自动变速器试验台的初步设计

第22卷第1期2009年3月　
聊城大学学报(自然科学版)
J ournal of Liaocheng Univer sity(Nat.Sci.)
Vol.22No.1
　M ar.2009自动变速器试验台的初步设计
王红伟1)　杨继勇2)　徐锐良1)
(1)河南科技大学车辆与动力工程学院,河南洛阳471000;2)聊城职业技术学院机电工程系,山东聊城252000))
摘　要　介绍了一种新型自动变速器的结构及其工作原理,根据研究需要,对新型自动变速器的试验台做了初步设计,并对试验过程中可能出现的干扰提出了相应的解决措施.
关键词　自动变速器,试验台,干扰
中图分类号　U467.5+23 文献标识码　A 文章编号　1672-6634(2009)01-0096-04
0　引言
在汽车研究与开发的过程中,试验技术和研究是提高汽车零部件性能的重要手段.特别是对于汽车传动系,其零部件质量的好坏将直接影响整车的性能.而自动变速器作为传动系中的一个关键部件,其性能直接影响到汽车的动力性、经济性、操纵性和可靠性[1].因此,在新产品开发、生产、制造和维修检测过程中,对其性能测试显得尤为重要.目前对自动变速器性能的测试主要是基于道路行驶测试和台架测试.前者以经验判断为主,结果受人为因素影响较大,又有重复性差、不灵活,周期长、成本高、测试相对不便的缺陷;而后者通过加载装置可模拟自动变速器在实际运行中的多种负载工况,无需装车就可以对其进行测试,为变速器的测试、研究、开发及维修提供了强有力的手段.
1　被试新型自动变速器
1.1　与传统变速器的比较
此种新型电控电执行器自动变速器,可在原有机械式手动变速器的基础上,利用电磁离合器取代换挡机构中的换挡轴、换挡拨叉及同步器等换挡机构,而利用电磁离合器的接合与分离来控制变速器动力的传递与中断,因而发动机与变速器之间的主离合器也可省去.此种变速器不需要设置象机械离合器的操纵结构或接合机构,也不需要象气动、液压离合器那样设置繁多的管路和阀件,以及空气压缩机或油泵等设施.此外,换挡电磁离合器可以实现集中控制及远距离控制,并能方便地通过调节激磁电流来改变离合器的工作转矩或者在连续的滑差下维持恒定的转矩.
新型变速器与其它换挡操纵变速器相比,由于直接采用易于控制,精度更高的电磁离合器取代液压执行元件,减少了液压元件动作误差,使得系统的控制方法更简单,控制精度更高,反应动作更准确,且因换挡操作不采用液压系统,不受气温或油温影响,对环境适应性好;因其可在机械式变速器基础上改造而成,对原有变速器生产线继承性好,技术改造投入资金少,控制方面只需改变软件部分即可实现灵活控制;由于取消了液压系统和直接操纵换挡的机械操纵部分及主离合器,从而使整个控制系统的结构简化,制造、检测、维修以及操纵更加方便.因而此种变速器具有结构简单、构成灵活(可用于定轴或动轴轮系)、生产成本低、控制频响特性好等优点.
收稿日期:2008-10-12
基金项目:河南科技大学科学研究基金项目(2007zy021)
通讯作者:王红伟,E-mail:w angho ng w1818@163.co m.
