汽車液力變矩器柔性化性能測試系統(tǒng)研究

任工昌，翁 濤，曹錄海

（陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

0 引言

液力變矩器是一種以液體為介質(zhì)，用來傳遞動力的傳動裝置，對外載荷具有自動適應(yīng)能力，是汽車實(shí)現(xiàn)無級變速的關(guān)鍵部件，目前廣泛用于各類車輛傳動系統(tǒng)中[1,2]。柔性測試技術(shù)是以虛擬儀器技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、測試測量技術(shù)、通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)等為基礎(chǔ)，對滿足測試測量系統(tǒng)需求的方法及手段進(jìn)行深入研究的技術(shù)?？煽啃?、精確性、靈活性、適應(yīng)性和可拓展性是柔性測試系統(tǒng)的研究目標(biāo)，系統(tǒng)尤其注重測試測量系統(tǒng)功能的整體性[3]。

由于現(xiàn)代制造技術(shù)的飛速發(fā)展和液力變矩器的廣泛應(yīng)用傳統(tǒng)的老式液力變矩器生產(chǎn)線正向自動化柔性化生產(chǎn)線轉(zhuǎn)變，而性能測試技術(shù)必須要適應(yīng)并滿足于它所服務(wù)的對象，所以對液力變矩器柔性化性能檢測技術(shù)的研究顯得尤為重要。本文介紹了一種新型汽車液力變矩器柔性化性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在整合原有液力變矩器性能測試設(shè)備硬件資源的基礎(chǔ)上，通過虛擬儀器技術(shù)和先進(jìn)的通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對各種類型和型號的液力變矩器的各種性能測試，系統(tǒng)具有較高的可靠性、靈活性、適應(yīng)性和可拓展性，能夠滿足液力變矩器柔性化性能測試需求。

1 試驗(yàn)臺組成及工作原理

液力變矩器試驗(yàn)臺由驅(qū)動/負(fù)載部分、測量與控制系統(tǒng)、油路供給系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1.1 驅(qū)動/負(fù)載部分

驅(qū)動部分的主要功能是模擬發(fā)動機(jī)向變矩器總成輸出動力，可以在不同的轉(zhuǎn)速和扭矩范圍下測定變矩器的各種性能，驅(qū)動電機(jī)在變矩器反向工況時(shí)可作為負(fù)載電機(jī)使用。負(fù)載部分采用交流變頻電機(jī)，負(fù)載吸收的功率以發(fā)電方式輸出電流并通過變頻系統(tǒng)的直流母線直接回饋到驅(qū)動電機(jī)的變頻系統(tǒng)，向驅(qū)動電機(jī)提供電能，負(fù)載電機(jī)在變矩器反向工況時(shí)可作為驅(qū)動電機(jī)使用。

圖1 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)示意圖

鋼結(jié)構(gòu)底座上還安裝有一個盤式制動器，一個扭矩傳感器和傳感器安裝底座。扭矩傳感器與被試液力變矩器用一根萬向節(jié)工業(yè)傳動軸連接。用于采用萬向聯(lián)軸節(jié)的傳動方式，對于被試件與傳感器的對中要求相對可以降低要求，便于被試件工件快速的拆卸和安裝。驅(qū)動/負(fù)載部分的安裝底座在基礎(chǔ)平板上前后、左右可調(diào)。

1.2 測量與控制系統(tǒng)

測試系統(tǒng)硬件由美國NI公司的PXI-1052機(jī)箱、MXI-4控制器單元、PXI數(shù)據(jù)采集單元、SCXI信號調(diào)理單元、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等組成。MXI-4控制器單元、PXI數(shù)據(jù)采集單元、SCXI信號調(diào)理單元安裝在現(xiàn)場專用控制柜內(nèi)，完成各種試驗(yàn)過程參量的隔離、濾波、整形、A/D轉(zhuǎn)換等功能，并通過MXI-4網(wǎng)絡(luò)傳輸至測控中心的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過上位測控軟件最終實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的數(shù)據(jù)采集、顯示、分析、存儲，由網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)實(shí)現(xiàn)報(bào)表打印。

數(shù)據(jù)采集單元選用了NI公司的PXI總線機(jī)箱和板卡，PXI總線是專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集量身定制的模塊化儀器平臺，比PCI總線具有級別更高、定義更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)沫h(huán)境性能指標(biāo)，以及更為牢固的插接方式，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場使用，并且具有良好的長期穩(wěn)定性。同時(shí)集成了SCXI調(diào)理單元，在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)，可通過機(jī)箱背板總線實(shí)現(xiàn)SCXI調(diào)理至PXI采集的數(shù)據(jù)傳輸，簡化了系統(tǒng)信號傳輸電纜連接，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。試?yàn)臺現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備與測控中心的測控主機(jī)通過MXI-4高速網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)PCI對PXI的遠(yuǎn)程控制，連續(xù)傳輸速率可達(dá)78MB/s，不僅可以滿足高數(shù)據(jù)采集、通道同步等需求，同時(shí)比純PCI總線或純PXI總線具有更好的系統(tǒng)擴(kuò)展靈活性和更高的性價(jià)比。

