變速器氣閥卡滯檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

高建敏，馬凱凱，陳文仁，王曉亮

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119）

主副箱結(jié)構(gòu)的變速箱在進(jìn)行高、低擋切換過(guò)程中，氣閥（單H氣閥、雙H氣閥等）的正常開(kāi)啟與關(guān)閉，直接決定了換擋是否能夠順利完成[1]。若氣閥偶爾出現(xiàn)閥芯卡滯或者回位緩慢，駕駛員無(wú)法發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題，其繼續(xù)完成換擋，此時(shí)閥芯再回位的話(huà)，副箱同步器因“主箱已經(jīng)掛擋并傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩”將無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步，持續(xù)摩擦將導(dǎo)致摩擦材料脫落，最終導(dǎo)致高低擋轉(zhuǎn)換異響和副箱同步器的損壞（近似于搶擋操作）[2]。因此，單H氣閥、雙H氣閥是變速箱副箱換擋氣路中十分重要的組成部分，針對(duì)其卡滯檢測(cè)要求，設(shè)計(jì)了變速箱用氣閥卡滯檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架[3]。

而現(xiàn)有技術(shù)對(duì)氣閥的檢測(cè)主要是對(duì)其耐久性壽命的考察，無(wú)法對(duì)其過(guò)程量進(jìn)行檢測(cè)，尤其是上述偶爾卡滯情況，這樣造成臺(tái)架結(jié)果與實(shí)際氣閥應(yīng)用工況有差別，無(wú)法對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行評(píng)估[4]。另一方面若通過(guò)在做變速器整箱壽命試驗(yàn)來(lái)考察包括氣閥在內(nèi)的整個(gè)變速器系統(tǒng)是否存在問(wèn)題，則存在變量過(guò)多，無(wú)法聚焦的問(wèn)題。因此，該氣閥卡滯試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)置是非常必要的。

基于以上技術(shù)缺陷，該試驗(yàn)臺(tái)架可檢測(cè)到氣閥偶爾出現(xiàn)的卡滯并記錄相關(guān)的參數(shù)，所得到的數(shù)據(jù)可以用于評(píng)判氣閥的性能和氣閥出現(xiàn)卡滯的幾率，對(duì)于優(yōu)化整個(gè)高、低擋換擋氣動(dòng)系統(tǒng)有很好的幫助[5]，從而對(duì)于設(shè)計(jì)工作者新開(kāi)發(fā)的氣閥或者改進(jìn)的氣閥提供數(shù)據(jù)支持，對(duì)于改進(jìn)后的效果也能很好地評(píng)判。要求氣閥卡滯檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)在氣閥進(jìn)行耐久性壽命試驗(yàn)的同時(shí)，可同時(shí)檢測(cè)到氣閥偶爾出現(xiàn)的卡滯并記錄相關(guān)的參數(shù)。副箱氣缸會(huì)采用單H氣閥或雙H氣閥換擋，因此，要求試驗(yàn)臺(tái)可對(duì)單 H和雙 H兩種氣閥進(jìn)行氣閥卡滯檢測(cè)。雙H氣閥換擋時(shí)，需要操縱裝置對(duì)其桿頂給一個(gè)力推動(dòng)閥芯，選擇高低擋，不同操縱機(jī)構(gòu)掛擋行程不同，所產(chǎn)生的力也不同，因此，要求對(duì)操縱機(jī)構(gòu)掛擋進(jìn)行模擬[6]。此外，試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)能測(cè)試不同環(huán)境溫度下氣路控制閥的功能。

1 氣閥卡滯檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架總體設(shè)計(jì)

要求氣閥卡滯檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)在氣閥進(jìn)行耐久性壽命試驗(yàn)時(shí)，可同時(shí)檢測(cè)到氣閥偶爾出現(xiàn)的卡滯并記錄相關(guān)的參數(shù)。副箱氣缸會(huì)采用單H氣閥或雙H氣閥換擋，因此，要求試驗(yàn)臺(tái)可對(duì)單H和雙H兩種氣閥進(jìn)行氣閥卡滯檢測(cè)。雙H氣閥換擋時(shí)，需要操縱裝置對(duì)其桿頂給一個(gè)力推動(dòng)閥芯，選擇高低擋，不同操縱機(jī)構(gòu)掛擋行程不同，所產(chǎn)生的力也不同，因此，要求對(duì)操縱機(jī)構(gòu)掛擋進(jìn)行模擬[7]。此外，試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)能測(cè)試不同環(huán)境溫度下氣路控制閥的功能。

氣閥卡滯檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)主要包括控制器1、氣路控制柜2和氣閥卡滯試驗(yàn)臺(tái)架三部分。

