商用車變速器換擋性能試驗臺測控系統設計

米 林，王幻之，譚 偉

(重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室， 重慶 400054)

變速器是汽車傳動系統的重要組成部分，其性能的好壞直接影響汽車的動力性、操縱穩定性、燃油經濟性以及平順性[1-4]。近年來，汽車工業發展迅猛，汽車保有量逐年攀升，人們對汽車的駕駛舒適性提出了更高的要求。因此，對汽車變速箱換擋性能試驗的研究是提高汽車產品競爭力的關鍵之一。通過換擋性能試驗可以對變速箱進行考核、評價，從而為產品設計和優化提供科學的理論依據，縮短開發周期，降低研發成本，提高汽車品質。

汽車變速箱換擋性能試驗分為道路試驗和臺架試驗。道路試驗受自然因素影響大，試驗周期長且成本高，因此研發變速箱換擋性能試驗臺架是發展的必然趨勢。隨著虛擬儀器、傳感器等技術的迅猛發展和廣泛應用，具有高精度性和高集成化特點的汽車變速器換擋性能臺架試驗逐漸成為了主要的試驗手段。

早在1989年，大眾公司、GM公司和斯太爾公司就致力于研究能模擬汽車行駛工況的傳動系綜合試驗臺。在1991年，大眾汽車研制出的綜合試驗臺能同時進行變速器、離合器、傳動軸、后橋的壽命試驗[5]。但是國外研制的試驗臺價格普遍昂貴，令許多企業望而卻步。國內也做了大量關于變速器換擋性能臺架試驗的研究，如蘇州吉孚動力技術有限公司(GRC)開發的換擋分析系統(GSA)近幾年廣泛應用于手動同步器變速箱的開發和應用領域[6]，測試數據主要包括選換擋力及選換擋行程等，還可以通過離線分析得到選換擋力和位移關系曲線，從而評價變速器換擋品質。但是其換擋裝置的設計采用人為操縱的方式，由安裝在換擋桿上的力傳感器和位移傳感器進行數據采集，這種人工換擋方式不僅效率低下，而且性價比也很低，加之個人操縱習慣以及主觀感覺不同，影響了數據的客觀性，不利于評估變速器的換擋性能。

本文參考《汽車機械式變速器總成的技術條件》《機械工程變速器性能的試驗方法》《汽車機械式變速器臺架試驗方案》等標準，結合國內外變速器換擋性能試驗的先進理論和方法，以工業一體式計算機為核心，采用基于數據流的LabVIEW虛擬技術，利用傳感器技術、數據分析與處理技術以及數據采集卡和PLC為某齒輪傳動廠家開發了一款集自動化、智能化為一身的商用車變速器換擋性能試驗臺測控系統，為變速器換擋性能評價提供了客觀的數據[7-12]。

1 試驗臺結構及原理

該試驗臺采用直線布局方式(如圖1所示)，由交流變頻電機驅動機械飛輪旋轉以模擬行車過程中的轉動慣量，電機轉速可以根據所需擋位不同而調整。變速器采用反托方式安裝于試驗臺架上，其輸出端與慣量飛輪相連，輸入端僅安裝慣量盤，模擬離合器從動慣量，無需結合、分離離合器。變速器輸入軸轉速一般保持為發動機轉速，通常為2 500 r/min。

進行變速器換擋性能臺架試驗時，將變速器和操縱機構按照實車中的安放位置進行固定，以便更好地模擬實際換擋操作。

1.變頻電機， 2.雙萬向節聯軸器，3.慣量飛輪， 4.轉速轉矩傳感器，5.被試變速箱，6.慣量盤，7.換擋機械手，8.支座，9.鑄鐵平臺

2 測控系統工作原理

測控系統工作原理如圖2所示。該系統分為控制室和現場測控兩大方面。

圖2 測控系統原理圖

現場測控部分主要包含數據采集卡、選換擋執行部分和PLC測控主機。在進行變速器換擋性能臺架試驗時，測控系統需要利用數據采集卡對各路信號進行實時采集并打包、處理,通過抗干擾數據線發送至工業控制計算機，利用這些測試數據來分析變速器的換擋性能。現場操作終端在進行調試的時候對試驗的參數進行設置、調試，調試完畢后就可以斷開現場操作終端，將權限交與上位機(工業控制計算機)。

