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(dāng)?shù)臓恳?保證汽車發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。可見,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(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工作環(huán)境多變,理論計(jì)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(yàn)來研究變速箱換擋性能,在試驗(yàn)臺(tái)架上分析變速箱的性能、使用壽命等,結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)來改進(jìn)變速箱換擋性能?，F(xiàn)階段業(yè)界普遍關(guān)注的研究重點(diǎn)難點(diǎn)主要是電慣量模擬技術(shù)、換擋機(jī)械手自動(dòng)控制,因此,設(shè)計(jì)和開發(fā)一套高質(zhì)量的變速箱換擋性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)架具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1變速箱換擋性能試驗(yàn)臺(tái)架總體設(shè)計(jì)方案

圖1為變速箱換擋性能試驗(yàn)臺(tái)架機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖,其主要機(jī)械結(jié)構(gòu)包括:變頻電機(jī)1、萬向節(jié)2、慣量飛輪3、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器4、被測(cè)試變速箱5、換擋機(jī)械手6、安裝平板7。因?yàn)楦鱾€(gè)構(gòu)件的高度存在差異,所以要采用支座使各個(gè)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(yùn)轉(zhuǎn);使用萬向節(jié)連接各個(gè)機(jī)械部件,從而降低對(duì)同軸度的要求。

圖1變速箱換擋性能試驗(yàn)臺(tái)架機(jī)械結(jié)構(gòu)

將被測(cè)試變速箱以反拖方式固定在試驗(yàn)臺(tái)架上,慣量飛輪在變頻電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下對(duì)車輛行駛慣量進(jìn)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(cè)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(duì)離合器從動(dòng)盤慣量進(jìn)行模擬,不需要對(duì)離合器的離合進(jìn)行控制。這樣的安裝形式與車輛行駛的實(shí)際狀況相符。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),通常將變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速控制為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2500r/min,將各個(gè)擋位的傳動(dòng)比換算為變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速,調(diào)節(jié)變頻電機(jī)以滿足試驗(yàn)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(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)除了換擋機(jī)械手之外,主要可以劃分成動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、測(cè)控兩個(gè)子系統(tǒng)。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻器、慣量飛輪,測(cè)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、PLC、工控機(jī)等。下面詳細(xì)介紹變速箱換擋性能試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)各個(gè)構(gòu)件的選型及使用方法。

2動(dòng)力驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)

2.1慣量飛輪

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

2.2變頻電機(jī)

作為變速箱換擋性能試驗(yàn)臺(tái)架的主要驅(qū)動(dòng)力來源,變頻電機(jī)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(yàn)臺(tái)架使用直流電機(jī)作為動(dòng)力源,但該類電機(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,維護(hù)難度大,成本高。而交流電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、制造維護(hù)成本低,只是需要借助變頻設(shè)備才可以調(diào)節(jié)速度。隨著自動(dòng)化電子技術(shù)的發(fā)展,交流變頻調(diào)速技術(shù)已趨于完善,很好地解決了交流電機(jī)調(diào)節(jié)速度能力不足的問題,逐漸得到業(yè)界認(rèn)可。因此,本次試驗(yàn)臺(tái)架使用交流電機(jī)作為動(dòng)力源,使用ABB公司的oABP系列變頻電機(jī),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(yàn)臺(tái)架中變頻器的型號(hào)選擇需要考慮電機(jī)啟動(dòng)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(yàn)臺(tái)架采用西門子SINAMIcSGG12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(zhǔn)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(dòng)方式選擇

