前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器同步器試驗臺設(shè)計

占銳，程華國，李俊，徐康，沈超（國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（襄陽），襄陽441004）

前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器同步器試驗臺設(shè)計

占銳，程華國，李俊，徐康，沈超
（國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（襄陽），襄陽441004）

針對前置前驅(qū)式乘用車機(jī)械式變速器存在同步器試驗項目試驗難度大的難題，設(shè)計了一種前置前驅(qū)式乘用車機(jī)械式變速器同步器試驗臺。試驗臺的創(chuàng)新之處主要在于保證試驗結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了不拆開變速器并不破壞樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)就可完成試驗。通過試驗證明，該試驗臺結(jié)構(gòu)合理、試驗效果好，完全能滿足試驗需求。

前置前驅(qū)；乘用車；機(jī)械式變速器；同步器；試驗臺

占銳

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)車輛工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師，研究方向為總成及零部件試驗技術(shù)、汽車結(jié)構(gòu)疲勞試驗技術(shù)。

1　引 言

目前在我國乘用車市場，雖然配備自動變速器的車輛所占比例正在呈逐年上市趨勢，但是機(jī)械式變速器扔占據(jù)著中國變速器市場最大的份額，自動變速器暫時還無法取代機(jī)械式變速器在中國變速器市場的主流地位［1］。前置前驅(qū)乘用車由于其布置免去了變速器和驅(qū)動橋之間的傳動軸和萬向節(jié)，可以有效降低車身底板高度，有利于提高汽車的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性等優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于微型和中型乘用車上［2］。目前常見的前置前驅(qū)式乘用車機(jī)械式變速器的同步器試驗臺存在測量精度不高或差速器內(nèi)部原有結(jié)構(gòu)等缺點，為滿足前置前驅(qū)式乘用車機(jī)械式變速器同步器的試驗需求，設(shè)計了一套前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器同步器試驗臺。

2　前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器結(jié)構(gòu)

常見前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其包含一根輸入軸和一根輸出軸，其中，主動齒輪均布置于輸入軸上，從動齒輪均布置于輸出軸上，發(fā)動機(jī)動力由輸入軸進(jìn)入齒輪傳動系統(tǒng)，后通過換檔機(jī)構(gòu)與同步器的作用，使動力經(jīng)過輸出軸傳至差速器系統(tǒng)，經(jīng)差速器的半軸齒輪傳至輪胎。從圖1可以看出，前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器與傳統(tǒng)兩軸式變速器的最大區(qū)別在于多了主減速器和差速器，而輸出端1和輸出端2在試驗過程中不能出現(xiàn)差速，否則可能會造成變速器燒傷乃至損壞，因此用普通的適用于兩軸式機(jī)械式變速器同步器試驗臺進(jìn)行乘前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器同步器試驗難度較大。

3　試驗臺總體方案設(shè)計

目前前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器同步器試驗主要采用如下兩種技術(shù)方案：

（1）在變速器的外側(cè)布置一個同步裝置，同步裝置的兩個輸出接口分別采用皮帶輪與變速器的左右輸出端連接，這種方式可以保證變速器兩個輸出端不差速，但由于中間環(huán)節(jié)比較多，同時皮帶輪方式存在具有蓄能作用、間隙等缺點，在換檔沖擊中會影響換檔時間、同步扭矩等參數(shù)的準(zhǔn)確性。

（2）將變速器內(nèi)部的差速器殼體內(nèi)部的半軸齒輪和行星齒輪焊接，左輸出端通過傳動軸與試驗臺驅(qū)動裝置連接，這種方式也可以實現(xiàn)變速器左右輸出不差速，但這一方案對焊接技術(shù)要求高，而且在試驗過程中焊渣容易脫落對變速器造成損傷，焊接強(qiáng)度也沒法保證，同時焊接也破壞了差速器內(nèi)部原有結(jié)構(gòu)，零部件也不能恢復(fù)。

針對于以上兩種方案中的缺點，提出了如下技術(shù)方案：驅(qū)動電機(jī)與機(jī)械慣量飛輪組連接，機(jī)械慣量飛輪組與扭矩傳感器連接，扭矩傳感器通過傳動軸與差速器差速鎖止花鍵軸連接，差速器差速鎖止花鍵軸與前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器右輸出接口連接，前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器安裝在安裝支架上，選檔和換檔機(jī)械手和前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器連接，在前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器第一軸上依次安裝離合器從動盤和轉(zhuǎn)速傳感器。試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖見圖2：

