機械式變速器高轉(zhuǎn)速試驗臺架開發(fā)

孫 宇

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

汽車變速器的性能直接影響汽車的動力性、經(jīng)濟性和操縱穩(wěn)定性等性能。高轉(zhuǎn)速試驗是機械式變速器臺架試驗的重要內(nèi)容，通過變速器各擋位在高轉(zhuǎn)速、滿負(fù)荷、高溫度和長時間的極限工況下的表現(xiàn)，可判斷換擋裝置、各擋齒輪、軸、軸承、殼體有無損壞［1］，反映變速器在極限工況下的耐久性和穩(wěn)定性，便于尋找不足之處并進行改善。

應(yīng)某汽車企業(yè)的開發(fā)要求，利用西門子成熟的電機技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)有的傳感器技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，通過VS2005 上位軟件開發(fā)平臺、下位機PLC S7-300 和NI PXI -6221 數(shù)據(jù)采集卡搭配組合，研發(fā)了機械式變速器高轉(zhuǎn)速試驗的臺架。通過該試驗臺，對變速器性能進行評估和數(shù)據(jù)比對，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的不足之處和設(shè)計缺陷，對改善機械式變速器傳動性能，提高變速器的設(shè)計水平，提升企業(yè)競爭力有著重要的意義［2-3］。

1 試驗臺架測試原理

封閉式試驗臺架與傳統(tǒng)的開放式試驗臺架相比，雖然結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，不便于維護，但可以充分回收利用負(fù)載電機產(chǎn)生的熱能或電能，大大提高測試臺架的能源利用率。該高轉(zhuǎn)速試驗臺選用的共直流母線能量回饋電封閉式試驗臺架無需多余的傳動組件和伺服加載設(shè)備，結(jié)構(gòu)相對簡單，可以實現(xiàn)載荷的穩(wěn)定控制，且尺寸鏈短，占地面積小，加工制造成本較低。通過直流母線能夠?qū)崿F(xiàn)“邊加載邊發(fā)電”，發(fā)出的電力可以直接被驅(qū)動電機回收利用，電能利用率顯著提高。負(fù)載電機和驅(qū)動電機由獨立的矢量控制逆變器控制，可以實現(xiàn)平行驅(qū)動［4］。臺架整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 臺架整體結(jié)構(gòu)示意圖

從圖1 可以看出，負(fù)載電機M2 模擬汽車行駛過程中所承受的負(fù)載。在驅(qū)動電機和變速器的輸出端分別裝有兩個高精度扭矩傳感器T40，實現(xiàn)對輸入/輸出扭矩的測量。在負(fù)載電機的輸入端安裝用于減速增扭的齒輪箱，將轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至負(fù)載電機M2 可正常穩(wěn)定工作的范圍內(nèi)。電機M1、M2 均帶有編碼器，可實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流、電壓和溫度的自測。溫度傳感器用來實時測量變速器的油溫。電機冷卻方式為水冷，組裝合適功率的水泵后即可實現(xiàn)電機快速冷卻。

根據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 568.1 -2011 的要求，1 ～4 擋通過M1 將轉(zhuǎn)速分別控制在4 000 r/min 和6 000 r/min 以下，對應(yīng)的扭矩通過M2 控制發(fā)動機最大扭矩，各轉(zhuǎn)速持續(xù)時間不小于30 min。5 擋輸入轉(zhuǎn)速在4 000 r/min 時控制發(fā)動機的扭矩最大。倒擋輸入轉(zhuǎn)速在3 000 r/min 時控制發(fā)動機的扭矩最大。每一擋位的測試，應(yīng)將變速器油溫控制在90 ～110 ℃之間。

2 試驗臺架重要部件選型

驅(qū)動/負(fù)載電機、傳感器、齒輪箱和數(shù)據(jù)采集卡的選型對整個測試臺架的穩(wěn)定性、測量速度、擴展性、制造成本，以及運行安全有決定性的影響，并且這些部件的性能與參數(shù)應(yīng)該與微型客車廠家提供的B12 MCE 型發(fā)動機和N109 型變速器的性能相互匹配，其中，N109 型變速器適用于某微型商用車，是一款微型高轉(zhuǎn)速變速器。N109 型變速器各擋傳動比如表1 所示［5］。

