变速器试验台测控系统的研制

蒋 巍 石晓辉 李文礼

(重庆理工大学汽车学院，重庆 400050)

0 引言

变速器是汽车传动系统的重要组成部分，其性能直接影响汽车的可靠性和动力性，因此，必须对其进行试验，测试和分析汽车变速器的耐久性、使用寿命、传动效率等因素的影响，验证变速器产品结构设计、制造工艺、材料、负荷、转速以及润滑条件等参数的合理性，为产品设计与质量评价提供可靠的科学依据，从而缩短产品的开发周期，提高产品质量［1］。

随着测控技术软硬件水平的不断成熟和发展，变速器台架试验的功能和自动化水平也在不断提高。变速器试验台需具有集成化、数字化和智能化的特点，以保证测试精度高、重复性好，同时要求其简单可靠、成本低［2］。同时，为了节能，消除有害机械振动，传统的机械封闭试验台逐渐被电封闭试验台淘汰［3］。

在此，本文介绍了重庆理工大学测试技术研究所为某公司研制的DCT变速器交流电封闭试验台的测控系统。

1 变速器台架试验方案

变速器台架试验方案的基本结构如图1所示。试验台由变频控制系统、升速变速箱、扭矩转速传感器、被测变速箱等组成。从被测变速箱经两个半轴分别接扭矩传感器后与两个配试变速箱连接，再接加载电机。

图1 变速器试验台整体布置图Fig.1 Layout of the test-bed of transmission box

2 变速器测控系统开发

试验台测控系统由工业控制计算机、转矩转速传感器、温度传感器和变送器、电磁控制阀、数据采集卡、CAN通信卡和欧姆龙PLC组成。数据采集卡采用PCL-812PG，通过扩展端子板可以实现16路模拟量采集、2路模拟量输出、16路数字量输入(DI)、16路数字量输出(DO)。

转矩转速的测量通过四川诚邦科技转速扭矩传感器把信号送给转速转矩测量仪显示出来，然后通过PCI-9810单路非智能CAN通信卡传送给计算机，实现数字量读取［4］。CAN通信卡的通信波特率范围为5 kbit/s～1 Mbit/s，可 由 用 户 设 定，本 系 统 选 用500 kbit/s。变频器和换挡通信采用欧姆龙CPM2AH型PLC实现。测控系统结构如图2所示。

图2 测控系统硬件配置图Fig.2 Hardware configuration of the measurement and control system

3 变速器测控系统功能软件

变速器测控系统软件功能如图3所示。系统功能主要包括参数设置、试验项目、数据采集处理和报警监控这几个组成部分。

图3 软件系统功能Fig.3 Functions of software system

本系统采用的软件开发平台是美国国家仪器National Instrument(NI)公司的虚拟仪器软件LabWindows/CVI。在拥有工业控制计算机以及相应硬件板卡的环境下，LabWindows/CVI以其基于C语言的开发环境、良好的用户界面(GUI)、强大的库函数和方便快捷的调试手段，使设计者能够以最快的速度设计、调试和开发实际的测试和控制系统［5］。

3.1 参数设置部分

参数设置部分主要包括系统参数设置和用户参数设置［6］。系统参数设置包括扭矩仪和PLC通信参数设置以及模拟量输入输出参数设置，具体包括扭矩仪地址、波特率、串口号、奇偶校验、数据位、停止位和油温通道选择、电机转速零点设定等。用户参数设置包括试验基本参数设置和报警监控参数设置。其中，试验基本参数设置主要包括试验编号、被测变速器出厂号、变速器结构、被测变速器挡位速比等;报警监控设置主要包括上限报警值和波动报警值，以及对转矩、转速、温度和挡位速比的上限和波动值进行设置。

3.2 试验项目及试验设置

试验项目包括高速试验、手动寿命试验、自动寿命试验、差速试验和加载性能试验5个部分。其中手动寿命试验主要完成在手动操作环境下对试验台的数据采集和报警监控功能;自动寿命试验和差速试验能够按照载荷谱编制的参数自动执行载荷谱。设置的参数主要包括持续时间、转速、转矩、转速步长、转矩步长、挡位［7］。

点击“执行载荷谱”按钮后，计算机会按每点的载荷谱设置参数，并按设定步长增加或减少转速转矩;达到所需设定值之后，按照设定值保持一段时间，然后顺序执行下一点载荷谱。若选择循环次数，计算机可根据设定值循环执行载荷谱，执行完所有载荷谱和循环次数后，自动停机。

用户在编制完载荷谱后，可预绘载荷谱，以便通过曲线更清楚地了解载荷谱编制的信息。为了减轻试验人员的工作强度，载荷谱编制后可以保存起来，下次试验时导入即可。

由于试验项目较多，操作台各种设置复杂，为降低试验人员的工作难度，保证试验项目设置的准确性，系统开发了试验项目的自检测模块。试验人员在欲进入试验项目之前，系统先检测该试验项目的设置是否正确，若不正确则无法进入试验，并提示故障原因。

