王永亮

摘 要： 主要討論了汽車變速器故障診斷測試平臺的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方案。該方案既借鑒傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法又結(jié)合最新的電功率封閉的設(shè)計(jì)思路，在控制上采用兩級控制方案，完整實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)臺的現(xiàn)場控制、數(shù)據(jù)采集、存儲和分析處理功能，為變速器實(shí)時故障診斷方法的研究提供了一個良好的研究平臺。

關(guān)鍵詞： 汽車變速器；故障診斷；電功率封閉

中圖分類號： TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

文章編號： 16723198（2013）06017002

0 引言

汽車變速器是汽車底盤傳動系中的重要組成部分，其功能主要包括改變傳動比、實(shí)現(xiàn)汽車倒退行駛、切斷動力傳遞等方面，變速器性能的好壞直接影響到汽車傳動系的性能，關(guān)系到整車的質(zhì)量。正是因?yàn)槠囎兯倨髟谄嚳偝芍械闹匾匚?，所以汽車變速器的故障診斷技術(shù)一直都倍受關(guān)注。目前德國的DISCOM和Reilhofer KG公司已有相應(yīng)的振動分析診斷產(chǎn)品面市，但其功能和通用性仍然需要進(jìn)一步完善，并且由于價(jià)格昂貴，并不適用于我國的大部分變速器生產(chǎn)廠商。我國目前已有少數(shù)科研機(jī)構(gòu)對變速器故障診斷系統(tǒng)開展了研究，但是其精度和知識發(fā)現(xiàn)能力都有待提高。成熟的故障診斷系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)過程中的應(yīng)用還不多見，我國許多變速器生產(chǎn)廠家還是采用非常原始的手段來對故障進(jìn)行檢測，即通過聽取變速器試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中是否有異響來判斷，這種方式很大程度上依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)，具有很強(qiáng)的主觀性和不規(guī)范性。所以開發(fā)出一種實(shí)用的汽車變速器故障診斷系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)平臺的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

本文設(shè)計(jì)的汽車變速器故障診斷測試平臺是一個用來對汽車變速器故障診斷方法進(jìn)行有效性測試和改良的平臺。該測試平臺能夠驅(qū)動變速器運(yùn)轉(zhuǎn)，可以模擬實(shí)際路況下的變速器運(yùn)行工況，可以對汽車變速器的某些基本性能指標(biāo)進(jìn)行測試。這也是汽車變速器故障診斷測試平臺所必備的前提條件。測試平臺為汽車變速器故障診斷方法的研究建立起數(shù)據(jù)采集通道，可以采集汽車變速器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的各種參數(shù)，例如振動、噪聲及溫度等，作為故障診斷的實(shí)時數(shù)據(jù)，可為各種不同故障診斷方法提供一個一致性的測試平臺。

本文所開發(fā)的汽車變速器故障診斷測試平臺由機(jī)械臺架、測控系統(tǒng)兩大部分組成。圖1所示為測試平臺的總體結(jié)構(gòu)，機(jī)械臺架采用了臥式臺架結(jié)構(gòu)，主要由平臺本體、床頭動力驅(qū)動部分和加載電機(jī)部分組成。其中由床頭動力驅(qū)動部分驅(qū)動變速器運(yùn)轉(zhuǎn)，通過加載電機(jī)為變速器施加載荷以模擬實(shí)際運(yùn)行工況。測試平臺還包括用于汽車變速器上下測試平臺的輸送輥道、自動舉升裝置及夾緊裝置。

目前在汽車行業(yè)中，用于汽車變速器性能檢測的試驗(yàn)臺主要有機(jī)械功率封閉試驗(yàn)臺和電功率封閉試驗(yàn)臺兩種。由于機(jī)械功率封閉試驗(yàn)臺存在加工量大、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、傳動效率低、能量損耗大、通用性較差等缺點(diǎn)，已逐漸被淘汰。本測試平臺采用的是最新的電功率封閉式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這里電功率封閉是指驅(qū)動部分和加載部分都采用電機(jī)帶動，由于驅(qū)動部分輸入功率和轉(zhuǎn)矩較加載電機(jī)大，所以使得加載電機(jī)工作于發(fā)電狀態(tài)，所發(fā)的電通過直流母線回饋至供電回路，從而起到節(jié)能的作用。圖2為電功率封閉的電路圖。

汽車變速器故障測試平臺的工作原理是將需要測試的變速器經(jīng)過輸送輥道輸送至測試平臺，由自動舉升裝置將其舉升到位，再由夾緊裝置將其夾緊。將變速器的輸入軸和輸出軸與測試平臺連接完畢即可進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。通過測量變速器的輸入、輸出功率，然后得到變速器的傳動效率。