表1 N109 變速器各擋傳動比

2.1 電機選型

電機選型采用SIZER 軟件，所選驅(qū)動電機型號為西門子1PH8186 -1DI20 -lIAl，負(fù)載電機型號為西門子1PH8288 -1DB20 -1BB1，電機參數(shù)如表2 所示。

表2 電機參數(shù)表

2.2 齒輪箱選型

為了滿足試驗臺架的要求，輸入端最大設(shè)計轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于1 500 N·m，最大設(shè)計轉(zhuǎn)速應(yīng)大于7 000 r/min，以保證有一定的過載能力。從齒輪箱結(jié)構(gòu)來看，必須保證油壓在0.1 ～0.3 MPa 之間，尤其是在高轉(zhuǎn)速下，不能出現(xiàn)漏油等現(xiàn)象。冷卻系統(tǒng)需將油溫控制在110 ℃以下。

2.3 傳感器選型

扭矩傳感器是高轉(zhuǎn)速試驗臺架的核心組成部分之一，對測量精度、響應(yīng)速度和過載能力都有較高的要求。

T40 系列扭矩傳感器是一種結(jié)構(gòu)獨特、響應(yīng)頻率快、測量精度高的新型非接觸式傳感器。主要由轉(zhuǎn)子和定子組成。該傳感器擁有200%的過載能力及±0.1 N·m 的測量精度，最高轉(zhuǎn)速可達到12 000 r/min，完全滿足臺架的使用要求［6］。T40 轉(zhuǎn)矩傳感器各項技術(shù)參數(shù)如表3 所示。

表3 轉(zhuǎn)矩傳感器技術(shù)參數(shù)表

2.4 數(shù)據(jù)采集卡選型

為配合VS2005 軟件開發(fā)平臺及滿足高轉(zhuǎn)速試驗臺架的設(shè)計要求，采用由美國國家儀器有限公司(簡稱NI)開發(fā)的NI PXI -6221 數(shù)據(jù)采集板卡。該板卡采集具有采樣高速性、采樣穩(wěn)定性、測量精度高、價格低廉和抗干擾能力強等特點，并且自帶16 個模擬量輸入通道，兩個模擬量輸出通道和兩個數(shù)字量輸入端口。可以充分滿足使用要求，與VS2005 軟件平臺有較好的兼容性，便于使用C+ +語言進行上位機測控軟件的開發(fā)。

3 基于工業(yè)以太網(wǎng)通信的測控系統(tǒng)設(shè)計

機械式變速器高轉(zhuǎn)速試驗臺模擬了變速器在極端工況下的工作情況，如工作在環(huán)境復(fù)雜、干擾源較多的工業(yè)現(xiàn)場或技術(shù)中心實驗室，因此要求整個測控系統(tǒng)可靠穩(wěn)定。由于該臺架用于長時間、高轉(zhuǎn)速的測試，對抗干擾性的要求不是很高。同時，系統(tǒng)需要對試驗過程中的多種物理量進行采集，實現(xiàn)對臺架工作過程的實時監(jiān)控。

工業(yè)以太網(wǎng)(industrial ethernet，IE)是一種能與IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)兼容的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。其優(yōu)點在于傳輸速度快(10 MB/s 的IE 傳送1 500 字節(jié)需要時間不大于1.2 ms)，兼容性好且全雙工通信。由于以前的工業(yè)以太網(wǎng)的通信延遲不確定且抗干擾能力較差，很少被用于工業(yè)自動化控制領(lǐng)域。但隨著材料科學(xué)的應(yīng)用和通信技術(shù)的發(fā)展，如分散結(jié)構(gòu)化設(shè)計、EMC 設(shè)計、冗余、自診斷等技術(shù)，其性能得到顯著提高，得到了越來越廣泛地應(yīng)用。

VS2005 被廣泛應(yīng)用于可視化虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境，利用高級語言C+ +開發(fā)的軟件具有靈活性高、兼容性好、開發(fā)成本低等特點。因此，系統(tǒng)基于以太網(wǎng)通信的測控結(jié)構(gòu)，利用VS2005 開發(fā)上位機程序。

