機(jī)械式變速器靜態(tài)選掛擋力測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

趙康，馮殿軍

（陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西 西安 710119）

機(jī)械式變速器靜態(tài)選掛擋力測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

趙康，馮殿軍

（陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院，陜西 西安 710119）

本文介紹了機(jī)械式變速器靜態(tài)選掛擋力測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)以飛思卡爾系列MC9S12XS128為核心控制單元，通過PWM控制直流伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，使用位移傳感器、力傳感器、轉(zhuǎn)速編碼器組成了一套完整的反饋系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確、可靠的測(cè)量出機(jī)械式變速器的靜態(tài)選掛擋力。該方案價(jià)格低廉，使用簡(jiǎn)單，具有一定的使用價(jià)值。

機(jī)械式變速器選掛擋力；XS128單片機(jī)；PWM；直流伺服電機(jī)

CLC NO.:U463.2Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)11-50-03

引言

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)械式變速器試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。同時(shí)由于駕駛員對(duì)車輛駕駛舒適性要求不斷提高，使得掛擋輕便的變速器備受青睞，尤其在重型汽車領(lǐng)域。機(jī)械式變速器的靜態(tài)選掛擋力的測(cè)量成為全世界眾多變速器廠家試驗(yàn)測(cè)試的重要項(xiàng)目。然而受制于選掛擋力測(cè)量的理論標(biāo)準(zhǔn)不健全，對(duì)選掛擋力測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的影響。主要在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和控制選掛擋力方案上成為了該系統(tǒng)關(guān)鍵。本文提出一種基于飛思卡爾MC9S12XS128系列單片機(jī)為基礎(chǔ)的機(jī)械式變速器選掛擋力測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1、機(jī)械式變速器靜態(tài)選掛擋力系統(tǒng)簡(jiǎn)介

機(jī)械式變速器選掛擋力測(cè)量系統(tǒng)是在機(jī)械式變速器處于靜止水平的條件下，測(cè)量變速器的選擋過程和掛擋過程中的最大選擋力和最大掛擋力的測(cè)量系統(tǒng)。最大選擋力和最大掛擋力的大小主要取決于變速器的操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和同步器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。操縱機(jī)構(gòu)的限位彈簧剛度的大小，以及同步器平衡彈簧剛度的設(shè)計(jì)，都會(huì)影響變速器選掛擋力的大小。由于該系統(tǒng)的測(cè)量過程中受到人的影響因素比較多，比如選掛擋測(cè)量執(zhí)行機(jī)構(gòu)掛擋時(shí)的速度和推拉角度，選掛擋開始和結(jié)束的位置等因素都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。對(duì)上述的幾種影響因素的控制成為了機(jī)械式變速器選掛擋力測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2、機(jī)械式變速器靜態(tài)選掛擋力系統(tǒng)工作原理

機(jī)械式變速器靜態(tài)選掛擋力系統(tǒng)的核心是MC9S12X S128單片機(jī)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（選擋直流伺服電機(jī)和掛擋直流伺服

電機(jī)）的控制。XS128單片機(jī)通過PWM脈寬控制，來實(shí)現(xiàn)直流伺服電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速控制，同時(shí)通過位移傳感器的位置信號(hào)、轉(zhuǎn)速編碼器的轉(zhuǎn)速信號(hào)和力傳感器的力值來反饋調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的。圖1為整個(gè)系統(tǒng)框圖。

3、機(jī)械式變速器靜態(tài)選掛擋力系統(tǒng)硬件

機(jī)械式變速器靜態(tài)選掛擋力系統(tǒng)是以MC9S12XS12單片機(jī)為控制核心，PWM功率管是為電機(jī)提供大的功率來驅(qū)動(dòng)選擋和掛擋的伺服直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速編碼器、力傳感器、位移傳感器都是整個(gè)系統(tǒng)的反饋測(cè)量裝置。硬件示意圖如圖2所示。

MC9S12XS12單片機(jī)通過自身的PWM模塊來控制PW M功率管的開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制和速度快慢的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速編碼器可以檢測(cè)到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)就可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控直流伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，可以實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；位移傳感器可以測(cè)量到電機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)所走過的位移，將實(shí)時(shí)的位移值，與示教時(shí)所定的位移限值進(jìn)行比較，可以達(dá)到電機(jī)所需的一個(gè)控制量，或者到達(dá)位移的限值，也就是選擋或者掛擋示教的最大位置，通過位置信號(hào)可以控制電機(jī)的停止和轉(zhuǎn)動(dòng)；力傳感器可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)到電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力值，通過力值信號(hào)被反饋到單片機(jī)中，單片機(jī)可以記錄力值信號(hào)，同時(shí)可以與力值的限值進(jìn)行比較，從而可以達(dá)到控制電機(jī)的停止或者轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)可以將力值信號(hào)，位置信號(hào)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)通過MAX232串口送入PC機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所采集的信號(hào)進(jìn)行處理和保存【1】。

