汽車換擋性能測量系統研究

陳漢軍 程麗娟 馮祖軍 尹芝峰 胡世東

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

汽車換擋性能測量系統研究

陳漢軍 程麗娟 馮祖軍 尹芝峰 胡世東

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201）

為實現在實車環境下對換擋系統換擋力和位移的精確、快速測量，針對自動變速器開發了一套汽車換擋性能測量系統，并完成其軟、硬件開發。該測試系統主要由二維推拉力傳感器及球面坐標測量裝置組成，運用三維坐標變換和球面最小二乘擬合的計算方法，實現了換擋力與手柄角位移關系及換擋力與坐標投影距離關系的實時測量。考慮到手動測量數據的分散性，對測量結果進行統計處理，獲得穩定、一致的測量結果，為后續換擋性能分析研究提供參考。

1 前言

車輛換擋系統的換擋質量一般依靠駕駛員的主觀評價，因而人為因素會導致評價結果的不同，所以有必要利用客觀測量方法將換擋質量特征化[1]。通過動態檢測換擋過程中換擋器的推拉操縱力與轉角位移的對應關系可以評判操縱機構的裝配質量、系統磨損等狀況。

本文提出的換擋系統測量裝置實現了換擋力和位移的同步測試。通過球面擬合，獲得手柄角位移或手柄受力點運動弧長，使換擋力-位移關系更精準。該裝置主要用于整車環境下換擋系統（包括換擋器、拉索及變速器棘爪）的動態性能測量，也可在試驗室條件下用于換擋系統性能評價。

2 系統結構

換擋系統測量裝置硬件結構如圖1所示。三坐標測量儀由2個角位移測量編碼器和1個直線位移傳感器組成；二維換擋力傳感器固定于換擋手柄頂端；直線位移傳感器通過球形萬向節與換擋器中心線連接，即以萬向節的球軸承中心作為位移測量點；車載測量支架設計為高度可調形式，方便固定；設計了通用球頭夾具，以便測試時不需拆卸換擋手柄球頭。

圖1 換擋力-位移測量裝置

該裝置分別通過三坐標測試儀和二維力傳感器測量換擋位移和換擋力，利用數據采集卡采集傳感器數據，經模數轉換后輸入計算機，使用LabVIEW[2]進行數據存儲與處理，最后對結果進行統計分析。

3 數學模型建立及計算

駕駛員操作換擋器手柄繞其回轉中心P0（見圖2）旋轉，通過拉索換至意向擋位。自動變速器的換擋手柄施力點（球頭最高點向下15 mm處，即擋位點及力的測量點）在P、R、N、D、M等各擋的位置形成一個球冠。實際測量中，如果直接用球面坐標或直角坐標表示擋位和路徑，方位（或姿態）的傾斜常使結果不直觀，所以需要將原始的測量結果向實測擋位點構成的工作坐標系轉換。為準確獲得每個擋位的數學模型，運用最小二乘法擬合，并引入方差來保證測量精度。

圖2 換擋器模型

圖3 坐標系模型

空間任意一點（如R點）位置可由球面坐標參數θ、φ及L確定，如圖3所示。R點原始直角坐標值為：

式中，θ為空間點與坐標原點連線的仰角（與Z軸夾角）；φ為空間點與坐標原點連線在XOY坐標平面上的投影與X軸的夾角；L為空間點與坐標原點連線的長度。

3.1 球面坐標最小二乘擬合

換擋手柄上任意一點在空間中的運動軌跡為一組球面圓弧曲線。反復測量各擋位點坐標，各測量點至回轉中心P0的距離應為常數。即

考慮到制造、裝配和測量的誤差，實測值與計算值之間存在殘差。為此，可通過多次測量，找到一個擬合球面，使其測量點的殘差最小，即進行最小二乘擬合計算，使殘差滿足精度λ要求，λ越小越好。

擬合后，可同時獲得換擋手柄回轉中心坐標(X0,Y0,Z0)及回轉半徑r。

3.2 坐標變換

如圖4所示，完成由坐標系O-XYZ向O1-X1Y1Z1的轉換需分2個步驟進行：

a.將O-XYZ直角坐標系原點由O平移至O1，即坐標平移。

式中，X、Y、Z為原始坐標值；dx、dy、dz為平移量。

b.通過坐標旋轉完成坐標值的轉換。兩坐標系值間有轉換關系：

式中，x1、y1、z1為第一步平移后坐標值；X1、Y1、Z1為第二步旋轉后坐標值；M為方向余弦的旋轉矩陣，即變換矩陣；α1、β1、γ1分別為X1軸至X、Y、Z軸的方向角；α2、β2、γ2分別為Y1軸至X、Y、Z軸的方向角；α3、β3、γ3分別為Z1軸至X、Y、Z軸的方向角。

圖4 坐標變換

圖5為某H型自動換擋系統的擋位點實際測量解算結果與由UG/Open Grip[3]根據擋位點P、D、M建立工作坐標系（O1-X1Y1Z1）計算獲得的擋位點的對比結果（圖中每個擋位點包含不同解算方法所得2個坐標值）。UG/Open Grip計算誤差可小至微米，因此，可對測量裝置的計算誤差進行檢查。通過對比可知，測量裝置誤差約為±1 mm。

