传动系统试验台综述

目录
目录摘要 (2)
摘要 (3)
前言 (4)
第1章车辆传动系简介 (4)
1.1车辆传动系的类型及其特点 (4)
第2章车辆传动系试验台简介 (5)
第3章国内外车辆传动实验台研究现状 (5)
3.1国外车辆传动系实验台研究现状 (6)
3.2国内车辆传动系实验台研究现状 (7)
总结 (10)
参考文献 (11)
摘要
传动系统试验台，是用于测试和研究汽车传动系统总成部件的设备。

这些总成部件包括变速器、驱动桥、半轴、差速器、主减速器等。

它们是汽车的关键组成部分，直接关系到汽车行驶的动力性、经济性和可靠性。

本文完成的主要工作有：介绍车辆传动系的类型及其特点，介绍车辆传动系统试验台的基本情况，阐述国内外车辆传动实验台的研究现状及研究成果，希望从中找出不足，以期进行进一步的研究。

前言
车辆传动系包括离合器、变速器、万向传动装置、主减速器及差速器等部件，在汽车运行过程中，传动系功能会逐渐下降，出现异响、过热、漏油及乱档等故障。

对传动系及时进行检测、诊断、维修，可确保汽车正常运行和安全行驶。

在诸多的检测方法中，如路试检测、试验台检测、仪器检测等，试验台检测有开发周期短、检测综合等优点，所以本文主要介绍国内外车辆传动系统试验台的的研究现状。

以期找出不足，从而进行下一步的改进。

第1章车辆传动系简介
汽车自19世纪末诞生以来，己经有100多年的发展历史。

从卡尔·本茨制造出第一辆三轮汽车到现在的100多年间，汽车的发展速度是惊人的。

其传动系统也经历了由单一的机械传动向机械传动、液力传动、电传动、液压传动以及气压传动等多种传动型式发展的过程。

1.1车辆传动系的类型及其特点
传动系用以传递、改变和分配由发动机传至驱动轮的扭矩，使车辆的牵引力和行驶速度在宽广的范围内变化以适应负载的变化。

通过传动系的某些部件，还可以将发动机的动力传给动力输出轴以驱动工作装置。

目前，以内燃机为动力的车辆和行走机械的传动方式主要有机械传动、液力机械传动、电传动和液压传动4种，气压传动和其它传动方式应用得很少。

一、机械传动
机械传动系是现代车辆应用最为广泛的传动型式。

其优点是传动效率高，外廓尺寸较小。

随着新技术、新材料的应用，各部件和总成件的可靠性越来越高，制造和使用成本较低，对维修和驾驶所需技能要求不高。

其稳态传动效率高和制造成本低的优势，使得机械传动在调速范围比较小的通用客货汽车和对性能要求苛刻、必须保证犁耕等作业速度恒定的农用拖拉机领域迄今仍然占据着霸主地位。

缺点是由于是有级传动，不易充分利用发动机的功率-不能使发动机经常在最大功率点附近工作，振动噪声较大，驾驶员操纵的劳动强度大。

二、液力机械传动系
液力机械传动是在机械传动基础上发展起来的一种新的传动形式，目前在工程车辆上如装载机、叉车等应用广泛。

它用变矩器取代了离合器，具有分段无级调速能力。

在装有液力变矩器的液力机械传动系中，普遍采用的传动方案有两种，即液力机械式和液力机械分流式。

液力机械式其发动机的动力全部经液力变矩器传至机械传动系。

而液力机械分流式(又称液力机械变矩器)的发动机动力分成两部分，一部分经变矩器传至机械传动机构，另一部分直接传至机械传动机构，最后在行星排上进行功率汇流。

采用这种液力机械分流式传动系既发挥了液力变矩器无级变速和缓冲作用的优点，又利用了齿轮传动的高效率，使整个传动系的总效率较高。

三、电传动系
电传动系统有直流发电-直流驱动，交流发电-直流驱动，交流发电-交流驱动，交流发电-直流变频-交流驱动四种型式，目前采用较多的是前两种型式。

由于履带车辆驱动轮的转速较低，转矩较大，电动机在这种情况下不宜直接与驱动轮相连接，需要在这两者之间增加机械减速装置，组成电力-机械传动系。

电传动的优点是具有良好的自动无级变速性能，起动、变速平稳，操纵简单轻便；电机可以反转因而不必设置倒档装置。

缺点是效率低(不超过0.8)，结构质量和体积大，需大量消耗有色金属。

四、液压传动
液压传动或称容积式传动，是通过流体工作介质所受的压力进行能量传递的动力传递方式。

工作液体的压力较高而流速相对较低。

它由液压泵、液压马达、液压阀和其它液压元件组成。

发动机驱动液压泵，由液压泵输出的压力油驱动液压马达，使驱动轮旋转。

液压传动用于行走机械主传动系统的历史并不长，但发展迅速。

由于液压技术的发展，液压元件的标准化生产，特别是近十多年来，液压元件的功能日益完善，压力向高压(16-32MPa)和超高压(>32MPa)方向发展，以及极限负荷调节闭式回路，发动机转速控制的恒压、恒功率组合调节的变量系统开发，给工程车辆行走系统提供了一个广阔的发展前景。

