汽車換擋拉索總成耐久性試驗臺的研制

陳 剛，葉 芳

(1.中國汽車工程研究院重慶凱瑞汽車試驗設(shè)備開發(fā)有限公司，重慶 400050;2.重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶 400052)

汽車換擋拉索是汽車換擋機構(gòu)的重要零部件，能靈活地傳遞推、拉2個方向的力，柔韌性好，能彎曲使用，傳遞力的方向性極好。在很多應(yīng)用鏈環(huán)桿連接的地方，用一根推拉索即可代替，其經(jīng)濟性是顯而易見的。拉索被廣泛用在汽車變速器換擋機構(gòu)中。由于該零件的可靠性直接關(guān)系到換擋機構(gòu)的可靠性，因此對拉索的耐久性測試顯得極為重要。

世界各個汽車廠家對拉索的耐久性試驗標準是不同的。本研究以某外資企業(yè)提供的標準為基礎(chǔ)開發(fā)試驗臺，該類型試驗臺在國內(nèi)屬首次開發(fā)。該標準對某型號的拉索主要在以下幾個方面作了規(guī)定:①拉索的支撐點、彎曲形狀及角度與實車一致，精度為±1 mm;② 試驗的總成數(shù)為3套;③換擋的驅(qū)動端驅(qū)動速度為150 mm/s，換擋周期過程有定義;④ 對選擋、換擋加載力作了嚴格要求［1］。

根據(jù)標準，對該系統(tǒng)進行了功能模塊分解。在此基礎(chǔ)上，分別對臺架試驗夾具、二維伺服驅(qū)動機構(gòu)、彈簧加載機構(gòu)、伺服加載機構(gòu)以及整個臺架的測量控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。對設(shè)計好的試驗臺架系統(tǒng)按要求進行加工、裝配、調(diào)試，在用戶試驗室進行了耐久性驗證試驗。試驗結(jié)果表明:該臺架系統(tǒng)能滿足標準所規(guī)定的要求。

1 試驗臺架的設(shè)計

由于試驗臺架及夾具要考慮到準確的定位以及可適應(yīng)性，因此采用了標準鋁型材框架結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的機械制造材料(碳鋼或不銹鋼)相比，該材料具有結(jié)構(gòu)精度高、外觀精美、易于拆裝、價格低廉等優(yōu)勢。根據(jù)型材的強度性能及力學(xué)計算結(jié)果(因限于篇幅，不列出具體公式)［2］，主要采用了40×40、40×80、80×80的標準鋁型材。根據(jù)選用的型材，組裝成總面積為2 260 mm×2 260 mm的試驗臺架［3］。該試驗臺架具有組裝方便、適用性強、便于調(diào)整(能適應(yīng)多種產(chǎn)品試驗需求)等優(yōu)點。耐久性試驗臺架系統(tǒng)功能模塊見圖1，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 耐久性試驗臺架系統(tǒng)功能模塊

圖2 耐久性試驗臺架結(jié)構(gòu)

2 二維伺服驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計

換擋驅(qū)動機構(gòu)常用氣動驅(qū)動機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但存在振動、噪聲、沖擊大、定位不準和多點定位難的缺點。因此，本試驗臺采用了二維伺服驅(qū)動機構(gòu)，它具有定位準確，行程調(diào)整方便，振動、噪聲小，重復(fù)性好等優(yōu)點。

變速箱的擋位變化由變速桿在“王”字形導(dǎo)槽中運動實現(xiàn)，選、換擋位置如圖3所示。通過設(shè)計換擋行程試驗臺架可適用于不同變速器類型，能根據(jù)指令自動選擇擋位并平穩(wěn)換擋。具體操作要求如下:

