汽車機械變速器潤滑油溫升測試系統(tǒng)開發(fā)*

田韶鵬　趙　爽

（武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430070）

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汽車機械變速器潤滑油溫升測試系統(tǒng)開發(fā)*

田韶鵬趙爽

（武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430070）

【摘要】為測試微型車機械變速器最高工作油溫，設(shè)計了共直流母線能量回饋電封閉式變速器溫升檢測試驗臺。介紹了該試驗臺的結(jié)構(gòu)、測試原理、通信方式、數(shù)據(jù)采集過程以及上、下位機的編程軟件。溫升檢測結(jié)果表明，在高轉(zhuǎn)速、無外界強制散熱的情況下，該試驗臺可準確測試變速器工作油溫，檢測效率高，且負載發(fā)電機在溫升試驗空轉(zhuǎn)時可以實現(xiàn)發(fā)電功能。

1　前言

當(dāng)汽車變速器長時間以滿載荷、高擋位高速運行時，變速器內(nèi)潤滑油溫度可達到120℃甚至更高［1］。油溫過高會使油液變稀，潤滑效率下降，還會促使油液過早氧化，產(chǎn)生積炭，并可能產(chǎn)生卡滯等問題［2］，影響汽車的正常安全行駛。目前，我國關(guān)于變速器潤滑油溫升測試大多針對重型車，微型車多采用實車運行來檢測潤滑油溫升，無法得到其極限最高工作油溫。為滿足某微型車生產(chǎn)商對其機械變速器溫升檢測要求，設(shè)計了共直流母線電封閉式變速器溫升測試系統(tǒng)，在沒有外界強制散熱的情況下，利用該系統(tǒng)對該微型車變速器的最高工作油溫進行了測試。

2　溫升測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫升測試系統(tǒng)包括上位機、下位機S7300-PLC機柜、西門子S120變頻器機柜和試驗臺等4部分，如圖1所示。其中，變頻器機柜包括電源、濾波器、整流器、主動電機逆變器和負載電機逆變器等。主動電機選用西門子水冷交流變頻電動機1PH8186-1DL20-1LA1［3］，其散熱效果較好且內(nèi)置編碼器，主動電機參數(shù)如表1所列。試驗臺主要包括兩臺西門子水冷電機、數(shù)據(jù)采集卡傳感器NI PXI-6221、油溫傳感器、水泵和被測試件等，如圖2所示。

圖1　溫升測試系統(tǒng)三維圖

表1　主動電機參數(shù)

圖2　試驗臺照片

3　溫升測試系統(tǒng)原理

3.1試驗臺測試原理

試驗臺測試原理如圖3所示。因發(fā)動機在試驗臺上高速運轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定性不如電機，故采用主動電機模擬微型車發(fā)動機使變速器升至最高轉(zhuǎn)速6 000 r/min，負載發(fā)電機在測試過程中只起發(fā)電作用。

圖3　試驗臺測試原理示意

根據(jù)微型車國家標準QCT 568.1—2011《汽車機械式變速器總成臺架試驗方法第1部分》，在油溫與環(huán)境溫差絕對值小于2℃時開始試驗，通過判斷變速器油溫穩(wěn)定時間和最高溫度來判定試驗是否合格。測試流程如圖4所示。

圖4　溫升測試流程

3.2測試系統(tǒng)通信原理

3.2.1通信連接

對上位機編程時，由于上位機組態(tài)軟件不能直接訪問和修改PLC中的數(shù)據(jù)，無法實現(xiàn)通信報文的傳遞，故采用SimaticNet［4］提供的OPC Server工具來實現(xiàn)該功能。其中，上位機需要安裝SimaticNet軟件，下位機PLC需要用Step7軟件編程，從而建立其與上位機中OPC服務(wù)器基于S7通信協(xié)議的連接。上位機、下位機和變頻器均為雙向以太網(wǎng)通信，利用計算機安裝的監(jiān)控軟件STARTERV4.4可實時監(jiān)控變頻器的狀態(tài)，若試驗臺出現(xiàn)故障，可通過讀取變頻器故障代碼找到故障原因。通信原理如圖5所示，其中單箭頭為單向通信。