第2章车辆传动系试验台简介
传动系统试验台，是用于测试和研究汽车传动系统总成部件的设备。

这些总成部件包括变速器、驱动桥、半轴、差速器、主减速器等。

它们是汽车的关键组成部分，直接关系到汽车行驶的动力性、经济性和可靠性。

汽车传动系统试验台要发挥其试验功能，核心部分是试验台的控制系统。

对其控制系统进行开发和研究，可以提高整个试验台的控制精度，研究不同工况下的传动部件的加载状况，确保试验台测试的稳定性和安全性。

一般情况下，试验台数据采集系统用来采集试验进行中所需要的各项状态参数，以便监控试验台系统的工作状况，并且采集和实时显示所必需观测的数据量，为试验台的闭环控制创造条件。

试验台驱动系统由上位机发送指令，通过变频器控制驱动电机的运行状态，为传动系统部件的测试提供动力来源。

阐述了驱动控制的原理，分析了相关性能指标，实现了试验台的驱动控制。

传动系统试验台的加载系统，通过变频器控制负载电机的转差率，模拟汽车在不同路面条件和行驶工况下的阻力状况，为传动系统部件的测试施加各种载荷。

被测试部件中，驱动桥，半轴，差速器等部件主要进行的是耐久性试验，因此根据不同的工况对其施加各种载荷即可。

对自动变速器，除了对其进行耐久性试验以外，研究其换档规律和检测其故障范围是试验台的一个重要功能。

对此必须对自动变速器的各类阀体加以控制，以满足不同测试的需求。

汽车传动系统试验台是一个综合测试平台。

规范试验台的硬件和软件操作一方面能有效地保护试验台的硬件设施，使试验台稳定运行，另一方面更能充分发挥试验台在传动系统部件测试中的作用。

对试验台的软件构架上添加保护功能，能防止试验中因可能出现的过电流造成的变频器损坏，电机失控现象等危险情况。

保证试验设备和试验人员的安全。

第3章国内外车辆传动实验台研究现状
车辆传动系统担负着功率调节、传递扭矩和变速等任务，以适应行驶路况条件的变化。

其性能对车辆的动力性、燃油经济性、寿命以及环境的污染等的影响极大。

车辆传动系的技术水平与实验技术密切相关，因此建立车辆传动实验台，对车辆传动系的设计和研究有十分重要的指导意义。

3.1国外车辆传动系实验台研究现状
国外很早就开始了车辆传动系测试方面的研究，如美国Gleason公司二十世纪五十年代就设计出用轮系作为加载系统的传动实验台。

比较著名的还有美国国家航空航天局(NASA)下属的Lewis研究中心、前苏联中央机械制造与设计研究院、美国通用动力公司、德国RENK 公司、日本明电舍动力公司、日本丰田汽车公司、美国伊利诺斯大学机械工程系、法国Skoda 公司等部门所建立的传动实验台。

从实验台方案的设计到最终的样品制造他们都进行了大量的研究工作，形成了系列化的设计模式。

80年代日本防卫厅第四研究所针对日本小松公司研制的HMST液压机械无级传动装置建立了传动实验台。

该传动实验台以直流电动机作为动力元件，加载元件为电涡流测功机，电涡流测功机控制下位机以及传感器。

实验台主要用于对HMST液压机械无级传动装置性能进行实验。

90年代末，英国ATP公司开发自动变速器实验台，该实验台能对自动变速器进行动态模拟测试，检测的技术指标包括在不同负荷条件下的油压、输入、输出转速、冷却流量、离合器和制动器是否打滑等指标。

该实验台的作用主要体现在两个方面:其一在自动变速器维修前对自动变速器进行诊断、分析，对以后的维修提供数据；其二为维修后出厂的自动变速器作性能检测，以保证维修后的出厂质量。

该实验台由自动变速器实验台台架、模拟加载装置、动力供应部分、连接附件、控制台等五个部分组成。

ATP-UK-300型采用73kw的调频电机作为动力源，ATP-CN-200型则采用一个排量为4L的发动机作为动力输入装置，采用仪表显示，独立控制，其连接设计了快速连接机构，能对数十种自动变速器进行快速连接；其模拟负载装置采用了风冷的电涡流测功机。

