除人為因素的影響，提高試驗的客觀性與準確度。

2 ? ?試驗臺架的設計

由于試驗臺架及夾具要考慮到選換擋準確的定位以及可適應性，因此采用了“口”字形框架結構，如圖1所示。兩直線電機成垂直平放，通過一個萬向支座固定于框架上，使直線電機在左右和上下方向上有二個自由度。兩個直線電機的動子則通過一個緊固夾具固定在換擋桿上。汽車操縱器操縱軟軸，帶動選換擋搖臂，進行選換擋。在其中一個直線電機進行前后運動時，另外一個直線電機則通過萬向支座進行前后、左右、上下的隨動，這樣兩直線電機之間就不會產生機械干涉現象。

本試驗臺架相對于其它同類試驗設備有以下優點：無需復雜的選換擋機械手;機構設計精巧簡單，組裝調整方便，結構緊湊，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 ? ?直線電機調試

直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動，而不需要任何中間轉換的傳動裝置。它具有結構簡單，易于調節和控制，無需絲杠等將旋轉運動轉換成直線運動，因此有非常高的速度和加減速度。用直線電機控制選換擋，相較同類的試驗臺，具有高速、高加減速度、無需氣動、液壓驅動源等優勢。

直線電機是整個試驗系統的關鍵執行機構，其主要作用是通過模擬汽車駕駛員的選換擋動作，實現對汽車變速箱的選換擋動作操控。通過直線電機的電流環Cp、Ci和速度環Vp、Vi及位移環Pp、Aff、Vff等參數大小的調節，在動作上模擬人類操縱選換擋的柔順性和快速性，滿足汽車選換擋的運動要求，實現選換擋任意位置的準確定位。同時，也具有行程調整方便，振動噪聲小，重復性好等優點。

在本試驗臺中，直線電機選用Dunkermotoren的STA2510-309-S型，其主要技術指標為瞬間最大推力為780N，連續保持推力為102.4N，行程位移為309mm，位移分辨率為12.5um，最大速度可達4.2m/s，峰值加速度為586m/s。它內置增量式編碼器和電流傳感器，無需外接位移傳感器和拉壓力傳感器，簡化了機械臺體。同時直線電機無需潤滑內置軸承，壽命遠長于滾珠絲杠。驅動器則選用Copley公司的XTL230-36S。

直線電機應用的一個重點是PID的調試。Copley公司為直線電機提供了PID調試程序CME2。直線電機有三重閉環控制環路，由里到外分別是電流環、速度環和位移環。三個環路的PID調試好壞與否，直接影響系統能否正常運行。如果PID參數調試不好，會嚴重影響直線電機的定位精度，甚至可能出現振動現象而不能正常運行。常規調試直線電機PID參數時，先電流環，再速度環，后位移環。一般先用電流環自動調節Auto Tune功能整定電流環PID。但在掛擋過程中，由于齒套先經過一段空行程，再和同步環接觸摩擦，然后和結合齒結合，最后再經過一段空行程完成掛擋。在此過程中換擋負載變化非常大。故在調試好電流環后，建議將直線電機在位移環下運行，微調速度環Vp和Vi。一般降低Vp，少量增加Vi，直到電機在位移環中不發生振動，然后再調整位移環的Pp減少定位誤差。一般地，速度前饋Vff選用默認值16384。在調試過程中，如果怎么都調試不好PID，有可能是換擋負載變化太大，直線電機的推力余量不夠所致。另外，調試PID時，各機械連接部分必須牢固，不允許出現松動現象;而且，機械臺體必須穩固。這些，都可能影響直線電機的PID正常調試。

4 ? ?測控系統設計

測控系統是整個試驗系統的核心，根據變速箱選換擋試驗的特點和運行需求，設計開發了配套的測控系統，其測控系統原理框圖如圖2所示。測控系統由計算機USB端口通過研華USB4604BM 4端口RS-232轉換器與Copley XTL230-36進行串口通訊，2個Copley驅動器分別控制選擋直線電機和換擋直線電機。在執行選換擋動作時，二直線電機必須一個使能，另一個失能，以免產生電氣干涉。二直線電機的動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，進行選換擋動作。串口的操作采用Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件MSComm，它是Windows API函數的有機集成，在串口編程時非常方便。通過對此控件的屬性和事件編程，就可通過串行接口收發數據。

