汽車液力變矩器柔性化性能測試系統研究

任工昌，翁 濤，曹錄海

（陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021）

0 引言

液力變矩器是一種以液體為介質，用來傳遞動力的傳動裝置，對外載荷具有自動適應能力，是汽車實現無級變速的關鍵部件，目前廣泛用于各類車輛傳動系統中[1,2]。柔性測試技術是以虛擬儀器技術、機電一體化技術、測試測量技術、通信及網絡技術、軟件技術等為基礎，對滿足測試測量系統需求的方法及手段進行深入研究的技術。可靠性、精確性、靈活性、適應性和可拓展性是柔性測試系統的研究目標，系統尤其注重測試測量系統功能的整體性[3]。

由于現代制造技術的飛速發展和液力變矩器的廣泛應用傳統的老式液力變矩器生產線正向自動化柔性化生產線轉變，而性能測試技術必須要適應并滿足于它所服務的對象，所以對液力變矩器柔性化性能檢測技術的研究顯得尤為重要。本文介紹了一種新型汽車液力變矩器柔性化性能測試系統，該系統是在整合原有液力變矩器性能測試設備硬件資源的基礎上，通過虛擬儀器技術和先進的通訊及網絡技術的應用，實現對各種類型和型號的液力變矩器的各種性能測試，系統具有較高的可靠性、靈活性、適應性和可拓展性，能夠滿足液力變矩器柔性化性能測試需求。

1 試驗臺組成及工作原理

液力變矩器試驗臺由驅動/負載部分、測量與控制系統、油路供給系統等組成，如圖1所示。

1.1 驅動/負載部分

驅動部分的主要功能是模擬發動機向變矩器總成輸出動力，可以在不同的轉速和扭矩范圍下測定變矩器的各種性能，驅動電機在變矩器反向工況時可作為負載電機使用。負載部分采用交流變頻電機，負載吸收的功率以發電方式輸出電流并通過變頻系統的直流母線直接回饋到驅動電機的變頻系統，向驅動電機提供電能，負載電機在變矩器反向工況時可作為驅動電機使用。

圖1 試驗臺結構示意圖

鋼結構底座上還安裝有一個盤式制動器，一個扭矩傳感器和傳感器安裝底座。扭矩傳感器與被試液力變矩器用一根萬向節工業傳動軸連接。用于采用萬向聯軸節的傳動方式，對于被試件與傳感器的對中要求相對可以降低要求，便于被試件工件快速的拆卸和安裝。驅動/負載部分的安裝底座在基礎平板上前后、左右可調。

1.2 測量與控制系統

測試系統硬件由美國NI公司的PXI-1052機箱、MXI-4控制器單元、PXI數據采集單元、SCXI信號調理單元、計算機、打印機等組成。MXI-4控制器單元、PXI數據采集單元、SCXI信號調理單元安裝在現場專用控制柜內，完成各種試驗過程參量的隔離、濾波、整形、A/D轉換等功能，并通過MXI-4網絡傳輸至測控中心的計算機，計算機通過上位測控軟件最終實現高精度、高可靠性的數據采集、顯示、分析、存儲，由網絡打印機實現報表打印。

數據采集單元選用了NI公司的PXI總線機箱和板卡，PXI總線是專為工業數據采集量身定制的模塊化儀器平臺，比PCI總線具有級別更高、定義更嚴謹的環境性能指標，以及更為牢固的插接方式，適合在惡劣的工業現場使用，并且具有良好的長期穩定性。同時集成了SCXI調理單元，在降低系統成本的同時，可通過機箱背板總線實現SCXI調理至PXI采集的數據傳輸，簡化了系統信號傳輸電纜連接，有效提高了數據傳輸的可靠性。試驗臺現場數據采集設備與測控中心的測控主機通過MXI-4高速網絡傳輸技術實現PCI對PXI的遠程控制，連續傳輸速率可達78MB/s，不僅可以滿足高數據采集、通道同步等需求，同時比純PCI總線或純PXI總線具有更好的系統擴展靈活性和更高的性價比。