2005年Yuping Cheng, Takeshi Abe 和Brian K. Wilson进行了自动变速器齿轮的振动检测。

他们指出在试验台上进行测试时，为了准确了解自动变速器的性能和齿轮的噪声，有必要对自动变速器内部结构及测功机、连接轴系直接的连接机理做一个全面了解。

只有了解这些，测试时，才能对不同频率的振动做出正确的分类，比如说振动是来自变速器内部，还是试验台设备或者是传动轴。

这些有助于噪声和振动工程师合理地掌握测试过程中噪声的峰值，从而避免测试系统的影响。

他们的研究主要是基于自动变速器相应的半消声齿轮噪声仿真结果和测试的噪声数据的联系。

2007年Ashley R. Crowthera，Rajendra Singha，Nong Zhangb和Chris Chapmanb进行了多间隙的自动变速器脉冲响应的制定、仿真和实验研究。

他们指出随着自动变速器的应用，人们越来越注重在平均力矩或载荷突然变化的情况下研究齿轮系统脉冲响应。

研究成果有，第一：利用矩阵元素制定扭转集中质量的行星轮和差速齿轮的模型。

第二：建立了瞬态工况的非线性模型。

在对模型求解之前初始条件和负荷曲线必须准确定义。

结果表明，在发动机、制动和车辆负载瞬态变化时行星轮或者差动齿轮的影响就会显现。

第三，开发了自由振动试验。

2004年Yoshinobu Nozaki，Yoshikazu Tanaka 和Hideo Tomomatsu进行了后轮驱动丰田全新六速自动变速器A761E的研究。

他们指出，这种六速自动变速器有更大的齿轮比。

增大齿轮比的变化极大地提高了车辆的动力性和燃油经济性。

为了进一步提高燃油经济性，他们采用了新的的技术，如低粘度ATF，空挡控制，和减速控制，重置速度等方法。

他们还采取了平板状的转矩转换器，小型螺线管等技术。

2008年Quan Zheng, Asif Habeebullah, Woowon Chung 和 Andrew Herman进行了6速自动变速箱动力学模型HIL试验台的研究。

他们指出在控制器的生产过程和软件的开发过程中一个很重要的步骤就是对软件和控制器进行检验。

一个常用方法是利用HIL（硬件在环）
进行测试。

HIL测试的关键部分是动力学模型的建立。

HIL测试可以用于发动机（ECM），传动装置（TCM）或动力传动系统控制器（PCM）的测试。

他们主要对六速自动变速器的建模方法和控制软件进行了测试，并在HIL测试的应用环境中进行了详细描述。

2003年，Chi-Kuan Kao, Anthony L. Smith 和 Patrick B. Usoro进行了五速起动离合器自动变速器汽车的研究。

他们研究成果主要是湿式多片离合器对提高车辆的燃油经济性有很大作用。

3.2国内车辆传动系实验台研究现状
与国外相比，国内对于传动实验台的研究起步相对较晚。

研究工作始于二十世纪八十年代初期。

国内较早从事这方面研究工作的主要单位有北京理工大学、重庆大学、郑州机械研究所、长春汽车研究所、西安重型机械研究所、西安理工大学、合肥工业大学、四川工业学院、西安减速机厂、西安公路交通大学等单位。

他们先后建立起了各种形式的传动实验台。

这些实验台的建立从理论上和实践上都取得了很大的进步，积累了丰富的经验，代表着我国机械传动实验设备的发展水平。

1、2004年同济大学机械工程学院建立了基于闭式液压系统的工程车辆传动系实验台。

实验台传动系主要由动力系统、变量液压泵、变量液压马达、变速箱、驱动桥及其轮胎组成。

加载时，可在变速箱后连接测功机进行加载，或者在驱动桥两侧进行加载。

电液比例控制的变量液压泵和电控变量液压马达组成液压闭式传动系统，变量柱塞泵的斜盘角度可由控制器输出的PWM控制信号通过斜盘角度调节杆进行无级调节，从而改变液压泵的排量大小和方向，液压传动与机械传动系统组成工程车辆传动系实验台。

液压马达的排量由控制器输出开关信号进行大小两档排量的调节。

室内实验台架主要由合理匹配动力系统、液压传动、计算机控制与显示、机械传动等构成，主要应用于研究工程车辆的动力匹配、闭式液压传动系统性能、变量马达和变速箱构成的复合变速系统特性以及计算机控制技术在工程车辆传动系的应用等。

