米 林，王幻之，谭 伟

(重庆理工大学 汽车零部件先进制造技术教育部重点实验室， 重庆 400054)

变速器是汽车传动系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响汽车的动力性、操纵稳定性、燃油经济性以及平顺性[1-4]。近年来，汽车工业发展迅猛，汽车保有量逐年攀升，人们对汽车的驾驶舒适性提出了更高的要求。因此，对汽车变速箱换挡性能试验的研究是提高汽车产品竞争力的关键之一。通过换挡性能试验可以对变速箱进行考核、评价，从而为产品设计和优化提供科学的理论依据，缩短开发周期，降低研发成本，提高汽车品质。

汽车变速箱换挡性能试验分为道路试验和台架试验。道路试验受自然因素影响大，试验周期长且成本高，因此研发变速箱换挡性能试验台架是发展的必然趋势。随着虚拟仪器、传感器等技术的迅猛发展和广泛应用，具有高精度性和高集成化特点的汽车变速器换挡性能台架试验逐渐成为了主要的试验手段。

早在1989年，大众公司、GM公司和斯太尔公司就致力于研究能模拟汽车行驶工况的传动系综合试验台。在1991年，大众汽车研制出的综合试验台能同时进行变速器、离合器、传动轴、后桥的寿命试验[5]。但是国外研制的试验台价格普遍昂贵，令许多企业望而却步。国内也做了大量关于变速器换挡性能台架试验的研究，如苏州吉孚动力技术有限公司(GRC)开发的换挡分析系统(GSA)近几年广泛应用于手动同步器变速箱的开发和应用领域[6]，测试数据主要包括选换挡力及选换挡行程等，还可以通过离线分析得到选换挡力和位移关系曲线，从而评价变速器换挡品质。但是其换挡装置的设计采用人为操纵的方式，由安装在换挡杆上的力传感器和位移传感器进行数据采集，这种人工换挡方式不仅效率低下，而且性价比也很低，加之个人操纵习惯以及主观感觉不同，影响了数据的客观性，不利于评估变速器的换挡性能。

本文参考《汽车机械式变速器总成的技术条件》《机械工程变速器性能的试验方法》《汽车机械式变速器台架试验方案》等标准，结合国内外变速器换挡性能试验的先进理论和方法，以工业一体式计算机为核心，采用基于数据流的LabVIEW虚拟技术，利用传感器技术、数据分析与处理技术以及数据采集卡和PLC为某齿轮传动厂家开发了一款集自动化、智能化为一身的商用车变速器换挡性能试验台测控系统，为变速器换挡性能评价提供了客观的数据[7-12]。

1 试验台结构及原理

该试验台采用直线布局方式(如图1所示)，由交流变频电机驱动机械飞轮旋转以模拟行车过程中的转动惯量，电机转速可以根据所需挡位不同而调整。变速器采用反托方式安装于试验台架上，其输出端与惯量飞轮相连，输入端仅安装惯量盘，模拟离合器从动惯量，无需结合、分离离合器。变速器输入轴转速一般保持为发动机转速，通常为2 500 r/min。

进行变速器换挡性能台架试验时，将变速器和操纵机构按照实车中的安放位置进行固定，以便更好地模拟实际换挡操作。

1.变频电机， 2.双万向节联轴器，3.惯量飞轮， 4.转速转矩传感器，5.被试变速箱，6.惯量盘，7.换挡机械手，8.支座，9.铸铁平台

2 测控系统工作原理

测控系统工作原理如图2所示。该系统分为控制室和现场测控两大方面。

图2 测控系统原理图

现场测控部分主要包含数据采集卡、选换挡执行部分和PLC测控主机。在进行变速器换挡性能台架试验时，测控系统需要利用数据采集卡对各路信号进行实时采集并打包、处理,通过抗干扰数据线发送至工业控制计算机，利用这些测试数据来分析变速器的换挡性能。现场操作终端在进行调试的时候对试验的参数进行设置、调试，调试完毕后就可以断开现场操作终端，将权限交与上位机(工业控制计算机)。

选换挡执行部分和交流变频电机都由PLC控制，工作人员通过上位机操作软件向下位机PLC发送控制指令，可以使换挡机械手自动完成选、换挡操作，试验人员也可根据挡位对转速进行精确控制。

测控室主要放置研华IPC-610L工控机，操作人员利用工控机的显示屏实现对下位机的远程控制。在人机界面上进行试验功能选取，程序设置，测试参数设置和测试数据、控制运行状态的实时显示，并存储、打印数据，实现后期历史数据的回访、管理以及多组数据对比分析等功能。

