汽车自动变速器油泵测试系统的研发*

杨亚联，宋安兴，陆 通，郑 扬

(重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆 400044)

前言

汽车自动变速器可分为液力机械自动变速器(AT)、双离合自动变速器(DCT)、无级自动变速器(CVT)和机械自动变速器(AMT);按换挡操纵方式来分，有液动和电控的方式。由于液压系统的比功率大，能对传动部件进行冷却和润滑，在汽车自动变速系统中得到了广泛的应用，AT、CVT、DCT和AMT中都有相应的电液控制系统。在自动变速器的液压控制系统中，油泵作为动力源部件，对电液控制系统的性能起着决定性的影响作用:油泵的效率直接影响整车的油耗，油泵的容积效率和泵送性能直接影响变速器的工作可靠性和换挡品质。由于汽车的运行工况较宽，因此考虑在不同温度、不同流量和不同压力等条件下油泵的性能测试，对于评估油泵对变速器传动润滑、换挡控制等性能的适用性方面具有非常重要的意义。

1 自动变速器油泵性能参数

1.1 自动变速器油泵种类

在现有的自动变速器液压系统中，有多种结构形式的油泵:外啮合齿轮泵、内啮合齿轮泵和叶片泵。其中外啮合齿轮油泵压力脉动大，在自动变速器中应用很少。

内啮合齿轮泵有内啮合齿轮泵和摆线转子泵，由于其结构紧凑、生产成本低、自吸性好，在自动变速器中得到了广泛的应用。其结构如图1所示。

1.2 性能参数

表征自动变速器油泵的主要性能参数有:压力p、排量V、流量q、转速n、功率N和效率η。

(1)压力 齿轮泵的压力可分为表征液压系统工作能力的油泵输出压力(工作压力，油泵的工作压力取决于外负载的大小)，还有表征油泵自吸和吸油阻力的油泵进口真空压力。

(2)排量、流量和容积效率 齿轮泵的排量V是指在无泄漏的理想情况下，泵轴每转一周油泵所排出的油液的容积，它完全取决于油泵自身结构和参数的物理量。

表征齿轮泵输出流量的参数有理论流量qt与实际流量q。qt为不考虑油泵泄漏情况的理论输出流量，它取决于泵的结构参数(排量)和转速n，即

泵的实际流量q则是考虑油泵泄漏条件下的实际输出流量。

泵的泄漏损失，通常用容积效率ηv来表示，其定义为实际流量与理论流量之比，即

(3)功率和效率 液压系统在汽车自动变速器中，主要实现挡位的切换和传动系统的润滑等。因为没有直接传递动力，因此，如果传递效率低或消耗功率大，将直接损害了整车的燃油经济性。

油泵是将输入的机械能转换为液压能的装置，油泵的损失分为机械损失和液压容积损失，油泵的效率定义为油泵输出的液压功率和输入功率的比值，也等于油泵机械效率ηt和容积效率ηv的乘积。

式中:p为输出压力;T为输入转矩;ω为输入角速度。

2 油泵电测系统结构

2.1 系统特点

在满足油泵系统性能测试需要的同时，本测试系统具备以下特点。

(1)油泵输入转速可以变化，以进行不同发动机输入转速条件下油泵的性能测试。

(2)油泵输出压力可以调节，以进行不同压力负载条件下油泵的性能测试。

(3)油泵输入阻力可以调节，以进行不同吸油阻力条件下油泵的性能测试。

(4)油泵的输入油温和黏度可变，以进行油液在不同的温度和黏度条件下油泵的性能测试。

(5)能对油泵压力、转速、流量、温度和转矩等参数进行实时的测量和记录。

2.2 电测系统结构

为实现油泵性能测试，本系统采用了如图2所示的电测系统结构［1-2］。

在油泵电测系统中，油泵由变频控制器控制变频电机驱动，通过控制变频电机的转速可控制油泵的输出流量;在油泵和变频电机之间安装了转速转矩传感器，能对油泵系统的输入转速和转矩进行测量，也可相应计算输入的机械功率;在油泵的出油口和进油口均安装有压力或真空度传感器，通过质量流量传感器测量油泵的输出流量;系统的油温由智能晶闸管控制器进行控制，而油泵的输出压力等由液压系统的比例阀进行控制。

主要传感器的型号和参数或精度如下:

(1)ABB ACS-550变频控制器 7.5kW;

(2)HM28高温蓝宝石压力变送器 0.1%;

(3)德国RCCS36质量流量计 0.1%;

(4)德国LORENZ转速转矩传感器 0.2%。

为满足试验的需要，系统中设计了相应的液压泵站，油泵的输出压力、输入转速和吸油阻力以及油液的温度分别通过比例阀、变频器、手动节流阀和智能晶闸管控制器进行调节，为了解管道中气泡的产生程度和情况，还在输入油路上安装了耐高温、透明的石英玻璃观察管。

