濕式雙離合器測試系統(tǒng)研究

陸 亮

(上海汽車變速器有限公司 上海 201822)

0 引言

雙離合器是DCT變速箱核心零部件之一，作為發(fā)動機(jī)與變速箱連接的橋梁，是動力傳遞的重要一環(huán)。離合器的設(shè)計非常關(guān)鍵，特別是雙離合器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工況復(fù)雜、測試要求高，當(dāng)前雙離合器的核心技術(shù)牢牢掌握在BorgWarner、LUK等國外企業(yè)手中。國內(nèi)變速箱企業(yè)開發(fā)DCT變速箱，針對雙離合器模塊，僅僅是應(yīng)用，針對核心技術(shù)指標(biāo)要求甚至不具備基本的測試與驗證手段，為了更好提升這方面的能力，本文詳細(xì)介紹針對雙離合器工程的測試要求及測試臺架。

1 雙離合器結(jié)構(gòu)及測試要求

如1圖所示，雙離合器主要由以下部分構(gòu)成：主輪轂、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、摩擦系統(tǒng)、復(fù)位彈簧、扭轉(zhuǎn)減震器、扭矩模塊等，通過奇偶離合器交替運(yùn)行，配合換擋系統(tǒng)，實現(xiàn)動力的不間斷傳遞。

圖1 雙離合器結(jié)構(gòu)Fig.1 Double clutch structure

雙離合器的開發(fā)設(shè)計主要考慮以下幾個方面的性能指標(biāo)：1)扭矩要求：名義承載扭矩、瞬時超載扭矩、摩擦系數(shù)、扭矩增益、目標(biāo)扭矩下的壓力、遲滯、平衡活塞補(bǔ)償能力、拖曳扭矩、波紋片的剛度特性、扭矩一致性、扭矩響應(yīng)等；2)壓力要求：產(chǎn)生名義扭矩時的最大壓力、離合器峰值壓力、離合器泄漏量等；3)滑摩情況：極限工況下的最大可承受滑摩能量、極限工況下的最大可承受滑摩功率、允許永久微滑摩轉(zhuǎn)速，及其相關(guān)流量、最大潤滑流量、潤滑流量需求矩陣、坡道起步能力、坡道保持能力、起步情況等。

針對以上性能要求，雙離合器需要至少進(jìn)行以下測試試驗，如表1所示。

表1 試驗項目

2 臺架總體性能需求

該臺架適用于濕式雙離合器總成各種性能與耐久試驗，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，需要滿足以下技術(shù)參數(shù)要求:

1) 輸入扭矩范圍：±(0～500)Nm；

2) 輸入轉(zhuǎn)速范圍： 0～7 000 rpm；

3) 離合器總成活塞油壓范圍： 0～40 bar;

4) 離合器總成潤滑油流量范圍：0～35 L/min；

5) 離合器總成直徑范圍：300±40 mm; 厚度范圍: 140 mm±40 mm;

6) 離合器總成質(zhì)量：≤20 kg；

7) 預(yù)充壓力上升時間<100 ms；

8) 臺架參數(shù)測試精度及控制精度:

扭矩穩(wěn)態(tài)控制精度±1%；

扭矩測量精度±0.05%FS(滿量程)；

轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)控制精度±2 rpm；

轉(zhuǎn)速測量精度±1 r/min；

油溫控制精度±2 ℃；

油溫測量精度±0.5%(量程為0～150 ℃)；

系統(tǒng)采樣測量最高頻率≥1 kHz。

圖2 雙離合器臺架總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Double clutch gantry overall structure

