基于LabVIEW 的機(jī)械式變速器同步器性能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

李理

( 武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070)

0 引言

同步器是汽車機(jī)械式變速器的主要功能部件，同步器換擋不僅具有換擋輕便、消減沖擊和噪聲等優(yōu)點(diǎn)，而且還能使換擋迅速，減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性［1］。利用相關(guān)性能檢測(cè)系統(tǒng)，汽車變速器的生產(chǎn)廠家可以對(duì)其同步器產(chǎn)品進(jìn)行抽樣檢測(cè)，獲得其各項(xiàng)工作參數(shù)，與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，找出它在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)中存在的缺陷和疏漏，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程，提高出廠產(chǎn)品的性能。為此，根據(jù)某變速器廠家對(duì)同步器的測(cè)試要求，基于LabVIEW 虛擬儀器軟件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了一套機(jī)械變速器同步器性能測(cè)試系統(tǒng)。

1 同步器的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制

同步器的作用是在換擋時(shí)，使待嚙合的一對(duì)齒輪達(dá)到同步，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的換擋［2］?，F(xiàn)在廣泛采用的是滑塊式同步器，也叫慣性鎖止式同步器［3］，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。一對(duì)鎖環(huán)(同步環(huán)) 分布在同步器的兩側(cè)，它們的內(nèi)錐面都套在左右兩齒圈的外錐面上。鎖環(huán)花鍵齒在朝著接合套的一端以及接合套兩邊的齒端都有鎖止角，這樣以便于兩者嚙合。當(dāng)換擋操縱機(jī)構(gòu)處于空擋時(shí)，接合套由定位銷保持在空擋位置。接合套的齒與鎖環(huán)的花鍵剛好錯(cuò)開(kāi)了半個(gè)齒間距，這樣它們無(wú)法進(jìn)行嚙合。當(dāng)換擋機(jī)械手進(jìn)行換擋時(shí)，操縱力會(huì)作用在接合套上并產(chǎn)生擠壓，使鎖環(huán)向左運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，內(nèi)、外錐面開(kāi)始相互擠壓并產(chǎn)生較大的摩擦力以及慣性力矩。這個(gè)慣性力矩會(huì)阻止鎖環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，齒圈與等待嚙合的齒就會(huì)在內(nèi)、外錐面所產(chǎn)生的摩擦力作用下迅速同步。伴隨著換擋力，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻礙接合套逆向轉(zhuǎn)動(dòng)的撥環(huán)力矩，使鎖環(huán)向著較容易嚙合的方向旋轉(zhuǎn)，與齒圈接合，完成換擋。

2 試驗(yàn)臺(tái)硬件設(shè)計(jì)及其功能

為了對(duì)同步器性能進(jìn)行準(zhǔn)確、快速有效的檢測(cè)，更好地滿足廠家要求，試驗(yàn)臺(tái)架必須盡量真實(shí)地模擬汽車實(shí)際工況和人工實(shí)際換擋動(dòng)作。該試驗(yàn)臺(tái)對(duì)汽車實(shí)際工況的模擬主要依靠安裝汽車慣量盤來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用換擋操縱機(jī)構(gòu)來(lái)模擬人工換擋動(dòng)作。

同步器性能試驗(yàn)臺(tái)主要硬件布置如圖2 所示，其構(gòu)成和功能如下：

(1) 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊，由交流電機(jī)、變頻器和慣量盤組組成，主要用來(lái)提供變速器輸入輸出轉(zhuǎn)速以及模擬汽車行駛慣量;

(2) 換擋操縱機(jī)構(gòu)，包括步進(jìn)電機(jī)和換擋機(jī)械手，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式執(zhí)行換擋動(dòng)作;

(3) 計(jì)算機(jī)測(cè)控模塊，由工控機(jī)、各種傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、步進(jìn)電機(jī)控制卡以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸線組成，用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)控制等功能;

(4) 輔助設(shè)備，包括試驗(yàn)臺(tái)基座、被測(cè)件夾具、設(shè)備工控臺(tái)以及電氣柜等，便于用戶操作，可以減少機(jī)械振動(dòng)干擾和電磁干擾。

