基于臺(tái)架的汽車自動(dòng)變速器失速性能試驗(yàn)與分析

徐小東，楊柳青，王楠楠

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051)

現(xiàn)代乘用車越來(lái)越多地搭載了自動(dòng)變速器，即人們常說(shuō)的自動(dòng)檔車。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前乘用車市場(chǎng)上，將近75%的車輛屬于自動(dòng)變速器車輛。自動(dòng)變速器是汽車動(dòng)力傳遞系統(tǒng)中的重要總成部件，它的作用不僅僅是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力進(jìn)行變速、變扭、變向和動(dòng)力中斷，更是實(shí)現(xiàn)了汽車的自動(dòng)換檔，使車輛的駕控更加便捷，極大地緩解了駕駛?cè)藛T的操控難度和勞動(dòng)強(qiáng)度。

自動(dòng)變速器在給車輛的駕駛帶來(lái)便捷的同時(shí)，自身在結(jié)構(gòu)方面具有很強(qiáng)的復(fù)雜性，它涉及液力傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、計(jì)算機(jī)控制等機(jī)電液一體化多重技術(shù)，裝配精密,結(jié)構(gòu)緊湊。自動(dòng)變速器性能的好壞，對(duì)于汽車底盤乃至整車的性能有著極大的影響。在技術(shù)研發(fā)、故障診斷、售后維修、技術(shù)培訓(xùn)過(guò)程中，經(jīng)常需要對(duì)自動(dòng)變速器進(jìn)行失速、時(shí)滯、油壓等性能試驗(yàn)[1]。其中，失速試驗(yàn)作為自動(dòng)變速器的一項(xiàng)綜合性能反映的重要試驗(yàn)，目前還主要停留在就車試驗(yàn)的狀態(tài)。在車失速試驗(yàn)過(guò)程中，人員不能直觀地面對(duì)試驗(yàn)對(duì)象，造成抽象、迷茫的感覺(jué)。而且由于自動(dòng)變速器安裝在汽車的底盤下面，整機(jī)拆裝很麻煩，不利于自動(dòng)變速器的研發(fā)、維修和教學(xué)等工作。同時(shí)失速保護(hù)程序在車輛上的進(jìn)一步應(yīng)用，使得部分車輛無(wú)法進(jìn)行汽車失速試驗(yàn)。本文從臺(tái)架著手，以電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，采用傳感信息采集技術(shù)，構(gòu)建一種系統(tǒng)性的自動(dòng)變速器的失速試驗(yàn)臺(tái)架，在此臺(tái)架上進(jìn)行汽車自動(dòng)變速器的失速性能試驗(yàn)，針對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)自動(dòng)變速器的性能作出科學(xué)性的技術(shù)評(píng)判，為自動(dòng)變速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、售后維修、技術(shù)培訓(xùn)教學(xué)等提供良好的技術(shù)平臺(tái)與手段。

1 試驗(yàn)臺(tái)架的硬件系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 失速試驗(yàn)及其目標(biāo)

自動(dòng)變速器失速試驗(yàn)，是在前進(jìn)檔或倒檔時(shí)讓車輛保持不行駛的狀態(tài)，急踩加速踏板至底，讓發(fā)動(dòng)機(jī)處于最大轉(zhuǎn)矩工況下，渦輪因負(fù)載過(guò)大而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但泵輪和液力變矩器殼體隨發(fā)動(dòng)機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這種工況稱為失速工況，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為失速轉(zhuǎn)速。通過(guò)失速試驗(yàn)可以檢查發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率大小、液力變矩器性能好壞、油泵性能好壞、D檔和R檔的離合器或制動(dòng)器工作是否正常等技術(shù)問(wèn)題[2]。

1.2 失速試驗(yàn)臺(tái)架的硬件系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)失速試驗(yàn)的需求分析，采用模塊化理念構(gòu)建自動(dòng)變速器的失速試驗(yàn)臺(tái)架。臺(tái)架的硬件部分主要由自動(dòng)變速器模塊、臺(tái)架驅(qū)動(dòng)模塊、系統(tǒng)加載模塊、自由加速模塊、測(cè)控與信息采集模塊、系統(tǒng)冷卻模塊、數(shù)據(jù)記錄與顯示模塊七大部分組成，系統(tǒng)硬件組成模塊框圖如圖1所示。

