機械式變速器靜態(tài)選掛擋力測量系統(tǒng)設計方案

趙康，馮殿軍

（陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

機械式變速器靜態(tài)選掛擋力測量系統(tǒng)設計方案

趙康，馮殿軍

（陜西法士特汽車傳動工程研究院，陜西 西安 710119）

本文介紹了機械式變速器靜態(tài)選掛擋力測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以飛思卡爾系列MC9S12XS128為核心控制單元，通過PWM控制直流伺服電機的運轉，使用位移傳感器、力傳感器、轉速編碼器組成了一套完整的反饋系統(tǒng)，可以準確、可靠的測量出機械式變速器的靜態(tài)選掛擋力。該方案價格低廉，使用簡單，具有一定的使用價值。

機械式變速器選掛擋力；XS128單片機；PWM；直流伺服電機

CLC NO.:U463.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)11-50-03

引言

隨著現代計算機技術的高速發(fā)展，機械式變速器試驗測試技術也有了突飛猛進的進步。同時由于駕駛員對車輛駕駛舒適性要求不斷提高，使得掛擋輕便的變速器備受青睞，尤其在重型汽車領域。機械式變速器的靜態(tài)選掛擋力的測量成為全世界眾多變速器廠家試驗測試的重要項目。然而受制于選掛擋力測量的理論標準不健全，對選掛擋力測量系統(tǒng)的設計有一定的影響。主要在系統(tǒng)的硬件設計和控制選掛擋力方案上成為了該系統(tǒng)關鍵。本文提出一種基于飛思卡爾MC9S12XS128系列單片機為基礎的機械式變速器選掛擋力測量系統(tǒng)的設計方案。

1、機械式變速器靜態(tài)選掛擋力系統(tǒng)簡介

機械式變速器選掛擋力測量系統(tǒng)是在機械式變速器處于靜止水平的條件下，測量變速器的選擋過程和掛擋過程中的最大選擋力和最大掛擋力的測量系統(tǒng)。最大選擋力和最大掛擋力的大小主要取決于變速器的操縱機構的設計和同步器結構的設計。操縱機構的限位彈簧剛度的大小，以及同步器平衡彈簧剛度的設計，都會影響變速器選掛擋力的大小。由于該系統(tǒng)的測量過程中受到人的影響因素比較多，比如選掛擋測量執(zhí)行機構掛擋時的速度和推拉角度，選掛擋開始和結束的位置等因素都會影響測量結果。對上述的幾種影響因素的控制成為了機械式變速器選掛擋力測量系統(tǒng)設計的關鍵。

2、機械式變速器靜態(tài)選掛擋力系統(tǒng)工作原理

機械式變速器靜態(tài)選掛擋力系統(tǒng)的核心是MC9S12X S128單片機對執(zhí)行機構（選擋直流伺服電機和掛擋直流伺服

電機）的控制。XS128單片機通過PWM脈寬控制，來實現直流伺服電機的不同轉速控制，同時通過位移傳感器的位置信號、轉速編碼器的轉速信號和力傳感器的力值來反饋調節(jié)整個系統(tǒng)的。圖1為整個系統(tǒng)框圖。

3、機械式變速器靜態(tài)選掛擋力系統(tǒng)硬件

機械式變速器靜態(tài)選掛擋力系統(tǒng)是以MC9S12XS12單片機為控制核心，PWM功率管是為電機提供大的功率來驅動選擋和掛擋的伺服直流電機，轉速編碼器、力傳感器、位移傳感器都是整個系統(tǒng)的反饋測量裝置。硬件示意圖如圖2所示。

MC9S12XS12單片機通過自身的PWM模塊來控制PW M功率管的開關，可以實現對直流伺服電機的正反轉控制和速度快慢的調節(jié)，轉速編碼器可以檢測到電機的轉速，將轉速信號傳送給單片機，單片機就可以實時的監(jiān)控直流伺服電機的旋轉狀態(tài)，可以實時的調節(jié)電機的轉速；位移傳感器可以測量到電機的執(zhí)行機構所走過的位移，將實時的位移值，與示教時所定的位移限值進行比較，可以達到電機所需的一個控制量，或者到達位移的限值，也就是選擋或者掛擋示教的最大位置，通過位置信號可以控制電機的停止和轉動；力傳感器可以實時的檢測到電機執(zhí)行機構的力值，通過力值信號被反饋到單片機中，單片機可以記錄力值信號，同時可以與力值的限值進行比較，從而可以達到控制電機的停止或者轉動。單片機可以將力值信號，位置信號，電機的轉速信號通過MAX232串口送入PC機，從而實現對整個系統(tǒng)所采集的信號進行處理和保存【1】。