選換擋執行部分和交流變頻電機都由PLC控制，工作人員通過上位機操作軟件向下位機PLC發送控制指令，可以使換擋機械手自動完成選、換擋操作，試驗人員也可根據擋位對轉速進行精確控制。

測控室主要放置研華IPC-610L工控機，操作人員利用工控機的顯示屏實現對下位機的遠程控制。在人機界面上進行試驗功能選取，程序設置，測試參數設置和測試數據、控制運行狀態的實時顯示，并存儲、打印數據，實現后期歷史數據的回訪、管理以及多組數據對比分析等功能。

3 臺架系統硬件開發

如圖3所示，整個變速器換擋性能測控系統大致可以分為三大部分：動力驅動部分、換擋執行部分和測量控制部分。

圖3 試驗臺硬件配置

交流變頻電機作為整個換擋性能試驗臺架的動力源，需提供變速箱輸出軸所需的轉速和轉矩。考慮到驅動電機的穩定性和兼容性，采用ABB變頻電機。選用西門子SINAMICS G120變頻器為電機提供高精度的轉矩轉速控制。

換擋執行機構采用以交流伺服電機為動力源的電動缸驅動，選用西門子SIMOTICS S-1FL6系列伺服電機和與之匹配的SINAMICS V90驅動器。

為了測量變速器輸出軸的輸入轉速轉矩，選用湘儀動力JC3A型轉速轉矩傳感器和與之配套的JW-3型扭矩儀。

本文需要對選、換擋力，換擋位移以及同步轉速進行測量，以評價變速器換擋性能。選、換擋力由安裝在選、換擋軟軸和搖臂之間的CL-YD-312型雙向拉壓力傳感器測量，換擋位移由安裝在換擋搖臂處的同軸角位移傳感器測量，同步轉速由安裝在變速器輸入軸端的絕對式磁電編碼器測量。因此，采集卡需要采集4路差分模擬信號，分別為2路拉壓力信號、1路換擋位移信號和1路同步轉速信號。本文選用具有8個單端模擬輸入(AI)通道、2個模擬輸出(AO)通道、12個數字輸入/輸出(DIO)通道、1個32位計數器以及全速USB 接口的NI USB-6008型采集卡，該采集卡可以根據試驗要求采集相關試驗參數信號。

4 測控系統軟件設計

變速器換擋性能臺架試驗測控系統軟件框圖如圖4所示。測控系統主要能實現試驗管理、試驗設置、擋位標定、試驗控制、數據處理和狀態監控等功能。

圖4 測控系統軟件框圖

本文測控系統采用美國國家儀器公司(national lnstrument)推出的圖形化軟件開發集成環境LabVIEW，配合工業控制計算機和設計恰當的硬件儀器，可以為用戶構建一個靈活的、層次結構分明的、功能強大的且人機交互界面友好的數據采集系統和穩定、高效、便捷的控制系統[7]。

系統以數據庫的形式存儲試驗人員的用戶名和密碼，若試驗人員輸入的登錄信息匹配成功則可以進行后續操作。試驗管理人員可以修改其信息和權限、動態刪除測試數據。試驗操作人員只具有進行試驗的功能。

試驗設置部分主要包括試驗流程設置和試驗參數設置。試驗流程設置主要有試驗人員信息、試驗日期、換擋次數、變速箱型號和編號以及傳動比參數等。試驗參數設置包括選換擋速度、選換擋正向和反向限位、標定選換擋力、擋位停留時間、啟動加速時間、制動減速時間以及輸出軸轉速限定等。

擋位標定主要是控制選換擋電機的正反向運動，根據選換擋力和選換擋位移的數據進行坐標標定，并加以修正和保存。

4.1 驅動電機的控制

圖5 驅動電機的控制流程

西門子SINAMICS G120變頻器可以控制試驗臺驅動電機的轉速和轉矩。 S7-200 SMART PLC作為主機通過Modbus RTU通信與從機G120變頻器通信，Modbus RTU通信通過信號板CM01和控制單位的X128 RS485接口實現。執行任務按照通訊的性質可以被分為以下2部分：① S7-200通過Modbus RTU控制G120參數，更改交流變頻電機的運行狀態，如正轉啟動、反轉啟動、自由停車、運行準備和故障確認等；② S7-200通過Modbus RTU讀取G120參數，包括電機的電流值、電壓值和運行頻率。驅動電機的控制流程如圖5所示。