圖1 汽車自動(dòng)變速器失速試驗(yàn)臺(tái)架硬件系統(tǒng)構(gòu)建框圖

1.2.1 自動(dòng)變速器模塊

自動(dòng)變速器模塊是臺(tái)架系統(tǒng)的測(cè)試對(duì)象，本模塊包括待測(cè)試的自動(dòng)變速器以及自動(dòng)變速器的裝卸系統(tǒng)，自動(dòng)變速器的安裝系統(tǒng)具有較大程度上的通用性能，位置間距能夠調(diào)整，滿足不同類型的自動(dòng)變速器在臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

1.2.2 臺(tái)架驅(qū)動(dòng)模塊

臺(tái)架驅(qū)動(dòng)模塊屬于臺(tái)架的動(dòng)力系統(tǒng)，該模塊采用多頻電機(jī)作為自動(dòng)變速器的拖動(dòng)電機(jī)，試驗(yàn)過(guò)程中模擬發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)自動(dòng)變速器運(yùn)轉(zhuǎn)。本模塊包括變頻調(diào)速器、電動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器等部件。工作電源采用380 V工頻交流電；電機(jī)采用功率7.5 kW的三相變頻電機(jī)；工作電流在0～15 A區(qū)間連續(xù)可調(diào)；變頻調(diào)速器滿足一般發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要求，在0～7 000 r·min-1區(qū)間連續(xù)可調(diào)。

1.2.3 系統(tǒng)加載模塊

系統(tǒng)加載模塊是在試驗(yàn)過(guò)程中用于對(duì)自動(dòng)變速器進(jìn)行負(fù)荷加載的設(shè)備，它能夠模擬道路的一般阻力，用于檢查自動(dòng)變速器的各個(gè)檔位的換檔執(zhí)行情況，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速器輸出軸的強(qiáng)制鎖止，以便于失速性能測(cè)試。該模塊包括渦流測(cè)功機(jī)、電渦流加載控制器等。其中，電渦流測(cè)功機(jī)：試驗(yàn)臺(tái)的加載機(jī)，根據(jù)市場(chǎng)一般的變速器使用情況，加載機(jī)采用功率為40 kW、扭矩0～260 N·m、轉(zhuǎn)速0～7 000 r·min-1、電流0～30 A的電渦流測(cè)功設(shè)備。

1.2.4 自由加速模塊

根據(jù)失速試驗(yàn)及其目標(biāo)，失速試驗(yàn)過(guò)程是一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)油門急加速的過(guò)程。在試驗(yàn)臺(tái)架上設(shè)置一個(gè)自由加速模塊，本模塊是為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速器拖動(dòng)電機(jī)的急加速操作用的，該模塊包括加速踏板、聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及電機(jī)急加速指令的信號(hào)轉(zhuǎn)換器等部件。試驗(yàn)過(guò)程中，電機(jī)加速等效于發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門從2%(怠速)到100%的加速信號(hào)過(guò)程，如圖2所示。

圖2 電機(jī)加速與發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門位置變化的等效圖

1.2.5 測(cè)控與信息采集模塊

測(cè)控與信息采集模塊負(fù)責(zé)試驗(yàn)過(guò)程中臺(tái)架的測(cè)量控制及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集工作，具備數(shù)據(jù)的采集和處理功能，可以實(shí)現(xiàn)變頻電機(jī)和自動(dòng)變速器運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集顯示、系統(tǒng)效率測(cè)試與監(jiān)控、電機(jī)電流與電壓波形的再現(xiàn)、最高轉(zhuǎn)速與時(shí)間測(cè)試等。本模塊所采集的測(cè)量參數(shù)有：

