车辆变速箱换挡性能试验台架设计开发

引言

作为车辆的重要构件,变速箱的主要作用是变换挡位,使汽车在多种行驶情况下都能得到适当的牵引力,保证汽车发动机处于最佳工作状态。可见,变速箱的换挡性能优劣直接影响到车辆的使用性能。而车辆机械结构复杂,工作环境多变,理论计算、软件仿真等方式难以全面客观地分析车辆变速箱换挡性能。因此,需通过试验来研究变速箱换挡性能,在试验台架上分析变速箱的性能、使用寿命等,结合试验数据来改进变速箱换挡性能。现阶段业界普遍关注的研究重点难点主要是电惯量模拟技术、换挡机械手自动控制,因此,设计和开发一套高质量的变速箱换挡性能测试试验台架具有非常重要的现实意义。

1变速箱换挡性能试验台架总体设计方案

图1为变速箱换挡性能试验台架机械结构示意图,其主要机械结构包括:变频电机1、万向节2、惯量飞轮3、转速转矩传感器4、被测试变速箱5、换挡机械手6、安装平板7。因为各个构件的高度存在差异,所以要采用支座使各个部件的中心高度保持为统一的600mm,有效避免因同轴度存在较大差异影响旋转部件的运转:使用万向节连接各个机械部件,从而降低对同轴度的要求。

图1变速箱换挡性能试验台架机械结构

将被测试变速箱以反拖方式固定在试验台架上,惯量飞轮在变频电机的驱动下对车辆行驶惯量进行模拟,且和变速箱输出轴连接,通过转速转矩传感器测量输入转速和转矩。变速箱的输入轴只需安装惯量盘,对离合器从动盘惯量进行模拟,不需要对离合器的离合进行控制。这样的安装形式与车辆行驶的实际状况相符。在进行试验时,通常将变速箱输入轴转速控制为发动机转速2500r/min,将各个挡位的传动比换算为变速箱输出轴转速,调节变频电机以满足试验要求。如果有需要还可以加装升速箱,提高变速箱输出轴转速。变速箱换挡性能试验台架系统除了换挡机械手之外,主要可以划分成动力驱动、测控两个子系统。动力驱动子系统主要包括驱动电机、变频器、惯量飞轮,测控子系统主要包括转速转矩传感器、拉压力传感器、位移传感器、同步转速编码器、扭矩仪、数据采集卡、P1C、工控机等。下面详细介绍变速箱换挡性能试验台架系统各个构件的选型及使用方法。

2动力驱动子系统

2.1惯量飞轮

惯量飞轮的主要作用是对车辆的行驶惯量进行模拟,模拟惯量的方式主要有机械、电和机电混合三种。本次研究的变速箱换挡性能试验台架考虑到成本以及可操作性,仍采用机械惯量方式。

2.2变频电机

作为变速箱换挡性能试验台架的主要驱动力来源,变频电机的主要作用是提供变速箱输出轴需要的转速、转矩。传统的试验台架使用直流电机作为动力源,但该类电机结构比较复杂,维护难度大,成本高。而交流电机结构相对简单、制造维护成本低,只是需要借助变频设备才可以调节速度。随着自动化电子技术的发展,交流变频调速技术已趋于完善,很好地解决了交流电机调节速度能力不足的问题,逐渐得到业界认可。因此,本次试验台架使用交流电机作为动力源,使用ABB公司的OABP系列变频电机,并配置了倍加福HTL高性能增量式编码器用于控制闭环速度。

2.3变频器

试验台架中变频器的型号选择需要考虑电机启动扭矩、控制方式及工作电压、工作电流等因素。本次研究的变速箱换挡性能试验台架采用西门子SINAMICSG120变频器。该型变频器属于多功能单元组合的模块化变频器,可以高效精准地控制速度、转矩,其功能模块主要有基本操作面板、功率模块、控制单元。