3 臺架控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

試驗臺具備以下基本功能：

1) 控制功能：測試過程中對雙離合器的控制和整車工況的模擬；

2) 數(shù)據(jù)采集功能：滿足雙離合器試驗過程中所有數(shù)據(jù)采集的要求

3) 數(shù)據(jù)處理：電機(jī)速度、車速顯示、變速器擋位及換擋過程中工作狀態(tài)。

如圖3所示，臺架整體結(jié)構(gòu)采用電封閉、機(jī)械開式，系統(tǒng)主要由以下幾個部分構(gòu)成：主驅(qū)動電機(jī)、輸入傳感器、被試離合器、輸出傳感器、輸出加載電機(jī)、變頻器、PLC控制器、工控機(jī)等。變頻器采用共直流母線方式，且電源模塊具備饋電能力，多余的電量可以通過饋電模塊直接返回到電網(wǎng)。

圖3 雙離合器臺架系統(tǒng)組成圖Fig.3 Dual clutch gantry system composition diagram

4 臺架硬件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 臺架控制系統(tǒng)

臺架主控制系統(tǒng)主要由NI PXI工控機(jī)(上位機(jī))、PLC(實時控制系統(tǒng))、分布式I/O、變頻器和數(shù)據(jù)采集組成。其中工控機(jī)主要完成總線運(yùn)行的狀態(tài)字、各種過程數(shù)據(jù)的初始化;PLC實現(xiàn)對變頻器系統(tǒng)的實時控制與監(jiān)控;I/O將各處轉(zhuǎn)速/扭矩傳感器、壓力傳感器、換檔操作機(jī)構(gòu)狀態(tài)信號傳回到PLC，并將PLC發(fā)出的控制命令送給各執(zhí)行器；變頻器實現(xiàn)對變頻調(diào)速電機(jī)的閉環(huán)矢量控制；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)對臺架關(guān)鍵傳感器信號及變速內(nèi)部信號的高速采集。

圖4 臺架控制系統(tǒng)Fig.4 Bench control system

PXI是一種由NI公司發(fā)布的堅固的基于PC的測量和自動化平臺，PXI結(jié)合了PCI的電氣總線特性與CompactPCI(緊湊PCI)的堅固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝的特性發(fā)展成適合于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機(jī)械、電氣和軟件規(guī)范。滿足精確定時與高帶寬的測試需求。本臺架工控機(jī)采用NI PXIe-8135系統(tǒng)，處理器為2.3 GHz四核Intel Core i7-3610QE (單核Turbo Boost模式下最大3.3 GHz)，具有高達(dá)8 GB/s系統(tǒng)帶寬和4 GB/s插槽帶寬，滿足DCT變速箱控制與高速采集需求。

臺架下位機(jī)為PLC S7-300，主要完成對試驗臺的動力系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的順序邏輯控制、故障信號處理以及FIBUS DP、Ethernet TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊。監(jiān)控系統(tǒng)除完成電氣系統(tǒng)的診斷、報警和存儲、監(jiān)控電氣系統(tǒng)，并實時給定轉(zhuǎn)速、給定轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)動力輸出、測功機(jī)加載、關(guān)鍵數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

臺架通訊包括OPC(TCP/IP)、profibus和CAN總線三個部分，其中上位機(jī)和PLC之間通過OPC方式進(jìn)行通訊，PLC與變頻器S120之間通過profibus進(jìn)行通訊控制，上位機(jī)與變速箱TCU之間通過CAN總線進(jìn)行通訊控制。

4.2 臺架動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)模塊采用西門子S120系列變頻器驅(qū)動，能實現(xiàn)速度閉環(huán)控制、轉(zhuǎn)矩控制、位置控制多種控制方式，該變頻器采用的西門子IGBT技術(shù)，是西門子公司推出的全新的集V/F、矢量控制及伺服控制于一體的驅(qū)動控制系統(tǒng)。模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使安裝、維護(hù)簡單易行。在變頻器的輸入端配置與之配套的4%的電抗器，以抑制電網(wǎng)電壓突變和操作過電壓引起的電流沖擊，平滑電源電壓中包含的尖峰脈沖，或平滑橋式整流電路換相時產(chǎn)生的電壓缺陷, 有效地保護(hù)變頻器和改善功率因數(shù)，它既能阻止來自電網(wǎng)的干擾，又能減少整流單元產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)的污染。