1)范圍:選檔最大行程為250 mm，換擋最大行程為200 mm。

2)速度要求指標:選、換擋最大速度為1 000 mm/s。

3)力的要求指標:選、換擋最大力為200 N。

圖3 選、換擋位置

要實現(xiàn)選、換擋，驅(qū)動機構(gòu)的運動方式須繞支撐點做橫向和縱向的轉(zhuǎn)動，具有2個自由度。因此，設(shè)計出一種2自由度的機械手機構(gòu)，該機械具有以下特點:機械解耦，控制方便;精度較高，能滿足換擋要求;行程大，能適用于各種車型;結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小;通用性好，成本低，易于推廣。換擋手把是整體機構(gòu)中的重要組成部分，該機構(gòu)設(shè)計精巧，程序控制起來十分方便［4－6］。該機構(gòu)由2套擺動機構(gòu)疊加而成，采用伺服電機驅(qū)動實現(xiàn)換擋桿的二維擺動。換擋平面運動機構(gòu)上安裝換擋套筒，分別通過“握住”4根換擋桿來實現(xiàn)“王”字換擋，換擋桿的手把在套筒中可發(fā)生滑移(見圖4)。

圖4 驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)

3 彈簧加載機構(gòu)的設(shè)計

彈簧加載機構(gòu)用來對選擋加載。對于選擋加載力曲線，福特公司的標準作了嚴格細致的規(guī)定(圖5)。它規(guī)定了位移與力的對應(yīng)關(guān)系，其帶寬為圖5中上、下對應(yīng)的兩條曲線之間。在變速器端進行力的測量。

圖5 選檔加載力曲線

從圖5可知:選擋加載力在2個方向加載，即當選擋從原點位置的正方向和負方向移動時，彈簧都要壓縮加載。根據(jù)標準要求設(shè)計出一種彈簧雙向加載裝置(見圖6)。從圖6可以看出:當導(dǎo)向桿上下移動時，彈簧都會壓縮加載，從而滿足標準要求。由于曲線的斜率不同，彈簧的剛度也會不同，曲線的階躍不同，彈簧的預(yù)緊力也會不同，因此需調(diào)整彈簧的剛度和預(yù)緊力。首先粗略計算彈簧的預(yù)緊力和彈簧剛度，再用帶力傳感器的測力機構(gòu)把對應(yīng)位移點的力值標定出來。由于測出來的力是換擋手柄端的力(包括換擋桿力、換擋拉索力和變速器端力)，而標準規(guī)定的是變速器端的力，所以測出的力應(yīng)扣除換擋桿力和換擋拉索力。其具體操作方法是:首先卸掉拉索與彈簧加載端(變速器端)的連接，測出換擋桿與換擋索的受力之和;再連接上拉索與彈簧加載端，測出換擋桿力、換擋拉索力和變速器端力之和;最后將后者與前者的力相減便是變速器端的力。如果測出的力不在標準的規(guī)定范圍之內(nèi)，可將彈簧的的預(yù)緊力(彈簧的長度)和彈簧的剛度進行調(diào)整，直到滿意為止。在正式做耐久性試驗時，取下測力裝置，由換擋套筒來“握住”換擋手把(被球頭替代)實現(xiàn)換擋。

圖6 選擋加載結(jié)構(gòu)

4 伺服加載機構(gòu)的設(shè)計

伺服加載機構(gòu)用來對換擋加載。對于換擋加載力曲線，福特公司的標準作了嚴格、細致的規(guī)定。它規(guī)定了時間(可換算成位移)與力的對應(yīng)關(guān)系(圖7)，并且規(guī)定了帶寬為±5 N。在換擋手柄端進行力的測量。

圖7 換擋加載力曲線

從圖7可知換擋加載力曲線較復(fù)雜，因此采用伺服電機加載。由于伺服電機的扭矩較小，所以電機前端加變速器，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。在換擋過程中，手把位置的力將隨手把位移而變化。在進行耐久性試驗前，先用帶力傳感器的測力機構(gòu)把對應(yīng)位移點的力值標定出來。手把位移由“王”字換擋機構(gòu)中的伺服電機自帶的編碼器記錄，力值由力傳感器記錄，位移和力(實質(zhì)上是對伺服電機工作在扭矩方式的加載電流)之間的對應(yīng)關(guān)系由計算機程序控制。這一過程稱之為力－位移對應(yīng)關(guān)系的預(yù)標定。標定完后，計算機將標定結(jié)果存在數(shù)據(jù)庫中。在正式進行耐久性試驗時，取下測力裝置，由換擋套筒“握住”換擋手把(被球頭替代)實現(xiàn)換擋。換擋過程中調(diào)用數(shù)據(jù)庫中先前標定的加載數(shù)據(jù)完成換擋方向的動態(tài)加載。