3换挡执行子系统

3.1驱动方式选择

现阶段,气压驱动、液压驱动、电机驱动是换挡机械手的主要驱动方式。前两种驱动方式具有响应速度快、缓冲性能好等优点,因而得到广泛应用,然而它们也存在一些缺陷:气动换挡驱动方式稳定性较差,换挡行程精确度不高,通常需借助限位块限位,易出现过冲,而且气动换挡驱动方式的空压机噪声较大;而液压换挡驱动方式必须配置专用的泵站,结构比较复杂,管路较远时,其传动效率明显下降,易发生泄漏。与这两种驱动方式相比,电机驱动反应灵敏、结构简单,能精确控制机械手的位置、速度,同时噪声较小,对环境污染小。随着交流伺服控制电机技术的不断进步,其控制方式不断完善,不但能精准地控制机械手的位置、速度,还可以控制机械手的扭矩。因此,本次研究的变速箱换挡性能试验台架方案中采用电机驱动方式驱动机械手换挡。

3.2伺服电动缸

伺服电动缸的主要作用是将旋转运动变成直线运动,比液压缸、气缸更加节能环保,更容易实现PLC控制,精确控制机械手运动。根据本次试验台架所需电机功率、扭矩,选用西门子SIMOTICSS-1FL6系列伺服电机,通过电机表面散热,可以在没有外置冷却设备的情况下实现长期稳定运行。

3.3光栅尺

光栅尺的主要作用是测量选挡、换挡电动缸的位移,其信号与驱动器都与PLC连接,构成闭环伺服控制系统。其测量系统采用透射式红外光学测量,分辨率可达5U。依据电动缸行程,分别选用测量范围为100mm、300mm的光栅尺。

3.4软轴

软轴式换挡操作系统具有重量轻、换挡阻力小、行程空距短、易安装、易维护等优点,在车辆变速箱产品中的应用越来越广泛。本次研究的试验台架方案考虑到空间限制以及易于安装操作的需求,选用软轴来实现选换挡操作。

4测量控制子系统

4.1工控机

作为车辆变速箱换挡性能试验台架系统的上位机,工控机负责远程控制整个系统,设置试验流程,发送操作指令给下位机,并采集、存储、显示、处理试验数据。本次研究的试验台架方案采用研华IPC-610L型工控机,具有良好的使用性能及防震、防尘功能。

4.2数据采集卡

数据采集卡的主要作用是高效、实时、同步采集多组传感器数据,数据采集卡必须能够很好地适应实际工作中的油污、灰尘等严苛的要求。本次研究的试验台架方案选用NI-6008型采集卡采集变速箱选挡力、换挡力、位移、同步转速等传感器信号。数据采集卡通过USB接口与工控机连接,通过配套的编程子程序,借助LabVIEW软件可以将采集到的传感器信号集成于控制面板中,实现人机交互。

4.3转矩转速传感器

转矩转速传感器用于获取变速箱输出轴转速、转矩,其弹性轴与变速箱输入轴、输出轴连接,输出/输入轴两端借助万向节连接电机、惯量飞轮。弹性轴两端安装两个信号齿轮,信号齿轮、信号圈构成信号发生器。当信号齿轮随着弹性轴转动时,线圈的感应交流电信号频率与转速成正比,通过测量频率就可以测量转速。弹性轴变形会导致两个信号齿轮、线圈之间的感应电信号存在相位差,其与转矩值成正比,通过测量相位差可测得扭矩值。

4.4力传感器和放大器

选挡力、换挡力是双向动态力,为了高效精准地测量选挡力、换挡力,本次研究采用S型拉压力传感器。其工作原理是在外力作用下传感器中弹性体发生弹性变形,电阻应变片也随之形变,导致阻值变化,将阻值变化转换为电信号,就可将外力转换为电信号输出。本次研究方案中,在机械手驱动元件前端、直线轴承之间设置万向节消除偏载荷,以减小机械手驱动部分、前端直线轴承部分的同轴度差异对传感器精度的影响。

5结语

综上所述,本文主要研究了车辆变速箱试验台架的总体方案和硬件选型,简要介绍了台架系统的主要硬件配置、技术参数。通过研究提出了试验台架整体布局,并确定了各个子系统的结构,为车辆换挡性能试验提供了可靠的台架方案。