基于LabVIEW的汽車機(jī)械式變速器換擋性能試驗臺研制*

田韶鵬 陳 誠

（1.武漢理工大學(xué)；2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室）

1 前言

在種類繁多的變速器中，因機(jī)械式變速器（AMT）的加速性能好、換擋快、油耗低、駕駛感強(qiáng)而倍受人們的青睞，因而對其換擋性能進(jìn)行研究意義重大。

國外對AMT換擋性能做了大量的研究，但其研制的試驗臺價格昂貴；我國針對AMT換擋品質(zhì)方面的的評價都是以主觀評分手段來進(jìn)行，所研制的試驗臺在試驗過程中仍然由試驗人員手動來完成換擋，由安裝在換擋桿上的力傳感器和角度傳感器來采集換擋過程中的換擋力和換擋角度，因而采集到的數(shù)據(jù)受主觀影響較大。為此，根據(jù)某變速器企業(yè)的開發(fā)要求，借鑒國內(nèi)外對于AMT的先進(jìn)控制理論和方法，結(jié)合現(xiàn)有的傳感器技術(shù)、信號分析處理技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)[1]以及研華數(shù)據(jù)采集卡和運(yùn)動控制卡，開發(fā)了一套AMT換擋性能測試試驗臺[2]，實現(xiàn)了試驗過程中的自動換擋和數(shù)據(jù)采集、處理、存儲及歷史查詢，避免了手工換擋的人為主觀影響，保證了試驗結(jié)果的真實可靠性。

2 試驗臺組成

試驗臺采用分體獨立式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要包括試驗臺架、控制臺、調(diào)理電路配電柜、變頻器配電柜等。試驗臺架上布置有夾具、電渦流測功機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、換擋動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)、慣量盤組以及相關(guān)傳感器等。控制臺主要包括工控機(jī)、顯示器、打印機(jī)、鼠標(biāo)、鍵盤等，在工控機(jī)內(nèi)安裝有研華PCI-1711L數(shù)據(jù)采集板卡和研華PCL-839+運(yùn)動控制卡；配電柜內(nèi)布置了電源信號處理、電機(jī)控制、信號調(diào)理等模塊。同時，該試驗臺具有良好的拓展性，通過更換夾具可滿足不同尺寸變速器性能測試的要求[3]。

3 試驗臺工作原理

試驗臺選用Y200L1-2型三相異步交流電機(jī)來模擬發(fā)動機(jī)，選用湘儀GWD系列電渦流測功機(jī)模擬汽車行駛過程中的空氣阻力、路面阻力、加速阻力等，通過不同慣量盤的組合來模擬車輛在不同載荷下的整車慣量，按照AMT換擋理論設(shè)計的換擋機(jī)構(gòu)實現(xiàn)測試過程中的自動換擋。

開始測試前，首先對試驗參數(shù)進(jìn)行配置，然后通過PCI-1711L數(shù)據(jù)采集卡模擬量輸出功能來實現(xiàn)LabVIEW給ABB變頻器發(fā)送信號，變頻器驅(qū)動交流電機(jī)工作，電機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)增速皮帶傳遞至變速器輸出軸并達(dá)到所需轉(zhuǎn)速時，電機(jī)停止驅(qū)動，依靠機(jī)械慣量盤貯存的動能帶動變速器繼續(xù)運(yùn)動，并通過調(diào)節(jié)變頻器使變速器輸入軸穩(wěn)定在某個范圍內(nèi)。

然后通過PCL-839+運(yùn)動控制卡向特定通道發(fā)送脈沖來控制驅(qū)動離合器的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動，結(jié)合位移傳感器使離合器分離達(dá)到換擋條件，并通過控制步進(jìn)電機(jī)的使能使其保持在該位置；接著通過控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制卡向特定通道發(fā)送脈沖來控制X向和Y向用于驅(qū)動換擋機(jī)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動，并結(jié)合角度傳感器完成選擋和換擋，通過控制步進(jìn)電機(jī)的使能使其保持在該位置。在換擋過程中，安裝在換擋手柄上的角度傳感器將測出換擋過程中的選、換擋角度，安裝在換擋手柄上的拉壓力傳感器測出選、換擋過程中的選、換擋力,安裝在變速器輸出軸上的轉(zhuǎn)速傳感器測出該軸轉(zhuǎn)速。經(jīng)過外部調(diào)理電路并結(jié)合LabVIEW軟件開發(fā)平臺和PCI-1711L數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)對換擋力、換擋角度的同步采集、曲線顯示及數(shù)據(jù)存儲和歷史查詢等功能。