差速器包括差速器半軸齒輪、差速器行星齒輪軸、差速器行星齒輪。差速器差速鎖止花鍵軸與右輸出端的差速器半軸齒輪連接，并穿過差速器行星齒輪軸與左輸出端的差速器半軸齒輪連接，差速器差速鎖止花鍵軸在差速器右輸出方向上與傳動軸連接。變速器內(nèi)部差速器的結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，圖中左邊箭頭為差速器右輸出方向，右邊箭頭為差速器左輸出方向。

差速器差速鎖止花鍵軸的花鍵分別與差速器左輸出端和右輸出端的差速器半軸齒輪連接，差速器差速鎖止花鍵軸的徑向孔剛好能夠錯開差速器行星齒輪軸，差速器差速鎖止花鍵軸上有卡簧槽，卡簧卡在卡簧槽內(nèi)保證加強(qiáng)花鍵塊軸向不竄動，加強(qiáng)花鍵塊能夠承受同步器換檔時產(chǎn)生的同步扭矩，保護(hù)差速器差速鎖止花鍵軸的花鍵端不受破壞。差速器差速鎖止花鍵軸安裝示意圖見圖4：

4　試驗臺系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計

4.1動力電機(jī)選擇

驅(qū)動電機(jī)最常見的是直流電機(jī)和交流電機(jī)［3］，它們的優(yōu)缺點如表1所示：

表1　直流電機(jī)和交流電機(jī)優(yōu)缺點

從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，選擇交流電機(jī)作為動力驅(qū)動裝置，變頻電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩控制，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率控制。為實現(xiàn)調(diào)速，配備了ABB公司的ACS550型變頻器，轉(zhuǎn)速可通過手動調(diào)節(jié)，也可通過試驗臺測控系統(tǒng)自動進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)速系統(tǒng)還具有過電流、過載、過熱、超速、欠壓、接地過熱、短路和冷卻風(fēng)扇等異常保護(hù)及報警功能。

4.2慣量模擬裝置選擇

慣性模擬裝置的主要作用有兩個：其一是使試驗臺盡量模擬汽車行駛的實際工況，它代表整個汽車的轉(zhuǎn)動慣量；其二是降低換檔過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動，使試驗臺平穩(wěn)運行，避免變速器發(fā)生正常試驗以外的損傷。目前主要有三種方式可以實現(xiàn)慣量模擬：純機(jī)械慣量、電慣量和機(jī)電混合慣量［4］，它們的優(yōu)缺點見表2：

表2　慣量模擬裝置優(yōu)缺點

從節(jié)約成本角度考慮，選擇機(jī)純機(jī)械慣量作為慣量模擬裝置，根據(jù)計算［3］機(jī)械慣量飛輪組總慣量為160kg·m2，飛輪數(shù)量為4個，4個飛輪慣量分別為10kg·m2、20kg·m2、50kg·m2、80kg·m2，可以任意組合。

4.3選檔和換檔機(jī)械手選擇

機(jī)械手的驅(qū)動方式主要有三種：氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和伺服電機(jī)［6］，它們的優(yōu)缺點見表3：

表3　機(jī)械手驅(qū)動方式優(yōu)缺點

由于本試驗臺的試驗對象主要是變速器總成，從經(jīng)濟(jì)性、方便性考慮，對比這三種方式的優(yōu)缺點，決定選檔機(jī)械手采用伺服電機(jī)驅(qū)動，通過轉(zhuǎn)速、位置及力矩混合控制，實現(xiàn)選檔位置、選檔速度及選檔力的控制。換檔機(jī)械手采用氣動系統(tǒng)驅(qū)動，通過氣壓、壓縮空氣流量和氣缸位置調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對換檔力、換檔速度的控制。

4.4關(guān)鍵傳感器選擇

關(guān)鍵傳感器主要包括扭矩傳感器、選檔力/換檔力傳感器、位移傳感器等，傳感器的精度對試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響，為了保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，選用了高精度、合適量程的傳感器，具體選型見表4：

表4　關(guān)鍵傳感器選型

4.5控制及測量系統(tǒng)設(shè)計

試驗臺控制系統(tǒng)主要由變頻器、PLC控制板、工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和選檔力等各種傳感器等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示：