3.3 数据采集与处理

数据采集与处理模块主要完成对转速、转矩、油温和振动参数的测量［8］。试验过程中可以用曲线实时显示数据，以便试验人员查看和对比，数据采集的频率可以设置。前期数据处理主要是计算变速器输入输出功率，得到被测变速器能传动效率，并在软件界面上画出转速、扭矩、功率、传动效率和温度的关系曲线;同时，进行相关数据保存。后期数据处理包括回放、多组数据的对比以及试验项目管理和历史数据的管理等。

3.4 报警监控功能

报警监控功能分为两级报警，一级为警告报警，报警灯显示黄色;二级为停机报警，报警灯显示红色，系统停止运行。报警系统结构如图4所示。

图4 报警系统结构图Fig.4 Structure of the alarm system

报警监控主要完成以下功能。

①上限报警完成监测转速是否大于额定转速或转矩是否大于额定转矩;

②波动报警是在恒定转速转矩试验工况下对转速转矩的波动监控;

③速比检测报警是判断当前挡位下的输入输出轴的实际速比和目标速比是否一致;

④油温监控报警是对被测变速器和高速箱润滑油温度的监控;

⑤振动监控报警是通过振动信号判断被试变速器的运行健康状况，检测两输出轴的转速是否一致;

⑥空挡检测是为了防止试验中变速器脱挡导致电机转速失去控制。

3.5 自动换挡的实现

变速器换挡采用电磁阀控制气动换挡装置，可实现计算机自动换挡。换挡分为停机状态下换挡和试验台运行过程中的载荷谱自动换挡。前者是为了满足试验人员在做手动试验过程中对挡位的选取。后者则是在自动试验过程中编制完载荷谱如拖转速转矩和运行时间及所选挡位后，计算机读取传感器获得的当前挡位信号，并判断设置的挡位，如与当前挡位不一致，则执行换挡指令，若一致则不换挡，只在设定时间下执行转速转矩设定目标［9］。

自动换挡程序流程如图5所示。由图5可知，由于松开离合器、换挡、闭合离合器都是在电机运转的情况下工作的，因而每一个动作命令的发出都要先检验其条件是否严格满足，以保证安全。

离合器松开的条件是电机的转速必须在预设的范围内;换挡的条件是必须检测到离合器已松开;离合器闭合条件是换挡到位。如果条件不满足，就等待条件满足，但对等待时间也有限制，故采用定时器计时的方法来控制顺序动作等待时间。当挡位换到位时，按该挡位下的转速转矩设定参数进行升降速和加载，到达目标后按设定的时间值保持，然后执行下一点的载荷谱［10］。

图5 自动换挡程序流程图Fig.5 Flowchart of the automatic range-switching program

4 结束语

本系统经过运行后，效果良好，达到了设计的要求和目的。该系统具有以下优点。

①交流电封闭模式达到了能量回馈的目的，节约了能源，适合长期运行要求的疲劳寿命试验;

②自动化程度高，系统控制方法精确;

③控制程序采用PID控制算法，保证了试验过程中转速和转矩的准确和稳定;

④友好的人机界面减轻了试验人员的工作强度。

目前，试验台已经过株洲某齿轮厂验收，获得了用户好评，并将得到进一步推广。

［1］冯瑞，赵绣栩，罗元月.汽车变速器试验台自动控制系统的开发［J］.武汉理工大学学报:信息与管理工程版，2006(4):75－77.

［2］祝欣波.汽车变速器疲劳试验台控制系统的研究与开发［D］.武汉:武汉理工大学，2008.

［3］董学平.汽车传动系总成电封闭试验台的电气特色［J］.测控技术，2001，20(7):61 －62.

［4］肖顺利，施全，石晓辉.汽车起动电机试验台测控系统设计［J］.电机与控制应用，2008，35(5):39 －42.

［5］王建新，杨世凤，隋美丽.LabWindows/CVI测试技术及工程应用［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［6］成琰.基于LabWindows/CVI的汽车水泵综合性能试验台软件设计［J］.测控技术，2005，24(5):70 －71.

［7］夏际金，方凯，张广斌，等.变速器综合性能试验台系统体系结构及控制软件的开发［J］.电子技术应用，2003，29(5):36 －38.

［8］姜阔胜，杨明亮，梁应选.基于虚拟仪器的机械传动试验台测控系统［J］.机械传动，2010，34(3):72 －75.

［9］张广斌，方凯，胡丹峰.汽车变速器综合性能试验台的系统设计与实现［J］.电子技术，2002(5):53－55.

［10］谭彧，高冬梅.液力变速器性能试验计算机测控系统的研制［J］.机床与液压，2005(8):141－143.