(1)試驗(yàn)條件參數(shù)：①自動(dòng)變速器的油溫T0；②自動(dòng)變速器與加載系統(tǒng)的冷卻液溫度Tf；③檔位信息參數(shù)，包括D檔或R檔。

(2)失速數(shù)據(jù)參數(shù)：①失速轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；②失速時(shí)間(控制在0～5 s范圍內(nèi))。

測(cè)控與信息采集模塊設(shè)置兩臺(tái)工控機(jī)來(lái)完成工作，兩個(gè)計(jì)算機(jī)之間通過(guò)RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，采用了基于CAN總線的采集設(shè)備，該設(shè)備包括熱電阻采集模塊、霍爾接近式開(kāi)關(guān)傳感器、A/D采集模塊、計(jì)時(shí)模塊等，具有可靠性好、精度高、通訊協(xié)議簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]，如圖3所示。

圖3 測(cè)控與信息采集模塊圖

1.2.6 系統(tǒng)冷卻模塊

自動(dòng)變速器試驗(yàn)臺(tái)架的冷卻系統(tǒng)采取水冷和風(fēng)冷相結(jié)合方式進(jìn)行，對(duì)于臺(tái)架上的變頻拖動(dòng)電機(jī)，設(shè)置一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，對(duì)其采用風(fēng)冷的方式。對(duì)于自動(dòng)變速器及電渦流測(cè)功機(jī)部分，采用水冷的形式。在水冷循環(huán)中，設(shè)置一個(gè)專用的較大容量的冷卻水箱，保證不同的測(cè)試對(duì)象和測(cè)功機(jī)在不同的運(yùn)行工況下均有足夠的冷卻水。加強(qiáng)臺(tái)架系統(tǒng)的降溫，確保冷卻效果良好。臺(tái)架冷卻系統(tǒng)模塊包括冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻控制器、鼓風(fēng)機(jī)等部件。

1.2.7 數(shù)據(jù)記錄與顯示模塊

數(shù)據(jù)記錄與顯示模塊主要功能是在失速試驗(yàn)過(guò)程中，將失速數(shù)據(jù)記錄并保持最大峰值，通過(guò)數(shù)顯儀表動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)，并連接打印機(jī)，適時(shí)打印出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。本模塊包括LED顯示器、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示與峰值捕捉控制器、數(shù)據(jù)及波形打印機(jī)等設(shè)備。

2 試驗(yàn)臺(tái)架的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)需求分析

自動(dòng)變速器失速試驗(yàn)在臺(tái)架上進(jìn)行操作過(guò)程中，需要滿足以下步驟需求：

(1)啟動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)自動(dòng)變速器運(yùn)轉(zhuǎn)；

(2)預(yù)熱變速箱，至油溫達(dá)到50～80℃試驗(yàn)條件；

tere kümün ?ɡd?r(??ɡed?r)tere tuqai ü (那個(gè)人昨天就把那件事說(shuō)了)

(3)關(guān)閉變頻電機(jī)，暫停變速器的運(yùn)轉(zhuǎn)；

(4)通過(guò)臺(tái)架的加載系統(tǒng)使自動(dòng)變速器的輸出軸處于制動(dòng)狀態(tài)；

(5)將自動(dòng)變速器的換檔手柄置于D檔位置；

(6)再次啟動(dòng)電機(jī)，給節(jié)氣門輸出2%信號(hào)，使其保持(850±50) r·min-1，模擬怠速運(yùn)轉(zhuǎn)工況；

(7)通過(guò)自由加速模塊對(duì)電機(jī)進(jìn)行急加速，給節(jié)氣門輸出100%信號(hào)；保持不超過(guò)5 s時(shí)間；

(8)采集變頻電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速值，記為前進(jìn)檔失速轉(zhuǎn)速值nD；

(9)對(duì)電機(jī)進(jìn)行減速至2%信號(hào)運(yùn)轉(zhuǎn)；

(10)將變速手柄置于N檔的位置；

(11)保持電機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)至少3 min以上(取5 min)，以便ATF(自動(dòng)變速器油)冷卻[4]；