1.2　新型自动变速器结构原理
图1为四挡新型电控电执行器自动变速器结构原理示
意图,双向电磁离合器包括主动部件(图中6、14、22)、
左从动部件(图中5、13、24)、右从动部分(图中8、21)和
工作线圈(图中7、15、23).电磁离合器左、右从动部件
分别与齿轮变速箱中相应的齿轮联接,主动部分通过
花键与变速器轴相连,并可沿轴向左右移动,工作线圈
为左、右两独立线圈,分别对应电磁离合器的左、右从
动部分.自动变速器电控单元接受驾驶员的操作意图,
根据汽车当前行驶状态,通过控制电磁离合器的主动
部分与左、右从动部分接合与分离,实现挂挡.未通电
时,各换挡电磁离合器处于分离状态,此时变速器不传
递动力,可适于发动机起动或变速器空挡状态;挂挡
时,其相应挡位电磁离合器对应侧工作线圈接通,动力
由变速器输入轴→相应挡位齿轮→对应电磁离合器→
变速器输出轴输出.换挡时,前一挡位电磁离合器逐渐
分离的同时,预选挡位电磁离合器可逐渐接合,当上一
挡位电磁离合器完全分离时,预选挡位电磁离合器完
全接合.在换挡过程中通过对电磁离合器的合理控制,
可实现平稳换挡.2　自动变速器试验台设计
传统的传动系统试验台有两大类[2,3]:一类是开环
试验台.此种试验台结构、原理简单,但试验状况不符
合被试件负载工作的实际情况,不能准确地检测其性
能,试验所产生的功率全部以热损失的方式消耗掉;另
一类是闭环试验台.能够实现能量反馈,分电力封闭式
和机械封闭式.机械封闭式存在结构复杂,传动效率
低,能量损耗大,且存在运转中改变载荷不易实现,转
矩不易控制,试验性能不够稳定,通用性较差,控制困
难等问题.对于电力封闭式,测功电机以发电机的模式图1　新型自动变速器结构原理示意图1-发动机,2-联轴器,3-变速器输入轴,4-变速器输入轴常啮合齿轮,5、13、24-电磁离合器左从动部分,6、14、22-电磁离合器主动部分,7、15、23-电磁离合器工作线圈,8、21-电磁离合器右从动部分,9-输出轴三挡齿轮,10-输出轴一挡齿轮,11-输出轴二挡齿轮,12-输出轴倒挡齿轮,16-输出轴,17-中间轴倒挡齿轮,1-倒挡齿轮轴,19-倒挡齿轮,20-中间轴二挡齿轮,25-中间轴一挡齿轮,26-中间轴三挡齿轮,27-
中间轴常啮合齿轮,28-变速器中间轴,29-变
速器箱体图2　自动变速器试验台结构原理框图
加载,所发出的电能通过可控硅整流回馈到电网或着驱动电机,实现能量再利用,但此种闭环方式存在控制系统复杂、电气硬件造价高等问题.
虽然开环式试验台存在一些不足,但是其原理及工作过程比较简单,载荷稳定,且制造成本低,因此本变速器试验台采用开环式.其主要有以下几部分组成:试验台的安装、支承以及调整装置,驱动装置,负载装置,控制系统,数据采集和信号处理系统等.其基本结构原理如图2所示.
其中试验台安装台架用来固定安装动力装置、被试变速器、负载装置以及其它附属设备;连接装置连接动力装置、被试变速器和加载装置,起到传递动力的作用;控制系统主要包括驱动控制系统、加载控制系统以及数据采集和信号处理系统等.试验时通过驱动控制系统和加载控制系统来实现对被试变速器的实时控制,以便模拟变速器的不同工况,从而实现对自动变速器的测试;数据采集和信号处理系统则主要是利用各种传感器对试验过程中被试变速器的工作状态进行实时检测,并对传输的信号进行采集、转换和处理,并通过显示装置输出显示.
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　第1期 王红伟等:自动变速器试验台的初步设计
2.1　动力装置选型
动力装置是模拟发动机为自动变速器提供源动力,应满足被试件对输入转速和转矩的要求,且转速和转矩还能按一定的规律调节.目前常用的动力装置包括液压马达、发动机、直流电动机和交流电动机四种[4]
:液压马达受压力限制,且需要相应的液压回路;发动机需要的辅助装置较多,既有油路,又有水路,并且振动、噪声、污染较大;直流电动机价格较贵,并且要有直流电源,这就要求有比直流电动机功率稍大的直流发电机组或硅整流设备,因此本试验台选用三相交流电机作为动力装置.选择交流电动机作为动力源具有噪声小,占地面积小,起停方便,无污染,转速易于调节等优点.
选用三相异步交流电动机作为驱动设备,为了达到试验要求,需选择相应变频器与电机匹配使用,以便充分发挥变频调速电机宽范围的恒转矩调速特性和低频时的力矩平稳特性,能长时间低速或高速运行,最大限度地模拟发动机的转速和转矩特征.对于变频器,其容量的选取取决于额定输出电流,任何情况下负载电流都不能超过这个额定值,否则将发生逆变失败.对于单台连续运转的电机,变频器的额定输出电流应大于1.1倍电机的额定电流.
2.2　加载装置选型
加载装置用来模拟车辆的实际运行工况,对被试变速器进行加载,因而应当满足试验时所需的加载和转速范围要求,并能平稳、精细地调节负荷,模拟汽车的行驶阻力,同时也能够实现微机控制远距离操纵.目前国内、外传动试验台上使用的加载装置主要有水力测功机、电力测功机(分直流加载和交流异步加载)、电涡流测功机和磁粉制动器等.
电涡流测功机结构简单,动态反映快,稳定性好,相对低速时扭矩较大,额定转速高,可双向旋转,与测控系统配套,易实现恒转矩、恒转速控制,可实现自动化操作,是一种较好的测功加载设备.但转速太低时无法实现加载,此时需升速设备[5],故在被试变速器后联接一陪试变速器进行升速,以满足加载电涡流测功机的要求.
