新能源汽車換擋機構線上性能測試裝置設計

陳錦賢，王紅軍，康運江

（1.北京信息科技大學機電工程學院，北京 100192；2.機械科學研究總院機科發展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

新能源汽車是實現綠色出行、節約能源、保護環境的重要工具，成為目前汽車產業的發展方向，也是中國戰略新興產業和重點發展領域。作為新能源汽車兩擋自動變速箱的重要功能部件，換擋機構對提升電機的工作效率，提高新能源汽車的動力性、燃油經濟性和駕駛性能等具有重要作用，其性能也直接影響新能源汽車的性能。我國新能源汽車的制造起步較晚，特別是制造過程的測試工藝，目前仍然采用傳統的人工測試方法生產兩擋自動變速箱換擋機構。傳統方法數字化程度低、精確度不高、試驗操作繁瑣，亟需開展新能源汽車相關零部件生產裝配和性能檢測的自動化、智能化和柔性化技術的研究。

針對兩檔變速器設計制造，國內外學者開展了大量的研究，取得了多項卓越的研究成果，大大提高了新能源汽車的整車性能。國外評估換擋質量的參數，多采用變速器發動機轉速的變化、換檔過程的持續時間和加速度變化。國外在AMT（Automated Mechanical Transmission，自動機械式）變速器的裝配生產中全面采用現代化的裝配技術和測控系統，Z.Wang 等人提出采用FAW-Volkswagen 測試裝置進行數據流分析。國內一般采用換擋器的換擋力矩、角位移及換擋信號3 個參數，也有將變速器的輸入轉矩和轉速作為測試參數的：李登高研究制定了自動檢測系統的總體方案，重點對自動檢測系統的控制與測試部分進行了研究與開發；王盛學等人通過模擬實車狀態下自動變速器的各種工況，研制了一種AMT 變速器在線自動測試裝置，包括測試臺架、驅動系統、加載系統、數據采集/測量系統和計算機控制系統等部分；劉長勇等人研發了汽車自動擋變速器換擋機構的裝配系統，成功地解決了多品種共線柔性化自動裝配生產。但是在新能源車的性能檢測方面，國內針對新能源汽車兩擋自動變速箱及相關部件的裝配和測試，大多數還停留在手工調節、人工讀表、人工數據處理的觸點控制方式。依據國家和行業標準以及企業生產需求，亟需研究換擋機構的電機電流和傳感器電壓在線加載測試裝置。本文研究的智能測試裝置可以實現電機電流和傳感器電壓在線加載測試，完成齒輪輸出端轉動時加最高4.5 N·m（5%精度）的負載，從規定原點（傳感器輸出電壓2.5 V）正反轉各60°，監控最大電流不超過20 A，持續動作10 min。測試結束后，機構停止在傳感器輸出電壓2.5 V 位置上。

1 智能測試裝置方案設計

1.1 總體方案

換擋機構的自動裝配線占地面積為10 000 mm×4500 mm，工作平臺高1000 mm，有3 條生產線和4 臺上料料車。智能加載測試裝置布置在生產線末端，最大允許占地面積為1200 mm×1000 mm。

測試時，當換擋執行機構整體裝配完成之后，由機器人從上一工位抓取換擋機構，并完成機構在測試裝置上的定位。此時，由測試裝置測試電機電流和傳感器電壓插頭完成與插針的連接，換擋執行機構齒輪輸出端轉動，加載裝置加載，裝置開始測試（圖1）。

圖1 換擋機構測試流程

1.2 測試方案設計

為提高生產效率，使生產線的裝配設備與測試裝置協調配合，不出現換擋機構大量滯留等待測試的狀況，根據產品的生產節拍和持續測試時長10 min 的要求，設計了水平同步式測試方案，3 個換擋機構定位完成后同時開始測試（圖2）。

圖2 水平同步式測試時序

1.3 測試裝置加載方式的選擇

換擋執行機構需要帶載測試，加載時提供一個持續上升最高4.5 N·m 的負載、精度為5%。機械運動加載方式一般有3種，分別是電機驅動的電控加載方式、電液伺服加載方式和磁粉制動器加載方式。其中，前兩種加載方式一般應用在較大功率情況下，后一種方式適用于功率較小的加載裝置。另外，磁粉制動器加載方式具有工作精度較高，在加載過程中有良好的快速響應性，工作過程中沒有明顯的噪聲和振動產生，環保性好等優點，可以實現對換擋機構的加載。