(12)將變速手柄置于R檔位置；

(13)重復(fù)(7)操作；

(14)采集變頻電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速值，記為倒檔失速轉(zhuǎn)速值nR；

(15)對(duì)電機(jī)進(jìn)行減速至2%信號(hào)并關(guān)機(jī)；

(16)試驗(yàn)結(jié)束。

2.2 失速測(cè)試軟件程序

失速試驗(yàn)測(cè)試軟件是自動(dòng)變速器臺(tái)架失速試驗(yàn)過(guò)程的測(cè)控軟件程序，采用功能強(qiáng)大又靈活方便的LabVIEW程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。LabVIEW采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。LabVIEW運(yùn)用圖形化編輯語(yǔ)言G代碼編寫程序，產(chǎn)生框圖式程序形式[5]。

LabVIEW程序開(kāi)發(fā)提供所需的外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬(wàn)用表)類似的控件，可以靈活地創(chuàng)建用戶界面。使用圖標(biāo)和連線，通過(guò)編程對(duì)用戶界面上的對(duì)象進(jìn)行控制。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖。

自動(dòng)變速器失速試驗(yàn)軟件程序框圖如圖4所示。

圖4 自動(dòng)變速器臺(tái)架失速試驗(yàn)測(cè)試程序框圖

3 臺(tái)架試驗(yàn)誤差分析與解決思路

3.1 誤差分析

在臺(tái)架上采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)變速器失速試驗(yàn)與實(shí)車試驗(yàn)具有一定的環(huán)境差異，試驗(yàn)過(guò)程中可能存在以下誤差：(1)電動(dòng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)特性曲線差異所帶來(lái)的驅(qū)動(dòng)性能方面誤差影響；(2)電動(dòng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)加速起訖點(diǎn)位置的等效性誤差；(3)失速過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速最大值抓取誤差。

3.2 解決思路

(1)電機(jī)與自動(dòng)變速器實(shí)現(xiàn)科學(xué)匹配。根據(jù)市場(chǎng)變速器的一般技術(shù)參數(shù)特征，在功率、扭矩、速度特性等方面選擇與之匹配的電動(dòng)機(jī)與變頻器，并進(jìn)行參數(shù)配置優(yōu)化，最大程度地滿足與內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)力的等效性[6]。

(2)電機(jī)自由加速踏板的極限點(diǎn)設(shè)置。因?yàn)槭僭囼?yàn)是在油門踏板自由加速到底的狀態(tài)下測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速的，當(dāng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，設(shè)置起始點(diǎn)為電機(jī)轉(zhuǎn)速800 r·min-1位置，此點(diǎn)相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速位置，終點(diǎn)取加速極限位置，此點(diǎn)相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)油門行程終點(diǎn)位置。

(3)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)由單片機(jī)、光電式轉(zhuǎn)速傳感器、信號(hào)處理電路等部件組成。在轉(zhuǎn)速抓取過(guò)程中，利用光電式轉(zhuǎn)速傳感器抓取轉(zhuǎn)速信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理電路對(duì)傳感器輸出進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，再利用16位單片機(jī)對(duì)處理過(guò)的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)試與數(shù)據(jù)處理，并對(duì)失速過(guò)程時(shí)間段內(nèi)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行連續(xù)存儲(chǔ)，最后輸出最高轉(zhuǎn)速峰值[7]。

4 臺(tái)架失速試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

4.1 臺(tái)架失速試驗(yàn)

根據(jù)上述臺(tái)架軟硬件的構(gòu)建思路，采用380 V工頻交流電作為臺(tái)架電源；選取功率7.5 kW的三相變頻電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，工作電流在0～15 A區(qū)間連續(xù)可調(diào)；變頻調(diào)速器采取滿足一般電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速要求，在0～7 000 r·min-1區(qū)間連續(xù)可調(diào)；試驗(yàn)臺(tái)加載模塊采用功率為40 kW、扭矩為0～260 N·m，轉(zhuǎn)速在0～7 000 r·min-1區(qū)間、電流在0～30 A區(qū)間的電渦流測(cè)功設(shè)備作為加載機(jī)。試驗(yàn)臺(tái)架主體安裝如圖5所示[8]。

