新款汽車手動換擋器耐久性測試設備的研究

□ 徐文明 陸劍峰

汽車手動換檔器耐久性測試設備是在B299氣缸耐久試驗臺的基礎上進行再研發，研制出適合2014新款汽車手動換擋器耐久性測試的試驗臺，本設備模擬實際用戶在加速駕駛車輛時的狀態，評價手動換擋器的整體性能是否達標，功能是否滿足要求，檢驗手動換擋器的設計是否達到預期的效果。

一、傳統換擋器傳統硬件測試方式

傳統汽車手動換擋器耐久性測試方法如圖1所示。

圖1 傳統汽車手動換擋器耐久性測試方法

步驟一，正確連接4為電磁閥，使其正常通電可用，與PLC相連，使其可以計數;步驟二，利用2關鍵軸承連接1氣缸和3換擋器;步驟三，開始不停操作換擋器3;步驟四，根據plc對電磁閥切換控制的次數，且最終其顯示的數據記錄下換擋器換擋的次數;步驟五，根據觀察員確定3換擋器是否可以繼續使用后再結合plc控制顯示的數據估算出換擋器可以進行的換擋次數;步驟六，確定測試數據。

其現有技術存在的缺點:隨著汽車行業的持續發展，新的質量標準和安全技術參數的應用使得對關鍵汽車零部件的要求越來越高，傳統的汽車零部件或者對于汽車零部件檢測的方法已逐漸不能滿足新的汽車行業的質量標準、安全技術參數和用戶使用的要求。

二、新款換檔器設備功能簡介

新款汽車手動換檔器耐久性測試設備應具有下列功能:一是力傳感器可以實現0～1，000N的測試;位移傳感器可以實現0～300mm的測試。二是能顯示力與位移的曲線，力與時間的曲線，位移與時間的曲線。三是設備采樣率達到2，000Hz，用戶可以選擇采樣率，且實際采樣點不能偏離理論5%。四是軟件能設置上下限，超限報警閃爍，并使設備停止工作。五是在畫面中自由選擇界面，實時顯示。六是曲線顯示不得有明顯毛刺，過渡平滑。七是數據保存時，可以設定時間間隔、項目名稱和日期。八是設備為通用性的控制系統，能滿足FIT和A-ENTRY換檔器耐久性測試。

機能耐久性測試的內容一般有:球頭上操作振動強度;更改運動耐久性;振動耐久性;加熱耐久性等。機能耐久性測試中，不同機能耐久性測試內容所施加的負荷力有一定要求，測試按照測試標準進行，5MT工作模式和6MT工作模式也有所不同。

圖2 5MT工作模式

5MT工作模式(圖2):1ST→2ND→1ST;3RD→4TH→3RD;5TH→REV LOCK→5TH;N→REV→N;N→1ST→2ND選擇;N→5TH→REV選擇;選擇各變位位置;各中間位置上選擇的變位;旋鈕上下方向。

圖3 6MT工作模式

6MT工作模式(圖3):1st?2nd;3rd?4th;5th?6th;N?RVS;N?1-2選擇;N?5-6選擇;N?選擇;選擇進入各變位段位置;各選擇過程中變位;旋鈕上下方向。

每種模式按一定的次數、力值的要求及環境的要求進行模擬循環，一種模式完成后再切入到另一種循環模式，直到完成所有的測試模式。

三、新型換擋器方案設計及軟件測試應用

(一)換擋器方案設計。本設備采用的虛擬儀器是以LabVIEW圖形化編程軟件為開發平臺，利用先進計算機軟件和硬件資源完成傳統的儀表功能。在新款汽車手動換檔器耐久性測試設備中，數據采集采用了研華公司的USB-4711A系列卡板。該系列卡板簡單高效，在工業應用中有足夠的可靠性和穩定性，數據采集模塊可以通過USB口即插即用，無需打開計算機機箱來安裝板卡，僅需插上模塊，便可以采集數據，USB-4711A同時還能通過USB端口獲得所有所需的電源，無需外接電源。本設備的系統框圖如圖4所示。