3 台架系统硬件开发

如图3所示，整个变速器换挡性能测控系统大致可以分为三大部分：动力驱动部分、换挡执行部分和测量控制部分。

图3 试验台硬件配置

交流变频电机作为整个换挡性能试验台架的动力源，需提供变速箱输出轴所需的转速和转矩。考虑到驱动电机的稳定性和兼容性，采用ABB变频电机。选用西门子SINAMICS G120变频器为电机提供高精度的转矩转速控制。

换挡执行机构采用以交流伺服电机为动力源的电动缸驱动，选用西门子SIMOTICS S-1FL6系列伺服电机和与之匹配的SINAMICS V90驱动器。

为了测量变速器输出轴的输入转速转矩，选用湘仪动力JC3A型转速转矩传感器和与之配套的JW-3型扭矩仪。

本文需要对选、换挡力，换挡位移以及同步转速进行测量，以评价变速器换挡性能。选、换挡力由安装在选、换挡软轴和摇臂之间的CL-YD-312型双向拉压力传感器测量，换挡位移由安装在换挡摇臂处的同轴角位移传感器测量，同步转速由安装在变速器输入轴端的绝对式磁电编码器测量。因此，采集卡需要采集4路差分模拟信号，分别为2路拉压力信号、1路换挡位移信号和1路同步转速信号。本文选用具有8个单端模拟输入(AI)通道、2个模拟输出(AO)通道、12个数字输入/输出(DIO)通道、1个32位计数器以及全速USB 接口的NI USB-6008型采集卡，该采集卡可以根据试验要求采集相关试验参数信号。

4 测控系统软件设计

变速器换挡性能台架试验测控系统软件框图如图4所示。测控系统主要能实现试验管理、试验设置、挡位标定、试验控制、数据处理和状态监控等功能。

图4 测控系统软件框图

本文测控系统采用美国国家仪器公司(national lnstrument)推出的图形化软件开发集成环境LabVIEW，配合工业控制计算机和设计恰当的硬件仪器，可以为用户构建一个灵活的、层次结构分明的、功能强大的且人机交互界面友好的数据采集系统和稳定、高效、便捷的控制系统[7]。

系统以数据库的形式存储试验人员的用户名和密码，若试验人员输入的登录信息匹配成功则可以进行后续操作。试验管理人员可以修改其信息和权限、动态删除测试数据。试验操作人员只具有进行试验的功能。

试验设置部分主要包括试验流程设置和试验参数设置。试验流程设置主要有试验人员信息、试验日期、换挡次数、变速箱型号和编号以及传动比参数等。试验参数设置包括选换挡速度、选换挡正向和反向限位、标定选换挡力、挡位停留时间、启动加速时间、制动减速时间以及输出轴转速限定等。

挡位标定主要是控制选换挡电机的正反向运动，根据选换挡力和选换挡位移的数据进行坐标标定，并加以修正和保存。

4.1 驱动电机的控制

图5 驱动电机的控制流程

西门子SINAMICS G120变频器可以控制试验台驱动电机的转速和转矩。 S7-200 SMART PLC作为主机通过Modbus RTU通信与从机G120变频器通信，Modbus RTU通信通过信号板CM01和控制单位的X128 RS485接口实现。执行任务按照通讯的性质可以被分为以下2部分：① S7-200通过Modbus RTU控制G120参数，更改交流变频电机的运行状态，如正转启动、反转启动、自由停车、运行准备和故障确认等；② S7-200通过Modbus RTU读取G120参数，包括电机的电流值、电压值和运行频率。驱动电机的控制流程如图5所示。

4.2 自动换挡的实现

换挡控制部分是测控系统软件开发的核心部分。根据不同试验的需求，将试验挡位的传动比换算成变速箱输出轴的转速，试验人员通过对G120变频器的控制使台架电机达到需求转速，必要时可在变频电机和惯量飞轮间加装升速箱以满足试验条件。通过驱动器控制电动缸实现机械手的自动换挡。在进行商用车变速器换挡性能试验时，试验人员编制完试验流程和试验参数后开始试验，上位机读取由传感器获得的当前挡位信息，并判断和设定程序的挡位信息是否一致。如若一致，则直接退出选换挡操作；如若挡位信息不同，上位机则按照设定的试验流程向下位机发送选换挡命令。

图6 自动换挡流程

本台架的设计无需结合、分离离合器，但选挡、选挡到位、换挡、换挡到位等一系列程序都是在电机运转的工况下运行，因此每个动作在执行前都要验证是否严格满足操作条件，以确保试验的安全性。自动换挡流程如图6所示。