3.1 測控系統(tǒng)硬件組成

與高轉(zhuǎn)速試驗臺架相匹配的測控系統(tǒng)硬件主要由研華工控機、PLC S7 -300 和傳感器3 個部分組成。需要完成整個試驗臺啟停、運轉(zhuǎn)、急停、復(fù)位等自動控制，以及采集、傳輸、顯示、儲存各類傳感器信號的功能，實現(xiàn)各硬件之間的通信。測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

NI PXI -6221 數(shù)據(jù)采集卡裝于工控機中，主要負(fù)責(zé)模擬量信號輸入(AI)和數(shù)字量信號輸出(DO)。AI 主要讀取負(fù)載電機的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩、驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩和變速器油溫信號。DO 主要輸出S120 的電源和齒輪箱油泵的兩個開關(guān)信號。

自帶微處理器的CP1613 網(wǎng)卡，通過工業(yè)以太網(wǎng)與PLC S7-300 的以太網(wǎng)通信模塊CP343-1 相連。上位機的控制字通過工業(yè)以太網(wǎng)，經(jīng)過網(wǎng)卡CP1613 和CP343-1 發(fā)送給整理單元和逆變單元并返回狀態(tài)字。

3.2 電機控制

電機控制單元S120 分為整流單元和逆變單元兩部分，根據(jù)對應(yīng)的報文結(jié)構(gòu)發(fā)送控制字并返回狀態(tài)字。整流單元發(fā)送控制字報文2447 -E_STW1，用于控制逆變器啟停，接收狀態(tài)字報文2457 -E_ZSW1，實現(xiàn)報警和故障判斷。逆變單元選用Standard telegram 1 PZD2/2，用于讀取電機的實際轉(zhuǎn)速、實際轉(zhuǎn)矩、輸出電流、輸出電壓等參數(shù)，其控制字1 報文為2425 -STW1_BM，控制字2 報文為2426 -STW2_B，其狀態(tài)字1 為2428 -ZSW1_BM，狀態(tài)字2 為2429 -ZSW2_BM。

高轉(zhuǎn)速的變速器試驗要求升速、降速、升扭和降扭的變化率不能太快，否則電機產(chǎn)生的沖擊載荷會對齒輪軸承等造成沖擊，甚至破壞試件。此外，考慮到變速器的傳動比變化范圍較大(5 擋傳動比為0.808)，客戶根據(jù)自己實際要求設(shè)定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化速率是不切實際的，因此，筆者設(shè)計的測控系統(tǒng)根據(jù)不同的擋位將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化率設(shè)定為一個合理的固定值，在上位機軟件中編寫合適的斜坡函數(shù)，以使臺架安全穩(wěn)定運行。

3.3 S7 -300 與上位機通信

PLC 與上位機的通信需要采用SimaticNET 軟件，通過S7 協(xié)議進行通信。為了解決VS2005 平臺與PLC S7 -300 的通信問題，需要使用SIEMENS公司提供的OPC.SimaticNET。

OPC 是基于COM 組件開發(fā)的面向?qū)ο蟮脑谶^程控制方面的應(yīng)用軟件，采用Server/Customer模式，將底層代碼封裝，只向客戶提供外部接口?？蛻艨梢酝ㄟ^QueryInterface()函數(shù)查詢接口名稱或通過CLSID 得到接口指針，實現(xiàn)相應(yīng)功能。Microsoft 公司開發(fā)該項應(yīng)用的目的在于為工業(yè)自動化軟件開發(fā)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。OPC. SimaticNET為客戶提供多個OPCServer 數(shù)據(jù)接口，方便客戶開發(fā)上位機客戶程序。

PC 站OPCServer 的組態(tài)方法如下：首先設(shè)置網(wǎng)卡CP1613，在SimaticNET 軟件中使用Configuration Console 配置工具，設(shè)置Configured mode 的索引號為“3”。將訪問點設(shè)置為“S7 ONLINE”和“PC internal(local)”。組態(tài)PC 在STEP7 中添加名稱為“SIMATIC PC STATION(1)”的PC 站。硬件組態(tài)里添加“OPC Server”，槽號和網(wǎng)卡的索引號保持一致。在CPU 中定義DB 塊，一個DB 塊對應(yīng)報文的一個字，其對應(yīng)關(guān)系如表4 所示。