1.3 供油系統(tǒng)

供油系統(tǒng)由油箱、油泵電機(jī)、變頻器、溫度和壓力傳感器、各種閥體和連接件等組成，油路供給系統(tǒng)原理如圖2所示。系統(tǒng)選用雙聯(lián)泵，共用一臺電機(jī)。在試樣的入口管路旁路和出口管路中設(shè)置氣動調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)入口和出口壓力，在一臺油泵的出口設(shè)置一臺氣動調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)流量；配備變頻器，通過調(diào)節(jié)油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速來保證入口流量滿足試驗(yàn)要求。加熱器安裝在油箱中，冷卻器安裝在回油管路中，冷卻水經(jīng)過氣動調(diào)節(jié)閥，進(jìn)入冷卻器后排出，通過控制加熱器和氣動調(diào)節(jié)閥控制冷卻水的流量，調(diào)節(jié)介質(zhì)油溫度。

在測功系統(tǒng)啟動前，輔助油源系統(tǒng)預(yù)先開始工作，啟動輔助油源加熱器，循環(huán)升溫到試驗(yàn)要求溫度，然后按照產(chǎn)品的試驗(yàn)工況要求，將壓力、流量和溫度調(diào)節(jié)至要求值，啟動冷卻水系統(tǒng)，然后再啟動測功系統(tǒng)。

流量調(diào)節(jié)原理：通過變頻器調(diào)節(jié)油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速在150r/min～3000r/min范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，通過PLC與流量形成閉環(huán)控制。

壓力調(diào)節(jié)原理：通過PLC調(diào)節(jié)入口氣動調(diào)節(jié)閥、出口調(diào)節(jié)閥和旁路的調(diào)節(jié)閥，分別與產(chǎn)品入口壓力、出口壓力形成閉環(huán)控制，保證壓力的調(diào)節(jié)。

圖2 油源系統(tǒng)原理圖

溫度調(diào)節(jié)原理：在油箱內(nèi)安裝加熱器，在系統(tǒng)管路中安裝冷卻器。先啟動油泵電機(jī)，將輔助油源的油流動起來，形成回路。接通加熱器，對液壓油進(jìn)行加熱，通過PLC控制加熱器和冷卻水的氣動調(diào)節(jié)閥，與油溫形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)油溫的調(diào)節(jié)。

為適應(yīng)不同的傳動油，輔助油源配備兩套，都分別集中在油源車上，方便移動。油源對外有三路接口，一路接液力變矩器進(jìn)口油路，一路接液力變矩器出口油路，這兩路油路通過換向閥可以快速切換油路方向，另一路接液力變矩器閉鎖控制油路。由于油源的油泵能力較大，同時(shí)液力變矩器進(jìn)口油路安裝有氣動調(diào)節(jié)閥，可以保證壓力控制在0.5MPa～1.2MPa；液力變矩器出口油路安裝有氣動調(diào)節(jié)閥，在出口氣動調(diào)節(jié)閥之前安裝有冷卻器，可以保證壓力控制在0.2MPa～1.2MPa；液力變矩器閉鎖控制油路入口設(shè)計(jì)有減壓閥，可以保證壓力控制在0.5MPa～2MPa。

2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件開發(fā)采用NI公司的虛擬儀器LabVIEW圖形化編程軟件，Windows操作系統(tǒng)作為運(yùn)行平臺。虛擬儀器就是在通用計(jì)算機(jī)平臺上，用戶根據(jù)自己的需求，定義和設(shè)計(jì)儀器的測試功能，其實(shí)質(zhì)是將傳統(tǒng)儀器硬件和最新計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)充分結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)并并擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，也就是“軟件即儀器”[4]。正是由于虛擬儀器技術(shù)具有這些特點(diǎn)，幾乎是柔性測試系統(tǒng)的開發(fā)所必需用到的技術(shù)。

2.1 軟件設(shè)計(jì)思想

本系統(tǒng)軟件主要功能是通過對動力-驅(qū)動電機(jī)和負(fù)載-負(fù)載電機(jī)以及對變矩器油溫、流量的控制，對變矩器各種性能參數(shù)（轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、壓力、流量、溫度）的測量來考核變矩器的各種工作狀況和性能指標(biāo)；圍繞著完成這些功能還提供錯誤提示、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲等輔助功能。系統(tǒng)功能模塊如圖3所示。