同時，在整個測試過程中設(shè)有軟件保護(hù)措施，當(dāng)選、換擋力過大或選、換擋角度過大時，程序?qū)⒆詣咏K止整個臺架的工作并對操作者給予以提示，避免了不必要的損失。試驗臺工作原理如圖2所示。

4 試驗臺程序設(shè)計

采用基于數(shù)據(jù)流的虛擬儀器設(shè)計語言LabVIEW對該試驗臺的軟件進(jìn)行設(shè)計，以狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)和事件結(jié)構(gòu)作為程序的主要構(gòu)架，并配合工控機(jī)和研華數(shù)據(jù)采集卡及步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動控制卡，實現(xiàn)在試驗過程中換擋機(jī)構(gòu)的自動換擋和換擋力與換擋角度的實時同步采集和同步曲線顯示，它主要由系統(tǒng)登錄模塊、信號采集與處理模塊、運(yùn)動控制模塊、數(shù)據(jù)儲存和顯示模塊等組成。圖3為試驗臺測試程序流程。

4.1 數(shù)據(jù)采集與處理程序

PCI-1711L數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率為100 kHz，并且卡上帶有1K的采樣緩存器。結(jié)合研華公司為該板卡開發(fā)的LabVIEW驅(qū)動程序，可以在程序中調(diào)用驅(qū)動函數(shù)子VI模塊，實現(xiàn)直接對底層寄存器的訪問來實現(xiàn)對板卡I/O的操作。通過高性能傳感器、信號調(diào)理電路、工控機(jī)、PCI1711L數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件的協(xié)調(diào)配合，很好地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速采集與實時顯示。

在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由于程序中各線程的不同步，通常會遇到數(shù)據(jù)的丟失或重復(fù)采集，為此采用基于隊列的生產(chǎn)者/消費(fèi)者循環(huán)結(jié)構(gòu) （圖4），在生產(chǎn)者循環(huán)中不斷地采集數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)不斷送到事先定義的隊列中，而消費(fèi)者循環(huán)則對之前采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和顯示，從而很好地解決了數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析顯示的同步，避免了試驗過程中的數(shù)據(jù)重復(fù)采集和丟失[4]。同時，試驗臺在使用過程中會受到各種信號（如外界干擾、工控機(jī)板卡間的電磁干擾及電源不穩(wěn)定造成的噪聲干擾）的干擾而導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真[5]，為此結(jié)合在信號調(diào)理電路中所做的初處理，在程序里采用中值濾波器對所采集的信號進(jìn)行濾波，從而提高測試信號的信噪比。

4.2 并行循環(huán)控制

在實際編程過程中，通常在主程序中調(diào)用子程序，但在程序運(yùn)行時涉及到當(dāng)按下主程序中的 “停止采集”按鈕時，主程序立即停止運(yùn)行，但作為子程序的循環(huán)并不能立即停止，盡管在子程序中采用全局變量，但還是會導(dǎo)致程序無法正常停止，甚至導(dǎo)致死機(jī)。針對以上問題，可通過VI服務(wù)器提供的動態(tài)程序控制功能來實現(xiàn)主程序與子程序的并行控制，具體措施為：打開程序（圖 4）中的函數(shù)面板，通過編程-應(yīng)用程序控制找到VI服務(wù)器，然后右擊VI服務(wù)器引用，找到停止采集并點擊停止，此時VI服務(wù)器圖標(biāo)變?yōu)椴紶?，再右擊該圖標(biāo)通過創(chuàng)建-布爾(嚴(yán)格)類的屬性找到值，并將該屬性節(jié)點拖到子VI的程序框圖，再創(chuàng)建輸入控件。在主程序調(diào)用子程序時，只需連接所創(chuàng)建的VI服務(wù)器圖標(biāo)即可。此方法可很好地解決并行循環(huán)退出問題。

4.3 數(shù)據(jù)存儲與查詢

在用LabVIEW編寫測試程序時，通常需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、管理和查詢，在數(shù)據(jù)量少時，可通過讀寫文件來實現(xiàn)，但由于試驗過程中數(shù)據(jù)量龐大，這時必須采用數(shù)據(jù)庫來處理。LabVIEW提供了豐富的外部程序接口，如ActiveX，因此可通過ADO與數(shù)據(jù)庫連接，而Windows系統(tǒng)中已經(jīng)包含了ADO組件，所以通過ADO與OBDC的連接就可訪問任何支持OBDC的數(shù)據(jù)庫，如Server SQL借助于免費(fèi)的第三方軟件工具包LabSQL可輕松地從LabVIEW中調(diào)取子VI來訪問數(shù)據(jù)庫[6]。本文使用LabSQL建立LabVIEW與Access數(shù)據(jù)庫的連接，通過相關(guān)SQL語句（圖5）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與查詢。