根據(jù)試驗(yàn)要求，試驗(yàn)臺(tái)的各模塊相互協(xié)作配合，完成對(duì)機(jī)械式變速箱同步器的性能測(cè)試，并對(duì)試驗(yàn)所需的各性能數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集與記錄。為了保證精度要求，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)選用了高精度、適當(dāng)量程的儀器以及適當(dāng)規(guī)格的設(shè)備，具體配置及選型及見(jiàn)表1。

表1 儀器和設(shè)備的配置及選型

3 試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)原理

性能理想的同步器既省力又能快速實(shí)現(xiàn)同步換擋。同步器性能測(cè)試試驗(yàn)記錄換擋時(shí)同步器的同步力矩Ms、換擋時(shí)間T、同步時(shí)間t、換擋力F 以及換擋角度θ 等性能參數(shù)，與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較來(lái)評(píng)價(jià)同步器性能。同步力矩Ms是同步環(huán)與齒圈錐面接觸產(chǎn)生的摩擦力在平均半徑處的扭矩值，它可以通過(guò)輸入輸出轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè); 換擋時(shí)間T 指駕駛員即換擋機(jī)械手由開(kāi)始移動(dòng)換擋桿至成功換入某一擋位所需要的時(shí)間; 同步時(shí)間t 是同步環(huán)外錐面與待嚙合齒輪齒圈內(nèi)錐面接觸產(chǎn)生摩擦開(kāi)始到兩者速度差減小為0 時(shí)耗費(fèi)的時(shí)間; 換擋力F 為換擋桿球端的法向作用力; 換擋角度θ 是換擋桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度。在換擋位置上安裝有力傳感器和角度傳感器，分別檢測(cè)換擋力以及換擋角度的變化，通過(guò)換算可得到換擋行程。

換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬人工換擋動(dòng)作，如圖3 所示。它可以在選擋的X 向和掛擋的Y 向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，兩運(yùn)動(dòng)平面互相垂直。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)直線運(yùn)動(dòng)，分別設(shè)置在選擋和掛擋方向來(lái)驅(qū)動(dòng)換擋機(jī)械手執(zhí)行選、掛擋動(dòng)作。

在進(jìn)行測(cè)試前，將變速器和與之配套的各機(jī)構(gòu)根據(jù)其在車上的實(shí)際位置在測(cè)試臺(tái)上擺放，并做適當(dāng)調(diào)整，使變速箱同步器在該測(cè)試系統(tǒng)上的狀態(tài)與汽車實(shí)際工作狀態(tài)吻合。

首先設(shè)置輸入輸出軸轉(zhuǎn)速等試驗(yàn)參數(shù)并保存，開(kāi)始測(cè)試后，軟件初始化采集參數(shù)，啟動(dòng)變頻器，輸出軸電機(jī)帶動(dòng)慣量盤轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速后，通過(guò)工控機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)換擋機(jī)械手執(zhí)行選擋、掛擋動(dòng)作。當(dāng)掛擋角度到達(dá)預(yù)定值時(shí)，掛擋完成，停止選擋、掛擋步進(jìn)電機(jī)，按照反方向驅(qū)動(dòng)機(jī)械手執(zhí)行退擋動(dòng)作，掛擋角度值到達(dá)預(yù)定處時(shí)停止步進(jìn)電機(jī)。各傳感器同時(shí)采集到電壓信號(hào)，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，記錄各參數(shù)，保存并顯示數(shù)據(jù)曲線。

試驗(yàn)臺(tái)采用軟件壓力限值保護(hù)和漸進(jìn)開(kāi)關(guān)硬件位移限位保護(hù)。當(dāng)程序采集到的數(shù)值大小超過(guò)限制值或者超過(guò)漸進(jìn)開(kāi)關(guān)限位時(shí)，控制程序立即使步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)停止測(cè)試，避免過(guò)載工作，有效地保護(hù)傳感器。

4 試驗(yàn)臺(tái)控制程序設(shè)計(jì)

采用LabVIEW 軟件來(lái)編寫(xiě)該試驗(yàn)臺(tái)整個(gè)控制程序。Lab-VIEW 是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言［4］，具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、技術(shù)集成化高、性能擴(kuò)充性好、自動(dòng)化程度高及系統(tǒng)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