圖4 系統框圖

方案設計采用力傳感器測量換擋器的推力和拉力、位移傳感器測量換擋器的切換位移，氣缸的推拉控制換擋器的耐久性測試的操作。該設計方案中的力傳感器選用Interface S型傳感器，測量精度高，抗干擾性強。在傳感器安裝設計上，力傳感器與換擋器、力傳感器與氣缸之間均增加了高強度耐磨關鍵軸承，確保換擋器力的測量準確性和真實性;位移傳感器選用NOVOTECHNIK非接觸式磁性伸縮測量原理的位移傳感器，沒有機械磨損，有無限的機械壽命，不受沖擊或振動的影響，測量分辨率可達0.001mm，位移傳感器的安裝與氣缸平行，確保換擋器位移測量和力測量的同步性。換擋器推力的大小和換擋切換的頻率是由氣缸推拉實現的，氣缸動作是由上位計算機PLC通過程序來控制的。

(二)換擋器虛擬儀器軟件測試開發。

1.數據采集功能程序。數據采集前面板初始化(INTScanStart)設置，TrigSrc設置可選擇Internal或 External，這里設置為Internal;SampleRate設置為600;NumChans設置為3;StartChan設置為0;Count(計數)設置為300;Cyclic Mode設置可選擇Cyclic或Non-Cyclic，這里設置為Cyclic;FIFOS-ize設置為1024;GainList設置為4-4-4-4。EventMask設置:Type設置為F;Count設置為1024;Time設置為3000。

產品名稱可以根據用要求寫入，如寫入FIT20130101，力1上限值為設置500N，力1下限值設置為-500N，零點設置和滿度設置是根據傳感器量程而設置的，新設備的傳感器零點和滿度都已經調整好，默認設置如圖所示。當傳感器發生漂移或需要將位移曲線顯示在中心位置時，可以按清零F1、清零S1和清零F2。

2.數據處理功能程序。數據緩沖器中的電壓數據經過數組轉換成F1、S1和F2三個傳感器檢測的數據。F1電壓數值經過量程轉換和數據濾波處理后，再和F1上限值和F1下限值構成數組，輸出顯示F1-時間波形圖表。S1電壓數值經過位移量程轉換和數據濾波處理后，再和F1構成數組，輸出顯示力1(N)-位移1(mm)波形圖表。F2電壓數值經過量程轉換和數據濾波處理后，再和上限值和下限值構成數組，輸出顯示F2-時間波形圖表。

3.數據儲存功能程序。數據儲存了F1、S1、F2在測試過程中不同時刻所測試的數據，該功能可以追溯產品在試驗驗證過程中的各種參數、力值的大小及位移的大小。而且在運行過程中實時與標準值比較，超出規范就報警，可以很方便地實現人機交互作用，檢查產品是否在過程中已經失效。

四、新型換擋器硬件研究及測試應用

(一)換擋器硬件研究目的。為了進一步滿足汽車行業質量標準和安全技術參數的要求，加強汽車換擋器測試數據的準確性、安全性、合理性，公司通過多年對汽車換擋器測試的實踐、測試方法的摸索，經反復實驗，研發出一套合理的汽車手動換擋器測試方法。新款汽車手動換檔器耐久性測試設備應具有下列功能:一是力傳感器可以實現0～1，000N的測試;位移傳感器可以實現0～300mm的測試。二是能顯示力與位移的曲線，力與時間的曲線，位移與時間的曲線。三是設備采樣率達到2000Hz，用戶可以選擇采樣率，且實際采樣點不能偏離理論5%。四是軟件能設置上下限，超限報警閃爍，并使設備停止工作。五是在畫面中自由選擇界面，實時顯示。六是曲線顯示不得有明顯毛刺，過渡平滑。七是數據保存時，可以設定時間間隔、項目名稱和日期。八是設備為通用性的控制系統，能滿足FIT和A-ENTRY換檔器耐久性測試。

(二)新型換擋器硬件測試方式。一是采用s型力傳感器附加在關鍵軸承上確保可以有效測出手動換擋器在完成一次換擋時所需要用的力的大小;二是采用位移尺和標示滑塊來確定手動換擋器在完成換擋時換擋器進行的位移大小;三是標示滑塊采用磁質的，這樣滑塊與位移尺之間是非接觸的滑動，不會因摩擦力的大小而使得讀數有誤差。

