汽車驅(qū)動橋疲勞試驗控制系統(tǒng)研究

（武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車零部件性能測試得到越來越廣泛的重視．汽車驅(qū)動橋是汽車的重要動力傳遞部件，對汽車的使用壽命和安全性具有重要的影響．為了確保汽車的安全性和可靠性，提高汽車的使用壽命，汽車生產(chǎn)商一般都需要對每一批驅(qū)動橋進行整體性能測試，以獲得驅(qū)動橋的性能參數(shù)．為此，許多驅(qū)動橋生產(chǎn)商都希望建立了自己的驅(qū)動橋性能測試試驗臺．在汽車零部件生產(chǎn)中，為了獲得汽車零部件的性能參數(shù)，需要建立汽車零部件的性能測試平臺，而現(xiàn)有的一些汽車測試平臺大多采用手動控制方式．迫切需要一個自動化的控制系統(tǒng)，能夠自動獲得所需要的反映汽車零部件是否合格的性能參數(shù)．

本文針對汽車驅(qū)動橋性能測試的需求，將傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)運動到此控制系統(tǒng)中，建立了基于工控機的驅(qū)動橋性能測試控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對驅(qū)動橋加載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速等參數(shù)的控制，從而解決的企業(yè)對產(chǎn)品合格的檢驗，獲得了良好的應(yīng)用效果．本文所設(shè)計的測試系統(tǒng)的特點有：參數(shù)設(shè)置（包括驅(qū)動橋的型號，額定轉(zhuǎn)速，最高溫度等參數(shù)的設(shè)定）、動態(tài)顯示、保存測試數(shù)據(jù)、自動跟蹤調(diào)整試驗速度和載荷、打印等特點．

1 汽車驅(qū)動橋系統(tǒng)硬件組成

1.1 汽車驅(qū)動橋的功能

汽車驅(qū)動橋處于動力傳動系的末端，其基本功能是增大由傳動軸或變速器傳來的轉(zhuǎn)矩，并將動力合理的分配給左、右驅(qū)動輪，另外還承受作用于路面和車架或車身之間的垂直立、縱向力和橫向力．驅(qū)動橋一般由主減速器、差速器、車輪傳動裝置和驅(qū)動橋殼等組成［1］．汽車驅(qū)動橋組成示意圖見圖1．

圖1 汽車驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 控制系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備

控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成包括：工控機，多功能I／O卡，輸入操作按鈕類操作裝置，轉(zhuǎn)矩、速度、溫度信號采集輸入傳感器，輸出狀態(tài)顯示裝置以及驅(qū)動電機工作的繼電器（圖中沒有表示）等．整個測試控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)見圖2．

控制系統(tǒng)主機選用平板式工控機，此類主機具有良好的軟硬件開放性，功能強大，性能可靠，能滿足各種軟件平臺下控制系統(tǒng)的開發(fā)需求．

多功能I／O卡是實現(xiàn)開關(guān)量與模擬量信號輸入／輸出的重要通道，一般可選用性能可靠，輸入／輸出通道數(shù)滿足控制系統(tǒng)要求，價格適中的多功能I／O卡［2］．

控制系統(tǒng)的輸入信號包括：操作按鈕信號，電器響應(yīng)反饋信號，轉(zhuǎn)矩／速度傳感器信號，溫度傳感器信號等．輸入信號通過多功能I／O卡輸入到工控機中，控制系統(tǒng)根據(jù)這些信號進行響應(yīng)操作，完成試驗過程．

圖2 驅(qū)動橋性能測試控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成示意圖

控制系統(tǒng)的輸出信號包括：試驗狀態(tài)信號，加載電機、調(diào)速電機的啟停信號，冷卻電磁閥的啟停信號等．這些信號由控制系統(tǒng)發(fā)出，通過多功能I／O卡輸出到控制繼電器或開關(guān)等，實現(xiàn)對電機的控制和狀態(tài)的顯示功能．

2 驅(qū)動橋疲勞試驗軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 軟件功能

根據(jù)驅(qū)動橋試驗系統(tǒng)需求，設(shè)計系統(tǒng)控制軟件功能見圖3．

圖3 系統(tǒng)軟件功能構(gòu)成

1）系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置功能 此功能模塊實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，如加載系統(tǒng)的傳動比，試驗系統(tǒng)所能達到的最大轉(zhuǎn)矩，試驗臺架安裝模式等，這些參數(shù)保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，供試驗時選用．