總體結(jié)構(gòu)如下圖5所示，電源單元模塊額定功率為200 kW；驅(qū)動模塊額定功率為200 kW；加載模塊額定功率為200 kW。

圖5 雙離合器臺架電機(jī)控制系統(tǒng)Fig.5 Double clutch gantry motor control system

4.3 傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

臺架傳感器主要包括以下幾種傳感器：

1) 扭矩傳感器：采用HBM高精度傳感器,測量精度滿足±0.05%FS，用于采集變速箱輸入端與輸出端扭矩；

2) 轉(zhuǎn)速傳感器：采用光電編碼器,測量精度滿足±1 rpm，用于采集變速箱輸入端及輸出端轉(zhuǎn)速；

3) 溫度傳感器：采用PT00和熱電偶，根據(jù)需要配合使用，用于采集和監(jiān)控臺架軸承座、變速箱油溫等相關(guān)器件的溫度，一旦異常及時報警。

4) 壓力傳感器：主要使用高精度壓力傳感器，用于采集離合器油路的壓力，滿足高溫狀態(tài)下壓力測量需求；

5) 振動傳感器：用于實時采集和監(jiān)控臺架及變速箱試驗時的振動情況，對設(shè)備及變速箱故障進(jìn)行早期診斷。

臺架數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用NI-DAQ系統(tǒng)和ETAS系統(tǒng)配合使用，其中NI-DAQ系統(tǒng)采用NI CompactDAQ 8槽以太網(wǎng)機(jī)箱，可測量最多256路通道的電子、物理、機(jī)械或聲音信號，同時運(yùn)行最多7個硬件定時模擬I/O、數(shù)字I/O或計數(shù)器/定時器操作。ETAS系統(tǒng)采用ES592和ES400系列，一方面滿足臺架數(shù)據(jù)采集需要，另一方面滿足離合器標(biāo)定與控制要求。

5 臺架軟件系統(tǒng)設(shè)計

5.1 軟件系統(tǒng)基本功能

臺架軟件基于LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)的主要功能是通過對電機(jī)和變速器油溫的控制，模擬傳動系統(tǒng)的各種工作狀況，通過測量轉(zhuǎn)速、輸入扭矩、輸出扭矩、油溫以及相關(guān)參數(shù)來考核傳動系統(tǒng)的性能指標(biāo)。軟件總體結(jié)構(gòu)分為兩部分：臺架控制、配置軟件和數(shù)據(jù)采集分析軟件。具體包括以下幾個模塊：試驗臺測控基本模塊，程序載荷譜壽命試驗?zāi)K、離合器試驗?zāi)K、參數(shù)標(biāo)定、文件及數(shù)據(jù)管理、信號圖形顯示、信號處理、數(shù)據(jù)查看等功能。

圖6 臺架控制軟件系統(tǒng)Fig.6 Software system of frame control

圖7 數(shù)據(jù)采集分析軟件系統(tǒng)Fig.7 Data acquisition and analysis software system

軟件系統(tǒng)主要功能如下：

1) 數(shù)據(jù)測量及記錄。

2) 臺架報警設(shè)置，系統(tǒng)提供了兩級報警、保護(hù)機(jī)制，使用人員可以通過對報警參數(shù)管理來設(shè)置需要報警的參數(shù)以及報警值。

3) 手動控制與調(diào)試功能，主要用于臺架手動控制及更換被試件時的調(diào)試需要。

圖8 臺架軟件系統(tǒng)部分界面Fig.8 Partial interface of software system of the platform

4) 試驗過程和工況參數(shù)設(shè)置。通過對試驗過程和工況參數(shù)設(shè)置是為了實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制功能，先設(shè)定一組實驗過程數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將根據(jù)這一組實驗過程數(shù)據(jù)自動完成一個完整的試驗，在這一試驗過程中若無異常情況發(fā)生，不需要人工干預(yù)。

