分動器性能測控試驗系統(tǒng)設計

王韋韋，陳黎卿，胡芳，單銳，宋宇

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學工學院，安徽合肥230036；2.合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽合肥230009）

分動器性能測控試驗系統(tǒng)設計

王韋韋1，陳黎卿1，胡芳2，單銳1，宋宇1

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學工學院，安徽合肥230036；2.合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽合肥230009）

設計了一套分動器綜合性能試驗臺的機械系統(tǒng)及測控系統(tǒng)。利用2臺直流負載電機來模擬車輪路面負載和慣性負載，以實現(xiàn)四驅(qū)車型分動器的不同使用工況。試驗臺采用工控機作為上位機，PLC作為下位機，以Lab?view為軟件開發(fā)平臺設計了檢測與控制系統(tǒng)。加載測試表明分動器傳動效率為89.823%～90.986%，驗證了分動器性能測控試驗臺的可靠性與穩(wěn)定性。

分動器；測控系統(tǒng)；試驗臺；設計

分動器是四驅(qū)汽車實現(xiàn)軸間扭矩分配的關鍵部件，其將變速器輸出的動力分配給前后驅(qū)動橋。圍繞分動器設計以及性能測試研究，國內(nèi)外學者進行了一系列的探索研究。C.Q.Liu和Georgi Hen?ton等基于四驅(qū)車輛試驗臺開展了兩驅(qū)和四驅(qū)狀態(tài)下分動器NVH噪聲測試與研究［1］；Michael Kirk和Syed M.Ilyas等開發(fā)了分動器扭矩傳動效率測試程序［2］；胡建軍等開展了ATM離合器綜合性能試驗臺設計開發(fā)與試驗研究［3］；章德平等研制及測試驅(qū)動橋傳動效率試驗臺［4-5］；陳黎卿在分動器的有限元分析以及動力分配等方面開展了研究［6］。

通過對現(xiàn)有國內(nèi)外諸多學者研究成果分析可以得知：眾多學者在分動器的結(jié)構(gòu)設計、有限元分析、動力分配等方面開展了大量的研究，但是針對分動器的試驗方面探索不多，尚需要進一步的研究。本文中以分動器為對象，設計開發(fā)了一套適用于不同類型分動器的試驗設備，并開發(fā)了分動器性能測試軟件。

1　系統(tǒng)總體方案設計

1.1分動器試驗臺的構(gòu)成

分動器試驗臺主要由變頻電機驅(qū)動系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、負載電機加載系統(tǒng)、檢測傳感系統(tǒng)等模塊組成，機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　分動器試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖

交流變頻驅(qū)動電機作為動力輸入端，經(jīng)傳動軸后接入變速器從而實現(xiàn)增加扭矩，然后傳入分動器，再由分動器輸出到負載電機；在變速箱輸出軸與分動器輸入端之間安裝1個在線扭矩傳感器，在分動器前后輸出端與負載電機之間各安裝1個在線扭矩傳感器，在分動器殼體潤滑油入口處安裝溫度傳感器。為了盡可能模擬真實車輛情況，在分動器輸出端與負載電機之間各增加1個機械慣性飛輪來模擬整車質(zhì)量，維持臺架系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定，避免負載加速阻力矩的計算。

1.2工作原理

根據(jù)試驗臺功能要求，參照國家汽車行業(yè)標準［7］，設計一個通用性較強的四驅(qū)汽車動力傳動系統(tǒng)測試試驗臺，使其既能滿足智能控制總體方案的設計要求，也能夠?qū)崿F(xiàn)在短時間內(nèi)以盡量小的改動即適應不同類型分動器性能測試的需求。該測試試驗臺可實現(xiàn)以下功能：1）能夠模擬傳動系統(tǒng)不同工況下轉(zhuǎn)速和慣性負載，同時能夠進行分動器傳動效率、潤滑試驗、疲勞壽命、靜扭矩強度等性能的試驗；2）能夠?qū)λ尿?qū)汽車整個動力傳動系統(tǒng)動力總成測試試驗，對分動器輸入、輸出扭矩進行檢測，為總成參數(shù)匹配的優(yōu)化提高依據(jù)。3）能夠進行智能分動器扭矩分配總成控制系統(tǒng)調(diào)試和標定，對提出控制策略和控制算法進行驗證。