4、機械式變速器靜態(tài)選掛擋力系統(tǒng)控制模型

該系統(tǒng)由位置反饋環(huán)、力反饋環(huán)、轉速反饋環(huán)組成，位置反饋環(huán)和力反饋環(huán)是主反饋環(huán)，反饋結果與給定的值RL、RF進行相減就可以得到位置信號的偏差信號eL和力值信號的偏差信號eF，偏差信號由比例反饋節(jié)K1放大，送入下一個環(huán)節(jié)。轉速反饋環(huán)是一個局部反饋矯正環(huán)節(jié)，可以改善伺服系統(tǒng)的阻尼系統(tǒng)，提高系統(tǒng)剛度，并減小局部環(huán)內的各種非線性影響【2】。

K2G1(S)是轉速環(huán)的放大及串聯校正環(huán)節(jié)，轉速環(huán)一般采用PI（積分）控制，可以克服靜差KT是比例系數，To時間常數。K3是PWM功率放大器的比例常數。

G2(S)是伺服電機的傳遞函數，KG是靜態(tài)放大系數，td是電磁時間常數，tj為電機時間常數。

HV(S)是轉速反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數，編碼器實質是一個比例環(huán)節(jié)，所以HV(S)=KV，KV是轉速反饋環(huán)節(jié)的比例系數。

HL(S)是位置反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數，也是一個比例環(huán)節(jié)，HL(S) =KL，KL是位置反饋環(huán)節(jié)的比例系數。

HF(S)是力反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數，也是一個比例環(huán)節(jié)，HF(S) =KF，KF是力反饋環(huán)節(jié)的比例系數。

根據上面的分析，由于控制量是以位置反饋為主，故控制量：

控制量C（n）與上次的采用值C（n-1）、給定值RL(n)、位置采樣值L(n)、速度采樣值V（n）有關，同時與給定上次的采樣值給定值RL（n-1）、上次的采樣值位置采樣值L（n-1）、上次的采樣值速度采樣值V（n-1）有關【3】。

5、控制流程圖

單片機初始化整個I/O口，同時設定了位置和力的限值，這個過程是一個示教的過程，單片機實時的采集位移、力和速度信號、將這些信號值與給定的值比較計算，就可以求出控制量C，將控制量送入單片機中，又可以控制電機的轉速。從而形成了這樣的反饋循環(huán)，也是整個機械式變速器靜態(tài)掛擋力系統(tǒng)的整個運行過程。

6、總結

機械式變速器靜態(tài)掛擋力系統(tǒng)是以MC9S12XS128單片機為核心控制單元，整個系統(tǒng)結構簡單，成本低，測量的準確性高，可靠性高，具有一定的使用價值。

[1] 余永權，汪明慧，黃英．單片機在控制系統(tǒng)中的應用·北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2] 李天平．面天線測量轉臺控制器的設計與實現. 濟南：山東師范大學學報，21(2)：2006；53-55.

[3] 王喜明，高偉.單片機對直流伺服電機控制的研究. 西安: 科學技術與工程，第7卷第14期2007年7月.

從結果對比中可以看出，在受相同載荷和約束的條件下，優(yōu)化后支架的最大應力較優(yōu)化前有所增加18%；原結構的重量較優(yōu)化后下降了28%。雖然優(yōu)化后的最大位移增加了48%且應力集中處增加18%但仍然能滿足支架在受2.7倍安全系數拉力下正常使用。實現輕量化且降低了成本。

表3 支架優(yōu)化前后分析結果對比

4、結束語

本文運用Hypermesh對中重卡變速箱選換擋軟軸固定支架建立了有限元模型，同時對支架做出了靜力學受力分析，并根據分析結果應用OptiStruct對支架進行拓撲優(yōu)化，在結構滿足剛度、強度的前提下大大減輕了支架重量，節(jié)省了材料。此外，本文的分析結果對支架的輕量化設計及改進有一定的指導作用。

參考文獻

[1] 劉惟信。汽車設計[M]。清華大學出版社，2001.

[2] 張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，李楚琳，基于HyperWorks的結構優(yōu)化設計技術[M]。北京：機械工業(yè)出版社，2008.

Static selected gear force measurementing system of Mechanical transmission

Zhao Kang, Feng Dianjun
(Shaanxi fast automobile transmission engineering research institute, Shaanxi Xi’an 710119)

This paper introduces the static selected gear force measuring system of mechanical transmission, the system on the fly think of Carle MC9S12XS128 as the core control unit, through the PWM control of a DC servo motor, using the displacement sensor, force sensor, speed encoder consists of a complete set of feedback system, can be accurate, reliable measurement of static selection mechanical transmission gear force. The scheme of low price, easy to use, and has a certain application value.

gear selection of Mechanical transmission; XS128; PWM; DC servo motor

U463.2

A

1671-7988(2014)11-50-03

趙康，工程師，就職于陜西法士特汽車傳動工程研究院。研究方向：變速器設計，變速器實驗檢測，機電一體化。