汽車驅(qū)動(dòng)橋疲勞試驗(yàn)控制系統(tǒng)研究

（武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車零部件性能測(cè)試得到越來(lái)越廣泛的重視．汽車驅(qū)動(dòng)橋是汽車的重要?jiǎng)恿鬟f部件，對(duì)汽車的使用壽命和安全性具有重要的影響．為了確保汽車的安全性和可靠性，提高汽車的使用壽命，汽車生產(chǎn)商一般都需要對(duì)每一批驅(qū)動(dòng)橋進(jìn)行整體性能測(cè)試，以獲得驅(qū)動(dòng)橋的性能參數(shù)．為此，許多驅(qū)動(dòng)橋生產(chǎn)商都希望建立了自己的驅(qū)動(dòng)橋性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)．在汽車零部件生產(chǎn)中，為了獲得汽車零部件的性能參數(shù)，需要建立汽車零部件的性能測(cè)試平臺(tái)，而現(xiàn)有的一些汽車測(cè)試平臺(tái)大多采用手動(dòng)控制方式．迫切需要一個(gè)自動(dòng)化的控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)獲得所需要的反映汽車零部件是否合格的性能參數(shù)．

本文針對(duì)汽車驅(qū)動(dòng)橋性能測(cè)試的需求，將傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)運(yùn)動(dòng)到此控制系統(tǒng)中，建立了基于工控機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋性能測(cè)試控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)驅(qū)動(dòng)橋加載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等參數(shù)的控制，從而解決的企業(yè)對(duì)產(chǎn)品合格的檢驗(yàn)，獲得了良好的應(yīng)用效果．本文所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)有：參數(shù)設(shè)置（包括驅(qū)動(dòng)橋的型號(hào)，額定轉(zhuǎn)速，最高溫度等參數(shù)的設(shè)定）、動(dòng)態(tài)顯示、保存測(cè)試數(shù)據(jù)、自動(dòng)跟蹤調(diào)整試驗(yàn)速度和載荷、打印等特點(diǎn)．

1 汽車驅(qū)動(dòng)橋系統(tǒng)硬件組成

1.1 汽車驅(qū)動(dòng)橋的功能

汽車驅(qū)動(dòng)橋處于動(dòng)力傳動(dòng)系的末端，其基本功能是增大由傳動(dòng)軸或變速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩，并將動(dòng)力合理的分配給左、右驅(qū)動(dòng)輪，另外還承受作用于路面和車架或車身之間的垂直立、縱向力和橫向力．驅(qū)動(dòng)橋一般由主減速器、差速器、車輪傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)橋殼等組成［1］．汽車驅(qū)動(dòng)橋組成示意圖見(jiàn)圖1．

圖1 汽車驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 控制系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備

控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成包括：工控機(jī)，多功能I／O卡，輸入操作按鈕類操作裝置，轉(zhuǎn)矩、速度、溫度信號(hào)采集輸入傳感器，輸出狀態(tài)顯示裝置以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作的繼電器（圖中沒(méi)有表示）等．整個(gè)測(cè)試控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)見(jiàn)圖2．

控制系統(tǒng)主機(jī)選用平板式工控機(jī)，此類主機(jī)具有良好的軟硬件開(kāi)放性，功能強(qiáng)大，性能可靠，能滿足各種軟件平臺(tái)下控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需求．

多功能I／O卡是實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量與模擬量信號(hào)輸入／輸出的重要通道，一般可選用性能可靠，輸入／輸出通道數(shù)滿足控制系統(tǒng)要求，價(jià)格適中的多功能I／O卡［2］．

控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)包括：操作按鈕信號(hào)，電器響應(yīng)反饋信號(hào)，轉(zhuǎn)矩／速度傳感器信號(hào)，溫度傳感器信號(hào)等．輸入信號(hào)通過(guò)多功能I／O卡輸入到工控機(jī)中，控制系統(tǒng)根據(jù)這些信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)操作，完成試驗(yàn)過(guò)程．

圖2 驅(qū)動(dòng)橋性能測(cè)試控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成示意圖

控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)包括：試驗(yàn)狀態(tài)信號(hào)，加載電機(jī)、調(diào)速電機(jī)的啟停信號(hào)，冷卻電磁閥的啟停信號(hào)等．這些信號(hào)由控制系統(tǒng)發(fā)出，通過(guò)多功能I／O卡輸出到控制繼電器或開(kāi)關(guān)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制和狀態(tài)的顯示功能．

2 驅(qū)動(dòng)橋疲勞試驗(yàn)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軟件功能

根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋試驗(yàn)系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制軟件功能見(jiàn)圖3．

圖3 系統(tǒng)軟件功能構(gòu)成

1）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能 此功能模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，如加載系統(tǒng)的傳動(dòng)比，試驗(yàn)系統(tǒng)所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)矩，試驗(yàn)臺(tái)架安裝模式等，這些參數(shù)保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，供試驗(yàn)時(shí)選用．