(三)新型手動換擋器測試原理。力傳感器和位移傳感器把模擬力信號F1(0-10V)和模擬位移信號S1(0-10V)分別送到數據采集模塊USB-4711A，USB-4711A通過USB口把數字信號送到上位機，通過上位機的LABVIEW軟件對數據進行采集、轉換、顯示、儲存等處理。PLC控制系統輸出數字信號控制氣缸運動。如果力信號F1超過上下限，LABVIEW將會輸出聯鎖信號給USB-4711A，并由USB-4711A輸出信號給PLC控制系統，聯鎖控制氣缸停止運動。

五、新型轉換器硬件測試的優勢

這種測試的優點和效果增加了數據的準確性和測試的科學性，主要是因為傳感器將接收到的模擬信號經過數據采集模塊的轉化，將模擬信號轉化為數字信號，然后通過上位機對數據進行處理，實現了數據傳輸的準確性以及操作的科學性。此過程通過力的傳感器和位移傳感器，可以有效計算出換擋器在換擋過程中需要的力的大小和用多大的力產生多大的位移;然后將USE口將數字信號送到上位機，通過上位機的LABVIEW軟件對數據進行采集、轉化、顯示、儲存處理，可以有效記錄和真實反映手動換擋器在達到相應的換擋效果時實際需要的力的大小和位移的大小，及換擋器損壞時使用的次數。避免傳統測試方法對于換擋器使用壽命測試時的估算。

由于傳統方法測試換擋器使用壽命時都是采用人工計數，當換擋器損壞時實驗員還是在進行換擋器的測試，直至無法使用才算壽命到頭，即浪費時間也不準確，本方法在試驗過程中加裝plc控制系統，一旦LABVIEW得出換擋器損壞，其直接發送鎖住信號給plc控制系統，plc控制系統將鎖住氣缸停止運動，因此，當換擋器損壞時，試驗終止，則不會浪費時間做毫無價值的繼續試驗，并且氣缸鎖住時的數據，包括力的大小、位移及次數都是唯一的，準確的，具有參考價值的。

實施效果可以根據不同加載力的大小，調整氣壓的范圍。可以在界面中顯示力與位移的關系或力與時間的關系。力與位移測量曲線，界面中顯示實時數據和曲線，曲線顯示平滑，沒有明顯毛刺。調試結果完全滿足耐久測試要求。一是解決換擋器測試過程中的無用測試問題，不像傳統的測試，換擋器壞了也不清楚還在持續進行換擋和次數的計算，直至換擋器無法使用才計算報廢，達不到準確性和浪費時間;二是解決換擋器測試過程中對于換擋器到達多少次報廢，測試的準確性;三是實現換擋器測試過程中對于換擋器達到換擋效果力的大小的測試，此點可以很好地反映超過多大力換擋器會出現報廢情況;四是實現換擋器測試過程中對于換擋器達到換擋效果位移大小的測試，此刻可以很好地反映給出一定的力后，換擋器達不到力與位移的關系，則換擋器判定不合格;五是通過以上總結，本測試方法可以節約測試時間、實現測試數據的準確性，測試的數據更具有實際的指導價值，不像傳統的測試方法，只可以粗略計算出換擋器達到多少換擋的次數就達到報廢，而是從次數、力的大小和力的位移多方面因素，測試換擋器的使用壽命，更具有實際使用的意義。

六、結語

通過調試，最終獲得符合設計要求的力與位移的關系曲線，也能測量出力和時間，位移和時間的關系曲線。測量數據按照要求保持在相應的數據庫中，數據保存及時、完整、準確。測試過程中如遇到負荷力過大，超過設定的上下限時，設備能聯鎖保護自動報警并停止測試任務。該設備已成功用于2014 FIT系列換檔器耐久性的測試，具有很好的通用性及可靠性，與進口設備相比成本低，占地空間小等優點。

［1］Teffrey Travis，Jimkring.LabVIEW 大學實用教程［M］.北京:電子工業出版社，2008

［2］阮奇楨編著.我和LabVIEW:一個NI工程師的十年編程經驗［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2012