圖8 換擋加載結(jié)構(gòu)

5 計算機(測量、控制)系統(tǒng)

測量控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機、數(shù)據(jù)采集板卡、傳感器、放大器和控制軟件等組成，可對速度、力、行程等參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集和手動/自動控制。

控制軟件主要包括以下功能模塊:試驗參數(shù)輸入模塊，用于輸入各種試驗參數(shù)、控制條件等;自動執(zhí)行模塊，主要用于完成試驗數(shù)據(jù)采集與試驗過程的自動控制，以及計算機采集試驗過程中的轉(zhuǎn)速、扭矩和狀態(tài)參數(shù)設(shè)置;計算機模塊，用于對這些試驗參數(shù)和狀態(tài)進行處理、分析和判斷，一方面控制程序的運行，另一方面進行顯示，同時根據(jù)試驗需要存盤;數(shù)據(jù)處理模塊，用于對試驗數(shù)據(jù)的采集、濾波和標度變換，將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為單位的工程量(如轉(zhuǎn)速，力等);手動操作模塊，可以手動控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，主要用于系統(tǒng)的調(diào)試和保護測試;計量標定模塊，主要用于系統(tǒng)測量參數(shù)的計量標定;報警信息模塊，主要用于檢測各種報警信息和故障信息。

6 耐久性試驗臺架系統(tǒng)驗證

根據(jù)設(shè)計的功能模塊組合成換擋拉索耐久性試驗臺架系統(tǒng)。經(jīng)過調(diào)試后，在用戶試驗室分別對各個功能模塊進行了驗證試驗。

6.1 試驗臺架的驗證

臺架能很好地按實車狀態(tài)安裝，固定好拉索后，拉索的支撐點、彎曲形狀及角度與實車一致，其精度也能滿足±1 mm的要求。由于臺架裝夾、支撐位置是可以調(diào)節(jié)的，其他類似的拉索也適用，所以試驗臺架的通用性較好。在使用中發(fā)現(xiàn)，臺架的振動較大。分析原因是鋁型材的剛度相對較低，通過增加支撐對臺架的剛度進行了加強，使振動性能得到顯著改善。

6.2 加載裝置的驗證

為驗證加載裝置，用力傳感器分別對選擋和換擋加載力進行了標定。換擋標定的力曲線如圖9所示，和福特公司的標準(圖7)進行了比對，其結(jié)果滿足要求。選擋標定的力曲線如圖10所示，和福特公司的標準(圖5)進行了比對，其結(jié)果同樣滿足要求。

圖9 換擋標定力曲線

圖10 選擋標定力曲線

6.3 驅(qū)動裝置的驗證

標準對手柄端的驅(qū)動速度(大于150 mm/s)及極限位置作了較嚴格的規(guī)定，驗證時采用秒表和標尺對其進行測量，結(jié)果完全符合要求。為防止在耐久性試驗中出現(xiàn)位置的漂移，測試了1 000次后的換擋、換位位置，結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)漂移。在實際使用中也未發(fā)現(xiàn)漂移。因此驅(qū)動裝置是有效、可靠的。

經(jīng)過驗證之后，用戶又進行了一些試驗，在試驗中也未發(fā)現(xiàn)異常問題，所以該試驗臺的開發(fā)是成功的。

［1］企業(yè)標準.ES8S6R-7C453-AA［S］.

［2］劉鴻文.材料力學(xué)［M］.3版.北京:高等教育出版社，1992.

［3］洪如瑾.UG NX CAD快速入門指導(dǎo)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［4］陳家瑞.汽車構(gòu)造:上冊［M］.北京:人民交通出版社，1993.

［5］余志生.汽車理論［M］.2版.北京:機械工業(yè)出版社，1996.

［6］張丙軍，翟羽健，張為公，等.基于自動駕駛機器人汽車排放耐久性試驗臺的研制［J］.制造業(yè)自動化，2004(9):67.