2 加載測試裝置插拔結構設計

2.1 測試節拍分析計算

換擋執行機構年產量要求實現30 000 套，工作時間為270 d/年（10 h/d），產線負荷率為85%，換擋執行機構的生產節拍約4.6 min。根據測試參數要求，測試時持續測試時長為10 min，生產3 個零件需要4.6×3=13.8 min，大于測試持續時長10 min，一次需要同時測試3 個換擋機構。測試裝置設置3個測試工位，可以滿足生產節拍。

2.2 插拔機構設計

插拔機構用來完成換擋機構電機電流和傳感器電壓的插頭與插針的連接，通過氣缸執行元件的推力和拉力實現插拔。

常見的執行元件包括電動執行元件、液壓執行元件和氣動執行元件。氣動執行元件經濟實惠，結構簡單，易于操控及后期維護，選用氣動執行元件。根據換擋機構電機和傳感器插頭的結構及滑塊與浮動接頭的型號尺寸，將插拔機構分為連接底座、插頭上固定架、插頭下固定架和插頭（圖3）。

圖3 測試電機電流插頭連接底座

換擋機構測試電機電流插頭總裝，氣缸固定在支架上，活塞桿通過浮動接頭消除與插拔機構在垂直方向上的誤差，并與插拔機構完成裝配，其中螺母有擰緊防松的作用。插頭連接架固定在滑塊和導軌之上，工作時氣缸通過活塞桿產生推力和拉力帶動插頭完成與插針的插入和拔出（圖4）。

圖4 測試電機電流插頭總裝

3 加載測試裝置設計

根據測試參數要求，齒輪輸出端在轉動時，在齒輪上施加一個持續上升最高為4.5 N·m（5%精度）的負載，選用FZ10.J 型磁粉制動器。磁粉制動器作為加載裝置，通過聯軸器、扭矩傳感器和固定套筒向齒輪端傳遞負載力（圖5）。扭矩傳感器軸端為鍵連接，齒輪輸出端為外齒輪，與兩者相配合的固定套筒一端采用鍵連接，另一端采用內齒輪，兩齒嚙合傳遞負載力。設計完成的換擋機構智能測試裝置如圖6 所示。

圖5 磁粉加載裝置

圖6 換擋機構智能測試裝置三視圖

根據測試方案，測試節拍為10 min，同時完成3個換擋機構的測試，扭矩傳感器固定板和磁粉制動器固定板與測試平臺之間的連接采用焊接。設計的換擋機構測試裝置支撐架如圖7 所示。

圖7 換擋機構加載測試裝置支撐架

4 智能控制與監測系統設計

4.1 換擋機構測試裝置智能控制系統設計

如果最大電流值超過20 A 或該換擋機構停止時傳感器輸出電壓不為2.5 V，則該產品不合格，PLC控制器控制機械手對機構進行揀出；如果所測得的最大電流值低于20 A、電壓值為2.5 V，則產品合格，PLC 控制器控制機械手完成該產品成品出庫（圖8）。換擋機構測試裝置智能控制系統實現了裝置的智能化控制，減少了勞動力和生產成本，極大地提高了測試效率。

圖8 測試裝置智能控制系統總體方案

4.2 測試裝置測試系統硬件設計

采用LabVIEW 軟件設計換擋機構電機電流和傳感器電壓測試系統。對換擋執行機構的測試結果進行處理和分析，顯示當前所測得的電流和電壓，并進行記錄存儲（圖9）。

圖9 測試系統硬件結構

5 結束語

以新能源汽車AMT 變速器換擋機構為研究對象，根據換擋機構性能測試要求，給出了換擋機構智能測試裝置，實現了線上加載測試，替代了人工測試。具有精度和測試效率高、生產成本低、工藝性和環保性好的優點，有助于實現新能源汽車AMT變速器換擋機構測試的自動化和智能化。