引言

作為車輛的重要構(gòu)件,變速箱的主要作用是變換擋位,使汽車在多種行駛情況下都能得到適當?shù)臓恳?保證汽車發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)?？梢?變速箱的換擋性能優(yōu)劣直接影響到車輛的使用性能。而車輛機械結(jié)構(gòu)復雜,工作環(huán)境多變,理論計算、軟件仿真等方式難以全面客觀地分析車輛變速箱換擋性能。因此,需通過試驗來研究變速箱換擋性能,在試驗臺架上分析變速箱的性能、使用壽命等,結(jié)合試驗數(shù)據(jù)來改進變速箱換擋性能?，F(xiàn)階段業(yè)界普遍關注的研究重點難點主要是電慣量模擬技術、換擋機械手自動控制,因此,設計和開發(fā)一套高質(zhì)量的變速箱換擋性能測試試驗臺架具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1變速箱換擋性能試驗臺架總體設計方案

圖1為變速箱換擋性能試驗臺架機械結(jié)構(gòu)示意圖,其主要機械結(jié)構(gòu)包括:變頻電機1、萬向節(jié)2、慣量飛輪3、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器4、被測試變速箱5、換擋機械手6、安裝平板7。因為各個構(gòu)件的高度存在差異,所以要采用支座使各個部件的中心高度保持為統(tǒng)一的600mm,有效避免因同軸度存在較大差異影響旋轉(zhuǎn)部件的運轉(zhuǎn):使用萬向節(jié)連接各個機械部件,從而降低對同軸度的要求。

圖1變速箱換擋性能試驗臺架機械結(jié)構(gòu)

將被測試變速箱以反拖方式固定在試驗臺架上,慣量飛輪在變頻電機的驅(qū)動下對車輛行駛慣量進行模擬,且和變速箱輸出軸連接,通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器測量輸入轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。變速箱的輸入軸只需安裝慣量盤,對離合器從動盤慣量進行模擬,不需要對離合器的離合進行控制。這樣的安裝形式與車輛行駛的實際狀況相符。在進行試驗時,通常將變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速控制為發(fā)動機轉(zhuǎn)速2500r/min,將各個擋位的傳動比換算為變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)變頻電機以滿足試驗要求。如果有需要還可以加裝升速箱,提高變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速。變速箱換擋性能試驗臺架系統(tǒng)除了換擋機械手之外,主要可以劃分成動力驅(qū)動、測控兩個子系統(tǒng)。動力驅(qū)動子系統(tǒng)主要包括驅(qū)動電機、變頻器、慣量飛輪,測控子系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、拉壓力傳感器、位移傳感器、同步轉(zhuǎn)速編碼器、扭矩儀、數(shù)據(jù)采集卡、P1C、工控機等。下面詳細介紹變速箱換擋性能試驗臺架系統(tǒng)各個構(gòu)件的選型及使用方法。

2動力驅(qū)動子系統(tǒng)

2.1慣量飛輪

慣量飛輪的主要作用是對車輛的行駛慣量進行模擬,模擬慣量的方式主要有機械、電和機電混合三種。本次研究的變速箱換擋性能試驗臺架考慮到成本以及可操作性,仍采用機械慣量方式。

2.2變頻電機

作為變速箱換擋性能試驗臺架的主要驅(qū)動力來源,變頻電機的主要作用是提供變速箱輸出軸需要的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩。傳統(tǒng)的試驗臺架使用直流電機作為動力源,但該類電機結(jié)構(gòu)比較復雜,維護難度大,成本高。而交流電機結(jié)構(gòu)相對簡單、制造維護成本低,只是需要借助變頻設備才可以調(diào)節(jié)速度。隨著自動化電子技術的發(fā)展,交流變頻調(diào)速技術已趨于完善,很好地解決了交流電機調(diào)節(jié)速度能力不足的問題,逐漸得到業(yè)界認可。因此,本次試驗臺架使用交流電機作為動力源,使用ABB公司的OABP系列變頻電機,并配置了倍加福HTL高性能增量式編碼器用于控制閉環(huán)速度。

2.3變頻器

試驗臺架中變頻器的型號選擇需要考慮電機啟動扭矩、控制方式及工作電壓、工作電流等因素。本次研究的變速箱換擋性能試驗臺架采用西門子SINAMICSG120變頻器。該型變頻器屬于多功能單元組合的模塊化變頻器,可以高效精準地控制速度、轉(zhuǎn)矩,其功能模塊主要有基本操作面板、功率模塊、控制單元。

3換擋執(zhí)行子系統(tǒng)