实验台测控系统采用Sauer-Danfoss公司生产的MC050型控制器以DSP技术为核心，具有强大的计算能力和丰富的I/O资源。

控制器的控制算法的编程和显示器的图形显示均基于其功能强大的PLUS+1专用的图形编程软件。

2、2005年河南科技大学建设了液压机械无级传动实验台，研究履带拖拉机液压机械无级变速器及液压机械无级变速转向系统的性能。

动力元件为发动机，加载元件为电涡流测功机，控制模式采用直接数字控制方式，控制系统由上位工控机和发动机控制下位机、HMCVT 控制下位机、电涡流测功机控制下位机以及传感器等组成。

确定液压系统传动比与载荷之间的变化规律以及确定液压系统效率对多段液压机械双流无级传动性能的影响，验证并优化变量泵定量马达系统的调速规律；研究传动比变化规律，验证传动比计算方法的正确性；研究工况转换的换档过程及其换档平稳性，确定换档规律对传动性能的影响；优化换档规律，使发动机与变速器匹配具有最佳的动力性和经济性。

3、2006年长安大学研究开发了电动汽车实验台进行电动汽车技术的研究，对电动汽车研发过程中的一些关键技术、参数匹配和控制策略的优化提供一个研究平台。

电动汽车实验台由电机及其控制器测量模块、整车惯量模拟模块、行驶阻力模拟模块、能源管理模块、制动能量回收模块和混合动力电动汽车的动力耦合实验模块六大主要模块和变速、传动和连接等装置组成。

直流电机、转速转矩传感器、变速器、飞轮组系统、电涡流测功机和直流电力测功机按顺序成“一”字形依次排列固定在实验平台上。

相邻组件之间都是通过联轴器连接，动力从直流电机的输入端输入，经过转速转矩传感器、变速器和飞轮组传递给电涡流测功机和直流电力测功机，最终转化为热能消耗掉或者转化为电能回收给蓄电池和电网，该试验台
总体布置方案如图3.1所示
图3.1 长安大学电动汽车试验台总布置方案图
4、2008年中南大学进行了工程车辆传动实验台的研究。

进行了工程车辆传动系性能实验；车轮制动力测定实验；车轮附着力(系数)测定实验；滚动阻力测定实验；液压传动系统动态性能实验；发动机-变量泵-马达匹配实验；发动机-变量泵-马达传动系节能技术实验；滑转率测定实验；液压传动系统加速性能实验。

中南大学的研究基于闭式液压传动的工程车辆传动实验台为现代工程车辆提供了一个先进的实验研究平台。

实验台的研制显示了其多方面的创新，融合了现代先进的比例控制技术、闭式液压传动系统和先进的控制软件，同时也为工程车辆的动力匹配、闭式液压传动系统性能、节能技术以及计算机控制技术在工程车辆传动系中的应用提供了一个研究、开发、实验平台。

详细介绍了工程车辆传动实验台。

行走驱动系统和制动系统的工作原理、液压元件的选用、参数匹配，对闭式系统和制动系统进行了建模仿真，并进行了实验，通过曲线对比验证了数字仿真的正确性。

在基于LabVIEW的程序结构模块化的思想上，研究开发出了工程车辆传动系统实验台测控系统软件。

5、国内还有很多学者在仿真控制领域方面进行了不少研究。

比如常州机电职业技术学院和东风康明斯发动机有限公司在2011年进行的DCT自动变速器试验台动力性换挡策略研究。

研究的主要成果是：根据挡位对选换挡执行机构进行位置定义。

不同的选挡传感器和换挡传感器值的组合所对应的不同的选挡执行机构位置[2]。

在分析选换挡执行机构工作原理的基础上，建立了选挡执行机构控制子系统和换挡执行机构子系统。

利用PID控制算法对离合器执行机构建立了增量式PID控制算法的离合器控制子系统。

根据动力性换挡策略．基于Matlab／Simulink软件平台，建立了DCT传动系统的仿真模型。

依据仿真模型．对车辆换挡过程的动态性能进行了仿真．得出了准确实现DCT传动系统的控制逻辑，最终得到修正后的动力性换挡规律，为DCT试验台电子控制系统的开发奠定了基础。

北京交通大学和中国北方车辆研究所于2007年进行了传动系统试验台的半实物仿真优化技术的研究。

研究成果有：采用Matlab结合力控自动化组态软件，通过Excel的DDE数据传送方式，进行传动系统试验台系统特性的在线模拟辨识，用遗传算法对PID参数优化分析等半实物仿真技术[3]。

