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間、耗資金，因此本文以試驗(yàn)臺的測控系統(tǒng)為基礎(chǔ)模擬換擋時的實(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)械式自動變速器(AMT)換擋性能測試試驗(yàn)臺可對工業(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 換擋時間t

換擋時間是指TCU(變速箱電控單元)接收到換擋指令時從離合器分離到離合器結(jié)合所需的時間，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擋時間要盡量少［2］，但換擋時間過少又會引起較大的沖擊。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。

換擋時間的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:t1為離合器分離時間;t2為摘空擋時間;t3為選擋時間;t4為換擋時間;t5為離合器接合時間。t2，t3，t4之和是換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行換擋動作所需的時間。AMT換擋過程的換擋時間由離合器分離、接合時間和換擋執(zhí)行時間組成，而換擋機(jī)構(gòu)執(zhí)行時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)動的。換擋過程中，換擋軸和換擋撥頭由換擋電機(jī)驅(qū)動，并由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為撥塊的直線運(yùn)動以實(shí)現(xiàn)換擋。選擋過程中，選擋電機(jī)驅(qū)動換擋軸軸向運(yùn)動實(shí)現(xiàn)選擋動作［3-5］。結(jié)合選換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，選取蝸輪蝸桿為電動機(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)動電機(jī)［3］。電動機(jī)運(yùn)行時，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。這就是電動執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動方程。對于三相橋式主電路兩兩通電方式的電動機(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)行選換擋操作時電機(jī)電流I也越小，此時有較好的換擋性能。

1.3 選換擋位移

圖1為某手動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個明顯的峰值:峰值1是由于在退擋時互鎖、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在原有的手動變速器上通過加裝由微機(jī)控制的自動操作機(jī)構(gòu)，取代原來由人工完成的操作，自動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中存儲的最佳換擋規(guī)律實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效的自動換擋。

2.2 AMT試驗(yàn)臺功能以及工作原理

試驗(yàn)臺完成AMT自動換擋的功能性驗(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)行自動換擋。

圖2 AMT試驗(yàn)臺工作原理

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)過程中會涉及到試驗(yàn)臺多個部分的協(xié)調(diào)運(yùn)行。為保證測量有較高的實(shí)時性與精確度，試驗(yàn)臺采用工控機(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)臺狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集顯示和存儲、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間如表1～3所示。

表1 樣機(jī)A換擋時間統(tǒng)計(jì)

表2 樣機(jī)B換擋時間統(tǒng)計(jì)

表3 樣機(jī)C換擋時間統(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，3個樣機(jī)的換擋時間較為接近;當(dāng)1擋升2擋時，樣機(jī)A和樣機(jī)C換擋時間比較接近，而樣機(jī)B為0.575 s，換擋時間明顯大于另外2個樣機(jī)。在換擋測試過程中，樣機(jī)B在換擋時具有很大的沖擊噪聲，而換擋時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個樣機(jī)在1擋升2擋時的選換擋電流曲線，如圖5所示。

從圖5可以看出:3個樣機(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個樣機(jī)，而且選擋電流持續(xù)時間較長，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)臺測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過長時間運(yùn)行之后，各測試曲線正常，自動化程度高，能夠較好地滿足換擋性能測試的要求。

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