圖5　通信原理示意

3.2.2通信報文

該測試系統(tǒng)中所用的通信報文是十進制數(shù)字，在PLC中實現(xiàn)接收、轉(zhuǎn)化（進制轉(zhuǎn)換）和發(fā)送等功能。報文的二進制位對應(yīng)相應(yīng)S120變頻器內(nèi)的開關(guān)量，通信報文結(jié)構(gòu)如表2所列。其中，0～F是16位，代表報文的二進制位數(shù)；0位置的0表示停止，1位置的0表示急停。如需要實現(xiàn)打開逆變器的功能，需要給報文的0位置一個上升沿觸發(fā)，即給逆變器的控制字位INT2先后賦值1 024、1 050和1 051。

表2　通信報文結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)速控制是按照百分比計算方式來實現(xiàn)的。參考西門子變頻器的控制說明書，十進制數(shù)16 384對應(yīng)電機最高轉(zhuǎn)速7 000 r/min。相應(yīng)的小于16 384的某個正數(shù)按照比例對應(yīng)一個轉(zhuǎn)速，如需設(shè)置電機轉(zhuǎn)速為500 r/min，即可給INT24賦值1 170，轉(zhuǎn)矩控制也是同樣的原理。該報文通信方式簡單可靠，且采用的是基于OPC的以太網(wǎng)通信方式，通信傳輸速度快，測試靈敏度高，測試結(jié)果準確。

3.3數(shù)據(jù)采集原理

數(shù)據(jù)采集組件包括油溫傳感器PT100和數(shù)據(jù)采集卡NI PXI-6221，需要采集5個試驗參數(shù)。油溫傳感器PT100安裝在變速器殼的油池內(nèi)，其測量精度為A級，四線制輸出，測量范圍為-50～250℃［5］。數(shù)據(jù)采集卡NI PXI-6221測量的是0～10 V的電壓值，通過標定換算后可讀取準確的試驗值。該測試系統(tǒng)利用了模擬量輸入（AI）和數(shù)字量輸出（DO）的功能，AI負責(zé)采集變速器輸入端、輸出端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，DO負責(zé)控制測試系統(tǒng)總電源、變速器油泵和水閥3個開關(guān)信號。數(shù)據(jù)采集原理如圖6所示。

3.4上、下位機設(shè)計

3.4.1上位機

該溫升測試系統(tǒng)上位機使用的控制軟件是利用VS2005（Visual Studio 2005）設(shè)計開發(fā)。上位機還需要安裝SimaticNet軟件，以實現(xiàn)與下位機PLC的以太網(wǎng)通信。測試軟件編寫包括單步調(diào)試和溫升測試兩個界面，單步界面如圖7所示。界面類型選取Dialog中的IDD_FORMVIEW類視圖，基類采用窗體視圖的CFormView類，支持滾動功能。圖8為3擋時溫升試驗的測試界面。

圖6　測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集原理

圖7　測試系統(tǒng)單步調(diào)試界面

圖8　溫升試驗測試界面

3.4.2下位機

該溫升測試系統(tǒng)選用了西門子300PLC，其電源模塊選用PS307 5A，中央處理器選用CPU325-2PN/DP,內(nèi)置兩個基于Ethernet TCP/IP的PROFINET接口，分別與上位機和變頻器相連。數(shù)字量輸入、輸出模塊選用SM321 DI16xDC24V模塊。PLC硬件組態(tài)如圖9所示。

PLC的主程序由兩部分組成，F(xiàn)C203為信息傳輸模塊，MOVE為報警中斷模塊。當(dāng)按下控制臺上的紅色按鈕時，PIW0會收到一個開關(guān)信號，中斷測試系統(tǒng)的信號傳遞，測試電機斷電，自由停車。

圖9　PLC硬件組態(tài)