圖5 測量結果校驗

3.3 回轉角度值計算

由于位移測量點Pt通常不與手柄受力點（loadapply position，LAP）Ps重合，測量裝置所測位移需進一步換算。球面擬合所得半徑OPt與換擋手柄長度OPs如圖6所示。

圖6 測量點與手柄受力點坐標關系

實際Ps點坐標為：

根據擬合及長度變換的結果，實時測量手柄旋轉運動的角度，如圖6所示。

角位移為：

對應弧度為：

結合換擋力的同步測量，可獲得實時換擋力-角度關系或經變換可得換擋力-圓弧長度的動態關系。

4 軟件開發

基于LabVIEW的軟件開發主要流程如圖7所示。

圖7 程序框圖

實際擋位位置學習分為2次：在球面擬合中，換擋手柄撥動至各擋位，程序可記錄各點坐標，經多點擬合，獲得后續測量中作為常數的回轉半徑r及回轉中心O的坐標；經變換后，再次學習可獲得Ps對應各擋位的坐標。程序可獲取其中3點（如圖2中的P、N、D）建立工作坐標系并計算平移量及方向余弦。

從擋位學習獲得變換所需各參數后，結合換擋力的測量，實現力與位移關系運算及顯示。圖形顯示或復雜運算（如統計處理等）可考慮作離線處理。

5 實時測試結果及分析

5.1 裝置實時測試界面和結果

圖8和圖9分別為H型和I型換擋路徑的換擋力-位移曲線，由于齒形板設計不同，換擋力的變化斜率明顯不同，手感或柔順性也不同。

圖8 H型換擋路徑P-R-N-D間換擋力-位移測量結果

圖9 I型換擋路徑P-R-N-D-M間換擋力-位移測量結果

圖10為H型及I型換擋器手柄運動軌跡測量結果。擋位處黑色散點分布大小為換擋力在5～15 N作用下的手柄位移范圍，亦可作為機構間隙量，散點分布越廣，換擋機構間隙量越大。

圖10 擋位點間隙測量

5.2 統計分析

由于人的介入，測量結果包含了諸多隨機信號，難以獲得明確的定量結果。引入試驗統計方法[4]，通過多次重復動作的統計分析，可以獲得其內在的客觀規律。

多次測量獲得的換擋力-位移關系如圖11所示。由于隨機因素的存在，每次采樣對應的力與位移皆可能不同（如圖11中各點），為此，以1 mm位移為單位進行分組，分別求得平均值m及標準偏差σ：

標準偏差越小，測量點值越接近平均值。換言之，標準偏差可以作為1 mm位移組內數據分散性的指標。據此，可以對不同車型進行測量和計算比較。

圖11 統計分析

圖12 車型A R-P及P-R換擋力實時測量結果與數據處理結果

圖13 車型B R-P及P-R換擋力實時測量結果與數據處理結果

圖12、圖13分別為車型A和車型B的換擋力-位移關系測量及數據統計處理結果。根據測量及處理結果，可以對系統換擋力進行分析評價，例如：車型A P至R擋換擋力最大值為13 N，車型B P至R擋換擋力最大值為20 N，車型B換擋力大于車型A；從曲線的形狀可以看出，車型B更接近正弦線，車型B的擋位吸入感優于車型A，即車型B更換更清晰；從平均值和方差來看，車型A和車型B的平均值與實測值的走勢曲線相一致，方差的變化范圍都比較小，說明擋位的一致性都很好，兩種車型換擋都比較順滑。

6 結束語

本文介紹了一種換擋系統性能測試裝置，適用于整車環境下的H型、I型換擋器系統的測量。該系統實現了換擋手柄受力點空間運動軌跡測量和系統換擋力及各個擋位間隙的連續測量，可實時獲得換擋性能曲線。同時，系統還可對測量結果進行統計分析，過濾人為因素，使測量結果更準確，為換擋系統的性能優化提供了數據支持。

1 Wang Z H,Yan F W,Tian S P,et al.The development of manual transmission shift performance test bench.Interna?tional Conference on Electric Information and Control Engi?neering，Wuhan，2011.

2 楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW程序設計與應用.北京：北京電子工業出版社，2001.

3 王慶林.UG/Open Grip實用編程基礎.北京：清華大學出版社，2002.

4 Bayin S S.Mathematical Methods in Science and Engineer?ing.Hoboken：John Wiley&Sons,Inc.，2006.

（責任編輯斛 畔）

修改稿收到日期為2016年4月27日。

Research on Vehicle Gear Shifting Performance Measuring System

Chen Hanjun,Cheng Lijuan,Feng Zujun,Yin Zhifeng,Hu Shidong
（Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd,Shanghai 201201）

In order to measure the gear shifting system force and displacement in driving environment quickly and accurately,a shifting system performance test system was developed for automatic transmission,the mechanical design and software development were completed.This test system consists of a 2-axis load cell and a sphere coordinate measuring system,shifting force and displacement can be measured during shift operation with algorithm of 3-axis coordinate transform and sphere surface fitting are used to transform and measure the shifting positions lash and the shifter lever moving angles to get more accurate force-displacement measurement.Considering the manual control dispersion,the statistical treatment is used to get a stable and consistent measuring result,which guides shifting performance analysis and research.

Automatic transmission,Shifting performance,Testing device,Statistical treatment

自動變速器 換擋性能 測量系統 統計處理

U467.4；U463.2

A

1000-3703（2016）12-0041-04