基于PLC的變速箱同步器性能試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

程曉龍， 姜濤

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130000）

0 引言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，汽車(chē)已成為人們生活中不可或缺的硬件設(shè)施，汽車(chē)工業(yè)得到迅速的發(fā)展。但隨之而來(lái)的汽車(chē)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越激烈，為了提高汽車(chē)的質(zhì)量和競(jìng)爭(zhēng)力，勢(shì)必對(duì)汽車(chē)的總成和各個(gè)重要的零部件提出更高、更嚴(yán)格的要求。

變速器是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要器件，而同步器是變速器中不可或缺的一個(gè)部件。同步器可以使不同擋位兩待嚙合部件在嚙合前達(dá)到速度一致，有效地避免了換擋時(shí)產(chǎn)生齒間沖擊和噪聲，減小換擋力和換擋位移，使換擋過(guò)程平穩(wěn)、可靠。同步器的性能好壞決定了變速器換擋性能高低，同時(shí)也制約著變速箱使用壽命。因此針對(duì)同步器的性能及耐久性測(cè)試有著重要的意義。通過(guò)本文介紹的試驗(yàn)臺(tái)，可測(cè)試變速箱同步器在換擋過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)同步器性能進(jìn)行評(píng)估。

1 試驗(yàn)臺(tái)性能要求

根據(jù)QC-T568-1999《汽車(chē)機(jī)械式變速器臺(tái)架試驗(yàn)方法》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求在試驗(yàn)過(guò)程中，變速器輸出軸輸入轉(zhuǎn)速按如下確定：

式中：Ka為轉(zhuǎn)速系數(shù)，按表1確定；nN為匹配發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)轉(zhuǎn)速；i為兩擋位之間低轉(zhuǎn)速比。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需測(cè)量換擋力、同步扭矩、同步轉(zhuǎn)速、同步時(shí)間、齒套軸向位移、同步器換擋次數(shù)等參數(shù)，并監(jiān)測(cè)測(cè)量參數(shù)。換擋頻率為10次/min。試驗(yàn)直至同步器出現(xiàn)失效（出現(xiàn)同步失效或連續(xù)5次出現(xiàn)換擋撞擊聲）或達(dá)到規(guī)定的換擋次數(shù)時(shí)停止試驗(yàn)，記錄換擋次數(shù)或試驗(yàn)時(shí)間。

表1 轉(zhuǎn)速系數(shù)

試驗(yàn)臺(tái)的的具體功能要求如下：

1）變速箱測(cè)試功能。對(duì)變速箱加載、換擋性能、效率、疲勞壽命等的測(cè)試。

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示功能。要求顯示轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、溫度、力等參數(shù)，并生成相應(yīng)的性能曲線，同時(shí)顯示實(shí)時(shí)擋位情況，此外要求有故障提示和報(bào)警功能。

3）控制功能。在試驗(yàn)過(guò)程中可以對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行控制調(diào)整。試驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行多種型號(hào)產(chǎn)品的試驗(yàn)。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異?；蚱渌o急情況時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該具有保護(hù)功能。

4）數(shù)據(jù)采集、處理功能。對(duì)所有傳感器信號(hào)的采集及處理，A/D和D/A的處理，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析。

2 性能參數(shù)測(cè)量

2.1 同步次數(shù)測(cè)量

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，變速箱操縱桿通過(guò)氣缸以及伺服直線電機(jī)完成換控制。通過(guò)磁性傳感器檢測(cè)氣缸動(dòng)作情況，當(dāng)檢測(cè)到傳感器上升沿變化信號(hào)，PLC計(jì)數(shù)器加1，依次累加，并將實(shí)時(shí)結(jié)果通過(guò)觸摸控制屏顯示，PLC根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷實(shí)驗(yàn)是否結(jié)束。

圖1 擋位示意圖

換擋過(guò)程包括直線換擋和曲線換擋兩種情況。直線換擋指從擋位1換至擋位2、擋位3換至擋位4、擋位5換至擋位6，曲線換擋指擋位2換至擋位3、擋位4換至擋位5。