圖1 氣閥卡滯試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

控制器1通過(guò)氣路控制柜2對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架上的動(dòng)作進(jìn)行控制，并收集、記錄臺(tái)架上反饋的相關(guān)信息，反過(guò)來(lái)再控制試驗(yàn)臺(tái)架上的動(dòng)作，形成閉環(huán)控制。試驗(yàn)臺(tái)架包括單H閥檢測(cè)系統(tǒng)和雙H閥檢測(cè)系統(tǒng)兩部分，控制器通過(guò)控制主氣路控制電磁閥，控制系統(tǒng)進(jìn)行單H閥檢測(cè)還是雙H閥檢測(cè)。當(dāng)主氣路控制電磁閥控制單H閥控制電磁閥及單H氣閥（待檢測(cè)實(shí)驗(yàn)件）開(kāi)啟時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行單H閥檢測(cè)，單H閥控制電磁閥4為單H閥提供在掛擋過(guò)程中所需不同的氣壓。當(dāng)主氣路控制電磁閥控制雙H閥（待檢測(cè)實(shí)驗(yàn)件）及氣缸換向電磁閥14開(kāi)啟時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行雙 H閥檢測(cè)，控制器 15與氣路控制柜部分連接及試驗(yàn)臺(tái)架的氣缸換向電磁閥 14連接，通過(guò)人機(jī)交互以及控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）總線(xiàn)通信，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較和計(jì)算，按照事先設(shè)定好的位移與力的參數(shù)，把反饋信號(hào)分別傳輸給氣路控制柜中的主氣路控制電磁閥 3、單 H閥控制電磁閥4及試驗(yàn)臺(tái)架上的氣缸換向電磁閥14，通過(guò)控制氣缸換向電磁閥 14，來(lái)控制換擋氣缸 16的力與位移，這樣就滿(mǎn)足了操作人員對(duì)操縱裝置進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)整。試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)不同的連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以與多個(gè)不同掛擋行程操縱裝置要求的單H氣閥和雙H氣閥聯(lián)接，同時(shí)完成各種單H氣閥和雙H氣閥測(cè)試的試驗(yàn)。

2 氣閥卡滯檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)成及其工作原理

為實(shí)現(xiàn)氣閥卡滯試驗(yàn)臺(tái)的各項(xiàng)試驗(yàn)和檢測(cè)功能，設(shè)計(jì)氣閥卡滯檢系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)（如圖1所示），試驗(yàn)臺(tái)主要包括雙H閥檢測(cè)系統(tǒng)和單H閥檢測(cè)系統(tǒng)。這兩個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，又相互關(guān)聯(lián)，裝配時(shí)可以模塊化安裝，方便維修和零部件的更換。

2.1 單H閥檢測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由單 H閥（待檢測(cè)實(shí)驗(yàn)件）8及副箱換擋氣缸9組成。單H閥（待檢測(cè)實(shí)驗(yàn)件）驅(qū)動(dòng)副箱換擋氣缸9，提供氣壓動(dòng)力，其中配備了氣壓檢測(cè)傳感器5、6、7可以實(shí)時(shí)檢測(cè)單H閥進(jìn)氣口及出氣口的氣壓及變化時(shí)間，并把壓力數(shù)據(jù)傳遞給控制器。系統(tǒng)中單 H閥的工作原理如圖2所示，實(shí)驗(yàn)室氣源通過(guò)主氣路控制電磁閥3向單H閥進(jìn)氣口提供試驗(yàn)需求的氣壓，當(dāng)工控機(jī)通過(guò)控制口C使得進(jìn)氣口和出氣口21接通時(shí)，則低擋氣管接通，控制副箱氣缸進(jìn)行低擋換擋。相似地，工控機(jī)控制進(jìn)氣口和出氣口22接通，則為高擋換擋。在此過(guò)程中分別接在出氣口21、22以及控制口C的氣壓傳感器5、6和7實(shí)時(shí)檢測(cè)到氣壓值，并把壓力值及其變化時(shí)間傳遞給控制器15，通過(guò)對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較和計(jì)算，對(duì)比設(shè)定的高低擋換擋氣壓值以及高低擋換擋時(shí)間，判斷氣閥是否卡滯，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)氣閥卡滯試驗(yàn)臺(tái)單H閥的檢測(cè)。