本程序具有系统异常和换挡失败报警功能，当启动换挡试验时，传感器将采集到的信息发送至上位机与试验人员预设值对比分析进行系统自检程序，若出现程序异常则发送报警指示。在进行换挡试验的过程中，若换挡失败次数累加到预设次数时，程序发送报警指示并停止电机使能。停顿时间分为推停顿时间和拉停顿时间，分别指电动缸向外伸对应奇数挡停顿时间和电动缸向内伸对应偶数挡停顿时间，均可由试验人员根据试验需要在参数设置中设置。

4.3 数据采集和处理

数据采集处理模块主要是针对选换挡力、选换挡位移、转矩转速等参数的测量。变速器换挡性能试验有庞大的数据需要采集和处理，前期数据处理主要是根据设定的采集频率采集评价变速器换挡性能参数的测试数据，并在操作主界面上实时显示选挡力、换挡力、选挡位移、换挡位移、转速、扭矩的曲线图，同时将所有的历史数据和信息保存至设定的数据库中，以便后期能分析和处理以往各次试验得到的测试数据。操作人员可以以图表或者报表的形式打印需要的测试记录，包括试验数据、试验次数、试验时间、试验人员等信息。

4.4 状态监控和报警

报警监控模块根据作业指令和采集卡采集的测试信息对换挡过程进行实时监控，一旦发现错误或者故障，上位机就向试验人员发送报警指令或者根据试验人员前期对试验报警程序的设定自动采取急停操作。

报警监控部分共有两级监控报警机制：1级报警为警示报警，警示灯显示为黄色，此时提醒操作人员系统已进入报警状态，操作人员可以修改预设的报警参数或者点击停止试验按钮；2级报警为停机报警，警示灯显示为红色，此时系统自动关闭电机使能。

在主窗口界面上实时显示选换挡力、选换挡位移、同步转速和驱动电机转矩曲线，程序试验的次数以及选换挡机械手伺服电机和交流变频电机的工作状态，有助于换挡过程的实时监控和控制参数的在线调试。添加“停止试验”“开始试验”“制动停车”“电机启动”等按钮有效地增加了人为控制的干涉，起到了一定的保护作用。

5 试验运行及结果

变速器换挡性能台架测试主界面如图7所示。为了评判该测控系统的测试效果，选用某齿轮厂家的某型号商用车变速器进行换挡性能台架测试，评判标准为换挡力和换挡位移的动态曲线图。变速器各个挡位传动比如表1所示。

图7 测试程序前面板

表1 变速箱传动比

将待测变速器和自动换挡机械手以及相关硬件安装完毕后，对变速器各个挡位进行标定，将修正后的结果存储于上位机中，之后对变速器进行300次换挡磨合试验，磨合试验结束后更换清洁润滑油即可进行正式换挡性能测试试验。

下面以“2-3-2”工况为例进行多次连续自动换挡试验。在上位机LabVIEW软件中设定好试验工况：输出轴转速为2300 r/min，换挡频率为10次/min，循环次数为1 000次以及换挡力、换挡位移保护值等。试验结果如图8～10所示，其中：纵坐标正向为3挡；负向为2挡。

由图8中换挡力和时间的关系曲线可知:在进行“2-3-2”工况换挡操作的过程中，出现换挡力大小不同、方向相反的情况。该特点符合换挡实际，且各个阶段换挡力的变化曲线能够较好地模拟出人工换挡的各个阶段换挡力的变化过程。根据试验数据(精确到小数点后两位)，最大换挡力为-1 345.71 N、 +705.86 N，查询该变速器的固有特性，实际最大换挡力为-1 300 N、+735 N，误差控制在1%～5%的范围内，符合试验要求。

图8 换挡力曲线

由图9换挡位移和时间的变化曲线可知:换挡位移出现了方向相反、大小大致相等的特点。根据试验数据(精确到小数点后两位)，最大换挡位移为52.50 mm、 -43.00 mm。出现这个问题的原因可能是由于安装的过程中在对中性的调整上存在一定的误差，因此该台架需要进行进一步的调试。

图10 换挡力和换挡位移关系曲线

由图10换挡位移和换挡力的变化关系可以看出：曲线较为平滑，不存在因为同步时效而使结合套发生明显倒退现象的特征[8]。

综上所述，该试验台采集的试验数据符合换挡操作的理论分析结果，试验数据满足试验要求。进行换挡试验的过程中该测控系统运行良好，因此能够完成变速器换挡性能测试试验。

6 结束语

本文采用基于数据流的虚拟仪器作为测控系统开发软件，采用LabVIEW为编程语言，以工控机为核心，利用数据采集卡对数据进行实时的采集和处理，图形化数据处理方式便于提取选换挡力和换挡位移。采用PLC对电机进行控制，该控制方法在自动换挡系统中有着广泛的应用，可将试验结果进行简单的离线分析。通过本试验结果可以确定该商用车变速器换挡性能试验台测控系统能进行换挡试验，具有一定的应用价值。

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