動力換擋變速箱試驗臺測控系統的研究

魯鳳明 譚曉東

摘 要：在對某型號動力換擋試驗臺深入研究后，從變速箱的技術要求、功能參數、對外接口及現場實際著手，完成了測控系統方案的設計，實現了裝置的測控功能。通過現場試驗，證明了測控系統可以準確的測量變速箱運行過程中的各項參數，為變速箱能否正常工作提供了依據。

關鍵詞：變速箱；測控系統；中值濾波

中圖分類號：TH132 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0074-02

Abstract： After a certain type of power shift test-bed has been deeply studied， from the technical requirements， functional parameters， external interface and the actual situation of the gearbox， the design of the measurement and control system has been completed， and the measurement and control function of the device has been realized. Through the field test， it is proved that the measurement and control system can accurately measure the parameters in the running process of the gearbox， which provides the basis for the gearbox to work normally.

Keywords： gearbox； measurement and control system； median filter

引言

某型號動力換擋變速箱通過一個能充排油的變矩器附加了一個變速箱，在不需要改變發動機輸出功率的情況下就能使車輛獲得不同的速度和牽引力，與電力傳動相比，基于液力傳動的動力換擋變速箱具有重量輕、成本低等優點，因此在公務車，作業車，軌道車，調車機車，養路機械等方面有著廣泛的應用[1～3]。但在實際工作中，變速箱運行前及檢修后對變速箱的檢測成為了急需解決的問題，因此在對液壓動力換擋變速箱試驗臺結構、工作原理、實驗內容進行了深入的研究后，設計了動力換擋變速箱試驗臺測控系統以方便對動力換擋變速箱的運行是否正常做出判斷。

1 測控系統初步設計

動力換檔變速箱可以通過離合器在前進檔和后退檔之間轉換。變矩器可以根據負載狀況自動地改變輸出軸的扭矩。扭矩通過液壓傳輸并能夠減少任何的機械沖擊。其中前進檔和后退檔由24V電磁閥控制，通過電磁閥的接通、斷開進行傳動箱的換擋、換向控制，另外箱體有轉速傳感器接口、測溫接口、測壓接口，使用壓力、溫度、轉速傳感器等測量變速箱壓力、溫度、轉速，可以實時監測控制箱壓力、溫度、轉速等參數，使變速箱工作在正常范圍。變速箱由驅動電機驅動，通過扭矩儀及聯軸器聯結。測控系統試驗方案如圖1所示。

2 測控系統硬件設計

液壓動力換檔變速箱測控系統主要有顯示屏、工控機、數據采集模塊、開關電源、斷路器、繼電器等組成。數字量輸入接口對檔位信息進行采集。數字量輸出接口對檔位、前進、后退電磁閥進行控制。利用模擬量輸入接口采集變速箱的壓力、溫度等模擬量，經過測控系統進行濾波處理后，將壓力、溫度的實時值與設定上下限值比較，超過上下限后，自動停機使變速箱安全運行[4]；實時顯示壓力、溫度等趨勢曲線，而且可以記錄歷史數據。在試驗臺上設置前進、后退以及換擋按鈕，考慮安全，增設了急停按鈕；從便于觀察角度，設置了前進、后退以及故障指示燈。動力換擋變速箱測控系統原理框圖如圖2所示。

在變速箱的輸入信號中，需要采集變速箱的轉速信號。使用扭矩傳感器采集轉矩、轉速信號，將信號通過信號轉換模塊轉換成4-20ma電流信號，通過屏蔽電纜接到數據采集模塊，利用RS485串口將數據輸送到工控機進行濾波處理，在進行數據轉換，實現對轉速、轉矩的測量。

變速箱模擬量主要采集變矩器、離合器、潤滑油壓力，壓力測量范圍均為0-3MPa，精度0.2級，選擇壓力傳感器，輸出4-20ma電流信號； 液壓油正常溫度范圍為80℃～100℃，精度0.2級，選擇溫度傳感器-輸出信號為4-20ma電流信號，使用屏蔽電纜將模擬量信號傳輸給數據采集模塊，數據采集模塊帶有RS485通訊接口，通過RS485接口將數據傳送到工控機進行數據處理與顯示。

3 測控系統軟件設計

測控系統軟件使用MCGS組態軟件完成上位機的編程，實現對變速箱的數據采集和變速箱換擋任務。

MCGS軟件主要實現如下功能：（1）對檔位、報警等開關量信號采集。（2）對油溫、壓力等模擬量信號采集并進行濾波處理。（3）對檔位進行控制。（4）對轉速進行實時測量。（5）與數據采集模塊進行通信。

整個實驗由22個工況組成，每個工況使變速箱運行在不同檔位時檢測變速箱的油溫與壓力，如果檢測數據合格，進行下一檔位測試，直到完成整個實驗，控制流程如圖3所示。

3.1 模擬量量程轉換

由于壓力、溫度等模擬量信號是4-20ma電流信號，經過模擬量模塊轉換為數字量，但不能直觀的在顯示屏上顯示當前的壓力和溫度數值，因此需要進行數字量到工程量的轉換。模擬量的輸入/輸出都可以用下列的通用換算公式換算：

其中：

Ov=[（Osh-Osl）*（Ish-Isl）]+Osl （1）

Ov：換算結果；Iv：換算對象；Osh：換算結果的高限；Osl：換算結果的低限；Ish：換算對象的高限；Isl：換算對象的低限。

它們之間的關系可以如圖4所示：

3.2 濾波處理

由于變速箱工作現場環境復雜，周圍存在大量干擾源，例如變頻器、高壓電機等，受到干擾的模擬量在進入測控系統時有可能產生誤差，使測量結果不準確。除了在硬件上需要做防干擾措施外，還可以在軟件上進行數字濾波處理。在此使用中值濾波對模擬量進行濾波處理。中值濾波法對偶然因素引起的波動或采樣器不穩定造成的誤差所引起的脈動干擾有效。由于變速箱采集的主要為壓力、溫度信號，采用中值濾波效果較其它濾波方法好，因此采用中值濾波法。中值濾波就是在一個采樣周期對某一信號連續采樣n次，然后進行排序，取中間值作為本次采樣周期的采樣值[5]。中值濾波程序流程圖如圖5所示。

4 結束語

傳動箱試驗臺已投入使用，經過現場測試，對變速箱的壓力、溫度、轉速等參數測量準確，變速箱測控滿足要求，從而為變速箱的檢測提供了依據，保證了變速箱的生產及檢修質量。

參考文獻：

[1]陳先成，程鵬.叉車液力變速箱試驗臺智能測控系統[J].安徽科技，2010，04：38-40.

[2]丁輝，王濤，陳金穩，等.液力變速箱測控系統的研制與應用[J].自動化技術與應用，2012，31（1）：87-95.

[3]羅志元.高速列車齒輪箱測試臺系統設計[D].長沙：湖南大學，2015.

[4]姜正，譚曉東.傳動箱試驗臺測控系統的研制[J].內燃機車，2012，1（1）：17-20.

[5]劉川來，胡乃平.計算機控制技術[M].北京.機械工業出版社，2007.