圖5 自動(dòng)變速器失速試驗(yàn)臺(tái)架安裝圖

測(cè)試臺(tái)架設(shè)置友好交互的操控面板，能夠適時(shí)顯示檔位、速度、溫度與轉(zhuǎn)速信號(hào)，并設(shè)置緊急停機(jī)按鈕，以確保試驗(yàn)過(guò)程的系統(tǒng)安全，控制臺(tái)面板如圖6所示。

圖6 自動(dòng)變速器失速試驗(yàn)測(cè)試控制臺(tái)面板

按照失速試驗(yàn)的操作流程，在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)操作，試驗(yàn)臺(tái)架在判斷試驗(yàn)條件具備以后，根據(jù)預(yù)設(shè)的軟件測(cè)試程序完成失速試驗(yàn)步驟，并記錄下試驗(yàn)數(shù)據(jù)以供技術(shù)分析。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在獲取了臺(tái)架的失速試驗(yàn)數(shù)據(jù)以后，再根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行故障分析。在實(shí)際測(cè)試中，變速器主要通過(guò)失速數(shù)據(jù)來(lái)判斷自動(dòng)變速器的技術(shù)狀態(tài)，即判斷自動(dòng)變速器是否存在著某些故障。臺(tái)架試驗(yàn)實(shí)時(shí)采集了自動(dòng)變速器在前進(jìn)檔、倒檔兩種檔位下的失速試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該失速試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以用來(lái)評(píng)判驅(qū)動(dòng)裝置輸出功率的大小、自動(dòng)變速器中變矩器性能的好壞、自動(dòng)變速器中離合器或制動(dòng)器是否存在打滑等技術(shù)問(wèn)題。將自動(dòng)變速器的臺(tái)架失速數(shù)據(jù)和汽車維修手冊(cè)上的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，有3種情況：明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值、明顯低于標(biāo)準(zhǔn)值、基本吻合標(biāo)準(zhǔn)值。為正確評(píng)價(jià)自動(dòng)變速器的技術(shù)狀況，需科學(xué)客觀地對(duì)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷。

不同車型自動(dòng)變速器的失速標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)在維修手冊(cè)中都會(huì)標(biāo)明，低的有1 200 r·min-1，高的有2 800 r·min-1，大部分標(biāo)準(zhǔn)值都處在2 000～2 500 r·min-1范圍。現(xiàn)以本田汽車自動(dòng)變速器為例進(jìn)行分析，該車自動(dòng)變速器失速轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)值為(2 200±50) r·min-1當(dāng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與該范圍吻合，表示自動(dòng)變速器中的油泵、主油路油壓以及各執(zhí)行器的工作情況均處于正常狀態(tài)[9]。反之，意味著自動(dòng)變速器性能出現(xiàn)異常。具體數(shù)據(jù)故障分析如表1所示[10]。

表1 自動(dòng)變速器失速試驗(yàn)數(shù)據(jù)故障分析

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文采用模塊化構(gòu)建試驗(yàn)臺(tái)架的驅(qū)動(dòng)、加載、數(shù)據(jù)采集等硬件系統(tǒng)，結(jié)合失速試驗(yàn)需求，利用LabVIEW環(huán)境，設(shè)計(jì)臺(tái)架軟件系統(tǒng)，研究試驗(yàn)過(guò)程的誤差及解決辦法，根據(jù)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果恰當(dāng)?shù)胤治鲎詣?dòng)變速器中相應(yīng)部件的技術(shù)狀況?；谂_(tái)架的自動(dòng)變速器失速試驗(yàn)?zāi)軌蛴行Ы鉀Q實(shí)車試驗(yàn)中存在的弊端，為自動(dòng)變速器的研發(fā)、故障診斷、維修以及專業(yè)培訓(xùn)教學(xué)提供了良好的技術(shù)平臺(tái)。