以力控组态软件为例给出了仿真系统的结构组成，数据及参数相互传递的仿真和应用于传动系统试验台的PID优化控制的实例。

6、也有专门对机械自动变速传动试验台进行研究的。

比如重庆大学和沈阳华晨金杯汽车有限公司进行的机械自动变速传动试验台及测控软件开发研究。

研究内容有：一、在车辆
传动试验台的基础上搭建了AMT试验台，设计了AMT电子节气门、换档执行机构和离合器执行机构的控制器，试验表明，控制结果令人满意。

二、解决了WINDOWS2000下对硬件端口不能读写的问题，实现了对转速扭矩信号的采集[4]。

三、通过RS232串口通信，实现上位微机采集数据并向下位单片机发出控制指令。

四、开发了WINDOWS2000环境下的试验测控软件，使试验具备了先进的数据采集及控制系统。

7、还有一些部门和学者在机车试验台方面也做了不少研究。

比如唐山轨道交通装备有限责任公司进行了机车定置试验台的电气传动系统研究。

主要研究有：阐述了使用机车定置试验台的必要性，介绍了机车定置试验台的基本原理，并对机车定置试验台的传动系统的主电路构成及同步调节系统等关键问题进行了分析和论述。

北车北京二七轨道交通装备有限责任公司进行了机车定置试验台机械传动系统设计研究。

主要研究有：介绍了机车定置试验台机械传动系统的组成及功能，阐述了该机械传动系统的创新技术特点，如机械一电控同步技术、液压顶升滚轮调轴距技术、万向轴加过渡套连接不同轴距的车轴齿轮箱技术、注油压装法改变轨距技术、弹性过渡轨结构、机械锁钩等。

8、还有一些部门和学者在履带车辆试验台方面也做了大量研究。

北京交通大学所做的履带车辆传动试验台自动换档机械手的开发与研究。

主要研究是：根据传动试验台的实际换档需要，对比气动、液压、机械、交流伺服四种驱动方式，针对换档操作的球面运动特性，采用数字交流伺服的三自由度直角坐标换档机械手方案，巧妙解决了曲线换档、三维转化为二维的运动控制、档位行程标定等难题。

采用和利时电机公司的60CB系列伺服电机、GS系列交流伺服驱动器、英国翠欧公司的MC206运动控制器和工控机等构建了位置环伺服运动控制系统。

利用ActiveX控件在VB中开发了上位机控制程序，并引入了档位示教、档位标定、定时操作、限位报警等功能，既实现了试验的自动化换档操作，又保证了系统的安全可靠。

最后，利用网络控制技术，以综合传动试验台的分散控制系统(DCS)作为网络控制主体平台，通过MODBUS通讯协议之间的中转，将换档机械手控制系统无缝集成到DCS系统中，大大提高了试验效率。

．
经过现场的安装、调试和运行，换档机械手的整体设计和控制方案是切实可行的，能够完全代替人手实现换档操作，具有结构紧凑、定位精度高、安全可靠的特点．同时换档执行机构不需要对变速箱体进行结构改造，针对不同的变速箱传动试验，只需要修改控制软件中的坐标和行程就能满足试验要求，具有一定的通用性。

9、还有一些学者对传动系统试验台的直接转矩控制做了研究。

北京交通大学机械与电子工程学院的杜秀霞、李平康：以传动系统试验台为研究对象。

在研究异步电动机直接转矩控制Direct Torque Control(DTC)的基础上，提出在传动系统试验台上实现电机四象限工作的DTC过程，并用Matlab／Simulink进行了仿真实现。

设计出的控制系统根据定子磁链状态矢量进行空间定位。

通过对扭矩和磁通的简单继电式方式比较，配合开关选择表策略，成功实现了对异步电动机转矩和转速的直接转矩控制，为将DTC技术应用于传动系统电机智能控制的实际工程奠定了基础。

10、也有不少学者在新型试验台的研究中做了很多研究。

车辆传动国家重点实验室的刘云鹏、卜树峰和北京交通大学的李平康、杜秀霞分析了车辆传动系统联调试验台的技术需求与现状，结合建设目标对几种不同的建设方案进行了对比，介绍了某全自动化的传动系统联调试验台的建设方案和应用效果，并重点介绍了试验台仿真能力的创新设计、电功率封闭加载、全自动控制系统的设计以及测试系统实时挡位辨识系统。

他们研究的试验台具有以下特点：
(1)低速大转矩加载。

交流电力加载设备克服了传统测功机在低速时无法加载的缺点，无须增速设备就可完成从0至最大载荷的加载。

(2)试验台仪表采用了多项国际先进技术、多重保护和隔离设计，抗干扰能力强、可靠。