所有的傳感器信號、控制信號全部通過光隔與電腦通訊，保證電腦不受外部信號的干擾，系統(tǒng)全部采用卡式儀器即虛擬儀器采集選檔力、換擋力、選檔位移、換檔位移、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)，因而系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且具有高可靠性。在軟件上，為了滿足較高的換檔頻率，直接采用C++編程，把控制與數(shù)據(jù)采集兩項工作分為兩個獨立的線程，以確?？刂婆c數(shù)據(jù)采集的實時性與同步性。

5　試驗臺測試驗證

利用該試驗臺對某廠家的前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器同步器參考試驗標(biāo)準(zhǔn)QC/T 568.1-2011《汽車機(jī)械式變速器臺架試驗方法第1部分：微型》［8］進(jìn)行了同步器性能試驗，實時采集換檔過程中的換檔力、換檔位移、輸入軸轉(zhuǎn)速及同步過程扭矩，1檔換到2檔過程曲線見圖6和圖7，圖6為 1-2檔換檔1檔曲線，圖7為1-2檔換檔2檔曲線，其中L為換檔位移，f為換擋力，n為變速器輸入軸轉(zhuǎn)速，M為同步過程扭矩。該變速器1檔總速比為16.82，2檔總速比為8.91，驅(qū)動電機(jī)給定轉(zhuǎn)速為131r/min，換檔至1檔時變速器輸入軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在131×16.82≈2203r/min附近，換檔至2檔時變速器輸入軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在131×8.91≈1167r/min附近，說明換檔完成時前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器左右輸出沒有差速。

由圖6和圖7可知，采集的數(shù)據(jù)符合理論分析，可以完成前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器同步器性能試驗。

6　結(jié)論

本文設(shè)計了一種前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器同步器試驗臺，詳細(xì)的闡述了試驗臺的總體方案及關(guān)鍵部件設(shè)計，并通過試驗臺測試驗證了該試驗臺可以完成前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器同步器性能試驗，試驗臺的創(chuàng)新之處主要在于保證試驗結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了不拆開變速器并不破壞樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)就可完成試驗，具有較好的應(yīng)用前景。

［1］倪小波.汽車機(jī)械式變速器性能試驗臺設(shè)計與研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

［2］汽車構(gòu)造.陳家瑞（第2版下冊）［M］. 北京 機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］吳俊.汽車變速器換擋試驗臺測控系統(tǒng)研發(fā)［D］.重慶：重慶理工大學(xué)，2014.

［4］李靖.機(jī)械式變速器用同步器同步性能測試試驗臺設(shè)計與研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［5］袁曉晨.商用車變速器同步器性能測試試驗臺研究與設(shè)計［D］.重慶：重慶理工大學(xué)，2015.

［6］張鴻飛.單片機(jī)控制同步器綜合試驗臺研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2013.

［7］王行娟，萬偉，周偉.基于LabVIEW與PLC之間通信接口的設(shè)計［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報（信息與管理工程版），2006（11）：45-47.

［8］Q C/T568-2011.1，汽車機(jī)械式變速器臺架試驗方法第1部分：微型［S］.

專家推薦

鄧祖國：

本文詳細(xì)的闡述了前置前驅(qū)乘用車機(jī)械式變速器同步器試驗臺的總體方案及關(guān)鍵部件設(shè)計，并通過實際測試驗證了該試驗臺試驗結(jié)果準(zhǔn)確性，該試驗設(shè)備在行業(yè)上具有較好的應(yīng)用前景。

Design of Test Bench for FF Mechanical Transmission Synchronizer

ZHAN Rui，CHENG Hua-guo，LI Jun，XU Kang，SHEN Chao
（ National Automobile Quality Supervison And Test Center［Xiangyang］，Xiangyang 441004，China ）

Aimed at the problem of high difficulty of the synchronizer test item for front-engine，front-wheel-drive passenger car mechanical transmission，the test bench for front-engine，front-wheeldrive passenger car mechanical transmission synchronizer is designed. The innovation of the test bench is that the test can be accomplished without opening and checking the transmission on the basis of the accuracy of test result. It was demonstrated by the test that the test bench has reasonable structure，good test effect and can satisfy the test requirements completely.

Front-engine； front-wheel-drive； Passenger car； Mechanical transmission；Synchronizer； Test bench

2016-03-25

U463.2

A

1005-2550（2016）04-0078-05

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.04.014