車輛變速箱換擋性能試驗臺架設計開發(fā)

引言

作為車輛的重要構件,變速箱的主要作用是變換擋位,使汽車在多種行駛情況下都能得到適當?shù)臓恳?保證汽車發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)?？梢?變速箱的換擋性能優(yōu)劣直接影響到車輛的使用性能。而車輛機械結構復雜,工作環(huán)境多變,理論計算、軟件仿真等方式難以全面客觀地分析車輛變速箱換擋性能。因此,需通過試驗來研究變速箱換擋性能,在試驗臺架上分析變速箱的性能、使用壽命等,結合試驗數(shù)據(jù)來改進變速箱換擋性能?，F(xiàn)階段業(yè)界普遍關注的研究重點難點主要是電慣量模擬技術、換擋機械手自動控制,因此,設計和開發(fā)一套高質量的變速箱換擋性能測試試驗臺架具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1變速箱換擋性能試驗臺架總體設計方案

圖1為變速箱換擋性能試驗臺架機械結構示意圖,其主要機械結構包括:變頻電機1、萬向節(jié)2、慣量飛輪3、轉速轉矩傳感器4、被測試變速箱5、換擋機械手6、安裝平板7。因為各個構件的高度存在差異,所以要采用支座使各個部件的中心高度保持為統(tǒng)一的600mm,有效避免因同軸度存在較大差異影響旋轉部件的運轉:使用萬向節(jié)連接各個機械部件,從而降低對同軸度的要求。

圖1變速箱換擋性能試驗臺架機械結構

將被測試變速箱以反拖方式固定在試驗臺架上,慣量飛輪在變頻電機的驅動下對車輛行駛慣量進行模擬,且和變速箱輸出軸連接,通過轉速轉矩傳感器測量輸入轉速和轉矩。變速箱的輸入軸只需安裝慣量盤,對離合器從動盤慣量進行模擬,不需要對離合器的離合進行控制。這樣的安裝形式與車輛行駛的實際狀況相符。在進行試驗時,通常將變速箱輸入軸轉速控制為發(fā)動機轉速2500r/min,將各個擋位的傳動比換算為變速箱輸出軸轉速,調(diào)節(jié)變頻電機以滿足試驗要求。如果有需要還可以加裝升速箱,提高變速箱輸出軸轉速。變速箱換擋性能試驗臺架系統(tǒng)除了換擋機械手之外,主要可以劃分成動力驅動、測控兩個子系統(tǒng)。動力驅動子系統(tǒng)主要包括驅動電機、變頻器、慣量飛輪,測控子系統(tǒng)主要包括轉速轉矩傳感器、拉壓力傳感器、位移傳感器、同步轉速編碼器、扭矩儀、數(shù)據(jù)采集卡、P1C、工控機等。下面詳細介紹變速箱換擋性能試驗臺架系統(tǒng)各個構件的選型及使用方法。

2動力驅動子系統(tǒng)

2.1慣量飛輪

慣量飛輪的主要作用是對車輛的行駛慣量進行模擬,模擬慣量的方式主要有機械、電和機電混合三種。本次研究的變速箱換擋性能試驗臺架考慮到成本以及可操作性,仍采用機械慣量方式。

2.2變頻電機

作為變速箱換擋性能試驗臺架的主要驅動力來源,變頻電機的主要作用是提供變速箱輸出軸需要的轉速、轉矩。傳統(tǒng)的試驗臺架使用直流電機作為動力源,但該類電機結構比較復雜,維護難度大,成本高。而交流電機結構相對簡單、制造維護成本低,只是需要借助變頻設備才可以調(diào)節(jié)速度。隨著自動化電子技術的發(fā)展,交流變頻調(diào)速技術已趨于完善,很好地解決了交流電機調(diào)節(jié)速度能力不足的問題,逐漸得到業(yè)界認可。因此,本次試驗臺架使用交流電機作為動力源,使用ABB公司的OABP系列變頻電機,并配置了倍加福HTL高性能增量式編碼器用于控制閉環(huán)速度。

2.3變頻器

試驗臺架中變頻器的型號選擇需要考慮電機啟動扭矩、控制方式及工作電壓、工作電流等因素。本次研究的變速箱換擋性能試驗臺架采用西門子SINAMICSG120變頻器。該型變頻器屬于多功能單元組合的模塊化變頻器,可以高效精準地控制速度、轉矩,其功能模塊主要有基本操作面板、功率模塊、控制單元。

3換擋執(zhí)行子系統(tǒng)

