基于虚拟仪器技术的汽车离合器从动盘检测平台设计

收稿日期: 2009205225. 基金项目: 吉林省教育厅科技攻关项目 (2005112). 作者简介: 李 静 (1972- ) , 女, 讲师; 研究方向: E2m ail: lj5286 @ 126. com.
项性能进行检测。 通过检测一方面能够确保产品的 出厂合格率, 满足生产检测的要求; 一方面也有助于 离合器从动盘生产厂家准确了解产品的性能, 改善 制造工艺等来提高产品质量, 提高产品的竞争力。目 前, 国外从动盘生产线已经广泛使用自动检测设备, 极大的提高了生产效率和产品质量。 在汽车离合器 测试设备技术方面, 美国的 T itan 公司、V iew Po in t 公司、G reen 公司和英国的 TQ C 公司都研究和开发 出了先进的离合器测试设备, 但价格昂贵。国内对此 类测试仪器的研制刚刚起步, 一般采用手工或半自 动的检测手段, 检测设备大多自动化程度和检测精 度低, 误检率较高, 不仅不能满足批量生产检测的要
中图分类号: U 46715
文献标识码: A 文章编号: 100923443 (2009) 0620633206
D e s ig n of d e te c tion p la tfo rm fo r a u tom ob ile c lu tch d is c b a s e d on v irtua l ins trum e n ts
1 检测平台总体结构设计及工作原理
1. 座架; 2. 台面板; 3. 力矩电机和摩擦传动机构; 4. 扭矩传感器; 5. 位移传感器; 6. 丝杠防转装置; 7. 压力传感器; 8. 蜗轮减速机; 9. 滚珠丝杠; 10. 带花键外锥体
图 1 检测系统组成结构 F ig. 1 Structu re of the test system
基于虚拟仪器技术的汽车离合器从动盘检测平台设计
李 静1, 焦 阳2, 于 淼1
(1. 长春工业大学 机电工程学院, 吉林 长春 130012; 2. 空军航空大学, 吉林 长春 130022)
摘 要: 为了提高检测平台的控制性能, 设计了基于卡尔曼滤波的复合滑模控制算法, 并将其应用于设计的
电控系统。同时, 为了提高检测平台的自动化程度和可靠性, 基于N I 公司虚拟仪器技术开发了检测平台的用
检测平台工作原理及检测步骤如下:
图 2 控制检测系统原理 F ig. 2 B lock diagram of the con tro l and test system
步骤 1 将从动盘总成安装到从动盘总成拖曳 分离测试机中垂直放置的两平行圆板之间的花键轴 上。
步 骤 2 通过加载圆盘向从动盘总成摩擦面施 加规定的预载荷, 平整工件表面, 修正工件的安装倾 斜, 然后退回, 使加载圆盘与从动盘总成分离。
A bs tra c t: To im p rove the con t ro l p erfo rm ance of the detect ion p la tfo rm , a com pound slid ing m ode con t ro l a lgo rithm w a s p ropo sed on the ba sis of the Ka lm an filter and w a s app lied to the designed elect rica l con t ro l system. To m ake the detect ion p la tfo rm sim p le and reliab le, the in terface and da ta acqu isit ion p rog ram s w ere develop ed ba sed on the virtua l in st rum en t s techno logy N 1 com p any. B y the pow erfu l funct ion soft2 w a re, the num ber of the p erip hera l equ ipm en t w a s reduced. T he sim u la t ion and m ea su rem en t resu lt s show tha t the detect ion p recision of d isp lacem et and to rque fo r the detect ion p la tfo rm a re ±01005 mm and ± 0105 N ·m , tha t the accu racy and efficiency have been im p roved and tha t the detect ion p la tfo rm stab le and cred ib le. Ke y w o rds: au tom ob ile; clu tch d isc; slid ing m ode con t ro l; Ka lm an filter; virtua l in st rum en t
离合器是汽车传动系的重要部件, 其主要功用 是切断和实现传动系的动力传递, 其性能直接关系 到汽车的动力、传动和行驶的安全性[ 1 ]。离合器从动 盘是汽车传动系中的一种关键部件, 从动盘的主要 性能一是确保离合器可靠地传递动力; 二是在离合 器规定的分离间隙内确保其分离彻底。 其性能优劣 将直接影响离合器性能。按照汽车行业标准, 从动盘 出厂前必须对它的拖曳分离行程和拖曳分离力矩两
特点: 通过施加预载荷可以纠正安装偏斜造成的试验