2.3　控制系统
试验台的控制系统,一方面根据试验人员通过操作用户界面选择不同的试验模式输入,由控制单元传送给动力控制系统和加载装置控制系统,驱动电机及测功机在规定的转速工况下运转;另一方面通过相应电路接收传感器采集的转矩、转速信号,在控制系统中对这些数据进行处理,记录不同工况下的数据,并最终显示输出.其原理如图3所示
.图3　试验台控制部分示意图 图4　换挡电磁离合器控制系统图 图5　变速器控制系统图
在试验过程中,通过人机交互界面设定相应的工作模式,由工控机及相应控制系统驱动电机及加载装置在设定的转速模式下运转,并由传感器检测被试变速箱输入轴及输出轴的转速、转矩,同时根据变速器挡位传感器所检测到的挡位变化,向电磁离合器控制单元发出相应换挡信号.此时电磁离合器控制单元根据转速及转矩的大小,以及测量到的电磁离合器接合电流、电压的情况,经过电磁离合器控制电路的调节,控制换挡电磁离合器实现平顺换挡.其结构原理如下图所示,其中图4为换挡电磁离合器控制系统,图5为变速器控制系统.98 聊城大学学报(自然科学版) 第22卷　
2.4　试验台软件测试系统
一套完善的试验台测试系统,包括硬件部分和软件部分.一般来
说,软件系统主要是用来实现对试验台被试对象的物理信号进行采集、
转换、分析、处理、存储、回放、显示及打印等功能,从而配合硬件系统来
完成系统的测试工作.
设计程序时,一般采用由上至下的设计方法,首先要明确系统的总
体要求,然后将系统划分为各个功能模块,如数据采集、分析、显示等,
再将各个模块逐步划分为更小的模块.这样分层次模块化程序,不但增
加了程序的可维护性,使程序流程图更加清晰,同时也避免了大量的重
复编程工作.试验台测试系统流程如图6所示.
为了便于对试验数据进行研究,测试系统还应具有以下的功能:
(1)数据查询:用户通过设置相应查询条件可以从数据库中提取符合
图6　试验台测试系统流程图要求的数据;(2)数据删除:对于试验测试过程中明显的错误数据或对测试信号在进行分析、存储之前予以剔除;对于数据库当中没用的试验结果或试验数据进行查询、删除等;(3)数据导出:对于试验测试数据,为方便处理,有时需将数据导出数据库,存入Word 或Excel 中,以利于试验测试人员撰写试验分析报告和对试验进行理论分析等;(4)曲线绘制:在试验过程中需要测量很多参数,试验结果中有许多数据之间的关系需要通过曲线来表示,绘制曲线能直观、方便地表示各相关参数之间的关系,便于试验过程的观测和对试验结果的分析、研究.
3　试验台的干扰问题
在进行试验时,试验台工作在复杂的环境中,它受到震动、噪声和其它多种干扰,这些因素都会对试验台的控制系统和数据采集系统产生影响.其中干扰影响有以下几个方面[4]
:供电系统干扰、数据采集系统连线干扰、各硬件设备间接地干扰、各供电设备所辐射的电磁波造成的空间干扰等.
在试验台构建过程中[6],对于震动和噪声,保证其机械部分具备足够的强度、刚度和精度,良好的润滑、冷却系统,以达到试验台运转平稳、噪声小以及工作可靠的目的.对供电系统干扰,可采用滤波的方法,滤除供电电网的有害谐波,从而减小干扰.对各硬件设备间接地干扰,可采用分立式供电,以有效地消除各单元电路间的电源线、地线间的耦合干扰.对数据采集系统,可采用具有屏蔽作用的双绞电缆作为数据传输线,并减少导线之间的接头.对空间干扰,主要采用静电屏蔽和电磁屏蔽.电磁屏蔽可采取令功率源远离上位机、长地线采用金属软管套、信号线采用屏蔽传输线、用金属机壳对外部强大电磁场进行屏蔽、信号线和电力线在控制柜内分开走线(保持制定距离)等措施.
