機(jī)械式變速器換擋性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

王晶晶，張向奎，李文禮

(1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶 406620；2.中國(guó)長(zhǎng)安汽車集團(tuán)股份有限公司重慶青山工業(yè)有限責(zé)任公司，重慶 402776；3.重慶理工大學(xué)汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

隨著我國(guó)汽車保有量的持續(xù)增長(zhǎng)，商家為爭(zhēng)取更大的市場(chǎng)占有率，必須高度重視汽車性能和質(zhì)量，因此需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)一步優(yōu)化和提升。在汽車各零部件中，變速器性能的好壞直接影響其動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操作可靠性及換擋平順性[1]。隨著用戶對(duì)車輛駕駛舒適性要求越來(lái)越高，變速器換擋性能的檢測(cè)是研發(fā)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)換擋性能的考核、評(píng)價(jià)，可以對(duì)變速器出廠質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，降低研發(fā)成本。

1 換擋性能評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于換擋性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般包括換擋時(shí)間、換擋力、換擋行程、力變率、力與行程關(guān)系、拉索效率等。本文參考相關(guān)資料和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出以同步時(shí)間、選換擋力、力與行程的線性關(guān)系、力變率作為機(jī)械式變速器換擋性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1 同步時(shí)間t

同步時(shí)間是體現(xiàn)換擋性能的主要綜合指標(biāo)之一。同步時(shí)間是指變速箱輸入端與輸出端轉(zhuǎn)速差逐步減少并最終達(dá)到轉(zhuǎn)速差為零的這段時(shí)間，從圖1中可以看出，同步時(shí)間開(kāi)始時(shí)刻位于換擋過(guò)程中換擋位移的斜率突然減小的時(shí)刻，結(jié)束的時(shí)刻位于換擋過(guò)程中換擋位移的斜率突然增大的時(shí)刻[2]。

換擋時(shí)間從換擋位移開(kāi)始變化，也就是換擋操縱桿開(kāi)始移動(dòng)，到換擋位移不再變化，即已換入目標(biāo)檔位。換擋過(guò)程中使用最小的換擋力實(shí)現(xiàn)最短的同步時(shí)間可以提升駕駛員的換擋舒適度，因此選擇同步時(shí)間作為舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2 最大換擋力Fmax

最大換擋力是對(duì)換擋性能評(píng)價(jià)過(guò)程中最直接的性能指標(biāo)。從人體的主觀感受上來(lái)說(shuō)，操縱力值越小越好，但如果操縱力值過(guò)小，在換擋操作時(shí)人體就不能通過(guò)力來(lái)感知換擋操作的實(shí)時(shí)狀態(tài)，反而會(huì)影響換擋舒適性。因此在換擋操作的過(guò)程中，操縱力與最佳力值范圍的差值不能太大[3-4]。

1.3 同步?jīng)_量I

實(shí)際換擋過(guò)程中，在相同沖量下駕駛員通過(guò)換擋操縱桿施加在同步器上的推力和同步時(shí)間成反比關(guān)系，因此單純用同步時(shí)間和換擋力評(píng)價(jià)換擋性能優(yōu)劣的說(shuō)服力不夠[2]。同步?jīng)_量不隨駕駛員特性變化而變化，是換擋系統(tǒng)所固有的特性，沖量值越小，換擋性能越好。

1.4 力與行程的線性關(guān)系GL

根據(jù)GB/T14775-93操縱器一般人類工效學(xué)要求，為了確保系統(tǒng)輸出的準(zhǔn)確性，人體在操作過(guò)程中，要求操作力與操作行程呈現(xiàn)出線性或近似線性關(guān)系，線性關(guān)系越好，換擋平順性越好，舒適度也越好[2]。