3 油泵电测系统的设计

在油泵电测系统的设计中，采用了基于板卡插槽式的工业控制机集成控制的方案。

本文中选择了在ISA、PCI等总线有丰富数据采集卡资源的研华工业计算机平台。为便于软件的开发和维护，提高人机交互的友好性，采用了基于Lab-VIEW的编程语言。

为了能在LabVIEW平台上驱动研华的数据采集卡，通过LabVIEW所提供的调用库函数节点CLFN(call library function node)和代码接口节点CIN(code interface node)将C语言同图形化G语言结合起来，实现LabVIEW环境下普通数据采集卡的数据采集功能［3-4］。

3.1 LabVIEW对研华卡的动态连接

DLL动态链接库文件是一种允许程序共享执行特殊任务所必需的代码和其他资源的可执行文件。动态链接所调用的函数代码没有被拷贝到应用程序的可执行文件中去，而是仅仅在其中加入了所调用函数的描述信息。仅当应用程序被装入内存开始运行时，在Windows的管理下，才在应用程序相应的DLL之间建立链接关系。

LabVIEW支持通过调用DLL文件的方式和其它编程语言混用。LabVIEW中通过CLFN节点来完成 DLL 文件的调用［5-7］。

图3为研华CAN841卡所提供的DLL库编程实现的CANSendMsg函数的部分程序框图。在完成调用库函数节点所有参数配置之后，采用适合的约定方式，即可完成CAN通信函数的动态链接。

研华的函数库的默认安装路径为Windows的system32文件夹，采用动态加载方式后会有相应的路径输入、输出端口。连接的数据包括函数的返回、设备号、端口、主机ID和波特率设置。另外，延时和发送命令配置参数至关重要。发送命令要参考CAN总线帧格式的标准进行，采用标准帧格式发送。其函 数 按 照 CANPortOpen、CANInit、CANSetNormal、CANSendMsg和CANPortClose流程即可实现指令的发送功能。其简化的发送指令流程如图4所示。

3.2 程序模块化

根据汽车自动变速器油泵电测系统的试验需要，以模块化编程的方法，按照使用特性把系统划分为登陆管理、数据采集、分析处理、数据显示、实时存储与离线回放和转速与油温控制等模块。

数据采集模块是用来实现对所有数采信号和通信得到的信号进行数据集成，把所有相应的信号打包到一起，用于下一步的数据分析。

数据分析处理模块用来分析、处理信号。对于简单的信号，进行滤波或均值处理;对于控制信号，由于非线性与多因素时变不确定性，采用LabVIEW模糊逻辑工具箱(fuzzy logic for G toolkit)和PID控制工具箱进行模糊自整定PID控制，增强系统的动态响应与数据精度。图5为LabVIEW模糊控制内部原理图。

数据显示模块负责数据分析、处理之后的实时显示，有的信号之间有某种特定的关系，须将它们放到一起构成XY图;有的信号可以数值、曲线、仪表和强度的方式呈现。图6为其部分程序框图。

数据实时存储模块用来实时存储采集或分析后的数据。把这些数据和用户操作的一些信息进行归纳，再存储到LabVIEW专用的TDMS文件中，可以随时回放或编辑。也可存储为Word、Excel等文本格式。

数据离线回放模块可随时读取已存储的数据，并以图文并茂的方式显示，直观且操作方便。存储的数据也可用文本工具打开或编译。

另外，软件系统采用客户端登陆方式和严格的流程控制，用户需要正确的账号与密码登陆窗口，然后选择试验，制定试验条件，进行试验，保存数据，试验完毕，退出系统。系统采用一个统一的界面将各软件模块集成，系统的运行参数以数值和图形等方式实时显示，对试验人员、日期和方法等可以直观设定，满足了试验的要求。

3.3 电机变频控制MODBUS通信软件的实现

变频调速电机可在变频器的驱动控制下实现不同的转速控制，以满足试验转速控制的要求。试验中使用的ABB变频器采用欧洲产品最标准的通信协议—MODBUS通信协议，须增加一个RS-485通信模块，通过串口数据传送RS指令即可实现对电机、变频器的监视与控制。

MODBUS协议定义了RTU和ASCⅡ两种传输模式。发送同样的数据时，RTU模式的效率大约为ASCⅡ模式的两倍，变速器油泵电控液压系统采用RTU模式通信。主站一次可向所有从站发出指令，主设备通过消息帧的地址来选择从设备。其数据格式为:从站地址、功能码、数据域、CRC效验码。ABB变频器数据域中的地址码与寄存器一一对应，不同的寄存器有不同的内容。寄存器40001为控制字，40002为给定值，40004为状态字，40005为实际值。其相关参数设置与说明如下:

9802=STD—MODBUS通信;

5304=1—效验方式8N2;

5303=9.6kbit/s—波特率;

5302=1—站号;

1105=100Hz—基准频率;

1103=8—采用COM口通信;

1102=0—由外部控制变频器1给定速度;