現(xiàn)階段,氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)是換擋機(jī)械手的主要驅(qū)動(dòng)方式。前兩種驅(qū)動(dòng)方式具有響應(yīng)速度快、緩沖性能好等優(yōu)點(diǎn),因而得到廣泛應(yīng)用,然而它們也存在一些缺陷:氣動(dòng)換擋驅(qū)動(dòng)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(dòng)換擋驅(qū)動(dòng)方式的空壓機(jī)噪聲較大;而液壓換擋驅(qū)動(dòng)方式必須配置專用的泵站,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,管路較遠(yuǎn)時(shí),其傳動(dòng)效率明顯下降,易發(fā)生泄漏。與這兩種驅(qū)動(dòng)方式相比,電機(jī)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)靈敏、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能精確控制機(jī)械手的位置、速度,同時(shí)噪聲較小,對(duì)環(huán)境污染小。隨著交流伺服控制電機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步,其控制方式不斷完善,不但能精準(zhǔn)地控制機(jī)械手的位置、速度,還可以控制機(jī)械手的扭矩。因此,本次研究的變速箱換擋性能試驗(yàn)臺(tái)架方案中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)機(jī)械手換擋。

3.2伺服電動(dòng)缸

伺服電動(dòng)缸的主要作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng),比液壓缸、氣缸更加節(jié)能環(huán)保,更容易實(shí)現(xiàn)PLc控制,精確控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本次試驗(yàn)臺(tái)架所需電機(jī)功率、扭矩,選用西門子SIMoTIcSS-oFL6系列伺服電機(jī),通過電機(jī)表面散熱,可以在沒有外置冷卻設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3光柵尺

光柵尺的主要作用是測(cè)量選擋、換擋電動(dòng)缸的位移,其信號(hào)與驅(qū)動(dòng)器都與PLc連接,構(gòu)成閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。其測(cè)量系統(tǒng)采用透射式紅外光學(xué)測(cè)量,分辨率可達(dá)5U。依據(jù)電動(dòng)缸行程,分別選用測(cè)量范圍為o22mm、322mm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(hù)等優(yōu)點(diǎn),在車輛變速箱產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛。本次研究的試驗(yàn)臺(tái)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(shí)現(xiàn)選換擋操作。

4測(cè)量控制子系統(tǒng)

4.1工控機(jī)

作為車輛變速箱換擋性能試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)的上位機(jī),工控機(jī)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程控制整個(gè)系統(tǒng),設(shè)置試驗(yàn)流程,發(fā)送操作指令給下位機(jī),并采集、存儲(chǔ)、顯示、處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本次研究的試驗(yàn)臺(tái)架方案采用研華IPC-610L型工控機(jī),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(shí)時(shí)、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(yīng)實(shí)際工作中的油污、灰塵等嚴(yán)苛的要求。本次研究的試驗(yàn)臺(tái)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(hào)。數(shù)據(jù)采集卡通過USB接口與工控機(jī)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(hào)集成于控制面板中,實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(jī)、慣量飛輪。彈性軸兩端安裝兩個(gè)信號(hào)齒輪,信號(hào)齒輪、信號(hào)圈構(gòu)成信號(hào)發(fā)生器。當(dāng)信號(hào)齒輪隨著彈性軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),線圈的感應(yīng)交流電信號(hào)頻率與轉(zhuǎn)速成正比,通過測(cè)量頻率就可以測(cè)量轉(zhuǎn)速。彈性軸變形會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)信號(hào)齒輪、線圈之間的感應(yīng)電信號(hào)存在相位差,其與轉(zhuǎn)矩值成正比,通過測(cè)量相位差可測(cè)得扭矩值。

4.4力傳感器和放大器

選擋力、換擋力是雙向動(dòng)態(tài)力,為了高效精準(zhǔn)地測(cè)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(yīng)變片也隨之形變,導(dǎo)致阻值變化,將阻值變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào),就可將外力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。本次研究方案中,在機(jī)械手驅(qū)動(dòng)元件前端、直線軸承之間設(shè)置萬向節(jié)消除偏載荷,以減小機(jī)械手驅(qū)動(dòng)部分、前端直線軸承部分的同軸度差異對(duì)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(yàn)臺(tái)架的總體方案和硬件選型,簡(jiǎn)要介紹了臺(tái)架系統(tǒng)的主要硬件配置、技術(shù)參數(shù)。通過研究提出了試驗(yàn)臺(tái)架整體布局,并確定了各個(gè)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),為車輛換擋性能試驗(yàn)提供了可靠的臺(tái)架方案。