3.1驅動方式選擇

現(xiàn)階段,氣壓驅動、液壓驅動、電機驅動是換擋機械手的主要驅動方式。前兩種驅動方式具有響應速度快、緩沖性能好等優(yōu)點,因而得到廣泛應用,然而它們也存在一些缺陷:氣動換擋驅動方式穩(wěn)定性較差,換擋行程精確度不高,通常需借助限位塊限位,易出現(xiàn)過沖,而且氣動換擋驅動方式的空壓機噪聲較大;而液壓換擋驅動方式必須配置專用的泵站,結構比較復雜,管路較遠時,其傳動效率明顯下降,易發(fā)生泄漏。與這兩種驅動方式相比,電機驅動反應靈敏、結構簡單,能精確控制機械手的位置、速度,同時噪聲較小,對環(huán)境污染小。隨著交流伺服控制電機技術的不斷進步,其控制方式不斷完善,不但能精準地控制機械手的位置、速度,還可以控制機械手的扭矩。因此,本次研究的變速箱換擋性能試驗臺架方案中采用電機驅動方式驅動機械手換擋。

3.2伺服電動缸

伺服電動缸的主要作用是將旋轉運動變成直線運動,比液壓缸、氣缸更加節(jié)能環(huán)保,更容易實現(xiàn)PLC控制,精確控制機械手運動。根據(jù)本次試驗臺架所需電機功率、扭矩,選用西門子SIMOTICSS-1FL6系列伺服電機,通過電機表面散熱,可以在沒有外置冷卻設備的情況下實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行。

3.3光柵尺

光柵尺的主要作用是測量選擋、換擋電動缸的位移,其信號與驅動器都與PLC連接,構成閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。其測量系統(tǒng)采用透射式紅外光學測量,分辨率可達5U。依據(jù)電動缸行程,分別選用測量范圍為100mm、300mm的光柵尺。

3.4軟軸

軟軸式換擋操作系統(tǒng)具有重量輕、換擋阻力小、行程空距短、易安裝、易維護等優(yōu)點,在車輛變速箱產(chǎn)品中的應用越來越廣泛。本次研究的試驗臺架方案考慮到空間限制以及易于安裝操作的需求,選用軟軸來實現(xiàn)選換擋操作。

4測量控制子系統(tǒng)

4.1工控機

作為車輛變速箱換擋性能試驗臺架系統(tǒng)的上位機,工控機負責遠程控制整個系統(tǒng),設置試驗流程,發(fā)送操作指令給下位機,并采集、存儲、顯示、處理試驗數(shù)據(jù)。本次研究的試驗臺架方案采用研華IPC-610L型工控機,具有良好的使用性能及防震、防塵功能。

4.2數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡的主要作用是高效、實時、同步采集多組傳感器數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集卡必須能夠很好地適應實際工作中的油污、灰塵等嚴苛的要求。本次研究的試驗臺架方案選用NI-6008型采集卡采集變速箱選擋力、換擋力、位移、同步轉速等傳感器信號。數(shù)據(jù)采集卡通過USB接口與工控機連接,通過配套的編程子程序,借助LabVIEW軟件可以將采集到的傳感器信號集成于控制面板中,實現(xiàn)人機交互。

4.3轉矩轉速傳感器

轉矩轉速傳感器用于獲取變速箱輸出軸轉速、轉矩,其彈性軸與變速箱輸入軸、輸出軸連接,輸出/輸入軸兩端借助萬向節(jié)連接電機、慣量飛輪。彈性軸兩端安裝兩個信號齒輪,信號齒輪、信號圈構成信號發(fā)生器。當信號齒輪隨著彈性軸轉動時,線圈的感應交流電信號頻率與轉速成正比,通過測量頻率就可以測量轉速。彈性軸變形會導致兩個信號齒輪、線圈之間的感應電信號存在相位差,其與轉矩值成正比,通過測量相位差可測得扭矩值。

4.4力傳感器和放大器

選擋力、換擋力是雙向動態(tài)力,為了高效精準地測量選擋力、換擋力,本次研究采用S型拉壓力傳感器。其工作原理是在外力作用下傳感器中彈性體發(fā)生彈性變形,電阻應變片也隨之形變,導致阻值變化,將阻值變化轉換為電信號,就可將外力轉換為電信號輸出。本次研究方案中,在機械手驅動元件前端、直線軸承之間設置萬向節(jié)消除偏載荷,以減小機械手驅動部分、前端直線軸承部分的同軸度差異對傳感器精度的影響。

5結語

綜上所述,本文主要研究了車輛變速箱試驗臺架的總體方案和硬件選型,簡要介紹了臺架系統(tǒng)的主要硬件配置、技術參數(shù)。通過研究提出了試驗臺架整體布局,并確定了各個子系統(tǒng)的結構,為車輛換擋性能試驗提供了可靠的臺架方案。