機(jī)械式自動(dòng)變速器換擋性能測控試驗(yàn)系統(tǒng)

米 林，王晶晶，譚 偉，劉栓起，葛帥帥

(1.重慶理工大學(xué) a.車輛工程學(xué)院;b.機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054;2.中國長安汽車集團(tuán)股份有限公司重慶青山變速器分公司，重慶 402761)

目前，對于汽車零部件的性能檢測方法主要有實(shí)車道路試驗(yàn)和臺(tái)架模擬試驗(yàn)2種方法［1］。由于實(shí)車道路試驗(yàn)受各種條件的約束且耗時(shí)間、耗資金，因此本文以試驗(yàn)臺(tái)的測控系統(tǒng)為基礎(chǔ)模擬換擋時(shí)的實(shí)況環(huán)境。雖然與實(shí)際的道路環(huán)境有一定區(qū)別，但可以在很大程度上避免實(shí)車道路試驗(yàn)的缺點(diǎn)。研發(fā)的機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)換擋性能測試試驗(yàn)臺(tái)可對工業(yè)生產(chǎn)的AMT產(chǎn)品進(jìn)行下線檢測，以確定其是否合格，這對于AMT產(chǎn)品出廠前的性能檢測具有重要意義。

1 AMT換擋性能測試指標(biāo)

1.1 換擋時(shí)間t

換擋時(shí)間是指TCU(變速箱電控單元)接收到換擋指令時(shí)從離合器分離到離合器結(jié)合所需的時(shí)間，它是能反映換擋質(zhì)量的綜合性指標(biāo)。高的換擋質(zhì)量要求在保證換擋平順性的前提下?lián)Q擋時(shí)間要盡量少［2］，但換擋時(shí)間過少又會(huì)引起較大的沖擊。所以要提高變速器的換擋性能，就必須研究最佳的換擋規(guī)律。

換擋時(shí)間的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:t1為離合器分離時(shí)間;t2為摘空擋時(shí)間;t3為選擋時(shí)間;t4為換擋時(shí)間;t5為離合器接合時(shí)間。t2，t3，t4之和是換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行換擋動(dòng)作所需的時(shí)間。AMT換擋過程的換擋時(shí)間由離合器分離、接合時(shí)間和換擋執(zhí)行時(shí)間組成，而換擋機(jī)構(gòu)執(zhí)行時(shí)間是換擋過程中最重要的階段。

1.2 選換擋電機(jī)電流

全電式AMT的選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)和離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。換擋過程中，換擋軸和換擋撥頭由換擋電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為撥塊的直線運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)換擋。選擋過程中，選擋電機(jī)驅(qū)動(dòng)換擋軸軸向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)選擋動(dòng)作［3-5］。結(jié)合選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，選取蝸輪蝸桿為電動(dòng)機(jī)的減速機(jī)構(gòu)。

本測試系統(tǒng)結(jié)合步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)選取永磁無刷直流電機(jī)作為選換擋機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)［3］。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Ta用于克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl，它們的關(guān)系可以表示為

其中:Jg為電機(jī)轉(zhuǎn)子上的當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;wM為電機(jī)的角速度;Jg˙wM為電機(jī)的慣性負(fù)載。這就是電動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。對于三相橋式主電路兩兩通電方式的電動(dòng)機(jī)，滿足Ta=KTI，其中電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)KT表示單位電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，I表示電機(jī)電流。

由式(2)可以看出:電磁轉(zhuǎn)矩Ta與負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl成正比，即電機(jī)執(zhí)行選換擋操作時(shí)選換擋電流I與負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl成正比。電機(jī)負(fù)載包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)部件和平移部件的慣性負(fù)載以及選換擋阻力f所產(chǎn)生的負(fù)載之和。所以，對于AMT換擋過程來說，換擋阻力和加速度決定選換擋電流。選換擋阻力f越小，則執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行選換擋操作時(shí)電機(jī)電流I也越小，此時(shí)有較好的換擋性能。

