汽車換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成高低溫耐久試驗臺的研制

謝家興　馬春文　韋圓夢　蘭洋波

汽車換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成高低溫耐久試驗臺的研制

謝家興馬春文韋圓夢蘭洋波

（柳州市金元機(jī)械制造有限公司，廣西 柳州 545007）

文章針對國標(biāo)和主機(jī)廠企標(biāo)對換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成產(chǎn)品的耐久實驗要求，研制了一種可在不同溫度工況下模擬實車布局進(jìn)行耐久試驗的試驗臺，該試驗臺采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動力，通過工業(yè)控制計算機(jī)控制周期性往復(fù)運動進(jìn)行耐久性試驗，其具有性能穩(wěn)定可靠、試驗精度高、可以實現(xiàn)自動化檢測等特點，并介紹了耐久試驗臺的主要技術(shù)參數(shù)、研制概況和試驗流程。該試驗臺滿足企標(biāo)和行標(biāo)對換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成的試驗要求，已研制完成并投入使用。

換檔操作機(jī)構(gòu)分總成；耐久試驗；電機(jī)控制；試驗臺；通用性

引言

近幾年來隨著汽車行業(yè)發(fā)展迅速和生活水平的提高，汽車已然成為人們出行的重要交通工具，人們對于汽車的安全性、舒適性、可靠性要求也越來越高。換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成是汽車駕駛員控制汽車變速器檔位的重要組成部分，主要用于汽車檔位變換方面控制，起到選/換檔操縱控制改變汽車速度快慢的作用，其產(chǎn)品質(zhì)量很大程度上影響著駕駛的安全性和舒適性。換檔操縱機(jī)構(gòu)是使用頻率很高的機(jī)構(gòu)，若長時間工作后，換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成疲勞壽命不達(dá)標(biāo)將會存在安全隱患，極端情況下可能導(dǎo)致汽車無法掛檔，將大大降低了汽車的安全性和舒適性。因此，作為汽車操縱系統(tǒng)的重要組成部分，對汽車換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成進(jìn)行耐久性疲勞實驗就顯得尤為重要。

汽車換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成耐久試驗是根據(jù)主機(jī)廠的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求將換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成按照實車布局安裝固定在試驗臺架上，放入高低溫試驗箱中，然后再根據(jù)實驗參數(shù)要求，模擬換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成工作方式進(jìn)行不間斷的往復(fù)運動耐久試驗。經(jīng)過精心設(shè)計、制造、調(diào)試，自主研發(fā)出來的汽車換檔操縱機(jī)構(gòu)分總耐久試驗臺，滿足換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成實車布局要求和各項試驗技術(shù)參數(shù)指標(biāo)，通過計算機(jī)控制系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守自動化檢測。以下結(jié)合某車型換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成試驗臺研制方法和心得進(jìn)行逐一論述。

1 技術(shù)要求

換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成高低溫耐久試驗要求，即模擬整車在各種氣候環(huán)境溫度下和模擬選換檔力交變周期力作用下，在選換檔使用行程范圍內(nèi)，按N（空檔）-1-2-1-3-4-5-4-3-2-1-N（舉例某車型的檔位分布如圖1所示）檔位循環(huán)96000 次，N-R-N循環(huán)48000次，負(fù)載要求：換檔178 N，選檔134 N，占總循環(huán)90%；換檔245 N，選檔178 N，占總循環(huán)10%。耐久試驗溫度循環(huán)應(yīng)滿足表1和表2[1,2]。

圖1 檔位分布圖

表1 （N-1-2-1-3-4-5-4-3-2-1-N）

表2 （N-R-N）

2 汽車換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成耐久試驗臺設(shè)計

2.1 耐久試驗臺系統(tǒng)設(shè)計方案

換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成耐久試驗臺由試驗臺架、電機(jī)控制系統(tǒng)、檔位控制機(jī)構(gòu)、負(fù)載機(jī)構(gòu)、高低溫試驗箱以及整個臺架的計算機(jī)控制系統(tǒng)六個模塊組成。電機(jī)控制系統(tǒng)采用了交流伺服電機(jī)，優(yōu)點是傳動速度控制特性良好，運行工作平穩(wěn)，在整個工作過程中幾乎無震蕩；高精度位置控制，保證了換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成在試驗過程中選檔和換檔行程的精度[3]。