2）單步調(diào)試功能 此功能實(shí)現(xiàn)單一的調(diào)試功能，如調(diào)速電機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速、停止控制，加載電機(jī)的正向加載、反向加載控制，轉(zhuǎn)矩、速度數(shù)據(jù)的采集檢測(cè)，急停按鈕的測(cè)試等．方便用戶對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架的調(diào)試．

3）測(cè)試參數(shù)設(shè)置功能 此功能實(shí)現(xiàn)具體測(cè)試項(xiàng)目參數(shù)的設(shè)置，如疲勞試驗(yàn)各階段磨合次數(shù)，各階段轉(zhuǎn)矩系數(shù)，磨合試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩等．

4）測(cè)試過(guò)程狀態(tài)顯示功能 此功能實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程狀態(tài)的顯示．磨合過(guò)程的轉(zhuǎn)矩以動(dòng)態(tài)曲線方式顯示，并設(shè)置最大最小控制轉(zhuǎn)矩，極限磨合轉(zhuǎn)矩4條直線，可以直接觀察實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩的變化，并能直接觀察到實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩是否超過(guò)設(shè)定的最大最小界限．當(dāng)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩超過(guò)設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)將提示警示信息，并根據(jù)轉(zhuǎn)矩的大下啟動(dòng)加載電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，確保試驗(yàn)在規(guī)定的條件下進(jìn)行．

5）測(cè)試過(guò)程控制功能 此功能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的控制．

6）測(cè)試報(bào)表生成、打印功能 試驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用測(cè)試報(bào)表生成功能，完成試驗(yàn)報(bào)告的顯示、打印任務(wù)．

7）系統(tǒng)幫助功能 此功能提供對(duì)系統(tǒng)具體操作的幫助信息，方便操作者使用．

8）除以上功能外，系統(tǒng)還提供了用戶權(quán)限和密碼設(shè)置功能，確保系統(tǒng)使用安全．

2.2 控制算法設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)橋疲勞磨合試驗(yàn)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包含4次磨合試驗(yàn)，1次正式試驗(yàn)，每1次磨合試驗(yàn)都有2萬(wàn)～3萬(wàn)次，正式試驗(yàn)則在5萬(wàn)次以上．試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩要根據(jù)磨合次數(shù)逐步增大，而試驗(yàn)速度、試驗(yàn)溫度都要控制在給定值范圍內(nèi)．因此，需要設(shè)計(jì)合理的控制策略和控制算法，保證試驗(yàn)按要求穩(wěn)定運(yùn)行［3－7］．

2．2．1 啟動(dòng)過(guò)程控制 試驗(yàn)啟動(dòng)過(guò)程由一系列控制動(dòng)作完成，其中又包括了傳感器數(shù)據(jù)的檢測(cè)，調(diào)速電機(jī)，加載電機(jī)的控制過(guò)程，試驗(yàn)啟動(dòng)基本流程見(jiàn)圖4．

2．2．2 速度調(diào)節(jié)控制算法 驅(qū)動(dòng)橋性能測(cè)試系統(tǒng)從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行再到停止，需要按照試驗(yàn)要求實(shí)現(xiàn)調(diào)速電機(jī)的控制，為此，特設(shè)計(jì)按圖5所示的速度控制規(guī)律曲線來(lái)進(jìn)行調(diào)速電機(jī)的控制．

由圖5可見(jiàn)，AB段為調(diào)速電機(jī)啟動(dòng)階段，變頻器輸出頻率均勻增加，調(diào)速電機(jī)的速度隨之勻速增加；BC段為速度平穩(wěn)運(yùn)行階段，此階段調(diào)速電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，保證試驗(yàn)按要求進(jìn)行．CD段為調(diào)速電機(jī)停機(jī)階段，速度均勻降低．

根據(jù)圖5的速度控制規(guī)律，設(shè)計(jì)得到調(diào)速電機(jī)控制算法，整個(gè)控制流程由3個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)．

圖4 試驗(yàn)啟動(dòng)過(guò)程算法流程

圖5 速度控制規(guī)律

1）啟動(dòng)調(diào)速電機(jī)函數(shù)

Begin

根據(jù)調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)向接通正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)啟動(dòng)繼電器；

給定變頻器頻率調(diào)整參數(shù)；

啟動(dòng)變頻器啟動(dòng)觸點(diǎn)（啟動(dòng)調(diào)速電機(jī)）；

End

2）動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)速電機(jī)參數(shù)的函數(shù)

Begin

If檢測(cè)得到的調(diào)速電機(jī)速度判斷是否已經(jīng)滿足速度要求；

Then停止改變電機(jī)頻率；

給出停止調(diào)速標(biāo)志；

Else繼續(xù)按給定參數(shù)改變電機(jī)頻率；

End

3）停止調(diào)速電機(jī)函數(shù)