2.2 同步轉(zhuǎn)矩測(cè)量

為了測(cè)量變速箱在同步過(guò)程中，輸入、輸出軸的轉(zhuǎn)矩，在變速器的輸入、輸出軸安裝JLND動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，記錄變速箱輸出、輸入軸同步時(shí)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。JLND動(dòng)態(tài)扭矩傳感器是一種測(cè)量各種扭矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率的精密測(cè)量?jī)x器。輸出信號(hào)可根據(jù)需要制成電壓模擬信號(hào)輸出或電流模擬信號(hào)，扭矩傳感器輸出的頻率信號(hào)送到頻率計(jì)或數(shù)字表，直接讀取與扭矩成正比的頻率信號(hào)或電壓、電流信號(hào)。扭矩傳感器的扭矩與頻率信號(hào)送給單片機(jī)二次儀表，直接顯示實(shí)時(shí)扭矩值、轉(zhuǎn)速及輸出功率值及RS232通訊信號(hào)。直接將扭矩與轉(zhuǎn)速的頻率信號(hào)送給PLC進(jìn)行處理。

2.3 同步時(shí)間測(cè)量

換擋時(shí)間作為衡量變速箱換擋性能的主要指標(biāo)之一，換擋所需時(shí)間越少，換擋性能越好。換擋同步時(shí)間即從換擋開(kāi)始，至變速器的輸出、輸入轉(zhuǎn)速達(dá)到一致所用的時(shí)間。換擋時(shí)間包括：離合器脫離時(shí)間、退擋時(shí)間、選擋時(shí)間、掛擋時(shí)間、離合器接合時(shí)間。通過(guò)變速箱輸出、出入端的轉(zhuǎn)速傳感器，分別檢測(cè)輸出軸、輸入軸的轉(zhuǎn)速。當(dāng)檢測(cè)到換擋開(kāi)始信號(hào)，PLC開(kāi)始計(jì)時(shí)，并監(jiān)控輸入軸與輸出軸的轉(zhuǎn)速差，當(dāng)轉(zhuǎn)速差為零時(shí)，變速箱同步器的輸出軸與輸入軸轉(zhuǎn)速達(dá)到一致，PLC結(jié)束計(jì)時(shí)，儲(chǔ)存測(cè)量結(jié)果。

2.4 同步位移測(cè)量

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的要求，需要測(cè)量齒套軸向位移。磁致伸縮位移傳感器具有精度較高、性能穩(wěn)定、現(xiàn)行范圍大、輸出大、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，磁致伸縮位移傳感器通過(guò)內(nèi)部非接觸式的測(cè)控技術(shù)精確地檢測(cè)活動(dòng)磁環(huán)的絕對(duì)位置來(lái)測(cè)量被檢測(cè)產(chǎn)品的實(shí)際位移值的。利用磁致伸縮位移傳感器測(cè)量換擋過(guò)程中換擋桿的位移，再根據(jù)換擋桿長(zhǎng)度比，換算出換擋過(guò)程軸套位移量。

3 試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)變速箱的實(shí)際工況，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要分成以下幾部分：PC主機(jī)、試驗(yàn)設(shè)備、電氣設(shè)備。

3.2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)主要包括：直流電機(jī)、扭矩傳感器、力傳感器、位移傳感器、慣性飛輪、換擋機(jī)械手等，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

由于在汽車(chē)換擋過(guò)程中，離合器從動(dòng)輪盤(pán)與動(dòng)力源斷開(kāi)，離合器從動(dòng)輪盤(pán)在自身的慣性作用下帶動(dòng)變速器輸入軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸在汽車(chē)自身的慣性作用下繼續(xù)高速轉(zhuǎn)動(dòng)。為了保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)際工作情況相符，要求變速器輸入軸上安裝所匹配的離合器從動(dòng)盤(pán)總成做為同步部分的慣量，輸出軸安裝與汽車(chē)自身慣性相符的等效慣量。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)變速箱輸出端，模擬汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際轉(zhuǎn)速。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 換擋機(jī)構(gòu)

由于變速箱在換擋過(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)X、Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，因此，換擋機(jī)構(gòu)采用直線伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)Y方向的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)PLC控制，使直線電機(jī)定位與不同的擋位點(diǎn)。利用雙氣缸實(shí)現(xiàn)上下?lián)跷?，以及空擋之間的切換。當(dāng)雙氣缸同時(shí)處于回程狀態(tài)時(shí)，換擋桿處于上擋位；當(dāng)氣缸1處于回程狀態(tài)，氣缸2處于滿行程時(shí)，換擋桿處于空擋位置；當(dāng)氣缸1、2均處于滿行程狀態(tài)時(shí)，換擋桿處于下檔位狀態(tài)。本試驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)的變速箱進(jìn)行性能測(cè)試，因此換擋機(jī)構(gòu)必須便于換型，對(duì)換擋桿的夾持部分采用垂直氣缸控制，當(dāng)變速箱在試驗(yàn)臺(tái)就位后垂直氣缸下降夾緊變速桿，試驗(yàn)結(jié)束后升起夾緊桿。換擋機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 換擋機(jī)構(gòu)示意圖