1.3 選換擋位移

圖1為某手動(dòng)變速箱換擋過程中換擋力-換擋位移曲線［6］。從圖中可以看到3個(gè)明顯的峰值:峰值1是由于在退擋時(shí)互鎖、自鎖裝置的阻礙增大產(chǎn)生的;峰值2是在克服同步器結(jié)合過程中的阻力產(chǎn)生的;峰值3是由于結(jié)合套受阻而使換擋力增加造成的。

從圖1可以看出:換擋位移的變化會(huì)導(dǎo)致?lián)Q擋力的變化。AMT與傳統(tǒng)機(jī)械式變速器的不同之處在于AMT是對機(jī)械式變速器換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力裝置進(jìn)行改裝，所以AMT在換擋過程中，隨著換擋位移的變化換擋阻力也會(huì)有變化。

圖1 換擋力-換擋位移關(guān)系

2 AMT換擋性能試驗(yàn)臺(tái)組成與工作原理

2.1 被測系統(tǒng)工作原理

AMT在原有的手動(dòng)變速器上通過加裝由微機(jī)控制的自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，取代原來由人工完成的操作，自動(dòng)地完成離合器的分離與結(jié)合、摘擋與掛擋以及變更油門開度等操作［7］。

AMT系統(tǒng)的工作原理為:TCU根據(jù)當(dāng)前車速、擋位等運(yùn)行狀況以及駕駛員操作來判定駕駛員的意圖，調(diào)用在TCU中存儲(chǔ)的最佳換擋規(guī)律實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效的自動(dòng)換擋。

2.2 AMT試驗(yàn)臺(tái)功能以及工作原理

試驗(yàn)臺(tái)完成AMT自動(dòng)換擋的功能性驗(yàn)證和選換擋性能測試，主要功能包括:對選擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)、離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測試;對不同擋位按照規(guī)定的循環(huán)次數(shù)、轉(zhuǎn)速和方式進(jìn)行試驗(yàn)，從而考察選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)及離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能。

試驗(yàn)臺(tái)的工作原理如圖2所示。工控機(jī)通過I/O模塊控制固定機(jī)構(gòu)將變速箱固定，然后調(diào)節(jié)變頻器，等到變速器輸出軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，與TCU進(jìn)行CAN通訊來控制TCU進(jìn)行自動(dòng)換擋。

圖2 AMT試驗(yàn)臺(tái)工作原理

3 AMT換擋性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)

試驗(yàn)過程中會(huì)涉及到試驗(yàn)臺(tái)多個(gè)部分的協(xié)調(diào)運(yùn)行。為保證測量有較高的實(shí)時(shí)性與精確度，試驗(yàn)臺(tái)采用工控機(jī)中插裝AC6624數(shù)采卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)通訊，其通過擴(kuò)展端子板可以實(shí)現(xiàn)16路模擬量采集、2路模擬量輸出、16路數(shù)字量輸入(DI)、16路數(shù)字量輸出(DO)。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速等信號通過PCI-9810單路非智能CAN通訊卡傳遞給工控機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的讀取。ABB ACS800變頻器與工控機(jī)中裝配的RS-485串行通訊接口基于Modbus協(xié)議進(jìn)行串行通信，實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)速控制。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

3.2 測控軟件開發(fā)

AMT試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制由測控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)。為了軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定以及可操作性，采用了LabWindows/CVI。LabWindows/CVI結(jié)合了C語言平臺(tái)與用于數(shù)據(jù)采集分析和顯示的測控專業(yè)工具，具有良好的用戶界面以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫函數(shù)，被越來越多的工程師熟悉與認(rèn)可［8-12］。

試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的功能有試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)臺(tái)狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集顯示和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查看和輸出。圖4為測控軟件的主界面，即系統(tǒng)運(yùn)行圖。

