徐小東，楊柳青，王楠楠

(安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051)

現(xiàn)代乘用車越來越多地搭載了自動變速器，即人們常說的自動檔車。據(jù)統(tǒng)計，目前乘用車市場上，將近75%的車輛屬于自動變速器車輛。自動變速器是汽車動力傳遞系統(tǒng)中的重要總成部件，它的作用不僅僅是對發(fā)動機的輸出動力進行變速、變扭、變向和動力中斷，更是實現(xiàn)了汽車的自動換檔，使車輛的駕控更加便捷，極大地緩解了駕駛?cè)藛T的操控難度和勞動強度。

自動變速器在給車輛的駕駛帶來便捷的同時，自身在結(jié)構(gòu)方面具有很強的復(fù)雜性，它涉及液力傳動、機械傳動、液壓傳動、計算機控制等機電液一體化多重技術(shù)，裝配精密,結(jié)構(gòu)緊湊。自動變速器性能的好壞，對于汽車底盤乃至整車的性能有著極大的影響。在技術(shù)研發(fā)、故障診斷、售后維修、技術(shù)培訓(xùn)過程中，經(jīng)常需要對自動變速器進行失速、時滯、油壓等性能試驗[1]。其中，失速試驗作為自動變速器的一項綜合性能反映的重要試驗，目前還主要停留在就車試驗的狀態(tài)。在車失速試驗過程中，人員不能直觀地面對試驗對象，造成抽象、迷茫的感覺。而且由于自動變速器安裝在汽車的底盤下面，整機拆裝很麻煩，不利于自動變速器的研發(fā)、維修和教學(xué)等工作。同時失速保護程序在車輛上的進一步應(yīng)用，使得部分車輛無法進行汽車失速試驗。本文從臺架著手，以電機作為驅(qū)動源，采用傳感信息采集技術(shù)，構(gòu)建一種系統(tǒng)性的自動變速器的失速試驗臺架，在此臺架上進行汽車自動變速器的失速性能試驗，針對試驗數(shù)據(jù)進行分析，對自動變速器的性能作出科學(xué)性的技術(shù)評判，為自動變速器的優(yōu)化設(shè)計、售后維修、技術(shù)培訓(xùn)教學(xué)等提供良好的技術(shù)平臺與手段。

1 試驗臺架的硬件系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 失速試驗及其目標(biāo)

自動變速器失速試驗，是在前進檔或倒檔時讓車輛保持不行駛的狀態(tài)，急踩加速踏板至底，讓發(fā)動機處于最大轉(zhuǎn)矩工況下，渦輪因負(fù)載過大而停止轉(zhuǎn)動，但泵輪和液力變矩器殼體隨發(fā)動機一起轉(zhuǎn)動，這種工況稱為失速工況，此時發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速為失速轉(zhuǎn)速。通過失速試驗可以檢查發(fā)動機輸出功率大小、液力變矩器性能好壞、油泵性能好壞、D檔和R檔的離合器或制動器工作是否正常等技術(shù)問題[2]。

1.2 失速試驗臺架的硬件系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)失速試驗的需求分析，采用模塊化理念構(gòu)建自動變速器的失速試驗臺架。臺架的硬件部分主要由自動變速器模塊、臺架驅(qū)動模塊、系統(tǒng)加載模塊、自由加速模塊、測控與信息采集模塊、系統(tǒng)冷卻模塊、數(shù)據(jù)記錄與顯示模塊七大部分組成，系統(tǒng)硬件組成模塊框圖如圖1所示。

圖1 汽車自動變速器失速試驗臺架硬件系統(tǒng)構(gòu)建框圖

1.2.1 自動變速器模塊

自動變速器模塊是臺架系統(tǒng)的測試對象，本模塊包括待測試的自動變速器以及自動變速器的裝卸系統(tǒng)，自動變速器的安裝系統(tǒng)具有較大程度上的通用性能，位置間距能夠調(diào)整，滿足不同類型的自動變速器在臺架進行試驗測試。

1.2.2 臺架驅(qū)動模塊

臺架驅(qū)動模塊屬于臺架的動力系統(tǒng)，該模塊采用多頻電機作為自動變速器的拖動電機，試驗過程中模擬發(fā)動機驅(qū)動自動變速器運轉(zhuǎn)。本模塊包括變頻調(diào)速器、電動機、電機控制器等部件。工作電源采用380 V工頻交流電；電機采用功率7.5 kW的三相變頻電機；工作電流在0～15 A區(qū)間連續(xù)可調(diào)；變頻調(diào)速器滿足一般發(fā)動機的轉(zhuǎn)速要求，在0～7 000 r·min-1區(qū)間連續(xù)可調(diào)。