根據(jù)實驗要求，試驗臺架裝置應(yīng)保證電機(jī)控制系統(tǒng)控制頻率穩(wěn)定和工作行程的精度，有足夠大的空間，滿足換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成實車布局要求，試驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并根據(jù)試驗要求滿足3套換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成同時布局試驗；檔位控制機(jī)構(gòu)能實現(xiàn)換檔控制機(jī)構(gòu)和選檔控制同時運行工作，并在換檔和選檔方向能同時帶動3套換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成同時做換檔、選檔循環(huán)往復(fù)運動；負(fù)載機(jī)構(gòu)在試驗過程中對試件進(jìn)行負(fù)載加載和行程控制；高低溫試驗箱可容納整個試驗臺架，為試件提供不同的溫度環(huán)境；計算機(jī)控制系統(tǒng)主要用于技術(shù)參數(shù)的設(shè)置，控制行程、速度、力的大小和試驗數(shù)據(jù)采集等。計算機(jī)控制系統(tǒng)可根據(jù)耐久試驗次數(shù)要求設(shè)定目標(biāo)值，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到設(shè)定目標(biāo)值時即可停機(jī)。

2.2 試驗臺架設(shè)計

汽車換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成耐久試驗臺架，主要用來模擬換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成在汽車實際工作中的走向布局進(jìn)行安裝固定試件。由于是根據(jù)實車布局來固定安裝試件，其走向往往比較復(fù)雜，考慮到試件的安裝方便、準(zhǔn)確定位和通用性，試驗臺架采用了標(biāo)準(zhǔn)鋁型材框架結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的碳鋼或不銹鋼材料相比，該材料具有結(jié)構(gòu)精度高、易于拆裝、外觀精美、質(zhì)量輕易于搬運等優(yōu)勢。根據(jù)鋁型材的強(qiáng)度性能和試驗臺架的剛性要求，主要選用了40 mm×40 mm、40 mm×80 mm的標(biāo)準(zhǔn)鋁型材，組裝總成尺寸為2 030 mm×1 100 mm×1 290 mm，體積2.88 m3。該試驗臺架具有組裝方便、通用性強(qiáng)、便于調(diào)整等優(yōu)點，可通用于多種產(chǎn)品試驗要求。耐久試驗臺架結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成耐久試驗臺架結(jié)構(gòu)

2.3 電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

在以往的一些耐久試驗臺常用的驅(qū)動機(jī)構(gòu)是氣動驅(qū)動機(jī)構(gòu)，主要是因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉而被使用，但是氣動驅(qū)動機(jī)構(gòu)工作時存在振動大、運行頻率不穩(wěn)定、沖擊力大、定位不準(zhǔn)、位置精度控制差等缺點，因此，本耐久試驗臺采用了伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)。它具有傳動速度控制特性好、傳動工作平穩(wěn)、運行頻率穩(wěn)定、位置控制精度高、行程調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點，保證了換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成在試驗過程中選檔和換檔行程的精度。伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)如圖3所示。

1-伺服驅(qū)動電機(jī)；2-固定支架；3-滾珠絲桿；4-限位傳感器；5-平板滑塊；6-傳動連接桿；7-導(dǎo)軌

如圖3的伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)設(shè)置有3個限位傳感器，中間的傳感器為零點傳感器，在平板滑塊側(cè)面上設(shè)置有與3個傳感器配合感應(yīng)的3 塊定位板，定位板上開有長條形孔的平板，采用穿過長條形孔的螺栓安裝在移動平板上，通過調(diào)節(jié)螺栓在長條形孔內(nèi)的位置可以微調(diào)定位板在平板滑塊上的安裝位置。在耐久試驗檢測前，工作人員通過調(diào)節(jié)平板滑塊的位置來設(shè)置好起始零點位置，零點傳感器感應(yīng)到零點定位板得到零點位置的信號并傳送給計算機(jī)控制系統(tǒng)，計算機(jī)控制系統(tǒng)接收到零點信號后，便以此零點位置為基準(zhǔn)，通過預(yù)設(shè)在計算機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)的程序來控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，從而控制檔位控制機(jī)構(gòu)模擬換檔或選檔動作。伺服驅(qū)動電機(jī)固定在支架上與滾珠絲桿連接，滾珠絲桿再與平板滑塊連接，在試驗過程中，伺服驅(qū)動電機(jī)帶動滾珠絲桿的螺桿旋轉(zhuǎn)，從而帶動平板滑塊沿著滑軌前后移動，當(dāng)平板滑塊側(cè)面上的限位傳感器感應(yīng)到與之對應(yīng)的限位定位板時，則表示平板滑塊移動的位移達(dá)到了限制距離，計算機(jī)控制系統(tǒng)接收到限位傳感器傳送的信號后控制伺服驅(qū)動電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，然后再次控制伺服驅(qū)動電機(jī)反向轉(zhuǎn)動，繼續(xù)帶動平板滑塊移動。傳動連接桿一端與伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)的平板滑塊連接，另一端與檔位控制機(jī)構(gòu)連接，伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)將傳動力通過傳動連接桿傳遞給檔位控制機(jī)構(gòu)，從而帶動檔位控制機(jī)構(gòu)工作。