4.2 自動換擋的實現

換擋控制部分是測控系統軟件開發的核心部分。根據不同試驗的需求，將試驗擋位的傳動比換算成變速箱輸出軸的轉速，試驗人員通過對G120變頻器的控制使臺架電機達到需求轉速，必要時可在變頻電機和慣量飛輪間加裝升速箱以滿足試驗條件。通過驅動器控制電動缸實現機械手的自動換擋。在進行商用車變速器換擋性能試驗時，試驗人員編制完試驗流程和試驗參數后開始試驗，上位機讀取由傳感器獲得的當前擋位信息，并判斷和設定程序的擋位信息是否一致。如若一致，則直接退出選換擋操作；如若擋位信息不同，上位機則按照設定的試驗流程向下位機發送選換擋命令。

圖6 自動換擋流程

本臺架的設計無需結合、分離離合器，但選擋、選擋到位、換擋、換擋到位等一系列程序都是在電機運轉的工況下運行，因此每個動作在執行前都要驗證是否嚴格滿足操作條件，以確保試驗的安全性。自動換擋流程如圖6所示。

本程序具有系統異常和換擋失敗報警功能，當啟動換擋試驗時，傳感器將采集到的信息發送至上位機與試驗人員預設值對比分析進行系統自檢程序，若出現程序異常則發送報警指示。在進行換擋試驗的過程中，若換擋失敗次數累加到預設次數時，程序發送報警指示并停止電機使能。停頓時間分為推停頓時間和拉停頓時間，分別指電動缸向外伸對應奇數擋停頓時間和電動缸向內伸對應偶數擋停頓時間，均可由試驗人員根據試驗需要在參數設置中設置。

4.3 數據采集和處理

數據采集處理模塊主要是針對選換擋力、選換擋位移、轉矩轉速等參數的測量。變速器換擋性能試驗有龐大的數據需要采集和處理，前期數據處理主要是根據設定的采集頻率采集評價變速器換擋性能參數的測試數據，并在操作主界面上實時顯示選擋力、換擋力、選擋位移、換擋位移、轉速、扭矩的曲線圖，同時將所有的歷史數據和信息保存至設定的數據庫中，以便后期能分析和處理以往各次試驗得到的測試數據。操作人員可以以圖表或者報表的形式打印需要的測試記錄，包括試驗數據、試驗次數、試驗時間、試驗人員等信息。

4.4 狀態監控和報警

報警監控模塊根據作業指令和采集卡采集的測試信息對換擋過程進行實時監控，一旦發現錯誤或者故障，上位機就向試驗人員發送報警指令或者根據試驗人員前期對試驗報警程序的設定自動采取急停操作。

報警監控部分共有兩級監控報警機制：1級報警為警示報警，警示燈顯示為黃色，此時提醒操作人員系統已進入報警狀態，操作人員可以修改預設的報警參數或者點擊停止試驗按鈕；2級報警為停機報警，警示燈顯示為紅色，此時系統自動關閉電機使能。

在主窗口界面上實時顯示選換擋力、選換擋位移、同步轉速和驅動電機轉矩曲線，程序試驗的次數以及選換擋機械手伺服電機和交流變頻電機的工作狀態，有助于換擋過程的實時監控和控制參數的在線調試。添加“停止試驗”“開始試驗”“制動停車”“電機啟動”等按鈕有效地增加了人為控制的干涉，起到了一定的保護作用。

5 試驗運行及結果

變速器換擋性能臺架測試主界面如圖7所示。為了評判該測控系統的測試效果，選用某齒輪廠家的某型號商用車變速器進行換擋性能臺架測試，評判標準為換擋力和換擋位移的動態曲線圖。變速器各個擋位傳動比如表1所示。

圖7 測試程序前面板

表1 變速箱傳動比

將待測變速器和自動換擋機械手以及相關硬件安裝完畢后，對變速器各個擋位進行標定，將修正后的結果存儲于上位機中，之后對變速器進行300次換擋磨合試驗，磨合試驗結束后更換清潔潤滑油即可進行正式換擋性能測試試驗。