在NetPro 下載組態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接建立連接S7_Connection_1，將PC 站下載至PC，即可通過OPCServer 訪問PLC 站的數(shù)據(jù)。利用m_pIOPCServer-＞AddGroup()添加相應(yīng)的組并輸出組的句柄。m_pIOPCItemMgt- ＞AddItem()將定義的OPCItem加入組中。m_pIOPCItemMgt - ＞QueryInterface()得到組對象接口m_pIOPCAsyncIO2。以上為初始化過程，初始化無誤后，使用m_pIOPCAsyncIO2 -＞W(wǎng)rite 對OPC 進行寫操作，使用m_pIOPCAsyncIO2 - ＞Read 對OPC 進行讀操作。利用COPCDataCallback 類中的OnDataChange()和OnRead-Complete()實現(xiàn)客戶端和服務(wù)端的數(shù)據(jù)交換消息響應(yīng)。

表4 參量、DB 塊與報文對應(yīng)表

3.4 上位機軟件設(shè)計

試驗測試系統(tǒng)采用VS2005 軟件平臺下的C+ +語言編寫控制程序。底層控制程序完成模擬量的采集、處理、可視化、保存、數(shù)字量輸出、系統(tǒng)保護和電機控制7 個功能。人機交互界面上有實時數(shù)據(jù)變化、實時數(shù)據(jù)曲線、系統(tǒng)狀態(tài)提示、各項功能按鍵、當(dāng)前操作者姓名及登錄時間、擋位選擇等。人機交互界面如圖3 所示。

采用VC+ +軟件編寫底層程序，程序執(zhí)行效率高，設(shè)計靈活，在多線程、網(wǎng)絡(luò)通信、分布應(yīng)用方面有較大優(yōu)勢［7］。測試時，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、負(fù)載電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、變速器溫度等5 個模擬量通過NI PXI-6221 數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為0 ～10 V 的電壓值，經(jīng)過VS2005 編寫的采集程序讀取相應(yīng)的數(shù)字量經(jīng)數(shù)據(jù)處理并可視化。根據(jù)計算機的處理速度，為得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，設(shè)置數(shù)據(jù)采樣周期為100 ms。以3 擋為例，程序流程如圖4 所示。

圖3 人機交互界面

圖4 程序流程圖

3.5 測試系統(tǒng)運行結(jié)果評價

對經(jīng)過高轉(zhuǎn)速試驗的變速器的評價分為直接觀察評價和拆解觀察評價兩部分。

(1)直接觀察評價應(yīng)有以下幾點：①直接觀察被測變速器在高轉(zhuǎn)速試驗下是否出現(xiàn)異響、震動、干涉等異?，F(xiàn)象;②高轉(zhuǎn)速試驗結(jié)束后，觀察被測變速器有無滲油、漏油現(xiàn)象。

(2)拆解觀察評價應(yīng)有以下幾點：①各連接處是否松動;②同步器摩擦面是否出現(xiàn)異常磨損情況;③各擋齒輪嚙合面磨痕是否均勻，有無異常磨損;④各處軸承有無燒蝕、發(fā)黑、異常磨損、破壞等異常現(xiàn)象;⑤各個嚙合齒的齒側(cè)間隙是否在允許范圍內(nèi);⑥各擋齒輪的軸向間隙是否在允許范圍內(nèi);⑦各同步器的后備行程是否在允許范圍內(nèi);⑧各關(guān)鍵零件有無裂紋、剝落、斷裂［8］。

若經(jīng)過高轉(zhuǎn)速試驗的變速器沒有出現(xiàn)以上現(xiàn)象或者在可接受范圍內(nèi)，則視被測變速器為合格。

4 結(jié)論

該機械式變速器高轉(zhuǎn)速試驗臺結(jié)構(gòu)簡單，使用西門子高轉(zhuǎn)速電機驅(qū)動，最高轉(zhuǎn)速達到6 500 r/min，轉(zhuǎn)速控制精度達到±5 r/min，轉(zhuǎn)矩控制精度達到±1 N·m。測控系統(tǒng)實現(xiàn)了變速器試驗轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確控制，大大提高了試驗效率，并能實現(xiàn)自動采集、處理、顯示特征數(shù)據(jù)，功能齊全，達到了設(shè)計要求。同時，該臺架擴展性較好，可通過修改底層控制程序或加裝部分機械組件實現(xiàn)變速器效率試驗、溫升試驗和耐久試驗。

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