1.5 力變率Gc

力變率表示力隨著時(shí)間的變化程度，即力關(guān)于時(shí)間曲線的斜率。力變率大，力值波動(dòng)就大，對(duì)人體的沖擊就越大，僅從力的大小來(lái)評(píng)價(jià)操作舒適性是不全面的。研究表明，人體在操作過(guò)程中，力變率太大或者太小都不適宜。力變率過(guò)大時(shí)，突變的力會(huì)對(duì)操縱者產(chǎn)生沖擊，影響操作舒適性；當(dāng)力變率為零時(shí)，操縱者舒適性最好，但操縱者無(wú)法根據(jù)力的變化來(lái)分辨操作完成的狀態(tài)，所以力變率不能過(guò)小[5]。

2 換擋性能評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

結(jié)合上文對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)分析，在查閱了相關(guān)資料以及在企業(yè)和專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以關(guān)聯(lián)矩陣法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的計(jì)算，給出各評(píng)價(jià)等級(jí)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。

指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法為[6]：

(l)對(duì)于同一層次的兩個(gè)指標(biāo)，以兩兩對(duì)比的方式對(duì)其重要性進(jìn)行對(duì)比。比如對(duì)同步時(shí)間和力變率的重要性進(jìn)行比較，從換擋舒適性的角度來(lái)說(shuō)，力變率相對(duì)于同步時(shí)間對(duì)換擋性能的優(yōu)劣有更大影響，因此同步時(shí)間賦值為0.5，力變率賦值為1，依此類推。

(2)將每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分相加，計(jì)算出累計(jì)得分，以其累計(jì)得分除以所有指標(biāo)總得分，即可計(jì)算出該評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值(表1)。

表1 換檔性能各指標(biāo)權(quán)重

(3)結(jié)合企業(yè)對(duì)各指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)和駕駛員主觀評(píng)價(jià)(表2)，并參考相關(guān)資料中的設(shè)計(jì)和優(yōu)化值，確定各指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)及其對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)(表3)。

表2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃分表

表3 評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)表

表4 操作舒適性評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)表

最后根據(jù)各指標(biāo)的權(quán)重wi與其對(duì)應(yīng)的評(píng)分Ri，即可計(jì)算中總評(píng)分R：

(1)

參照表4即可完成對(duì)被試變速器換檔品質(zhì)的評(píng)價(jià)[7]。

3 換擋性能評(píng)價(jià)軟件設(shè)計(jì)

評(píng)價(jià)軟件的設(shè)計(jì)選擇以LabVIEW和LabWindows/CVI作為編程語(yǔ)言，其中LabVIEW以圖形化的G語(yǔ)言進(jìn)行編寫，產(chǎn)生的是框圖式的程序結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)測(cè)試、分析、自動(dòng)化控制等功能[8]。LabWindows/CVI是NI推出的交互式C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)，產(chǎn)生的是基于文本的程序代碼。

在數(shù)據(jù)分析處理方面，LabVIEW提供了豐富的庫(kù)函數(shù)，直觀、簡(jiǎn)潔，但LabVIEW框圖式的程序結(jié)構(gòu)不利于復(fù)雜數(shù)學(xué)公式的編寫，LabWindows/CVI文本語(yǔ)言式的程序代碼正好彌補(bǔ)了LabVIEW的不足。

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)方案

換擋性能評(píng)價(jià)軟件應(yīng)用流程為：先選擇評(píng)價(jià)對(duì)象，并對(duì)其權(quán)重參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，輸入符合條件的換擋性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在評(píng)價(jià)軟件界面以曲線形式顯示，通過(guò)游標(biāo)截取相關(guān)波段，對(duì)截取波段進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示評(píng)價(jià)結(jié)果。

評(píng)價(jià)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)模塊：對(duì)換擋性能試驗(yàn)臺(tái)采集數(shù)據(jù)的回放、對(duì)截取波形的數(shù)據(jù)處理以及對(duì)歷史評(píng)價(jià)結(jié)果的查詢。

在LabVIEW中讀取Excle中的數(shù)據(jù)有多種方法，NI公司推出了一款方便用戶使用的Report Generation Toolkit工具包，考慮到工具包需要另外付費(fèi)，本文采用ActiveX控件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取，程序框圖如圖2所示。