1.2.3 系統(tǒng)加載模塊

系統(tǒng)加載模塊是在試驗過程中用于對自動變速器進行負(fù)荷加載的設(shè)備，它能夠模擬道路的一般阻力，用于檢查自動變速器的各個檔位的換檔執(zhí)行情況，同時也能實現(xiàn)自動變速器輸出軸的強制鎖止，以便于失速性能測試。該模塊包括渦流測功機、電渦流加載控制器等。其中，電渦流測功機：試驗臺的加載機，根據(jù)市場一般的變速器使用情況，加載機采用功率為40 kW、扭矩0～260 N·m、轉(zhuǎn)速0～7 000 r·min-1、電流0～30 A的電渦流測功設(shè)備。

1.2.4 自由加速模塊

根據(jù)失速試驗及其目標(biāo)，失速試驗過程是一個發(fā)動機油門急加速的過程。在試驗臺架上設(shè)置一個自由加速模塊，本模塊是為了實現(xiàn)自動變速器拖動電機的急加速操作用的，該模塊包括加速踏板、聯(lián)動機構(gòu)以及電機急加速指令的信號轉(zhuǎn)換器等部件。試驗過程中，電機加速等效于發(fā)動機節(jié)氣門從2%(怠速)到100%的加速信號過程，如圖2所示。

圖2 電機加速與發(fā)動機節(jié)氣門位置變化的等效圖

1.2.5 測控與信息采集模塊

測控與信息采集模塊負(fù)責(zé)試驗過程中臺架的測量控制及相關(guān)試驗數(shù)據(jù)的采集工作，具備數(shù)據(jù)的采集和處理功能，可以實現(xiàn)變頻電機和自動變速器運行數(shù)據(jù)的采集顯示、系統(tǒng)效率測試與監(jiān)控、電機電流與電壓波形的再現(xiàn)、最高轉(zhuǎn)速與時間測試等。本模塊所采集的測量參數(shù)有：

(1)試驗條件參數(shù)：①自動變速器的油溫T0；②自動變速器與加載系統(tǒng)的冷卻液溫度Tf；③檔位信息參數(shù)，包括D檔或R檔。

(2)失速數(shù)據(jù)參數(shù)：①失速轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；②失速時間(控制在0～5 s范圍內(nèi))。

測控與信息采集模塊設(shè)置兩臺工控機來完成工作，兩個計算機之間通過RS485總線進行數(shù)據(jù)交換，采用了基于CAN總線的采集設(shè)備，該設(shè)備包括熱電阻采集模塊、霍爾接近式開關(guān)傳感器、A/D采集模塊、計時模塊等，具有可靠性好、精度高、通訊協(xié)議簡單、抗干擾性強等優(yōu)點[3]，如圖3所示。

圖3 測控與信息采集模塊圖

1.2.6 系統(tǒng)冷卻模塊

自動變速器試驗臺架的冷卻系統(tǒng)采取水冷和風(fēng)冷相結(jié)合方式進行，對于臺架上的變頻拖動電機，設(shè)置一臺鼓風(fēng)機，對其采用風(fēng)冷的方式。對于自動變速器及電渦流測功機部分，采用水冷的形式。在水冷循環(huán)中，設(shè)置一個專用的較大容量的冷卻水箱，保證不同的測試對象和測功機在不同的運行工況下均有足夠的冷卻水。加強臺架系統(tǒng)的降溫，確保冷卻效果良好。臺架冷卻系統(tǒng)模塊包括冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、冷卻控制器、鼓風(fēng)機等部件。

1.2.7 數(shù)據(jù)記錄與顯示模塊

數(shù)據(jù)記錄與顯示模塊主要功能是在失速試驗過程中，將失速數(shù)據(jù)記錄并保持最大峰值，通過數(shù)顯儀表動態(tài)顯示出來，并連接打印機，適時打印出試驗數(shù)據(jù)。本模塊包括LED顯示器、數(shù)據(jù)動態(tài)顯示與峰值捕捉控制器、數(shù)據(jù)及波形打印機等設(shè)備。