在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時，通過驅(qū)動電機(jī)在電磁離合器的作用下與變速器接合，使變速器運(yùn)轉(zhuǎn)。在需要測試加載時，通過變頻器控制負(fù)載電機(jī)在變速器輸出端對其加載，此時可以通過安裝在驅(qū)動和加載端的扭矩傳感器測得兩端的扭矩，經(jīng)過與轉(zhuǎn)速相乘后即可得到輸入輸出端各自的功率，由兩端的功率可計(jì)算出傳動的效率。汽車變速器故障測試平臺還可實(shí)現(xiàn)換檔調(diào)節(jié)，對不同的檔位進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)測試。除了對各檔位的加減載工況進(jìn)行測試以外，還可以同時測出變速器的輸入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)速、噪聲、傳動比等參數(shù)。通過測得的數(shù)據(jù)來判斷變速器的故障問題。

2 測試平臺測控系統(tǒng)的組成

任何一套機(jī)電液一體化設(shè)備都離不開完整的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也直接決定該測試平臺的使用性能。本汽車變速器故障診斷測試平臺的測控系統(tǒng)包括兩大部分：一是平臺的控制系統(tǒng)；二是平臺的數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)。

圖3所示為測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，平臺的控制系統(tǒng)主要由邏輯控制單元、電機(jī)驅(qū)動單元、人機(jī)接口單元、執(zhí)行單元等組成。邏輯控制單元主要由主控PLC、數(shù)字I/O模塊、模擬量模塊以及通訊模塊等組成；電機(jī)驅(qū)動單元由交流變頻驅(qū)動器、編碼器及變頻交流電機(jī)等組成；人機(jī)接口單元主要由觸摸屏（HMI）組成；執(zhí)行單元主要由液壓系統(tǒng)和開關(guān)單元組成。

汽車變速器故障診斷測試平臺的數(shù)據(jù)采集測試系統(tǒng)主要由傳感器、信號處理單元、數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)測試軟件組成。測控系統(tǒng)采用兩層結(jié)構(gòu)，上位機(jī)通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)與PLC邏輯控制單元和電機(jī)驅(qū)動器相互通訊，收集測試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的基本信息，而作為故障診斷的振動、轉(zhuǎn)速等信號采用單獨(dú)的采集通道進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的處理。

3 測試平臺的測控軟件設(shè)計(jì)

汽車變速器故障診斷測試平臺測控軟件分為兩大部分：一部分是控制系統(tǒng)軟件；另一部分是測試系統(tǒng)軟件。

PLC中的控制程序是控制系統(tǒng)軟件的主體，主要完成PLC系統(tǒng)與上位機(jī)的信息交互、測試平臺的主控、故障報(bào)警發(fā)布及與其它控制設(shè)備的通信等功能?？刂葡到y(tǒng)的工作要根據(jù)上位機(jī)軟件或人機(jī)界面（觸摸屏）提供的指令、現(xiàn)場檢測到的開關(guān)及模擬量信號，發(fā)出相應(yīng)的動作指令，這一系列的動作指令驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對應(yīng)動作，實(shí)現(xiàn)測試內(nèi)容。

采用NI公司的LABVIEW系統(tǒng)作為變速器故障診斷的開發(fā)平臺，先期以PCI4474和PCI-6601數(shù)據(jù)采集卡為應(yīng)用基礎(chǔ)，將兩卡所采集的速度和振動信號作同步處理，并在此基礎(chǔ)上對振動信號作頻譜分析和小波分析，得到變速器不同工作狀態(tài)下的特征向量，并建立起變速器運(yùn)行的特征庫及典型故障的特征庫。在此基礎(chǔ)上據(jù)此平臺對故障診斷方法進(jìn)行有效性測試并進(jìn)行改進(jìn)。圖4為平臺數(shù)據(jù)采集及故障診斷方案。

4 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)方案針對變速器這一特殊產(chǎn)品進(jìn)行，功能包括變速器的性能檢測和故障診斷檢測兩部分。實(shí)踐應(yīng)用表明，測試平臺在操控性和功能實(shí)現(xiàn)的靈活性等方面較以往傳統(tǒng)的試驗(yàn)臺都有很大的提高。在系統(tǒng)功能上較以往單一的試驗(yàn)臺又進(jìn)行了補(bǔ)充，可以作為變速器故障診斷的檢測平臺。依據(jù)此平臺可以對變速器實(shí)時運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，并可以在此平臺上開發(fā)不同的故障診斷方法同時進(jìn)行相應(yīng)的比較驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的變速器故障診斷技術(shù)。通過檢驗(yàn)的故障診斷方法可以直接嵌入到汽車的電子控制單元當(dāng)中，在車輛的運(yùn)行過程中對變速器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控及報(bào)警等。從這個角度上，此測試平臺的建設(shè)具有很強(qiáng)的實(shí)踐意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬才伏.汽車底盤構(gòu)造[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.

[2]王奉濤，馬孝江.汽車變速箱性能檢測與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（6）：382384.

[3]廖軍.汽車變速箱系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺的分析研究[J].廣西機(jī)械，2000，（4）：3133.