4、機(jī)械式變速器靜態(tài)選掛擋力系統(tǒng)控制模型

該系統(tǒng)由位置反饋環(huán)、力反饋環(huán)、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)組成，位置反饋環(huán)和力反饋環(huán)是主反饋環(huán)，反饋結(jié)果與給定的值RL、RF進(jìn)行相減就可以得到位置信號(hào)的偏差信號(hào)eL和力值信號(hào)的偏差信號(hào)eF，偏差信號(hào)由比例反饋節(jié)K1放大，送入下一個(gè)環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)速反饋環(huán)是一個(gè)局部反饋矯正環(huán)節(jié)，可以改善伺服系統(tǒng)的阻尼系統(tǒng)，提高系統(tǒng)剛度，并減小局部環(huán)內(nèi)的各種非線性影響【2】。

K2G1(S)是轉(zhuǎn)速環(huán)的放大及串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)速環(huán)一般采用PI（積分）控制，可以克服靜差KT是比例系數(shù)，To時(shí)間常數(shù)。K3是PWM功率放大器的比例常數(shù)。

G2(S)是伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)，KG是靜態(tài)放大系數(shù)，td是電磁時(shí)間常數(shù)，tj為電機(jī)時(shí)間常數(shù)。

HV(S)是轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，編碼器實(shí)質(zhì)是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，所以HV(S)=KV，KV是轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的比例系數(shù)。

HL(S)是位置反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，也是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，HL(S) =KL，KL是位置反饋環(huán)節(jié)的比例系數(shù)。

HF(S)是力反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，也是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，HF(S) =KF，KF是力反饋環(huán)節(jié)的比例系數(shù)。

根據(jù)上面的分析，由于控制量是以位置反饋為主，故控制量：

控制量C（n）與上次的采用值C（n-1）、給定值RL(n)、位置采樣值L(n)、速度采樣值V（n）有關(guān)，同時(shí)與給定上次的采樣值給定值RL（n-1）、上次的采樣值位置采樣值L（n-1）、上次的采樣值速度采樣值V（n-1）有關(guān)【3】。

5、控制流程圖

單片機(jī)初始化整個(gè)I/O口，同時(shí)設(shè)定了位置和力的限值，這個(gè)過程是一個(gè)示教的過程，單片機(jī)實(shí)時(shí)的采集位移、力和速度信號(hào)、將這些信號(hào)值與給定的值比較計(jì)算，就可以求出控制量C，將控制量送入單片機(jī)中，又可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。從而形成了這樣的反饋循環(huán)，也是整個(gè)機(jī)械式變速器靜態(tài)掛擋力系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過程。

6、總結(jié)

機(jī)械式變速器靜態(tài)掛擋力系統(tǒng)是以MC9S12XS128單片機(jī)為核心控制單元，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，測(cè)量的準(zhǔn)確性高，可靠性高，具有一定的使用價(jià)值。

[1] 余永權(quán)，汪明慧，黃英．單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用·北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2] 李天平．面天線測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 濟(jì)南：山東師范大學(xué)學(xué)報(bào)，21(2)：2006；53-55.

[3] 王喜明，高偉.單片機(jī)對(duì)直流伺服電機(jī)控制的研究. 西安: 科學(xué)技術(shù)與工程，第7卷第14期2007年7月.

從結(jié)果對(duì)比中可以看出，在受相同載荷和約束的條件下，優(yōu)化后支架的最大應(yīng)力較優(yōu)化前有所增加18%；原結(jié)構(gòu)的重量較優(yōu)化后下降了28%。雖然優(yōu)化后的最大位移增加了48%且應(yīng)力集中處增加18%但仍然能滿足支架在受2.7倍安全系數(shù)拉力下正常使用。實(shí)現(xiàn)輕量化且降低了成本。

表3 支架優(yōu)化前后分析結(jié)果對(duì)比

4、結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用Hypermesh對(duì)中重卡變速箱選換擋軟軸固定支架建立了有限元模型，同時(shí)對(duì)支架做出了靜力學(xué)受力分析，并根據(jù)分析結(jié)果應(yīng)用OptiStruct對(duì)支架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在結(jié)構(gòu)滿足剛度、強(qiáng)度的前提下大大減輕了支架重量，節(jié)省了材料。此外，本文的分析結(jié)果對(duì)支架的輕量化設(shè)計(jì)及改進(jìn)有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉惟信。汽車設(shè)計(jì)[M]。清華大學(xué)出版社，2001.

[2] 張勝蘭，鄭冬黎，郝琪，李楚琳，基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

Static selected gear force measurementing system of Mechanical transmission

Zhao Kang, Feng Dianjun
(Shaanxi fast automobile transmission engineering research institute, Shaanxi Xi’an 710119)

This paper introduces the static selected gear force measuring system of mechanical transmission, the system on the fly think of Carle MC9S12XS128 as the core control unit, through the PWM control of a DC servo motor, using the displacement sensor, force sensor, speed encoder consists of a complete set of feedback system, can be accurate, reliable measurement of static selection mechanical transmission gear force. The scheme of low price, easy to use, and has a certain application value.

gear selection of Mechanical transmission; XS128; PWM; DC servo motor

U463.2

A

1671-7988(2014)11-50-03

趙康，工程師，就職于陜西法士特汽車傳動(dòng)工程研究院。研究方向：變速器設(shè)計(jì)，變速器實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，機(jī)電一體化。