4.4 圖形用戶界面設(shè)計

該試驗臺上位機(jī)軟件界面分為4個區(qū)：最上方為標(biāo)題顯示區(qū)；中間為數(shù)據(jù)顯示區(qū)，顯示控件采用量表和XY曲線顯示控件，可直觀地顯示測試數(shù)據(jù)的實時變化；最下面為控制和狀態(tài)顯示區(qū)，用于測試過程中的啟停及測試進(jìn)度提示。圖形用戶界面如圖6所示。

5 換擋性能評價指標(biāo)的提出

綜合國內(nèi)外的相關(guān)資料，不同研究機(jī)構(gòu)所采用的換擋性能評價指標(biāo)也有所差異，主要有換擋力、換擋沖量系數(shù)α、換擋時間、轉(zhuǎn)入/輸出軸轉(zhuǎn)速、噪聲與排放等。本文從人機(jī)工程學(xué)的角度出發(fā)，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究，提出的評價指標(biāo)包括換擋沖量系數(shù)α、相對代謝率RMB、換擋操作力極值Fmax和斜率差異系數(shù)β。

5.1 換擋沖量系數(shù)α

在實際換擋過程中，駕駛員換擋所需力的大小及同步換擋過程的快慢程度可用來反映換擋過程的輕便性，一般用換擋沖量I來衡量，其計算式為[7]：

式中，F(xiàn)為換擋力；t為換擋時間。

不同型號的變速器有不同的換擋性能曲線，其換擋沖量值也不同，為了便于不同變速器之間的比較，采用換擋沖量系數(shù)α來對換擋品質(zhì)進(jìn)行評價，其計算式為：

式中，SS為Fmax與t的乘積。

5.2 相對代謝率RMR

在換擋過程中，不同駕駛員的能量代謝量也不同，為了消除不同個體之間的差異，引入相對代謝率來評價換擋時的生理負(fù)荷。根據(jù)相關(guān)資料，相對代謝率的計算式[8，9]為：

式中，W為機(jī)械功；η為肌肉的機(jī)械效率，人的肌肉機(jī)械效率一般為25%～30%；B為基礎(chǔ)代謝率（可根據(jù)經(jīng)驗表查得）；S為體表面積。

在所測得的換擋力隨換擋角度變換曲線中，曲線與X軸所圍成面積的大小即為機(jī)械功，由于曲線的函數(shù)方程很難求出，直接積分較麻煩，因此采用微元法進(jìn)行計算。

機(jī)械功W計算式為：

式中，F(xiàn)i為曲線上第i微元的換擋力；li為曲線上第i微元所對應(yīng)換擋桿長端長度。

體表面積S的計算式為：

式中，h為駕駛員身高；z為駕駛員體重。

5.3 換擋操作力極值Fmax

在換擋過程中，F(xiàn)max反映了換擋的難易程度，同時極值點也是換擋耗能最多的時刻，通過在程序里對采集的換擋力進(jìn)行最大值的索引可得到Fmax。

5.4 斜率差異系數(shù)β

在所采集的換擋力隨換擋角度變化曲線中，曲線的斜率反映了換擋過程中的平順性，斜率越小則換擋越流暢。為了比較不同變速器換擋時的平順性差異，引入了斜率差異系數(shù)β，該值的計算方法借鑒線性度理論[10]，故計算式為：

式中，ΔY為求出的斜率曲線與擬合直線之間最大差值；Y為求出斜率曲線與擬合直線所有交點在Y坐標(biāo)上最大值與最小值的差值。

6 試驗結(jié)果分析

為驗證試驗臺的工作性能，選用某汽車變速器進(jìn)行了多次試驗，并從人機(jī)工程學(xué)角度出發(fā)，以換擋力、換擋角度、輸入/輸出軸轉(zhuǎn)速為基礎(chǔ)對該變速器換擋性能進(jìn)行評價。硬件設(shè)備調(diào)試完畢后用戶只需點擊測試界面的“開始采集”按鈕，系統(tǒng)即可自動完成測試任務(wù)，測試完成自動生成.bmp格式的曲線，根據(jù)測試采集到的數(shù)據(jù)和曲線，在Matlab7.0中對其進(jìn)行離線分析，從而對換擋性能進(jìn)行綜合評價。由于各換擋的測試過程基本一致，所以以換3擋的測試結(jié)果為例來進(jìn)行評價，試驗用變速器換3擋測試結(jié)果如圖7所示。