1.3 供油系統

供油系統由油箱、油泵電機、變頻器、溫度和壓力傳感器、各種閥體和連接件等組成，油路供給系統原理如圖2所示。系統選用雙聯泵，共用一臺電機。在試樣的入口管路旁路和出口管路中設置氣動調節閥，用于調節入口和出口壓力，在一臺油泵的出口設置一臺氣動調節閥，用于調節流量；配備變頻器，通過調節油泵電機轉速來保證入口流量滿足試驗要求。加熱器安裝在油箱中，冷卻器安裝在回油管路中，冷卻水經過氣動調節閥，進入冷卻器后排出，通過控制加熱器和氣動調節閥控制冷卻水的流量，調節介質油溫度。

在測功系統啟動前，輔助油源系統預先開始工作，啟動輔助油源加熱器，循環升溫到試驗要求溫度，然后按照產品的試驗工況要求，將壓力、流量和溫度調節至要求值，啟動冷卻水系統，然后再啟動測功系統。

流量調節原理：通過變頻器調節油泵電機轉速在150r/min～3000r/min范圍內連續可調，通過PLC與流量形成閉環控制。

壓力調節原理：通過PLC調節入口氣動調節閥、出口調節閥和旁路的調節閥，分別與產品入口壓力、出口壓力形成閉環控制，保證壓力的調節。

圖2 油源系統原理圖

溫度調節原理：在油箱內安裝加熱器，在系統管路中安裝冷卻器。先啟動油泵電機，將輔助油源的油流動起來，形成回路。接通加熱器，對液壓油進行加熱，通過PLC控制加熱器和冷卻水的氣動調節閥，與油溫形成閉環控制，實現油溫的調節。

為適應不同的傳動油，輔助油源配備兩套，都分別集中在油源車上，方便移動。油源對外有三路接口，一路接液力變矩器進口油路，一路接液力變矩器出口油路，這兩路油路通過換向閥可以快速切換油路方向，另一路接液力變矩器閉鎖控制油路。由于油源的油泵能力較大，同時液力變矩器進口油路安裝有氣動調節閥，可以保證壓力控制在0.5MPa～1.2MPa；液力變矩器出口油路安裝有氣動調節閥，在出口氣動調節閥之前安裝有冷卻器，可以保證壓力控制在0.2MPa～1.2MPa；液力變矩器閉鎖控制油路入口設計有減壓閥，可以保證壓力控制在0.5MPa～2MPa。

2 系統軟件

系統軟件開發采用NI公司的虛擬儀器LabVIEW圖形化編程軟件，Windows操作系統作為運行平臺。虛擬儀器就是在通用計算機平臺上，用戶根據自己的需求，定義和設計儀器的測試功能，其實質是將傳統儀器硬件和最新計算機軟件技術充分結合起來，以實現并并擴展傳統儀器的功能，也就是“軟件即儀器”[4]。正是由于虛擬儀器技術具有這些特點，幾乎是柔性測試系統的開發所必需用到的技術。

2.1 軟件設計思想

本系統軟件主要功能是通過對動力-驅動電機和負載-負載電機以及對變矩器油溫、流量的控制，對變矩器各種性能參數（轉速、扭矩、功率、壓力、流量、溫度）的測量來考核變矩器的各種工作狀況和性能指標；圍繞著完成這些功能還提供錯誤提示、數據處理、數據存儲等輔助功能。系統功能模塊如圖3所示。

用戶登錄界面必不可少，用戶需要輸入用戶名、密碼進行用戶信息的認證，才能進入測試項目選擇界面。系統主要功能在各測試項目的主界面來完成，包括試驗轉速、轉矩控制，信號采集方式的選擇，產品信息以及試驗狀態的顯示。試驗完成后可進行數據處理、保存與曲線繪制。相應的軟件界面如圖4～圖6所示。

圖3 系統功能模塊圖

圖4 登陸窗體

圖5 試驗主界面

圖6 結果顯示界面

2.2 軟件結構設計

軟件采用模塊化設計思想[5]，針對變矩器類型多、型號多和所需測試項目多的特點，將變矩器各個試驗項目建立成不同的測試模塊，各個模塊執行獨立的測試項目，各測試模塊又由若干個子模塊組成，可完成不同的子任務。