換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成耐久試驗，是根據(jù)模擬實車選檔、換檔動作并不間斷的重復(fù)循環(huán)選、換檔動作來實現(xiàn)耐久試驗，如某車型的檔位分布如圖1所示，耐久試驗檔位循環(huán)模式為N-1-2-1-3-4-5-4-3-2-1-N（N為空檔位置），要實現(xiàn)選、換檔動作，則驅(qū)動電機(jī)需做縱向和橫向傳動，因此該試驗臺設(shè)置了兩個伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)，選檔伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)和換檔伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)，即一個負(fù)責(zé)換檔操縱機(jī)構(gòu)總成的選檔動作，另一個負(fù)責(zé)換檔動作。

2.4 檔位控制機(jī)構(gòu)設(shè)計

檔位控制機(jī)構(gòu)在耐久實驗中主要是控制換檔操縱分總成的選檔和換檔動作，如圖4所示，該機(jī)構(gòu)設(shè)計了頂板固定板、選檔移動平臺、換檔移動平臺和連接在換檔移動平臺底端面的換檔桿連接板，換檔桿連接板上安裝有用于安裝換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成換檔桿的關(guān)節(jié)軸承。頂板固定板安裝在耐久試驗臺架上，頂板下端面設(shè)置有與選檔伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)的傳動連接桿平行的選檔導(dǎo)軌，選檔移動平臺通過滑塊安裝在選檔導(dǎo)軌上，并與選檔伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)的傳動連接桿桿連接。選檔移動平臺下端面上設(shè)置有與換檔伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)的傳動連接桿平行的換檔導(dǎo)軌，換檔移動平臺通過滑塊安裝在換檔導(dǎo)軌上，換檔移動平臺靠近換檔伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)的側(cè)面上通過側(cè)安裝板設(shè)置有傳動連接桿導(dǎo)軌，換檔伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)的傳動連接桿通過滑塊安裝在傳動連接桿導(dǎo)軌上。

檔位控制機(jī)構(gòu)工作原理：選檔導(dǎo)軌和換檔導(dǎo)軌相互垂直，工作時，換檔伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)通過傳動連接桿帶動換檔移動平臺前后移動實現(xiàn)換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成換檔動作，換檔移動平臺通過換檔滑塊在位于選檔移動平臺下方的換檔導(dǎo)軌上滑動；選檔伺服電機(jī)控制機(jī)構(gòu)通過傳動連接桿帶動選檔移動平臺在與換檔導(dǎo)軌垂直的方向上前后移動實現(xiàn)選檔動作，選檔移動平臺通過選檔滑塊在位于頂板下方的選檔導(dǎo)軌上滑動。選檔移動平臺在移動的同時帶動換檔移動平臺同步移動，此時換檔移動平臺帶動連接桿導(dǎo)軌在連接桿滑塊內(nèi)滑動。

檔位控制機(jī)構(gòu)設(shè)置有多個換檔桿連接板，工作時可同時帶動多個換檔桿連接板動作，能夠滿足一次耐久試驗同時做多套（如三套）換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成，實驗效率高。