2 試驗臺架的軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 試驗需求分析

自動變速器失速試驗在臺架上進行操作過程中，需要滿足以下步驟需求：

(1)啟動電機，驅(qū)動自動變速器運轉(zhuǎn)；

(2)預(yù)熱變速箱，至油溫達到50～80℃試驗條件；

tere kümün ?ɡd?r(??ɡed?r)tere tuqai ü (那個人昨天就把那件事說了)

(3)關(guān)閉變頻電機，暫停變速器的運轉(zhuǎn)；

(4)通過臺架的加載系統(tǒng)使自動變速器的輸出軸處于制動狀態(tài)；

(5)將自動變速器的換檔手柄置于D檔位置；

(6)再次啟動電機，給節(jié)氣門輸出2%信號，使其保持(850±50) r·min-1，模擬怠速運轉(zhuǎn)工況；

(7)通過自由加速模塊對電機進行急加速，給節(jié)氣門輸出100%信號；保持不超過5 s時間；

(8)采集變頻電機的最高轉(zhuǎn)速值，記為前進檔失速轉(zhuǎn)速值nD；

(9)對電機進行減速至2%信號運轉(zhuǎn)；

(10)將變速手柄置于N檔的位置；

(11)保持電機怠速運轉(zhuǎn)至少3 min以上(取5 min)，以便ATF(自動變速器油)冷卻[4]；

(12)將變速手柄置于R檔位置；

(13)重復(fù)(7)操作；

(14)采集變頻電機的最高轉(zhuǎn)速值，記為倒檔失速轉(zhuǎn)速值nR；

(15)對電機進行減速至2%信號并關(guān)機；

(16)試驗結(jié)束。

2.2 失速測試軟件程序

失速試驗測試軟件是自動變速器臺架失速試驗過程的測控軟件程序，采用功能強大又靈活方便的LabVIEW程序開發(fā)環(huán)境，LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種用圖標(biāo)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言。LabVIEW采用數(shù)據(jù)流編程方式，程序框圖中節(jié)點之間的數(shù)據(jù)流向決定了VI及函數(shù)的執(zhí)行順序。VI指虛擬儀器，是LabVIEW的程序模塊。LabVIEW運用圖形化編輯語言G代碼編寫程序，產(chǎn)生框圖式程序形式[5]。

LabVIEW程序開發(fā)提供所需的外觀與傳統(tǒng)儀器(如示波器、萬用表)類似的控件，可以靈活地創(chuàng)建用戶界面。使用圖標(biāo)和連線，通過編程對用戶界面上的對象進行控制。LabVIEW的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖。

自動變速器失速試驗軟件程序框圖如圖4所示。

圖4 自動變速器臺架失速試驗測試程序框圖

3 臺架試驗誤差分析與解決思路

3.1 誤差分析

在臺架上采用電機驅(qū)動的自動變速器失速試驗與實車試驗具有一定的環(huán)境差異，試驗過程中可能存在以下誤差：(1)電動機與內(nèi)燃機特性曲線差異所帶來的驅(qū)動性能方面誤差影響；(2)電動機與內(nèi)燃機加速起訖點位置的等效性誤差；(3)失速過程中電機轉(zhuǎn)速最大值抓取誤差。

3.2 解決思路

(1)電機與自動變速器實現(xiàn)科學(xué)匹配。根據(jù)市場變速器的一般技術(shù)參數(shù)特征，在功率、扭矩、速度特性等方面選擇與之匹配的電動機與變頻器，并進行參數(shù)配置優(yōu)化，最大程度地滿足與內(nèi)燃機驅(qū)動力的等效性[6]。

(2)電機自由加速踏板的極限點設(shè)置。因為失速試驗是在油門踏板自由加速到底的狀態(tài)下測試發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速的，當(dāng)采用電機驅(qū)動時，設(shè)置起始點為電機轉(zhuǎn)速800 r·min-1位置，此點相當(dāng)于發(fā)動機的怠速位置，終點取加速極限位置，此點相當(dāng)于發(fā)動機油門行程終點位置。

(3)轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由單片機、光電式轉(zhuǎn)速傳感器、信號處理電路等部件組成。在轉(zhuǎn)速抓取過程中，利用光電式轉(zhuǎn)速傳感器抓取轉(zhuǎn)速信號，通過信號處理電路對傳感器輸出進行信號調(diào)理，再利用16位單片機對處理過的轉(zhuǎn)速脈沖信號進行測試與數(shù)據(jù)處理，并對失速過程時間段內(nèi)的瞬時轉(zhuǎn)速進行連續(xù)存儲，最后輸出最高轉(zhuǎn)速峰值[7]。