圖4 系統(tǒng)運(yùn)行圖

4 AMT換擋性能試驗(yàn)結(jié)果分析

選擇3款A(yù)MT變速器A，B和C進(jìn)行1～5擋的測試。在測試過程中換擋時(shí)間如表1～3所示。

表1 樣機(jī)A換擋時(shí)間統(tǒng)計(jì)

表2 樣機(jī)B換擋時(shí)間統(tǒng)計(jì)

表3 樣機(jī)C換擋時(shí)間統(tǒng)計(jì)

結(jié)合表1～3可以看出:當(dāng)2擋升3擋、3擋升4擋、4擋升5擋時(shí)，3個(gè)樣機(jī)的換擋時(shí)間較為接近;當(dāng)1擋升2擋時(shí)，樣機(jī)A和樣機(jī)C換擋時(shí)間比較接近，而樣機(jī)B為0.575 s，換擋時(shí)間明顯大于另外2個(gè)樣機(jī)。在換擋測試過程中，樣機(jī)B在換擋時(shí)具有很大的沖擊噪聲，而換擋時(shí)間較長恰好反映了換擋沖擊過大的問題。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證和對比樣機(jī)B在1擋升2擋過程中沖擊過大的問題，采集3個(gè)樣機(jī)在1擋升2擋時(shí)的選換擋電流曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出:3個(gè)樣機(jī)的換擋電流曲線較為一致，而樣機(jī)B的選擋電流曲線數(shù)值高于另外2個(gè)樣機(jī)，而且選擋電流持續(xù)時(shí)間較長，尖峰較多。這明顯說明了樣機(jī)B在1擋升2擋過程中性能較差。

圖5 選換擋電流曲線

5 結(jié)束語

AMT只是對傳統(tǒng)手動(dòng)變速器的改造，以電機(jī)代替人力操縱選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)和離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于目前無法直接測得AMT換擋阻力，因此直接測電機(jī)電流相對方便。利用選換擋電機(jī)電流與換擋阻力的關(guān)系，當(dāng)選換擋阻力出現(xiàn)變化時(shí)可以通過電機(jī)電流表現(xiàn)出來。本文依據(jù)選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，推導(dǎo)出了選換擋電機(jī)電流與選換擋阻力的關(guān)系，分析了換擋時(shí)間、選換擋電流、換擋位移對換擋性能的影響，開發(fā)了試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行之后，各測試曲線正常，自動(dòng)化程度高，能夠較好地滿足換擋性能測試的要求。

［1］趙熙俊.AMT可靠性臺(tái)架試驗(yàn)方法研究［J］.汽車工程，2009(9):882-886.

［2］李永發(fā).乘用車自動(dòng)變速器換擋品質(zhì)客觀評價(jià)研究［D］.長春:吉林大學(xué)，2012.

［3］余盼霞.機(jī)械自動(dòng)變速器電動(dòng)換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析［D］.重慶:重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010:43-47.

［4］米林，劉瑞杰，譚偉.機(jī)械式自動(dòng)變速器的離合器起步控制［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(5):7-12.

［5］王興野，李國強(qiáng)，彭志召，等.AMT關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2014(9):43-47.

［6］陳玉祥，臧孟炎，陳勇，等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的手動(dòng)變速器換擋力分析［J］.中國機(jī)械工程，2012(8):996-1000.

［7］葛安林.車輛自動(dòng)變速理論與設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［8］姜闊勝，楊明亮，梁應(yīng)選.基于虛擬儀器的機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2010，34(3)72-75.

［9］張紅光.基于LabWindows/CVI的虛擬示波器研究與設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013(9):168-170.

［10］成琰.基于Labwindows/CVI的汽車水泵綜性能試驗(yàn)臺(tái)軟件設(shè)計(jì)［J］.測控技術(shù)，2005，24(5):70-71.

［11］李軍，于守謙，劉亞斌.基于軟件總線技術(shù)的測控系統(tǒng)框架實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制，2005，13(8):849-850.

［12］張俊杰.AMT換擋性能試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2013，26(5):102-104.