在對(duì)換擋過(guò)程曲線進(jìn)行截取的過(guò)程中，截取的波形需以數(shù)組的形式輸出，再對(duì)輸出的數(shù)組進(jìn)行分析，計(jì)算出換擋性能總評(píng)分。因力與位移線性關(guān)系和力變率兩個(gè)指標(biāo)的計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，若用LabVIEW編寫會(huì)導(dǎo)致連線混亂，可讀性差，而采用文本語(yǔ)言Lab Windows/CVI編寫數(shù)學(xué)公式靈活、方便，且LabVIEW和LabWindows/CVI都是NI公司開(kāi)發(fā)的，兩種語(yǔ)言可以很方便地實(shí)現(xiàn)通訊。利用LabVIEW提供的“調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)”可以在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)DLL的調(diào)用。對(duì)于其它評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)潔，均在LabVIEW中編寫完成，此處不再詳述。

3.2 各指標(biāo)評(píng)價(jià)得分及評(píng)價(jià)等級(jí)計(jì)算

各指標(biāo)評(píng)價(jià)得分的編寫方法類似，在這里只論述最大換擋力評(píng)價(jià)得分的編寫方法。根據(jù)換擋力評(píng)價(jià)等級(jí)劃分表將換擋力值分為5個(gè)條件判斷結(jié)果，并創(chuàng)建數(shù)組，將布爾數(shù)組轉(zhuǎn)換為數(shù)值輸入到條件結(jié)構(gòu)，條件結(jié)構(gòu)共6個(gè)分支分別對(duì)應(yīng)6種情況，程序框圖如圖3所示。

上一節(jié)對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)公式(1)將各評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分進(jìn)行相加可得到評(píng)價(jià)總得分，結(jié)合表4即可得出評(píng)價(jià)等級(jí)(圖4)。

換擋性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果回顧功能不僅便于與其它同類型的評(píng)價(jià)進(jìn)行對(duì)比，也方便了變速器研發(fā)人員對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的后續(xù)分析，其界面如圖5所示。

4 評(píng)價(jià)實(shí)例分析

由于各檔位在換擋性能測(cè)試過(guò)程中對(duì)換擋性能的指標(biāo)要求是一致的，在此僅以四檔換三檔為例對(duì)換擋性能評(píng)價(jià)軟件的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

從圖6可以看出，在換擋過(guò)程中共出現(xiàn)了三次峰值，峰值1是由于退檔開(kāi)始時(shí)，換擋桿需要克服定位銷的自鎖阻力，換擋力增大；峰值2出現(xiàn)在換擋位移比較平穩(wěn)的區(qū)間，也即是同步區(qū)間，此時(shí)換擋阻力最大；峰值3出現(xiàn)在同步過(guò)程之后，由于轉(zhuǎn)速差消失，齒輪嚙合過(guò)程中出現(xiàn)的二次沖擊。

從評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出，同步時(shí)間、最大換擋力、同步?jīng)_量以及力與位移線性關(guān)系均在比較理想的范圍之內(nèi)，只有力變率比較大，從而導(dǎo)致?lián)Q擋等級(jí)只有三級(jí)，換擋過(guò)程較不舒適，換擋性能一般。

5 總結(jié)

本文提出以同步時(shí)間、最大換擋力、同步?jīng)_量、力與位移線性關(guān)系、力變率作為換擋性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，以關(guān)聯(lián)矩陣法確定各指標(biāo)權(quán)重，建立主客觀相結(jié)合的即以客觀試驗(yàn)數(shù)據(jù)加主觀賦值方法為理論核心的換擋性能綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)，并以LabVIEW和Lab Windows/CVI為開(kāi)發(fā)工具編寫換擋性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件。將變速器換擋性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入到評(píng)價(jià)軟件，得到相應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)，為機(jī)械式變速器換擋性能的檢測(cè)提供了參考依據(jù)。