误差; 通过准确测量自由转动转矩, 可以准确的判断 从动盘总成的自由转动状态; 可以准确的测量分离 拖曳行程和分离拖曳力矩的数值, 可以测试位移— 压力关系曲线和位移—力矩曲线, 为产品开发和质 量控制、质量问题分析提供详细的数据。
2 基于卡尔曼滤波的复合滑模控制器 设计
步骤 6 将加载圆盘移动至规定位移值 P 3 (P 3 为 P 1 与规定位移值之和) , 向花键轴从M 1 开始逐渐 增大转矩, 直至从动盘转过规定: 基于虚拟仪器技术的汽车离合器从动盘检测平台设计
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矩M 2,M 2 即为分离拖曳转矩。 本离合器从动盘检测平台的测试原理有如下
L I J ing 1, J IA O Y ang 2, YU M iao1
(1. Schoo l of M echa tron ica l Engineering, Changchun U n iversity of T echno logy, Changchun 130012, Ch ina; 2. A ir Fo rce U n iversity, Changchun 130022, Ch ina)
户界面程序和数据采集控制程序, 并利用软件的强大功能, 简化了外围设备。经仿真及实际检测验证, 开发的
检测平台测试精度和检测效率得到了较大提高, 位移和力矩检测精度分别达到了±01005 mm 和±0105
N ·m , 并且运行稳定可靠。
关键词: 汽车; 离合器从动盘; 滑模控制; 卡尔曼滤波; 虚拟仪器
离合器从动盘拖曳分离检测系统采用工控机+ 数据采集控制卡构成系统的控制和检测系统。 为保 证系统运行可靠, 工控机采用研华工控机, 选用性能 较好的 Pen t ium M 118GH z CPU 作为处理器; 数据 采集控制卡采用N I 公司开发的 7830R 数据采集控 制卡, 它采用图形化编程方式编制系统控制程序, 运 用实时模块大大简化编程, 通过共享变量技术与工 控机L abV IEW 监控程序进行数据交换。 这种组成 结构的控制系统, 配置灵活, 能够适应较复杂的控制 系统和高速数据采集系统的要求, 省去了大量的智 能控制仪, 简化了设备, 增强了设备的操作性, 提高 了控制的可靠性, 也降低了成本。控制检测系统原理 如图 2 所示。
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解 放 军 理 工 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
第 10 卷
求, 而且不能保证出厂的合格率[2]。东南大学汽车工 程装备研究所研制的离合器从动盘拖曳和轴向压缩 两功能测试机实现了自动化检测, 但检测精度不高, 与国外同类产品相比仍有较大差距。 在对国内外离 合器从动盘测试设备的工作原理、研究现状及发展 趋势进行深入研究的基础上, 设计了离合器从动盘 检测平台的机械台架, 采用交流伺服电机和力矩电 机、检测、控制元件设计构成了控制与检测硬件系 统。基于N I 公司虚拟仪器技术开发检测系统的用户 界面程序和数据采集控制程序。 经实验和实际使用 验证, 设计的离合器从动盘检测平台实现了位移和 转矩的高速准确控制, 实现了对离合器从动盘的拖 曳分离行程和拖曳分离力矩两项性能快速高精度的 检测, 达到了设计的要求。
步骤3 向花键轴上从零开始施加转矩, 直至从 动盘总成开始旋转, 记录此时转矩, 此转矩对应从动 盘总成的自由转动转矩M 1。
步 骤 4 通过加载圆板向从动盘总成摩擦面加 载到规定工作压紧力, 记录此时位移P 1。
步骤 5 向花键轴加载步骤 3 中测出的自由转 动转矩M 1, 逐渐后退加载圆盘, 直至从动盘开始转 动, 记录此时位移值P 2, 将此位移值减去步骤4 中测 得的 P 1 即为分离拖曳行程测量值。
从动盘拖曳分离检测系统的主要功能是检测从 动盘的拖曳分离行程和拖曳分离力矩这两项关键性 能参数, 为了高效准确的测量这两项参数必须准确 控制和测量加载圆盘的位移和力矩。 离合器从动盘 检测系统轴向位移同时为从动盘检测提供加载压 力, 加载压力的最大变化范围为 2～ 30 kN。 离合器 从动盘检测系统的轴向加载力对位移的控制精度和 动态响应有很大的影响。 在离合器从动盘检测系统 的位移控制回路和力矩控制回路中, 由于存在机械 间隙、伺服电机力矩饱和、导轨摩擦等非线性环节、 系统工作现场存在较大的干扰, 这些因素的综合影 响给位移和力矩的准确控制提出了较高的要求。 在 控制系统中, 控制算法从某种程度上决定了控制系 统的性能, 性能优异、设计合理的控制算法可以在硬 件相同条件下获得更好的系统控制指标。 在工程实 际中, 应用最为广泛的调节器控制规律为P ID 控制, P ID 控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方 便。 但由于位移回路存在较大的干扰力影响和工作 现场干扰的影响, 采用力前馈+ 速度前馈+ P ID 的 复合 P ID 控制算法对系统位移环进行控制时, 位移 回路的控制精度为±0105 mm , 达不到系统设计要 求。 滑模控制算法可以很好的抑制控制系统的非线 性影响, 获得无超调快速响应和较高的稳态精度及 跟随速度[4, 5]。 卡尔曼滤波算法设计简单, 可较好的 抑制白噪声干扰和确定性干扰[6, 7]。为了消除加载力 和现场干扰的影响, 提高位移控制的精度, 采用力前 馈+ 给定指令补偿+ 基于指数趋近律的滑模控制构 成复合控制器, 基于位移控制回路模型, 设计了卡尔 曼滤波算法对位移检测信号进行滤波。 由于位移控 制回路和力矩控制回路结构相似, 主要介绍位移控 制回路复合滑模控制器的设计, 力矩控制器设计这 里不再赘述。