1001=10—由MODBUS控制变频器启停。

系统采用的通信命令如表1所示。

表1 MODBUS通信命令

MODBUS通信控制程序在LabVIEW和工控机平台上完成，其主要程序框图如图7所示。

3.4 油温控制

传统模拟交流调压器几乎都采用PID控制方法，但由于实际生产中的非线性和时变不确定性，而达不到理想的控制效果。因此本系统试验油温控制采用智能晶闸管控制器，是专为阻性负载的加热设备而开发的成套控制设备总成，它与加热元件及测温元件组合，即可构成完善的温度自动控制系统。它是以模糊PID为控制方式、DSP为控制核心的智能控制器，兼备了模糊控制鲁棒性强、动态响应好与DSP运行迅速的特点。

智能晶闸管控制器控制端口输入0～10V直流信号，可对主电路输出功率进行平滑调节。控制方式可为手动电位器控制、仪表控制、微机控制、PLC控制，适用于阻性或感性负载。采用晶闸管变周期调功控温方式保证了对工件进行持续而均匀的加热，避免了采用固态继电器调功方式和定周期触发方式因断续加热而出现的“冷热不均”和超温、欠温等现象。加热相对均匀，控制特性较好。

由于在油泵的试验系统中，油温控制只是一种定值控制，而现有的智能晶闸管控制器已经具备了良好的控制功能。为简化控制系统，在试验台中，数采测控系统只对油温进行采集监控，而直接由设定显示仪表与智能晶闸管控制器组合，实现了温度的设定与控制。

4 油泵性能试验

搭建的台架实物如图8所示。试验台分为3个模块:前端为基于LabVIEW的工控机控制系统和电气控制柜;下部为压力、油温等可控的液压泵站和油箱;上部的四周和顶部相对封闭，底部为T型槽平台，面上为待测的油泵与驱动系统、相应的机械工装和传感器的测量系统。

参照现有美国自动变速器油泵的SAE标准，进行了油泵的性能试验，试验中采用长城ATF-III自动变速器油，在不同压力、温度和转速等条件下，进行了大量的试验，图9和图10为摘取的部分试验结果。

由图9可见，随着转速的上升，负载功率逐步增大，容积效率迅速上升，1000r/min之后机械效率趋于稳定，总效率缓慢上升;但转速升至4000r/min以后，油泵的流量增大、流速增加、吸油口真空度增加，进油管逐步产生了较多的气泡，产生气蚀现象，油泵振动噪声增大，容积效率和总效率明显降低。

为研究不同工作压力对油泵性能的影响，进行了温度在40℃，压力分别为2.2MPa和0.5MPa下的性能对比试验，结果如图10所示。由图可见:随着压力的增加，油泵的负载增加，油泵的机械效率增高，泄漏也增大，但总效率增加;在压力比较低时，虽然油泵的泄漏少，油泵容积效率高，但此时油泵自身的摩擦损失比较大，机械效率比较低，相应的总效率较低。同时随着负载压力的增大，油泵产生气蚀的转速也降低。

虽然压力高时，油泵的效率高，但能耗也高，在自动变速器中液压系统所消耗的功率只是起执行机构的作用，即减少了驾驶的操纵强度，但是增加了油耗。在满足自动变速器性能的前提下，须要油泵在能耗和效率之间谋求平衡。

5 结论

(1)采用工业计算机和相应的数据采集卡组成测控平台。基于LabVIEW的编程语言，采用CLFN节点来完成数据采集卡DLL动态链接文件的调用，实现了测控软件的开发，人机交互界面友好，软件便于开发和维护。

(2)基于ABB变频器MODBUS通信协议，在系统中增加RS-485通信模块，采用LabVIEW编制串口数据通信程序，实现了对变频电机的检测和控制。

(3)组合采用智能晶闸管控制器与仪表，实现了对油箱油温的闭环控制，采用LabVIEW编制了相应的温度监控和保护程序，系统简单可靠。

(4)通过油泵的实际测试表明，系统能够完成预期的试验内容，集成度高、数据精度好、动态响应快，达到了预期的研制目的。

［1］Kim Yeonho，Lee Jaesang，Jo Chihoon，et al.Development and Control of an Electric Oil Pump for Automatic Transmission-Based Hybrid Electric Vehicle［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2011，60(5).

［2］杜鹏程，过学迅，程飞.自动变速器试验台的设计研究［J］.现代制造工程，2006(10).

［3］Abu-Mulaweh H I，Mueller D W.The Use of LabVIEW and Data Acquisition Unit to Monitor and Control a Bench-Top Air-to-Water Heat Pump［J］.Computer Applications in Engineering Education，2008，16(2).

［4］LabVIEW 2010 Help［G］.National Instruments Corporation，2010.

［5］曹阳，张培峰.基于LabVIEW的虚拟液压传动实验设计［J］.机械工程师，2008(2).

［6］张伦，孟晓伟.基于LabVIEW的汽车变速器测试系统［J］.测试技术学报，2002，16(13).

［7］朱刚.基于虚拟仪器的模拟试验台测控系统设计［D］.西安:西北工业大学，2007.