4　溫升測試結(jié)果分析

標準QC/T 568.1—2011中規(guī)定，變速器溫升試驗過程中變速器油溫應(yīng)不高于最高使用溫度150℃，在5 h內(nèi)油溫穩(wěn)定在150℃以下某個溫度0.5 h以上，且油溫—時間曲線應(yīng)平滑無突變，即合格［6］。

利用該溫升測試系統(tǒng)對某微型車機械變速器進行了最高擋極限工作油溫測試，該微型客車變速器為SC12M5B系列，最高工作溫度為150°C，使用的潤滑油型號為SAE75W90，比熱容為1.87 kJ/（kg·℃）。圖10為連續(xù)進行3天試驗的測試結(jié)果。

圖10　油溫—時間關(guān)系曲線

由圖10可看出，初始試驗時油溫略有下降，原因是變速器運轉(zhuǎn)后攪動了潤滑油而加速了散熱以及變速器殼體內(nèi)溫度分布不均勻所致；第3天的測試溫度比前2天略有下降，原因是變速器磨合時間變長，摩擦熱量減少；變速器油溫穩(wěn)定后的運行時間超過0.5 h，且最高油溫為142℃，未超過標準要求的最高溫度，表明變速器處于正常使用狀態(tài)。

通過理論計算［7］得出，該潤滑油的理論最高溫度為146.2℃，大于測試值142℃,這是由于去除了與變速器接觸組件的熱傳導(dǎo)導(dǎo)致，理論最高溫度與測試值的誤差為4.2％，在誤差允許范圍內(nèi)，表明該溫升測試系統(tǒng)可準確測量變速器潤滑油的最高工作溫度。

5　結(jié)束語

為測試微型車機械變速器潤滑油極限工作溫度，設(shè)計了共直流母線電封閉式機械變速器溫升測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)采用了基于OPC的以太網(wǎng)報文通信方式，通信方式簡單可靠，通信報文的傳輸速度快，測試靈敏度高。試驗結(jié)果表明，在沒有外界散熱情況下，該測試系統(tǒng)可準確測量變速器最高擋位工作油溫，測試結(jié)果為變速器的安全運行提供了保證。

參考文獻

1周浩.微型汽車變速箱熱平衡分析研究：［學(xué)位論文］.武漢：武漢理工大學(xué), 2013.

2鄭殿斌,金繼偉,張志強.變速器油溫過高的危害及變速器過熱的成因.農(nóng)村實用科技信息，2008（6）：52.

3 SINAMICS S120發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)手冊,Siemens AG,2011.01

4郭志剛,王文浩.OPC技術(shù)及其在工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.機械工程與自動化，2012（1）:192～194.

5孫茂軍.汽車機械變速器動力性能試驗臺的研制：［學(xué)位論文］.武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

6阮登芳,劉波,陳志約,等.重型汽車變速器潤滑系統(tǒng)熱平衡仿真與實驗.中國機械工程，2011（10）:1242～1246.

7余志生.汽車理論（第3版）.北京：機械工業(yè)出版社, 2005.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年1月3日。

主題詞:機械變速器工作油溫檢測試驗臺

Development of Temperature Rise Test System of Automotive Mechanical Transmission Lubricating Oil

Tian Shaopeng, Zhao Shuang
（Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components, Wuhan University of Technology, Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan 430070）

【Abstract】The authors design an electrically closed test bench with DC-bus to feed-back transmission oil rise to detect the maximum operating temperature of transmission oil of mini vehicle. The structure of this test bench, test principle, communication method, data acquisition process as well as programming software of the host computer the lower computer are introduced. The temperature detection results show that the test bench can accurately test working temperature of transmission oil with high efficiency at high revolution and without externally forced heat dissipation, and the loaded generator can generate power during idling of temperature rise test.

Key words:Mechanical transmission, Working oil temperature, Test bench

基金項目：國家科技部“863”項目（2011AA11A260）。

中圖分類號:U467.4+1

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）04-0045-04