4 臺架失速試驗與數(shù)據(jù)分析

4.1 臺架失速試驗

根據(jù)上述臺架軟硬件的構(gòu)建思路，采用380 V工頻交流電作為臺架電源；選取功率7.5 kW的三相變頻電機作為驅(qū)動電機，工作電流在0～15 A區(qū)間連續(xù)可調(diào)；變頻調(diào)速器采取滿足一般電動機的轉(zhuǎn)速要求，在0～7 000 r·min-1區(qū)間連續(xù)可調(diào)；試驗臺加載模塊采用功率為40 kW、扭矩為0～260 N·m，轉(zhuǎn)速在0～7 000 r·min-1區(qū)間、電流在0～30 A區(qū)間的電渦流測功設(shè)備作為加載機。試驗臺架主體安裝如圖5所示[8]。

圖5 自動變速器失速試驗臺架安裝圖

測試臺架設(shè)置友好交互的操控面板，能夠適時顯示檔位、速度、溫度與轉(zhuǎn)速信號，并設(shè)置緊急停機按鈕，以確保試驗過程的系統(tǒng)安全，控制臺面板如圖6所示。

圖6 自動變速器失速試驗測試控制臺面板

按照失速試驗的操作流程，在試驗臺架上進行試驗操作，試驗臺架在判斷試驗條件具備以后，根據(jù)預(yù)設(shè)的軟件測試程序完成失速試驗步驟，并記錄下試驗數(shù)據(jù)以供技術(shù)分析。

4.2 試驗數(shù)據(jù)分析

在獲取了臺架的失速試驗數(shù)據(jù)以后，再根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進行故障分析。在實際測試中，變速器主要通過失速數(shù)據(jù)來判斷自動變速器的技術(shù)狀態(tài)，即判斷自動變速器是否存在著某些故障。臺架試驗實時采集了自動變速器在前進檔、倒檔兩種檔位下的失速試驗數(shù)據(jù)。該失速試驗數(shù)據(jù)可以用來評判驅(qū)動裝置輸出功率的大小、自動變速器中變矩器性能的好壞、自動變速器中離合器或制動器是否存在打滑等技術(shù)問題。將自動變速器的臺架失速數(shù)據(jù)和汽車維修手冊上的標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，有3種情況：明顯高于標(biāo)準(zhǔn)值、明顯低于標(biāo)準(zhǔn)值、基本吻合標(biāo)準(zhǔn)值。為正確評價自動變速器的技術(shù)狀況，需科學(xué)客觀地對試驗采集的數(shù)據(jù)進行診斷。

不同車型自動變速器的失速標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)在維修手冊中都會標(biāo)明，低的有1 200 r·min-1，高的有2 800 r·min-1，大部分標(biāo)準(zhǔn)值都處在2 000～2 500 r·min-1范圍。現(xiàn)以本田汽車自動變速器為例進行分析，該車自動變速器失速轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)值為(2 200±50) r·min-1當(dāng)試驗數(shù)據(jù)與該范圍吻合，表示自動變速器中的油泵、主油路油壓以及各執(zhí)行器的工作情況均處于正常狀態(tài)[9]。反之，意味著自動變速器性能出現(xiàn)異常。具體數(shù)據(jù)故障分析如表1所示[10]。

表1 自動變速器失速試驗數(shù)據(jù)故障分析

5 結(jié)語

綜上所述，本文采用模塊化構(gòu)建試驗臺架的驅(qū)動、加載、數(shù)據(jù)采集等硬件系統(tǒng)，結(jié)合失速試驗需求，利用LabVIEW環(huán)境，設(shè)計臺架軟件系統(tǒng)，研究試驗過程的誤差及解決辦法，根據(jù)臺架試驗結(jié)果恰當(dāng)?shù)胤治鲎詣幼兯倨髦邢鄳?yīng)部件的技術(shù)狀況?；谂_架的自動變速器失速試驗?zāi)軌蛴行Ы鉀Q實車試驗中存在的弊端，為自動變速器的研發(fā)、故障診斷、維修以及專業(yè)培訓(xùn)教學(xué)提供了良好的技術(shù)平臺。