2　試驗臺測控系統(tǒng)設計

2.1測控系統(tǒng)硬件設計

本實驗臺測控系統(tǒng)I/O點數(shù)較多，控制現(xiàn)場數(shù)據(jù)量大，控制過程相對復雜，僅僅采用工控機和采集卡難以完成整個試驗臺的動作控制：而PLC可以解決數(shù)據(jù)采集卡在控制過程中的不足。因此，試驗臺測控系統(tǒng)采用NI工控機作為上位機、西門子S7-200型PLC作為下位機，上、下位機通過串口通信，實現(xiàn)對系統(tǒng)的動作控制、現(xiàn)場監(jiān)測與信號處理。分動器測控系統(tǒng)（圖2）能夠?qū)崿F(xiàn)分動器運行中不同轉(zhuǎn)速、扭矩、傳動效率和潤滑油品質(zhì)等參數(shù)的實時測量，并反饋調(diào)節(jié)與控制。

圖2　測控系統(tǒng)原理框圖

工控機作為信號處理中心，用于提供良好的人機界面，實現(xiàn)輸入和存儲分動器的信息，編寫、存儲和運行試驗程序。PLC的功能是對試驗臺的驅(qū)動電機、加載機電進行控制。NI-PXI采集卡對傳感器信號實時采集，包括PXI-1036機箱、PXI-8102控制器和外接模塊采集卡PXI-6122主從式結(jié)構(gòu)。各相關硬件參數(shù)如表1所示。

2.2測控系統(tǒng)軟件設計

Labview擁有強大的數(shù)據(jù)運算能力和數(shù)據(jù)分析能力對采集的數(shù)據(jù)進行相應的處理［8-9］，同時將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。通過Labview與PLC之間的串口通信，實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時檢測及控制。

2.2.1ICP與PLC的通信

ICP與PLC之間串行通信采用的是西門子PLC與PC機通信的自由通信協(xié)議。上位機采用Labview軟件與S7-200PLC進行串口通信。系統(tǒng)將變頻器、西門子直流調(diào)速器的轉(zhuǎn)速控制可以通過上位機對PLC操縱發(fā)送模擬信號，實現(xiàn)試驗臺驅(qū)動電機和加載電機的轉(zhuǎn)速控制。Labview編程語言中串口通信采用VISA標準編程。Labview與PLC通信部分程序如圖3所示。

表1　硬件型號及參數(shù)

圖3　Labview與PLC通信部分程序

2.2.2人機界面

試驗臺性能測控系統(tǒng)軟件基于Labview開發(fā)，軟件功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。人機交互界面使用Labview中項目管理器（Project Explorer）完成對多個VI文件、項目文件、支持文件、外部代碼和硬件配置等組建的項目庫（Project Library），其中項目庫中所有的子VI程序基于NI平臺——圖形化編程語言Labview開發(fā)的，軟件面向用戶使用設計，不僅要有控制信號的輸出、數(shù)據(jù)采集、顯示、的查詢、備份、報告及基本設置、系統(tǒng)維護等附加功能［10-11］。輸出控制信號有4個，“油門”信號、剎車信號、正反轉(zhuǎn)信號和限速信號。其中驅(qū)動電機的負載直流電機“油門”信號為-5～+5 V模擬電壓信號，其他信號為+5 V高低電平。根據(jù)控制需要，可將“油門”控制分為手動控制、遠程控制和瞬間啟動3種模式。圖5為數(shù)據(jù)采集程序框圖，圖6為在線控制與實時采集主界面。

圖4　測試軟件結(jié)構(gòu)

圖5　數(shù)據(jù)采集部分程序

圖6　在線控制與實時采集主界面

2.2.3數(shù)據(jù)庫鏈接

測控程序數(shù)據(jù)庫采用SQL Server，SQL是基于Windows的桌面關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，適合大容量數(shù)據(jù)庫應用分析。其中Labview編程語言中數(shù)據(jù)庫連接工具包（Database Connectivity Toolset）很好的實現(xiàn)了與SQL Server數(shù)據(jù)庫的鏈接［12-13］。測控系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)的訪問，有效地實現(xiàn)了對測試數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用，以及對用戶信息的的管理和維護。圖7為數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫程序。

