汽车液力变矩器柔性化性能测试系统研究

2014-10-15任工昌曹录海

制造业自动化 2014年19期

任工昌，翁涛，曹录海

（陕西科技大学机电工程学院，西安 710021）

0 引言

液力变矩器是一种以液体为介质，用来传递动力的传动装置，对外载荷具有自动适应能力，是汽车实现无级变速的关键部件，目前广泛用于各类车辆传动系统中[1,2]。柔性测试技术是以虚拟仪器技术、机电一体化技术、测试测量技术、通信及网络技术、软件技术等为基础，对满足测试测量系统需求的方法及手段进行深入研究的技术。可靠性、精确性、灵活性、适应性和可拓展性是柔性测试系统的研究目标，系统尤其注重测试测量系统功能的整体性[3]。

由于现代制造技术的飞速发展和液力变矩器的广泛应用传统的老式液力变矩器生产线正向自动化柔性化生产线转变，而性能测试技术必须要适应并满足于它所服务的对象，所以对液力变矩器柔性化性能检测技术的研究显得尤为重要。本文介绍了一种新型汽车液力变矩器柔性化性能测试系统，该系统是在整合原有液力变矩器性能测试设备硬件资源的基础上，通过虚拟仪器技术和先进的通讯及网络技术的应用，实现对各种类型和型号的液力变矩器的各种性能测试，系统具有较高的可靠性、灵活性、适应性和可拓展性，能够满足液力变矩器柔性化性能测试需求。

1 试验台组成及工作原理

液力变矩器试验台由驱动/负载部分、测量与控制系统、油路供给系统等组成，如图1所示。

1.1 驱动/负载部分

驱动部分的主要功能是模拟发动机向变矩器总成输出动力，可以在不同的转速和扭矩范围下测定变矩器的各种性能，驱动电机在变矩器反向工况时可作为负载电机使用。负载部分采用交流变频电机，负载吸收的功率以发电方式输出电流并通过变频系统的直流母线直接回馈到驱动电机的变频系统，向驱动电机提供电能，负载电机在变矩器反向工况时可作为驱动电机使用。

图1 试验台结构示意图

钢结构底座上还安装有一个盘式制动器，一个扭矩传感器和传感器安装底座。扭矩传感器与被试液力变矩器用一根万向节工业传动轴连接。用于采用万向联轴节的传动方式，对于被试件与传感器的对中要求相对可以降低要求，便于被试件工件快速的拆卸和安装。驱动/负载部分的安装底座在基础平板上前后、左右可调。

1.2 测量与控制系统

测试系统硬件由美国NI公司的PXI-1052机箱、MXI-4控制器单元、PXI数据采集单元、SCXI信号调理单元、计算机、打印机等组成。MXI-4控制器单元、PXI数据采集单元、SCXI信号调理单元安装在现场专用控制柜内，完成各种试验过程参量的隔离、滤波、整形、A/D转换等功能，并通过MXI-4网络传输至测控中心的计算机，计算机通过上位测控软件最终实现高精度、高可靠性的数据采集、显示、分析、存储，由网络打印机实现报表打印。

数据采集单元选用了NI公司的PXI总线机箱和板卡，PXI总线是专为工业数据采集量身定制的模块化仪器平台，比PCI总线具有级别更高、定义更严谨的环境性能指标，以及更为牢固的插接方式，适合在恶劣的工业现场使用，并且具有良好的长期稳定性。同时集成了SCXI调理单元，在降低系统成本的同时，可通过机箱背板总线实现SCXI调理至PXI采集的数据传输，简化了系统信号传输电缆连接，有效提高了数据传输的可靠性。试验台现场数据采集设备与测控中心的测控主机通过MXI-4高速网络传输技术实现PCI对PXI的远程控制，连续传输速率可达78MB/s，不仅可以满足高数据采集、通道同步等需求，同时比纯PCI总线或纯PXI总线具有更好的系统扩展灵活性和更高的性价比。

1.3 供油系统

供油系统由油箱、油泵电机、变频器、温度和压力传感器、各种阀体和连接件等组成，油路供给系统原理如图2所示。系统选用双联泵，共用一台电机。在试样的入口管路旁路和出口管路中设置气动调节阀，用于调节入口和出口压力，在一台油泵的出口设置一台气动调节阀，用于调节流量；配备变频器，通过调节油泵电机转速来保证入口流量满足试验要求。加热器安装在油箱中，冷却器安装在回油管路中，冷却水经过气动调节阀，进入冷却器后排出，通过控制加热器和气动调节阀控制冷却水的流量，调节介质油温度。