1-換檔桿連接板；2-選檔傳動連接桿；3-換檔移動平臺；4-導(dǎo)軌；5-選檔移動平臺；6-頂板固定板；7-滑塊；8-換檔傳動連接桿

2.5 負(fù)載機(jī)構(gòu)的設(shè)計

負(fù)載機(jī)構(gòu)是在耐久試驗過程中給換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成施加負(fù)載，根據(jù)要求設(shè)計出了一種彈簧雙向加載的負(fù)載機(jī)構(gòu)，即通過一根彈簧實現(xiàn)換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成在拉和推的時候都可施加負(fù)載。如圖5所示，當(dāng)傳力主軸在拉和推的情況下左右移動時，彈簧都會壓縮加載，從而滿足試驗要求。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡化、設(shè)計合理，采用一根負(fù)載彈簧，在不拆換工裝、不調(diào)整固定點位置的情況下，即可測試換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成的推和拉動作耐久試驗。

負(fù)載機(jī)構(gòu)的工作原理：在測試前需要根據(jù)所選擇好的負(fù)載彈簧的長度固定好拉板、導(dǎo)向軸、固定支架與推板，且傳力主軸運動順暢無卡滯。負(fù)載機(jī)構(gòu)有兩個工作狀態(tài)。

一是換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成測試推的工作狀態(tài)：換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成軟軸與連接接頭連接，推動拉壓傳感器，從而推動傳力主軸，此時拉板為固定狀態(tài)。在傳力主軸的推動作用下，軸肩推動推板向右位移，壓縮負(fù)載彈簧產(chǎn)生所需的推向負(fù)載。

二是換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成測試?yán)墓ぷ鳡顟B(tài)：換檔操縱機(jī)構(gòu)分總軟軸與連接接頭連接，拉動拉壓傳感器，從而拉動傳力主軸，此時推板在固定支架檔板的作用下為固定狀態(tài)。在傳力主軸的拉動作用下，傳動主軸拉動拉板向左位移，壓縮負(fù)載彈簧產(chǎn)生所需的拉向負(fù)載。

1-連接接頭；2-拉壓傳感器；3-法蘭連接盤；4-傳力主軸；5-固定支架；6-滑動軸承；7-導(dǎo)向軸；8-負(fù)載彈簧；9-直線軸承；10-推板；11-拉板

2.6 高低溫試驗箱

高低溫試驗箱主要是為試件提供高低溫試驗環(huán)境，試驗箱內(nèi)環(huán)境溫度可調(diào)范圍為-40℃～150℃，通過計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和控制，箱內(nèi)實際溫度與設(shè)置溫度誤差為±2℃，可滿足高低溫試驗條件要求[4]。

高低溫試驗箱內(nèi)膽和外殼材料均為不銹鋼板，內(nèi)膽尺寸為2550 mm×1800 mm×1500 mm，容積為6.88 m3，可放入整個試驗臺架，并預(yù)留有足夠的安裝拆卸空間。高低溫試驗箱內(nèi)與箱外的所有連接部分均采用密封、隔熱措施。高低溫耐久試驗時，先將試件安裝固定在試驗臺架上，再將試驗臺架放置高低溫試驗箱內(nèi)，再根據(jù)試驗環(huán)境溫度要求，通過計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置。

2.7 計算機(jī)控制系統(tǒng)

計算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機(jī)、數(shù)據(jù)采集板卡、傳感器和控制軟件等組成，主要用于設(shè)置技術(shù)參數(shù)，控制電機(jī)行程、速度、力的大小和試驗過程的數(shù)據(jù)采集、記錄保存等，并對檢測結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品合格與否判斷。

計算機(jī)控制軟件主要包括以下功能模塊：一是試驗產(chǎn)品參數(shù)輸入模塊，用于輸入不同產(chǎn)品的試驗參數(shù)、控制條件等；二是計算機(jī)自動執(zhí)行模塊，主要用于完成試驗數(shù)據(jù)采集、記錄與試驗過程中的自動控制，以及試驗過程中對電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)的控制；三是計算機(jī)分析模塊，用于對采集到的試驗數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行分析、判斷和處理，一方面控制程序的運行，另一方面進(jìn)行顯示測試結(jié)果并根據(jù)試驗需求進(jìn)行存盤；四是試驗數(shù)據(jù)管理模塊，用于對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，數(shù)據(jù)打印導(dǎo)出，便于對試驗數(shù)據(jù)集中處理；五是手動操作模塊，用于對換檔操縱機(jī)構(gòu)試驗臺進(jìn)行手動操作、手動調(diào)試和保護(hù)測試；六是報警信息模塊，主要用于檢測各種報警信息和故障信息[5]。