同步器性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試過(guò)程分為測(cè)試前準(zhǔn)備階段、測(cè)試階段以及數(shù)據(jù)處理階段［5］。測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

4.1 同步器性能測(cè)試程序

同步器性能試驗(yàn)臺(tái)結(jié)合研華PCL-839 步進(jìn)電機(jī)控制卡，利用它自帶的完整的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制庫(kù)函數(shù)，通過(guò)LabVIEW軟件調(diào)用庫(kù)函數(shù)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，如圖5 所示。試驗(yàn)臺(tái)采用變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制，利用LabVIEW 結(jié)合研華PCI-1711 數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸出功能來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度。

同步器性能試驗(yàn)臺(tái)采集程序如圖6 所示，首先通過(guò)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)句柄搜索到數(shù)據(jù)采集卡，然后利用MAIConFig.vi 對(duì)設(shè)備的模擬輸入通道的輸入電壓范圍、通道數(shù)以及起始通道等進(jìn)行具體配置，接著利用MAIVoltageIn. vi 從指定的模擬輸入通道讀取電壓值，再通過(guò)Split1DArray. vi 將讀取的電壓值進(jìn)行數(shù)組轉(zhuǎn)化，將一維數(shù)組轉(zhuǎn)化為二維數(shù)組，這樣就可以根據(jù)通道號(hào)讀取各個(gè)通道的數(shù)據(jù)。最后將指定通道號(hào)的數(shù)據(jù)提取出來(lái)以隊(duì)列的方式輸出，乘以傳感器系數(shù)，便可以得到測(cè)試所需要的數(shù)值。

同步器的同步時(shí)間一般很短，因此要想準(zhǔn)確測(cè)定同步時(shí)間值，采樣率就必須達(dá)到一定要求，這樣就需要正確設(shè)置采集程序參數(shù)。該試驗(yàn)程序采集參數(shù)設(shè)計(jì)如圖7 所示。

各傳感器所采集的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路傳輸?shù)窖腥A數(shù)據(jù)采集卡上，再由數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)PCI 接口傳到工控機(jī)，然后采集程序讀取采集卡上各個(gè)端口的電壓值，以隊(duì)列的形式輸出，經(jīng)過(guò)LabVIEW 軟件的數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)在前面板上以波形圖形式顯示出來(lái)，并分別生成. bmp 格式圖片以及. xls 表格。

4.2 防干擾和濾波處理

該測(cè)試系統(tǒng)主要受到的干擾包括外界振動(dòng)干擾、工控機(jī)板卡間的電磁干擾以及電源不穩(wěn)定造成的噪聲干擾，這些都會(huì)干擾傳感器的檢測(cè)結(jié)果，導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了減弱外界振動(dòng)干擾，將整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)安裝在一個(gè)大質(zhì)量的機(jī)械底座上，這樣可以吸收大部分的振動(dòng)能量，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，必須對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，主要是利用Lab-VIEW 程序中的濾波器除去不必要的噪聲信號(hào)。由于被測(cè)頻率比較高，該系統(tǒng)采用雙重濾波，首先進(jìn)行高通濾波，濾掉板卡間的電磁干擾產(chǎn)生的噪聲，然后利用中值濾波器濾掉變頻器等設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。

5 結(jié)論

主要闡述了一種基于LabVIEW 的機(jī)械式變速器同步器性能試驗(yàn)臺(tái)的硬件和軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，該試驗(yàn)臺(tái)在軟件和硬件的設(shè)計(jì)方面有以下創(chuàng)新：

(1) 通過(guò)汽車慣量盤和換擋操縱機(jī)構(gòu)來(lái)真實(shí)地模擬汽車實(shí)際工況和人工實(shí)際換擋動(dòng)作，這種控制方法避免了在汽車實(shí)際行駛情況下測(cè)試同步器，更加安全、高效。

(2) 采用自動(dòng)化控制，充分保證了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

(3) 借助LabVIEW 程序，構(gòu)建了虛擬實(shí)驗(yàn)儀器，替代傳統(tǒng)儀器，完成了數(shù)據(jù)采集、圖形顯示和數(shù)據(jù)管理。

(4) 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作便捷，能夠?qū)Σ煌N類的同步器進(jìn)行測(cè)試，適應(yīng)產(chǎn)品的換型。

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