为进一步提高采集数据的准确性、精度,以及试验台运行的可靠性,在软件方面[7],可对采集数据实施数据滤波来防止采集数据误差过大;对控制软件采用冗余、闭环控制等设计,防止出现控制失灵;采用设置当前状态寄存器以及设置监视跟踪定时器和软件陷阱等,防止数据出错和程序运行失常等现象.4　结束语
本文在介绍新型自动变速器的结构及原理的基础上,为了更好的进一步研究其性能特点,初步设计了自动变速器试验台的动力装置、加载装置、控制系统和软件测试系统.并针对试验台试验过程中可能会遇到的干扰提出相应防范措施.通过相应的试验程序,可对新型自动变速器进行换挡电磁离合器传递转矩可靠性试验、电磁离合器滑差试验、电磁离合器热负荷试验、换挡控制试验、效率试验、换挡冲击试验等自动变速器的性能试验,为进一步研究、分析新型自动变速器的性能提供参考数据.(下转第107页)
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　第1期 王红伟等:自动变速器试验台的初步设计
量间直接影响,也能研究变量间的间接影响和总效应,表达中介变量的作用[2].本研究中对问题行为总分有贡献的因素有性别、年级、学习成绩、同学关系等.建立以性别、学习成绩、同学关系为显变量,品德、学业、交往、性格、情绪以及恋爱与性6个维度为外生潜变量,问题行为为内生潜变量,各分量表因子为标识的结构方程模型.通过模型修正指数,对理论模型进行修改,经过多次修订,得到如图1所示的诸变量之间的关系模型.
由图1可以看出,性别和学习成绩对问题行为既存在显著的直接效应,又存在显著的间接效应.同学关系对问题行为存在显著的直接效应,但是不存在显著的间接效应.品德问题是其它问题行为产生的根源,它对学业问题、交往问题以及恋爱与性问题有明显的影响作用.在问题行为的六个维度中,情绪问题、交往问题和性格问题是三个比较重要的问题,它们的路径系数分别是:0.88、0.65和0.81.
关于结构方程模型的总体拟合程度评价往往要结合多个指标:一般认为,CM IN/DF(相当于 2/df)值
小于5,RM SEA (近似误差的均方根)小于0.08,GFI 、AGFI 、NFI 、IFI 、TLI 、CFI 等指数均在0.8以上,可以较好的拟合数据,验证假设.验证模型的各项拟合指数见表5.
表5　验证模型的拟合指数
C M IN/DF
GFI AGFI NFI IFI TLI CFI RM SEA 2.4630.9890.9710.9140.9850.9910.9910.041
表5结果显示:CMIN /DF 小于5,RM SEA 小于0.05,GFI 、AGFI 、CFI 、NFI 、IFI 、TLI 等指数均在0.8以上,说明整个结构方程模型拟合效果较好,为可接受模型.
4　结论
(1)大学生问题行为存在非常显著的性别和年级差异.男生的问题行为明显多于女生,大三年级学生的问题行为最严重.(2)学习成绩不同的大学生问题行为差异非常显著,成绩差的学生的问题行为明显多于成绩好的学生;同学关系不同的大学生问题行为差异非常显著,同学关系紧张的学生的问题行为明显多于同学关系良好的学生.(3)父母教养方式不同的大学生问题行为差异非常显著.放纵教养方式下的大学生的问题行为最多.(4)得出的大学生问题行为结构方程模型,拟合效果较好,为可接受模型,可将其作为大学生问题行为的理论模型.
参考文献
[1]　李　虹,陈会昌.大学生心理量表的初步编制及试用[J ].中国心理卫生杂志,1998,12(2):79～80.
[2]　侯杰泰,温忠麟,成子娟.结构方程模型及其应用[M ].北京:教育科学出版社,2004.
(上接第27页)
The Quasi -Substrongly Sub -orthogonal Matrix and Its Properties
LIU Yu XU Zi -yian
(Departmen t of M athematics an d Information T echnology ,Hans han Normal University ,Ch aozh ou 521041,Chin a )
Abstract In this paper,w e g ive the concept of semi str ongly sub-ortmatrix ,and the related pr operties o f w hich are discussed
Key words Sub-sy mmetric matrix ,Sub-orthogo nal matrix ,Full-transfer matrix ,Quasi-substrongly sub-orthogonal matr ix
(上接第99页)参考文献
[1]　余志生.汽车理论(第3版)[M ].北京:机械工业出版社,2000.
[2]　谭罡风,过学迅.基于变频技术的闭环汽车传动系统试验台的研究[J].汽车科技,2007,(6):47～49.
[3]　王祖麟,张振利.电加载变速箱试验台的设计[J ].拖拉机与农用运输车,2004,(5):39～41.
[4]　崔华芳.车辆动力及传动系试验台的方案设计与分析研究[D].北京科技大学,2006:23～24.
[5]　张弋于,门清毅.传动试验台吸功设备选型研究[J].拖拉机与农用运输车,2006,33(3):54～56.
[6]　季　瑞.自动变速器试验台自动化设计改进[D].武汉理工大学,2003:39～43.107　第1期 苏　鑫等:大学生问题行为的结构方程模型研究 。