6.1 α的計算

由于在換擋過程中換擋步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為定值，換擋角度與換擋時間有相近的線性關(guān)系，故采用換擋角度來代替換擋時間計算換擋沖量，沖量采用Matlab7.0進(jìn)行計算。首先將所采集的換擋角度與換擋力數(shù)據(jù)在Matlab7.0中畫出平滑的曲線，然后調(diào)用積分運(yùn)算軟件進(jìn)行積分計算，并索引出最大換擋力，結(jié)果如圖8所示。

通過積分得到的面積即為換擋沖量I，計算得I=132.840 5，由索引的最大換擋力及角度范圍計算得 SS=393.843 1，代入式（2）得 α=0.34。

6.2 RMR的計算

查閱相關(guān)資料[11]，取基礎(chǔ)代謝率 B=158.7 kJ/（m2·h）,η=28%，駕駛員身高 h=170 cm，駕駛員體重z=65 kg，換擋桿杠長端長度為225 mm,由于換擋力作用位移即為換擋球頭的行程，只與杠桿長端長度存在系數(shù)關(guān)系，所以運(yùn)用Matlab7.0對換擋力隨角度進(jìn)行積分后乘以系數(shù)即可，將以上數(shù)值代入式 （3）～式（5）計算得 RMB=1.542。

6.3 Fmax的計算

在LabVIEW程序中，通過對存入數(shù)組中的數(shù)據(jù)進(jìn)行索引，其換擋力最大值為19.153 N，所對應(yīng)的換擋角度為9.196°。

6.4 β的計算

運(yùn)用Matlab7.0軟件對換擋力隨換擋角度變化的曲線進(jìn)行求導(dǎo)，并用最小二乘法對其進(jìn)行直線擬合，所得曲線如圖9所示，求得ΔY=0.209，Y=0.421，將這些數(shù)值代入式（6）得β=49.64%。

結(jié)合企業(yè)及專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)（表1～表3），采用關(guān)聯(lián)矩陣法建立相應(yīng)的評價體系[12]，根據(jù)計算所得換擋沖量系數(shù)α、相對代謝率RMR、換擋操縱力極值Fmax、斜率差異系數(shù)β計算該變速器換擋性能得分總成績。

表1 各評價指標(biāo)權(quán)重值

表2 各評價指標(biāo)評價尺度

表3 換擋性能綜合評價等級

變速器換擋性能得分總成績M計算式為：

式中，Mi是第i個評價指標(biāo)的權(quán)重；Ri是對應(yīng)第i個指標(biāo)的得分。

試驗用變速器換擋性能總成績M計算結(jié)果如表4所列。

表4 試驗用變速器換3擋性能評價綜合結(jié)果

在變速器進(jìn)行換擋性能試驗的過程中，由于離合器切斷輸入軸與變速器的連接，在PID控制下輸入軸轉(zhuǎn)速基本維持在2 345 r/min，而輸出軸轉(zhuǎn)速則由1 154 r/min升至1 665 r/min，在換擋結(jié)束前會有一次波動，主要是由于同步器接合套與接合齒圈進(jìn)入嚙合時會出現(xiàn)二次沖擊，以上曲線均在合理范圍內(nèi)。

基于以上計算結(jié)果，并結(jié)合變速器廠商提供的參數(shù)數(shù)據(jù)，可知該試驗臺能夠較好地完成變速器換擋性能的測試，試驗數(shù)據(jù)符合要求。

7 結(jié)束語

基于虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW，以工控機(jī)為核心開發(fā)了換擋性能試驗臺，提出了基于人機(jī)工程學(xué)的換擋性能評價指標(biāo)。利用該試驗臺對某變速器進(jìn)行了換擋性能測試，并對各評價指標(biāo)值進(jìn)行了計算分析，采用關(guān)聯(lián)矩陣法對換擋性能進(jìn)行了評價。結(jié)果表明，該試驗臺能夠較好的實現(xiàn)測試任務(wù)，而且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，大大簡化了產(chǎn)品的研發(fā)過程，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。該測試試驗臺已應(yīng)用于工廠測試中。

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