圖7　數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫程序

3　試驗驗證

為了驗證四驅(qū)汽車分動器試驗臺的可靠性與穩(wěn)定性，按照國家標準的機械式分動器的傳動效率試驗方法［7］，選用了一款適時四驅(qū)車型分動器作為試驗對象，分動器輸入轉(zhuǎn)速取50r·min-1、75r·min-1、100r·min-1、150r·min-1、200r·min-1等5種速度；輸出轉(zhuǎn)矩取變速箱輸出扭矩，即設定1擋、2擋、3擋、4擋、直接擋，分別將不同輸入轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩組合，組合成25種工況進行試驗。采用該性能測試試驗臺及配套的測試系統(tǒng)進行可靠性驗證試驗，試驗臺實物如圖8所示。

試驗表明：由表2可知，分動器前、后輸出軸負載分別為88 N·m、36 N·m，輸入端轉(zhuǎn)速為50～200 r·min-1范圍內(nèi)，增加分動器工作轉(zhuǎn)速和分動器的輸入、輸出功率相應增加，但分動器傳動效率由90.153%逐漸降低到89.823%，效率下降了0.33，得知分動器扭矩分配比例為7∶3，該款分動器隨工作轉(zhuǎn)速增加，內(nèi)部傳動軸和傳動鏈輪等旋轉(zhuǎn)部件的攪油損失和軸承摩擦損失增大，導致分動器扭矩分配損失增大、傳動效率下降。由表3可知，當分動器輸入軸穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為200 r·min-1，不斷變化分動器前、后輸出軸負載，當增加分動器前輸出軸負載，傳動效率提高至90.986%。分析得出，當轉(zhuǎn)速不變時，輸出前端的負載扭矩降低，分動器內(nèi)部的多片式離合器干濕片摩擦功率損失降低，同時傳動鏈輪接觸面之間形成穩(wěn)定的潤滑油膜，鏈輪與齒輪嚙合傳動的摩擦損失降低。

表2　負載不變改變輸入轉(zhuǎn)速時分動器傳動效率試驗數(shù)據(jù)

表3　轉(zhuǎn)速不變負載改變時分動器傳動效率試驗數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

設計了四驅(qū)汽車分動器試驗臺，開發(fā)了試驗臺的測控系統(tǒng)；以某款分動器為研究對象，測試了分動器傳動效率性能，驗證了試驗臺的測控功能。

［1］C Q Liu，Georgi Henton，Jeff Orzechowski.Brooke Bow?en.Diwaker Reddy.Measurement of Transfer Case Imbal?ance［J］.SAE International，2005，15（5）：16-19.

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Design of Testing and Controlling System of Transfer Case Performance

Wang Weiwei1，Chen Liqing1，Hu Fang2，Shan Rui1，Song Yu1
（1.School of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China；2.School of Mechanical and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

A set of mechanical system and control system was designed for the transfer case performance test bed.To realize the indifferent operatingco nditions of the 4WD vehicle transfer case，the load of theve?hicle wheel subject to the actual road and inertia was simulated by the two DC load motors.The detection and control system of the test bed was designed by using industrial computer as host computer，using PLC as slave computer，based on the Labview platform.The load test shows the transmission efficiency value of the test is between 89.823%～90.986%，the system developed and used in a real transfer case performance test is reliable and stable.

transfer case；testing and controlling system；test bed；design

U463.215

A

1008-5483（2016）02-0008-05

10.3969/j.issn.1008-5483.2016.02.003

2016-04-12

國家自然基金項目（51305004）；安徽省教育廳自然科學研究重點項目（KJ2013A107）

王韋韋（1989-），男，安徽宣城人，碩士生，從事軟件編程及汽車測試方面的研究。E-mail：728996338@qq.com

陳黎卿（1979-），男，安徽合肥人，教授，碩士生導師，從事車輛動力學及其控制研究。E-mail：clq79111@126.com