5) 報警參數(shù)的管理。主要設(shè)置報警參數(shù)，以及每個報警參數(shù)的報警值和保護(hù)值，以及相應(yīng)的動作。

6) 數(shù)據(jù)后處理分析功能，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，生成報告，數(shù)據(jù)存儲速率至少≥1 kHz，且可調(diào)，具備濾波功能以及采樣數(shù)據(jù)的平均處理功能。

5.2 系統(tǒng)道路模擬功能

臺架配置的實時控制系統(tǒng)具備道路模擬能力，如圖9所示，系統(tǒng)根據(jù)整車質(zhì)量、重力加速度、坡度、滾動阻力、風(fēng)阻等參數(shù)，通過simulink建模，模擬整車道路工況，表達(dá)式如下：

g——重力加速度(9.81 m/s2)

m——整車質(zhì)量 (eg:1 337 kg)

Ftractive——牽引力

Fair——空氣阻力

Froll——車輪阻力

α——坡度

圖9 道路模擬模型Fig.9 Road simulation model

6 臺架機(jī)械及液壓系統(tǒng)

6.1 臺架機(jī)械系統(tǒng)

臺架試驗倉是該臺架核心結(jié)構(gòu)部件之一，通過特殊的工裝夾具實現(xiàn)離合的安裝與固定，如圖10所示，離合器兩端通過軸承座支撐，該軸承座需滿足高溫及密封性要求。

圖10 試驗倉結(jié)構(gòu)

Fig.10 Structure of test chamber

6.2 臺架液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)設(shè)計是該臺架核心技術(shù)之一，需同時滿足溫度、壓力、流量控制要求，模擬離合器控制工況，系統(tǒng)原理設(shè)計如下，共包含三個回路：兩路壓力控制回路，一路流量控制回路。

7 典型測試工況

1) 離合器壓力-扭矩曲線的測試工況

為得到離合器的壓力-扭矩曲線，離合器的主動盤與被動盤必須處于打滑狀態(tài)。測試過程中，輸入電機(jī)與輸出電機(jī)都工作在轉(zhuǎn)速模式，輸入端的轉(zhuǎn)速差設(shè)定為50 rpm。并且緩慢地閉合離合器，這樣就可以得到同步采集的3組時間序列：離合器電磁閥的設(shè)定電流、離合器電磁閥的實際壓力和輸入端的實際扭矩。測試結(jié)果如圖12所示。

2) 拖曳扭矩測試

換擋點的拖曳扭矩：在不同的油溫下、設(shè)定不同的流量，輸入端轉(zhuǎn)速控制在某一固定轉(zhuǎn)速，輸出轉(zhuǎn)速控制在upshift點轉(zhuǎn)速和downshift點轉(zhuǎn)速之間變化，測定每種工況下的拖曳扭矩。

怠速點的拖曳扭矩：輸入端轉(zhuǎn)速工況為發(fā)動機(jī)怠速點，輸出端轉(zhuǎn)速為0，離合器壓力控制均為0 Bar，測定該工況下的拖曳扭矩。

圖11 液壓原理圖

Fig.11 Hydraulic schematic diagram

圖12 壓力與扭矩響應(yīng)工況Fig.12 Pressure and torque response conditions

圖13 拖曳扭矩測試工況Fig.13 Test condition of towing torque

8 總結(jié)

1) 本文具體介紹了雙離合器臺架系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)，為雙離合器總成開發(fā)做好測試準(zhǔn)備；

2) 為了滿足臺架運(yùn)行需求，設(shè)計開發(fā)了臺架硬件系統(tǒng)，滿足了臺架控制需求；

3) 設(shè)計研發(fā)了一套離合器控制與數(shù)采系統(tǒng)，滿足濕式雙離合器的控制與數(shù)采需求；

4) 為了滿足臺架與離合器的試驗需求，基于LabVIE開發(fā)出一套臺架測控系統(tǒng)軟件。