2）單步調(diào)試功能 此功能實現(xiàn)單一的調(diào)試功能，如調(diào)速電機的啟動、調(diào)速、停止控制，加載電機的正向加載、反向加載控制，轉(zhuǎn)矩、速度數(shù)據(jù)的采集檢測，急停按鈕的測試等．方便用戶對試驗臺架的調(diào)試．

3）測試參數(shù)設(shè)置功能 此功能實現(xiàn)具體測試項目參數(shù)的設(shè)置，如疲勞試驗各階段磨合次數(shù)，各階段轉(zhuǎn)矩系數(shù)，磨合試驗轉(zhuǎn)矩等．

4）測試過程狀態(tài)顯示功能 此功能實現(xiàn)測試過程狀態(tài)的顯示．磨合過程的轉(zhuǎn)矩以動態(tài)曲線方式顯示，并設(shè)置最大最小控制轉(zhuǎn)矩，極限磨合轉(zhuǎn)矩4條直線，可以直接觀察實測轉(zhuǎn)矩的變化，并能直接觀察到實測轉(zhuǎn)矩是否超過設(shè)定的最大最小界限．當(dāng)實測轉(zhuǎn)矩超過設(shè)定值時，控制系統(tǒng)將提示警示信息，并根據(jù)轉(zhuǎn)矩的大下啟動加載電機自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，確保試驗在規(guī)定的條件下進行．

5）測試過程控制功能 此功能自動實現(xiàn)對試驗過程的控制．

6）測試報表生成、打印功能 試驗結(jié)束后，系統(tǒng)自動調(diào)用測試報表生成功能，完成試驗報告的顯示、打印任務(wù)．

7）系統(tǒng)幫助功能 此功能提供對系統(tǒng)具體操作的幫助信息，方便操作者使用．

8）除以上功能外，系統(tǒng)還提供了用戶權(quán)限和密碼設(shè)置功能，確保系統(tǒng)使用安全．

2.2 控制算法設(shè)計

驅(qū)動橋疲勞磨合試驗是一個復(fù)雜的過程，包含4次磨合試驗，1次正式試驗，每1次磨合試驗都有2萬～3萬次，正式試驗則在5萬次以上．試驗過程中轉(zhuǎn)矩要根據(jù)磨合次數(shù)逐步增大，而試驗速度、試驗溫度都要控制在給定值范圍內(nèi)．因此，需要設(shè)計合理的控制策略和控制算法，保證試驗按要求穩(wěn)定運行［3－7］．

2．2．1 啟動過程控制 試驗啟動過程由一系列控制動作完成，其中又包括了傳感器數(shù)據(jù)的檢測，調(diào)速電機，加載電機的控制過程，試驗啟動基本流程見圖4．

2．2．2 速度調(diào)節(jié)控制算法 驅(qū)動橋性能測試系統(tǒng)從啟動到穩(wěn)定運行再到停止，需要按照試驗要求實現(xiàn)調(diào)速電機的控制，為此，特設(shè)計按圖5所示的速度控制規(guī)律曲線來進行調(diào)速電機的控制．

由圖5可見，AB段為調(diào)速電機啟動階段，變頻器輸出頻率均勻增加，調(diào)速電機的速度隨之勻速增加；BC段為速度平穩(wěn)運行階段，此階段調(diào)速電機穩(wěn)定運行，保證試驗按要求進行．CD段為調(diào)速電機停機階段，速度均勻降低．

根據(jù)圖5的速度控制規(guī)律，設(shè)計得到調(diào)速電機控制算法，整個控制流程由3個函數(shù)實現(xiàn)．

圖4 試驗啟動過程算法流程

圖5 速度控制規(guī)律

1）啟動調(diào)速電機函數(shù)

Begin

根據(jù)調(diào)速電機的轉(zhuǎn)向接通正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)啟動繼電器；

給定變頻器頻率調(diào)整參數(shù)；

啟動變頻器啟動觸點（啟動調(diào)速電機）；

End

2）動態(tài)調(diào)整調(diào)速電機參數(shù)的函數(shù)

Begin

If檢測得到的調(diào)速電機速度判斷是否已經(jīng)滿足速度要求；

Then停止改變電機頻率；

給出停止調(diào)速標(biāo)志；

Else繼續(xù)按給定參數(shù)改變電機頻率；

End

3）停止調(diào)速電機函數(shù)