變速箱的擋位變化由換擋桿在“口”字形框架內運動實現，單“H”型選換擋位置如圖3所示：

開始試驗前，需要對變速箱各個擋位的選換擋位置進行標定紀錄。手動選擋和換擋，紀錄下各個擋位對應的選擋位置和換擋位置，其數據紀錄于一個二維數組中dis[gear，num]，gear擋位為圖3所示的1、2、3、4、5擋;而num為1時表示選擋位置，2表示掛擋位置，3表示退擋位置。試驗過程中，計算機查詢二維數組，快速準確的模擬人工選換擋定位。很容易知道，本系統對雙“H”型變速箱同樣適用。

5 ? ?系統軟件實現

計算機中的控制程序是基于windowsXP系統下進行開發，采用Delphi語言編寫。依據《QC/T568-1999 汽車機械變速器臺架試驗方法》測試要求，控制程序主要實現的功能有：

（1）通過RS232串口，向Copley XTL230-36S發送指令，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以內，選換擋速度最大可達0.85m/s。

（2）對試驗過程中可能出現的選擋不到位、掛擋不到位及退擋不到位，系統自動停止運行并彈出對話框，提醒試驗人員注意。

（3）試驗過程中，計算機通過RS232串口實時讀取驅動器中直線電機的各項參數，如選換擋力、速度、位移，并將數據保存于文件流中。

（4）采用第三方iPlot繪圖控件，實時繪制選換擋力、速度、位移曲線，并可以此進行數據分析。

（5）對歷史試驗數據可進行曲線回放、分析與打印。

整個程序軟件控制流程框圖如圖4所示：

程序實現的其余功能還有：

（1）為方便用戶編輯動作，軟件將變速箱選換擋分解為退擋、選擋、掛擋三個動作模塊，用數字代表擋位換擋動作。以6擋箱為例，選擋位置從左到右三個位置依次是A、B、C，見圖3。如用戶設定5→3→2，就執行如下動作：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→計數→退擋5，如此動作循環到動作設定次數后，自動停機運行。本試驗系統不僅可實現單向換擋和相鄰兩擋間的交替換擋，也可實現多擋位間的跨擋換擋。這種由用戶自由的簡單編程方法，極大的方便了用戶的應用。

（2）在退擋、選擋及掛擋之間，軟件有互鎖功能，避免電氣干涉。在自動方式下，必須預先在參數設定界面設定如下參數：掛擋時間、選擋時間、掛擋延時時間、退擋延時時間和動作次數設定。時間參數的設置，方便試驗人員在變速箱換擋齒輪齒端沖擊磨損試驗及同步器性能和壽命試驗中控制換擋頻率。本選換擋試驗系統極限換擋頻率可達20次/min。

6 ? ?結論

直線電機式選換擋試驗臺是機電一體化、自動控制、汽車工程學等學科交叉應用的自動化設備，該試驗系統已成功應用于某試驗室中。該試驗臺機械部分設計結構簡單緊湊、成本低，便于維護和保養;選換擋定位精度高，選換擋速度可控可調，通用性好，可實現任意擋位間的切換。試驗結果表明，該試驗系統能長時間、高重復性的完成選換擋試驗，試驗運行穩定可靠。它對提高試驗結果的準確性、縮短試驗周期具有重要的實用價值。同時，本試驗臺無需多加改動，也可進行軟軸總成耐久性試驗、換擋器疲勞壽命試驗及換擋桿疲勞壽命試驗，實現一臺多用的目的。將直線電機應用于變速箱選換擋試驗中，在國內尚屬首次。但本試驗系統中的直線電機是通過串口控制的，雖減少了外接傳感器的麻煩，但存在采樣速率低的問題;同時直線電機動子是磁性材料，易于吸附金屬粉塵，要求使用環境必須潔凈，這二點在應用中是必須注意的。

參考文獻：

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