下面以“2-3-2”工況為例進行多次連續自動換擋試驗。在上位機LabVIEW軟件中設定好試驗工況：輸出軸轉速為2300 r/min，換擋頻率為10次/min，循環次數為1 000次以及換擋力、換擋位移保護值等。試驗結果如圖8～10所示，其中：縱坐標正向為3擋；負向為2擋。

由圖8中換擋力和時間的關系曲線可知:在進行“2-3-2”工況換擋操作的過程中，出現換擋力大小不同、方向相反的情況。該特點符合換擋實際，且各個階段換擋力的變化曲線能夠較好地模擬出人工換擋的各個階段換擋力的變化過程。根據試驗數據(精確到小數點后兩位)，最大換擋力為-1 345.71 N、 +705.86 N，查詢該變速器的固有特性，實際最大換擋力為-1 300 N、+735 N，誤差控制在1%～5%的范圍內，符合試驗要求。

圖8 換擋力曲線

由圖9換擋位移和時間的變化曲線可知:換擋位移出現了方向相反、大小大致相等的特點。根據試驗數據(精確到小數點后兩位)，最大換擋位移為52.50 mm、 -43.00 mm。出現這個問題的原因可能是由于安裝的過程中在對中性的調整上存在一定的誤差，因此該臺架需要進行進一步的調試。

圖10 換擋力和換擋位移關系曲線

由圖10換擋位移和換擋力的變化關系可以看出：曲線較為平滑，不存在因為同步時效而使結合套發生明顯倒退現象的特征[8]。

綜上所述，該試驗臺采集的試驗數據符合換擋操作的理論分析結果，試驗數據滿足試驗要求。進行換擋試驗的過程中該測控系統運行良好，因此能夠完成變速器換擋性能測試試驗。

6 結束語

本文采用基于數據流的虛擬儀器作為測控系統開發軟件，采用LabVIEW為編程語言，以工控機為核心，利用數據采集卡對數據進行實時的采集和處理，圖形化數據處理方式便于提取選換擋力和換擋位移。采用PLC對電機進行控制，該控制方法在自動換擋系統中有著廣泛的應用，可將試驗結果進行簡單的離線分析。通過本試驗結果可以確定該商用車變速器換擋性能試驗臺測控系統能進行換擋試驗，具有一定的應用價值。

[1] 于今,吳超宇,胡宇航,等.新型混合式液壓機械復合變速器的特性分析[J].江蘇大學學報(自然科學版),2016,37(5):507-511.

[2] 劉云，何紹華，田晉躍，等．電液操控變速器臺架試驗研究[J]．重慶理工大學學報(自然科學)，2016(7):16-20．

[3] 占銳,程華國,徐康,等.混合動力客車的變速器及電機的試驗臺研發[J].客車技術與研究,2016,38(6):58-61.

[4] 夏超，李鑫，程越．機電控制無級變速器控制單元硬件在環測試系統[J]．重慶理工大學學報(自然科學)，2016(9):18-25．

[5] 李宏.汽車變速器總成交檢試驗臺的研究[D].天津：天津大學,2004.

[6] 成欽.汽車手動變速器換擋試驗臺設計研究及換擋品質分析[D].武漢：武漢理工大學,2010.

[7] 李豐碩.商用車變速箱換擋性能試驗臺架開發[D].重慶：重慶大學,2016.

[8] 蔣巍， 石曉輝，李文禮.變速器試驗臺測控系統的研制[J].自動化儀表，2012(4):45-47.

[9] 封泠雨.變速器換擋試驗臺機械手的研究與設計[D].重慶：重慶理工大學，2016.

[10] 田韶鵬， 陳誠.基于LabVIEW的汽車機械式變速器換擋性能試驗臺研制[J].汽車技術，2014(6):42-47.

[11] 徐超.LabVIEW在實時測控系統中的應用研究[D].重慶：重慶大學，2005.

[12] 程瀟驍， 陳紅旭， 田光宇，等.換擋力對電機-變速器耦合系統換擋沖擊的影響[J].汽車技術.2014(4):941-945.