3 耐久試驗臺試驗流程

耐久試驗臺在測試前需要根據(jù)不同產(chǎn)品的換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成確定換檔和選檔的空檔位置，從而移動零點傳感器作為試驗基準(zhǔn)位置。

（1）根據(jù)換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成實車布局圖，把試驗件按照實車布局布置固定在實驗工裝臺架上如圖6所示，即換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成的換檔桿安裝在檔位轉(zhuǎn)換平臺的關(guān)節(jié)軸承內(nèi)，軟軸部分的負(fù)載端與負(fù)載裝置的連接接頭連接法蘭連接盤，一套換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成的選檔軟軸和換檔軟軸分別連接一個負(fù)載裝置。然后再將試驗臺架放置于高低溫試驗箱內(nèi)。

（2）根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的選檔行程和換檔行程要求，再通過操縱機(jī)構(gòu)的杠桿比計算出手柄球端LAP點的位移，即為電機(jī)控制系統(tǒng)平板滑塊裝置需要移動的位移，并把該位移輸入計算機(jī)控制系統(tǒng)。電機(jī)控制機(jī)構(gòu)的電機(jī)根據(jù)輸入的位移進(jìn)行轉(zhuǎn)動，驅(qū)動滾珠絲桿從而帶動檔位控制機(jī)構(gòu)的換檔移動平臺或選檔移動平臺做前后運動，驅(qū)動換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成的換檔桿實現(xiàn)換檔或選檔動作。

（3）根據(jù)循環(huán)次數(shù)、循環(huán)模式、負(fù)載要求和試驗環(huán)境溫度要求在計算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行設(shè)置。換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成在試驗過程中若出現(xiàn)故障或者失效時，會造成負(fù)載端傳感器力值（即負(fù)載裝置的拉壓傳感器的數(shù)值）的變化，偏大或偏小，試驗臺能根據(jù)這傳感器反饋的力值自動停機(jī)并報警。

圖6 換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成耐久試驗臺

4 結(jié)束語

文章所述換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成耐久試驗臺是基于產(chǎn)品安全特性和疲勞壽命要求所研制，為確保產(chǎn)品出廠質(zhì)量，滿足疲勞壽命要求，需對新研發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行疲勞耐久試驗。該實驗臺能夠一次同時對多套產(chǎn)品進(jìn)行測試試驗，實驗效率高，實驗過程能夠按照實車布局，有效模擬實車狀態(tài)，試驗準(zhǔn)確性高，且其工作運行可靠、性能穩(wěn)定，有效地支持了項目開發(fā)和試驗任務(wù)。

[1]BT/SGMWJ 0632－2011. 手動變速器換檔控制子系統(tǒng)技術(shù)條件[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[2]覃漢英，鄧加尊. 微型車換檔操縱機(jī)構(gòu)分總成驗證方法研究[J]. 大眾科技，2017(12): 119-212.

[3]謝祥云. 交流伺服電機(jī)特性與應(yīng)用研究[J]. 機(jī)電信息，2019(21): 58-59.

[4]QC/T 1019－2015. 汽車變速換檔操縱裝置性能要求及臺架試驗方法[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[5]韓彬，董垚，劉運來. 汽車液壓制動部件高低溫耐久試驗臺設(shè)計[C]. 2015中國汽車工程學(xué)會年會論文集，2015.

Development of High and Low Temperature Durability Test Bench for Automobile Shift Operating Mechanism Subassembly

In this paper, according to the durability test requirements of the national standard and the enterprise standard of the main engine factory for the subassembly products of the shift operating mechanism, a test bench which can simulate the layout of the real vehicle under different temperature conditions is developed. The test bench uses the AC servo motor as the driving force and carries out the durability test through the periodic reciprocating motion controlled by the industrial control computer. It has the advantages of stable and reliable performance, high test accuracy andit can realize the characteristics of automatic detection. The main technical parameters, development situation and test process of durability test bench are introduced. The test bench meets the test requirements of enterprise standard and national standard for the subassembly of shift operating mechanism, and has been developed and put into use.

shift operating mechanism subassembly; durability test; motor control; test bench; generality

U463.2

A

1008-1151(2022)12-0054-04

2022-10-12

謝家興，男，廣西柳州人，柳州市金元機(jī)械制造有限公司技術(shù)中心主管，助理工程師，研究方向為汽車部件設(shè)計開發(fā)與制造、項目管理。