用戶登錄界面必不可少，用戶需要輸入用戶名、密碼進(jìn)行用戶信息的認(rèn)證，才能進(jìn)入測試項(xiàng)目選擇界面。系統(tǒng)主要功能在各測試項(xiàng)目的主界面來完成，包括試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制，信號采集方式的選擇，產(chǎn)品信息以及試驗(yàn)狀態(tài)的顯示。試驗(yàn)完成后可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、保存與曲線繪制。相應(yīng)的軟件界面如圖4～圖6所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

圖4 登陸窗體

圖5 試驗(yàn)主界面

圖6 結(jié)果顯示界面

2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想[5]，針對變矩器類型多、型號多和所需測試項(xiàng)目多的特點(diǎn)，將變矩器各個試驗(yàn)項(xiàng)目建立成不同的測試模塊，各個模塊執(zhí)行獨(dú)立的測試項(xiàng)目，各測試模塊又由若干個子模塊組成，可完成不同的子任務(wù)。

需要指出的是，各測試項(xiàng)目中，可能存在相同的子任務(wù)，執(zhí)行這些相同的任務(wù)可通過調(diào)用同一個功能模塊來實(shí)現(xiàn)。通過這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就把液力變矩器的性能測試過程，變成了按測試要求靈活匹配測試任務(wù)的配置過程，測試過程因此具有規(guī)律性，也大大提高了測試程序的通用性和可移植性[6]。

3 柔性化在系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件部分

柔性測試技術(shù)在硬件方面主要通過柔性重構(gòu)技術(shù)[7]來實(shí)現(xiàn)。所謂柔性重構(gòu)就是要求系統(tǒng)可以根據(jù)不同的測試需求匹配不同的硬件資源，例如匹配不同的傳感器或其他測試儀器、采用不同的工裝、不同的數(shù)據(jù)通訊方式等。本系統(tǒng)中，安裝了多種不同量程和類型的傳感器，可以根據(jù)測試要求任意匹配；底座有滑動導(dǎo)軌，可適應(yīng)不同的工裝；交流變頻電機(jī)可提供較大變化范圍的動力；PXI-SCXI混合機(jī)箱[8]使得該系統(tǒng)具有極高的信號適應(yīng)性，具備對轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、頻率等不同類型信號的采集與處理能力，極大的增加了系統(tǒng)通訊的靈活性。

3.2 軟件部分

軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以使各測試項(xiàng)目中的每個功能測試互相獨(dú)立，互不影響。當(dāng)試驗(yàn)需求改變，需要對功能進(jìn)行擴(kuò)展或更新時(shí)，不需要對全部的軟件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，只要對某個特定功能測試模塊的軟件進(jìn)行更新即可，可減少工作量，也體現(xiàn)出測試軟件的通用性和靈活性。而各測試項(xiàng)目中存在的相同測試功能的子模塊也可以相互調(diào)用，實(shí)現(xiàn)資源的重復(fù)利用[9]。

柔性化測試系統(tǒng)最重要的體現(xiàn)在于軟件系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)上。測試人員只需根據(jù)測試需求，用鼠標(biāo)選擇要進(jìn)行的測試項(xiàng)目，跳過不必要的過程，提高了測試效率。進(jìn)入測試項(xiàng)目后，用戶可以對試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行編輯，包括工藝參數(shù)和傳感器參數(shù)編輯兩部分，工藝參數(shù)主要是指與試驗(yàn)工藝相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，傳感器參數(shù)是指試驗(yàn)所用的傳感器標(biāo)定值編輯。如果需要更換試驗(yàn)產(chǎn)品的型號，直接在產(chǎn)品型號下拉窗選擇，如果需要添加新型號，可在添加型號輸入窗內(nèi)輸入新型號進(jìn)行添加。參數(shù)編輯界面如圖7所示。

圖7 參數(shù)編輯界面

4 結(jié)論

1) 試驗(yàn)臺驅(qū)動和加載裝置選用了額定功率、額定轉(zhuǎn)矩大小合適，工作范圍最佳的交流變頻電機(jī)，選用的不同量程的傳感器，測量精度和靈敏度較高，性能可靠。

2) 變矩器的油路供給系統(tǒng)采用雙聯(lián)泵，配備變頻器、冷卻器和加熱器，安裝了多個氣動調(diào)節(jié)閥，能夠有效調(diào)節(jié)、控制介質(zhì)油的油壓、油溫，可以適應(yīng)各種試驗(yàn)要求。

3) PXI總線是專為工業(yè)數(shù)據(jù)采集量身定制的模塊化儀器平臺，能夠適合惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，具有良好的長期穩(wěn)定性。PXI數(shù)據(jù)采集單元和SCXI信號調(diào)理單元能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高可靠性的數(shù)據(jù)采集與處理。

4) 采用LabVIEW軟件進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，靈活性強(qiáng)，開發(fā)時(shí)間短。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，人機(jī)界面友好，可擴(kuò)展性強(qiáng)，功能豐富，基本可滿足液力變矩器的柔性化測試需求。

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