4 電慣量模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 車(chē)輛等效慣量分析

為了在試驗(yàn)臺(tái)上準(zhǔn)確模擬變速箱實(shí)際工況，必須掌握車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的相關(guān)參數(shù)。文獻(xiàn)［8］中詳細(xì)介紹了汽車(chē)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算方法：

式中：G為總傳動(dòng)比；R為車(chē)輪半徑；m為汽車(chē)質(zhì)量。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)Pro-face觸摸控制屏中輸入試驗(yàn)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)動(dòng)比、汽車(chē)質(zhì)量、車(chē)輪半徑等參數(shù)，PLC根據(jù)式（2）計(jì)算出該種型號(hào)產(chǎn)品的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

4.2 電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力特性

對(duì)于直流伺服電機(jī)，電壓平衡方程為

式中：ia為瞬時(shí)電樞電流；ea為瞬時(shí)電樞反電勢(shì)；ua為瞬時(shí)電樞電壓。

電動(dòng)機(jī)輸出軸總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

式中：JM為電動(dòng)機(jī)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；JLM為電動(dòng)機(jī)軸上的外部轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩TM用以克服隨時(shí)間變化的工作負(fù)載TL（t）及電機(jī)的慣性負(fù)載，即

電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為

反電勢(shì)ea（t）與ω（t）的關(guān)系為

由以上各式得到

對(duì)式（8）取拉普拉斯變換，可得

由式（9）得到電樞電壓控制直流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示。

圖4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖

4.3 電機(jī)系統(tǒng)靜態(tài)特性

在電機(jī)處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，回路電流Ia保持恒定。此時(shí)電壓的平衡方程為

式中：Ua為電樞電壓；Ea為電樞反電動(dòng)勢(shì)；Ia為電樞電流；Ra為電樞回路總電阻。

由于永磁直流電機(jī)的磁通φ不變，其轉(zhuǎn)矩只于電機(jī)轉(zhuǎn)子電流成正比，即

其中：TM為電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；KT為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；CM為與電機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)（KT=CM·φ）。

反電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子角速度成正比，即

式中：KE為反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)；ω為電機(jī)角速度。

以上各式可求得

當(dāng)PLC給定需要輸出的轉(zhuǎn)矩，通過(guò)式（13）可知直流伺服電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速。所以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩的控制，完成對(duì)汽車(chē)慣量的模擬。

5 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī) 、PLC、Proface觸摸控制屏組成。測(cè)量系統(tǒng)包括力測(cè)量系統(tǒng)、扭矩測(cè)量系統(tǒng)、位移測(cè)量系統(tǒng)、電慣量模擬系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了使試驗(yàn)臺(tái)能適用于不同型號(hào)產(chǎn)品，采用通過(guò)觸摸屏添加、更改產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)，記錄實(shí)時(shí)試驗(yàn)狀態(tài)，切換程序運(yùn)行模式（自動(dòng)和手動(dòng)），并可以在手動(dòng)模式下進(jìn)行單步運(yùn)行，便于手動(dòng)調(diào)試。觸摸屏通過(guò)RS232串口與PLC通訊，并上傳相關(guān)產(chǎn)品參數(shù)。PLC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外部開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)，根據(jù)外部信號(hào)變化控制外部硬件設(shè)備動(dòng)作。計(jì)算機(jī)監(jiān)控PLC運(yùn)行狀態(tài)，并記錄所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于變速箱性能的分析。

圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

6 結(jié)語(yǔ)

同步器性能試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)模擬電慣量模擬變速箱實(shí)際工況，控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的控制，能夠按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)完成不同型號(hào)產(chǎn)品的重復(fù)測(cè)試，對(duì)同步器性能自動(dòng)化測(cè)試有重要實(shí)用意義。

［1］ JB/T568-1999 汽車(chē)機(jī)械式變速器臺(tái)架試驗(yàn)方法［S］.

［2］ 孫濤，耿也，舒奎.汽車(chē)變速箱同步器性能試驗(yàn)臺(tái)研制［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2007（10）:92-94.

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