Begin

按停車要求給定變頻器頻率調(diào)整參數(shù)；

調(diào)用動(dòng)態(tài)調(diào)整調(diào)速電機(jī)參數(shù)的函數(shù)；End

2．2．3 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制算法 根據(jù)驅(qū)動(dòng)橋疲勞試驗(yàn)規(guī)范，驅(qū)動(dòng)橋疲勞性能測(cè)試過(guò)程一般分3次磨合試驗(yàn)和1次正式試驗(yàn)，在磨合試驗(yàn)階段，試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩分別為：第1次為0．25Te，第2次0．5Te，第3次0．75Te．正式試驗(yàn)設(shè)定轉(zhuǎn)矩為T(mén)e．

顯然，試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩需要根據(jù)試驗(yàn)階段進(jìn)行調(diào)整．試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩的調(diào)整分兩種情況：（1）跨階段的調(diào)整，即某個(gè)階段結(jié)束后進(jìn)入下一階段的轉(zhuǎn)矩調(diào)整．這種調(diào)整幅度比較大，持續(xù)時(shí)間相對(duì)要長(zhǎng)一些．調(diào)整時(shí)，加載電機(jī)持續(xù)加載，直到到達(dá)給定的轉(zhuǎn)矩值，加載電機(jī)停止加載，加載過(guò)程完成；（2）試驗(yàn)階段中的調(diào)整．由于驅(qū)動(dòng)橋的磨合作用，加上機(jī)械系統(tǒng)的間隙等原因，試驗(yàn)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩有可能逐漸減小，如果試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩小于設(shè)定的范圍，則需要對(duì)試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整算法見(jiàn)圖6．

圖6 轉(zhuǎn)矩調(diào)整算法

3 系統(tǒng)運(yùn)行示例

3.1 設(shè)置的參數(shù)

當(dāng)進(jìn)入本系統(tǒng)后選擇所要進(jìn)行測(cè)試的驅(qū)動(dòng)橋型號(hào)，例如選擇型號(hào)為2402B11－410－6．33的驅(qū)動(dòng)橋，然后進(jìn)入如圖7所示的參數(shù)設(shè)置，填寫(xiě)完整試驗(yàn)參數(shù)后，點(diǎn)“確定”，就可以進(jìn)入測(cè)試子窗口．

圖7 汽車驅(qū)動(dòng)橋試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

當(dāng)完成了參數(shù)設(shè)置后，進(jìn)入試驗(yàn)界面可得到如圖8所示的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)曲線，實(shí)時(shí)溫度、轉(zhuǎn)速、試驗(yàn)次數(shù)顯示窗口．該子窗口中數(shù)據(jù)曲線及縱向格線每隔時(shí)間段就同時(shí)自右向左移動(dòng)一個(gè)單位，動(dòng)態(tài)顯示效果很好．圖中狀態(tài)是從第二次磨合進(jìn)入第三次磨合的實(shí)時(shí)情況，可以很直觀的看出當(dāng)前變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)向和加載電機(jī)的加載方向．如果有報(bào)警，則軟報(bào)警和應(yīng)報(bào)警都會(huì)點(diǎn)亮來(lái)提示操作工人．

在試驗(yàn)進(jìn)行的過(guò)程中，遇到試驗(yàn)次數(shù)到達(dá)10萬(wàn)次左右時(shí)，驅(qū)動(dòng)橋出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩加載不上去的情況，這說(shuō)明驅(qū)動(dòng)橋的齒輪出現(xiàn)了斷齒，造成轉(zhuǎn)矩?zé)o法繼續(xù)加載．但10萬(wàn)次達(dá)到了國(guó)家對(duì)于驅(qū)動(dòng)橋質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，由此可以檢驗(yàn)驅(qū)動(dòng)橋是否合格．

圖8 試驗(yàn)實(shí)例狀態(tài)顯示界面

根據(jù)上述原理設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)橋疲勞性能測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行，一年多來(lái)多次試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行結(jié)論可靠，完全滿足驅(qū)動(dòng)橋疲勞性能測(cè)試規(guī)范與技術(shù)要求，正在取得預(yù)期的效益．

至此，整個(gè)控制系統(tǒng)的主要部分都介紹完畢，此系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制中，很好的滿足了企業(yè)的要求，系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，基本正常．

4 結(jié)束語(yǔ)

本文講述了在驅(qū)動(dòng)橋疲勞試驗(yàn)控制系統(tǒng)中對(duì)于電機(jī)控制所要用到硬件設(shè)備和軟件實(shí)現(xiàn)方法．其中所用的一些工業(yè)控制的思想方法，具有一定使用價(jià)值，可以用在很多工業(yè)控制領(lǐng)域．

［1］陳家瑞．汽車構(gòu)造［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001．

［2］馮 瑞，趙秀栩，羅元月．汽車變速器試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：信息與管理工程版，2006，28（4）：1－4．

［3］SHEPHERD G，WINGO S．深入解析 MFC［M］．趙劍云，卿 瑾，譯．北京：中國(guó)電力出版社，2003．

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［5］桑 楠．汽車自動(dòng)變速器實(shí)物仿真試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)［J］．長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008（6）：102－105．

［6］王皖君，張為公，楊 帆，等．變速器試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．測(cè)控技術(shù)，2011（9）：87－90．

［7］臧懷泉，劉巍波，王智勇．電封閉式汽車變速器加載試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（6）：56－59．