Begin

按停車要求給定變頻器頻率調(diào)整參數(shù)；

調(diào)用動態(tài)調(diào)整調(diào)速電機參數(shù)的函數(shù)；End

2．2．3 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制算法 根據(jù)驅(qū)動橋疲勞試驗規(guī)范，驅(qū)動橋疲勞性能測試過程一般分3次磨合試驗和1次正式試驗，在磨合試驗階段，試驗轉(zhuǎn)矩分別為：第1次為0．25Te，第2次0．5Te，第3次0．75Te．正式試驗設(shè)定轉(zhuǎn)矩為Te．

顯然，試驗過程中，試驗轉(zhuǎn)矩需要根據(jù)試驗階段進行調(diào)整．試驗轉(zhuǎn)矩的調(diào)整分兩種情況：（1）跨階段的調(diào)整，即某個階段結(jié)束后進入下一階段的轉(zhuǎn)矩調(diào)整．這種調(diào)整幅度比較大，持續(xù)時間相對要長一些．調(diào)整時，加載電機持續(xù)加載，直到到達給定的轉(zhuǎn)矩值，加載電機停止加載，加載過程完成；（2）試驗階段中的調(diào)整．由于驅(qū)動橋的磨合作用，加上機械系統(tǒng)的間隙等原因，試驗過程中轉(zhuǎn)矩有可能逐漸減小，如果試驗轉(zhuǎn)矩小于設(shè)定的范圍，則需要對試驗轉(zhuǎn)矩進行調(diào)整，調(diào)整算法見圖6．

圖6 轉(zhuǎn)矩調(diào)整算法

3 系統(tǒng)運行示例

3.1 設(shè)置的參數(shù)

當(dāng)進入本系統(tǒng)后選擇所要進行測試的驅(qū)動橋型號，例如選擇型號為2402B11－410－6．33的驅(qū)動橋，然后進入如圖7所示的參數(shù)設(shè)置，填寫完整試驗參數(shù)后，點“確定”，就可以進入測試子窗口．

圖7 汽車驅(qū)動橋試驗參數(shù)設(shè)置

3.2 試驗過程

當(dāng)完成了參數(shù)設(shè)置后，進入試驗界面可得到如圖8所示的實時轉(zhuǎn)矩動態(tài)數(shù)據(jù)曲線，實時溫度、轉(zhuǎn)速、試驗次數(shù)顯示窗口．該子窗口中數(shù)據(jù)曲線及縱向格線每隔時間段就同時自右向左移動一個單位，動態(tài)顯示效果很好．圖中狀態(tài)是從第二次磨合進入第三次磨合的實時情況，可以很直觀的看出當(dāng)前變頻電機的轉(zhuǎn)向和加載電機的加載方向．如果有報警，則軟報警和應(yīng)報警都會點亮來提示操作工人．

在試驗進行的過程中，遇到試驗次數(shù)到達10萬次左右時，驅(qū)動橋出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩加載不上去的情況，這說明驅(qū)動橋的齒輪出現(xiàn)了斷齒，造成轉(zhuǎn)矩?zé)o法繼續(xù)加載．但10萬次達到了國家對于驅(qū)動橋質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，由此可以檢驗驅(qū)動橋是否合格．

圖8 試驗實例狀態(tài)顯示界面

根據(jù)上述原理設(shè)計的驅(qū)動橋疲勞性能測試系統(tǒng)已經(jīng)投入運行，一年多來多次試驗結(jié)果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，運行結(jié)論可靠，完全滿足驅(qū)動橋疲勞性能測試規(guī)范與技術(shù)要求，正在取得預(yù)期的效益．

至此，整個控制系統(tǒng)的主要部分都介紹完畢，此系統(tǒng)在工業(yè)現(xiàn)場控制中，很好的滿足了企業(yè)的要求，系統(tǒng)在運行的過程中，基本正常．

4 結(jié)束語

本文講述了在驅(qū)動橋疲勞試驗控制系統(tǒng)中對于電機控制所要用到硬件設(shè)備和軟件實現(xiàn)方法．其中所用的一些工業(yè)控制的思想方法，具有一定使用價值，可以用在很多工業(yè)控制領(lǐng)域．

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