3.1驅(qū)動方式選擇

現(xiàn)階段,氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電機驅(qū)動是換擋機械手的主要驅(qū)動方式。前兩種驅(qū)動方式具有響應速度快、緩沖性能好等優(yōu)點,因而得到廣泛應用,然而它們也存在一些缺陷:氣動換擋驅(qū)動方式穩(wěn)定性較差,換擋行程精確度不高,通常需借助限位塊限位,易出現(xiàn)過沖,而且氣動換擋驅(qū)動方式的空壓機噪聲較大;而液壓換擋驅(qū)動方式必須配置專用的泵站,結(jié)構(gòu)比較復雜,管路較遠時,其傳動效率明顯下降,易發(fā)生泄漏。與這兩種驅(qū)動方式相比,電機驅(qū)動反應靈敏、結(jié)構(gòu)簡單,能精確控制機械手的位置、速度,同時噪聲較小,對環(huán)境污染小。隨著交流伺服控制電機技術的不斷進步,其控制方式不斷完善,不但能精準地控制機械手的位置、速度,還可以控制機械手的扭矩。因此,本次研究的變速箱換擋性能試驗臺架方案中采用電機驅(qū)動方式驅(qū)動機械手換擋。

3.2伺服電動缸

伺服電動缸的主要作用是將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動,比液壓缸、氣缸更加節(jié)能環(huán)保,更容易實現(xiàn)PLC控制,精確控制機械手運動。根據(jù)本次試驗臺架所需電機功率、扭矩,選用西門子SIMOTICSS-1FL6系列伺服電機,通過電機表面散熱,可以在沒有外置冷卻設備的情況下實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行。

3.3光柵尺

光柵尺的主要作用是測量選擋、換擋電動缸的位移,其信號與驅(qū)動器都與PLC連接,構(gòu)成閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。其測量系統(tǒng)采用透射式紅外光學測量,分辨率可達5U。依據(jù)電動缸行程,分別選用測量范圍為100mm、300mm的光柵尺。

3.4軟軸

軟軸式換擋操作系統(tǒng)具有重量輕、換擋阻力小、行程空距短、易安裝、易維護等優(yōu)點,在車輛變速箱產(chǎn)品中的應用越來越廣泛。本次研究的試驗臺架方案考慮到空間限制以及易于安裝操作的需求,選用軟軸來實現(xiàn)選換擋操作。

4測量控制子系統(tǒng)

4.1工控機

作為車輛變速箱換擋性能試驗臺架系統(tǒng)的上位機,工控機負責遠程控制整個系統(tǒng),設置試驗流程,發(fā)送操作指令給下位機,并采集、存儲、顯示、處理試驗數(shù)據(jù)。本次研究的試驗臺架方案采用研華IPC-610L型工控機,具有良好的使用性能及防震、防塵功能。

4.2數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡的主要作用是高效、實時、同步采集多組傳感器數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集卡必須能夠很好地適應實際工作中的油污、灰塵等嚴苛的要求。本次研究的試驗臺架方案選用NI-6008型采集卡采集變速箱選擋力、換擋力、位移、同步轉(zhuǎn)速等傳感器信號。數(shù)據(jù)采集卡通過USB接口與工控機連接,通過配套的編程子程序,借助LabVIEW軟件可以將采集到的傳感器信號集成于控制面板中,實現(xiàn)人機交互。

4.3轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器用于獲取變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩,其彈性軸與變速箱輸入軸、輸出軸連接,輸出/輸入軸兩端借助萬向節(jié)連接電機、慣量飛輪。彈性軸兩端安裝兩個信號齒輪,信號齒輪、信號圈構(gòu)成信號發(fā)生器。當信號齒輪隨著彈性軸轉(zhuǎn)動時,線圈的感應交流電信號頻率與轉(zhuǎn)速成正比,通過測量頻率就可以測量轉(zhuǎn)速。彈性軸變形會導致兩個信號齒輪、線圈之間的感應電信號存在相位差,其與轉(zhuǎn)矩值成正比,通過測量相位差可測得扭矩值。

4.4力傳感器和放大器

選擋力、換擋力是雙向動態(tài)力,為了高效精準地測量選擋力、換擋力,本次研究采用S型拉壓力傳感器。其工作原理是在外力作用下傳感器中彈性體發(fā)生彈性變形,電阻應變片也隨之形變,導致阻值變化,將阻值變化轉(zhuǎn)換為電信號,就可將外力轉(zhuǎn)換為電信號輸出。本次研究方案中,在機械手驅(qū)動元件前端、直線軸承之間設置萬向節(jié)消除偏載荷,以減小機械手驅(qū)動部分、前端直線軸承部分的同軸度差異對傳感器精度的影響。

5結(jié)語

綜上所述,本文主要研究了車輛變速箱試驗臺架的總體方案和硬件選型,簡要介紹了臺架系統(tǒng)的主要硬件配置、技術參數(shù)。通過研究提出了試驗臺架整體布局,并確定了各個子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),為車輛換擋性能試驗提供了可靠的臺架方案。