圖2 單H閥檢測(cè)氣路

2.2 雙H閥檢測(cè)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由雙H閥（待檢測(cè)實(shí)驗(yàn)件）10、副箱換擋氣缸16、變速箱雙H操縱裝置11及換擋氣缸16組成。系統(tǒng)中雙H閥的工作原理如圖3所示，換擋氣缸16通過(guò)傳動(dòng)桿系12為變速箱雙H操縱裝置 11提供換擋力，變速箱雙 H操縱裝置11通過(guò)雙H頂桿位置來(lái)控制雙H閥（待檢測(cè)實(shí)驗(yàn)件）10的閥芯位置，雙H閥（待檢測(cè)實(shí)驗(yàn)件）驅(qū)動(dòng)副箱換擋氣缸9，提供氣壓動(dòng)力。其中配備了氣壓檢測(cè)傳感器5、6、7可以實(shí)時(shí)檢測(cè)雙H閥高擋氣管和低擋氣管的壓力值及其變化時(shí)間，所得到的數(shù)據(jù)可以用于評(píng)判氣閥的性能和氣閥出現(xiàn)卡滯的概率，實(shí)現(xiàn)氣閥卡滯試驗(yàn)臺(tái)雙H閥的檢測(cè)。

圖3 雙H閥檢測(cè)氣路

該系統(tǒng)采用了帶限位的換擋氣缸16來(lái)滿(mǎn)足不同掛擋行程操縱裝置力的模擬。如圖1所示，氣缸換向電磁閥14的開(kāi)啟和關(guān)閉通過(guò)主氣路控制電磁閥3的通斷電進(jìn)行控制，通過(guò)控制器1對(duì)其傳遞信號(hào)，控制氣缸換向電磁閥14的換向和開(kāi)口的變化，從而控制換擋氣缸（帶限位）14的運(yùn)動(dòng)方向和速度。根據(jù)電比例換向閥的特點(diǎn)，它能按照電氣信號(hào)連續(xù)的、按比例對(duì)氣缸的壓力、流量或方向，從而能夠?qū)崿F(xiàn)換擋氣缸（帶限位）達(dá)到要求的位移和推力。氣缸換向電磁閥14的兩端安裝有氣缸位置傳感器 13、15，能實(shí)時(shí)檢測(cè)電磁閥芯運(yùn)動(dòng)的距離，從而檢測(cè)電比例換向閥14換向距離，這些檢測(cè)到的數(shù)據(jù)又傳輸給控制器15，控制器15完成數(shù)據(jù)的分析比較和計(jì)算，再反過(guò)來(lái)把所產(chǎn)生的指令繼續(xù)發(fā)給電磁閥芯，從而更精確地控制電磁閥芯，完成閉環(huán)控制。這樣就模擬了操縱裝置在掛擋過(guò)程中掛擋力的變化，從而控制雙H閥（待檢測(cè)實(shí)驗(yàn)件）10的頂桿位置。

試驗(yàn)臺(tái)的氣路控制部分和執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別集成在氣路控制柜內(nèi)及試驗(yàn)臺(tái)架上，功能分開(kāi)，結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，降低了整個(gè)系統(tǒng)的初始成本，同時(shí)維修方便。

3 特殊工況及延伸使用

對(duì)于壽命試驗(yàn)要求，根據(jù)氣閥不同的工況，還必須做高、低溫試驗(yàn)[8]，希望即使在極熱、極寒等惡劣的天氣中，氣閥也能滿(mǎn)足功能性的要求，并且達(dá)到一定的壽命要求，這就需要將被測(cè)氣閥放置在溫控箱中。通過(guò)連接的快換接頭，安裝簡(jiǎn)單方便。

如果試驗(yàn)室的空間條件允許，我們也希望試驗(yàn)臺(tái)架可以同時(shí)并聯(lián)安裝多套副箱換擋氣缸，雙H操縱裝置及換擋氣缸（帶限位），只需分別控制換擋氣缸換向電磁閥。這樣一套試驗(yàn)臺(tái)架可以同時(shí)做多個(gè)單H閥、雙H閥氣閥卡滯試驗(yàn)，同時(shí)不會(huì)相互干涉。對(duì)于這種試驗(yàn)室空間條件允許的情況，只需選擇合適的實(shí)驗(yàn)室氣源，并配備合適數(shù)量的電磁閥。

4 結(jié)論

本文所述變速器氣閥卡滯試驗(yàn)臺(tái)架在進(jìn)行氣閥耐久性壽命試驗(yàn)同時(shí)，可及時(shí)檢測(cè)到氣閥偶爾出現(xiàn)的卡滯并記錄相關(guān)的參數(shù)，多方位的對(duì)氣閥進(jìn)行考察，更適用于對(duì)變速器用氣閥的檢測(cè)。對(duì)于優(yōu)化整個(gè)高、低擋換擋氣動(dòng)系統(tǒng)有很好的幫助，從而對(duì)于設(shè)計(jì)工作者新開(kāi)發(fā)的氣閥或者改進(jìn)的氣閥提供數(shù)據(jù)支持，對(duì)于改進(jìn)后的效果也能很好地評(píng)判。另根據(jù)不同工況需求還可對(duì)該臺(tái)架進(jìn)行拓展，從而更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)變速器用氣閥的更科學(xué)的考察，有效地節(jié)約試驗(yàn)資源及時(shí)間。