需要指出的是，各測試項目中，可能存在相同的子任務，執行這些相同的任務可通過調用同一個功能模塊來實現。通過這樣的結構設計，就把液力變矩器的性能測試過程，變成了按測試要求靈活匹配測試任務的配置過程，測試過程因此具有規律性，也大大提高了測試程序的通用性和可移植性[6]。

3 柔性化在系統中的實現

3.1 硬件部分

柔性測試技術在硬件方面主要通過柔性重構技術[7]來實現。所謂柔性重構就是要求系統可以根據不同的測試需求匹配不同的硬件資源，例如匹配不同的傳感器或其他測試儀器、采用不同的工裝、不同的數據通訊方式等。本系統中，安裝了多種不同量程和類型的傳感器，可以根據測試要求任意匹配；底座有滑動導軌，可適應不同的工裝；交流變頻電機可提供較大變化范圍的動力；PXI-SCXI混合機箱[8]使得該系統具有極高的信號適應性，具備對轉矩、轉速、溫度、壓力、頻率等不同類型信號的采集與處理能力，極大的增加了系統通訊的靈活性。

3.2 軟件部分

軟件采用模塊化結構，可以使各測試項目中的每個功能測試互相獨立，互不影響。當試驗需求改變，需要對功能進行擴展或更新時，不需要對全部的軟件進行重新設計，只要對某個特定功能測試模塊的軟件進行更新即可，可減少工作量，也體現出測試軟件的通用性和靈活性。而各測試項目中存在的相同測試功能的子模塊也可以相互調用，實現資源的重復利用[9]。

柔性化測試系統最重要的體現在于軟件系統的功能實現上。測試人員只需根據測試需求，用鼠標選擇要進行的測試項目，跳過不必要的過程，提高了測試效率。進入測試項目后，用戶可以對試驗參數進行編輯，包括工藝參數和傳感器參數編輯兩部分，工藝參數主要是指與試驗工藝相關的參數設置，傳感器參數是指試驗所用的傳感器標定值編輯。如果需要更換試驗產品的型號，直接在產品型號下拉窗選擇，如果需要添加新型號，可在添加型號輸入窗內輸入新型號進行添加。參數編輯界面如圖7所示。

圖7 參數編輯界面

4 結論

1) 試驗臺驅動和加載裝置選用了額定功率、額定轉矩大小合適，工作范圍最佳的交流變頻電機，選用的不同量程的傳感器，測量精度和靈敏度較高，性能可靠。

2) 變矩器的油路供給系統采用雙聯泵，配備變頻器、冷卻器和加熱器，安裝了多個氣動調節閥，能夠有效調節、控制介質油的油壓、油溫，可以適應各種試驗要求。

3) PXI總線是專為工業數據采集量身定制的模塊化儀器平臺，能夠適合惡劣的工業現場，具有良好的長期穩定性。PXI數據采集單元和SCXI信號調理單元能夠實現高精度、高可靠性的數據采集與處理。

4) 采用LabVIEW軟件進行系統開發，靈活性強，開發時間短。系統采用模塊化結構，人機界面友好，可擴展性強，功能豐富，基本可滿足液力變矩器的柔性化測試需求。

[1]惠記莊,鄒亞科.液力變矩器性能試驗臺的研究[J].工程機械,2008(5):53-55.

[2]張金剛,徐增豪.液力變矩器性能試驗臺設計與研究[J].制造業自動化,2011(9):49-51.

[3]邊澤強,孟曉風.開放式柔性測試系統及其關鍵技術[J].電子測試,2007(11):52-56.

[4]梁春蘭.基于虛擬儀器的發動機試驗臺架測試系統研究[D].河北工業大學,2007.

[5]李慧敏,盧奐采.基于虛擬儀器技術的液力變矩器自動測試系統的研制[J].電子技術,2000(9):41-44.

[6]徐偉,徐惠鋼,謝啟.基于柔性測試技術的低壓電器性能測試系統設計[J].低壓電器,2011(4):55-59.

[7]闞宏偉.基于柔性測試技術的系統設計[J].航空制造技術.2008(9):54-56.

[8]高天虹,汪海波.基于柔性測試技術的測試系統[J].兵工自動化,2009(5):85-86.

[9]王士磊.汽車發動機柔性測試系統的研究與開發[D].上海:華東理工大學,2012.