在测功系统启动前，辅助油源系统预先开始工作，启动辅助油源加热器，循环升温到试验要求温度，然后按照产品的试验工况要求，将压力、流量和温度调节至要求值，启动冷却水系统，然后再启动测功系统。

流量调节原理：通过变频器调节油泵电机转速在150r/min～3000r/min范围内连续可调，通过PLC与流量形成闭环控制。

压力调节原理：通过PLC调节入口气动调节阀、出口调节阀和旁路的调节阀，分别与产品入口压力、出口压力形成闭环控制，保证压力的调节。

图2 油源系统原理图

温度调节原理：在油箱内安装加热器，在系统管路中安装冷却器。先启动油泵电机，将辅助油源的油流动起来，形成回路。接通加热器，对液压油进行加热，通过PLC控制加热器和冷却水的气动调节阀，与油温形成闭环控制，实现油温的调节。

为适应不同的传动油，辅助油源配备两套，都分别集中在油源车上，方便移动。油源对外有三路接口，一路接液力变矩器进口油路，一路接液力变矩器出口油路，这两路油路通过换向阀可以快速切换油路方向，另一路接液力变矩器闭锁控制油路。由于油源的油泵能力较大，同时液力变矩器进口油路安装有气动调节阀，可以保证压力控制在0.5MPa～1.2MPa；液力变矩器出口油路安装有气动调节阀，在出口气动调节阀之前安装有冷却器，可以保证压力控制在0.2MPa～1.2MPa；液力变矩器闭锁控制油路入口设计有减压阀，可以保证压力控制在0.5MPa～2MPa。

2 系统软件

系统软件开发采用NI公司的虚拟仪器LabVIEW图形化编程软件，Windows操作系统作为运行平台。虚拟仪器就是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求，定义和设计仪器的测试功能，其实质是将传统仪器硬件和最新计算机软件技术充分结合起来，以实现并并扩展传统仪器的功能，也就是“软件即仪器”[4]。正是由于虚拟仪器技术具有这些特点，几乎是柔性测试系统的开发所必需用到的技术。

2.1 软件设计思想

本系统软件主要功能是通过对动力-驱动电机和负载-负载电机以及对变矩器油温、流量的控制，对变矩器各种性能参数（转速、扭矩、功率、压力、流量、温度）的测量来考核变矩器的各种工作状况和性能指标；围绕着完成这些功能还提供错误提示、数据处理、数据存储等辅助功能。系统功能模块如图3所示。

用户登录界面必不可少，用户需要输入用户名、密码进行用户信息的认证，才能进入测试项目选择界面。系统主要功能在各测试项目的主界面来完成，包括试验转速、转矩控制，信号采集方式的选择，产品信息以及试验状态的显示。试验完成后可进行数据处理、保存与曲线绘制。相应的软件界面如图4～图6所示。

图3 系统功能模块图

图4 登陆窗体

图5 试验主界面

图6 结果显示界面

2.2 软件结构设计

软件采用模块化设计思想[5]，针对变矩器类型多、型号多和所需测试项目多的特点，将变矩器各个试验项目建立成不同的测试模块，各个模块执行独立的测试项目，各测试模块又由若干个子模块组成，可完成不同的子任务。

需要指出的是，各测试项目中，可能存在相同的子任务，执行这些相同的任务可通过调用同一个功能模块来实现。通过这样的结构设计，就把液力变矩器的性能测试过程，变成了按测试要求灵活匹配测试任务的配置过程，测试过程因此具有规律性，也大大提高了测试程序的通用性和可移植性[6]。

3 柔性化在系统中的实现

3.1 硬件部分

柔性测试技术在硬件方面主要通过柔性重构技术[7]来实现。所谓柔性重构就是要求系统可以根据不同的测试需求匹配不同的硬件资源，例如匹配不同的传感器或其他测试仪器、采用不同的工装、不同的数据通讯方式等。本系统中，安装了多种不同量程和类型的传感器，可以根据测试要求任意匹配；底座有滑动导轨，可适应不同的工装；交流变频电机可提供较大变化范围的动力；PXI-SCXI混合机箱[8]使得该系统具有极高的信号适应性，具备对转矩、转速、温度、压力、频率等不同类型信号的采集与处理能力，极大的增加了系统通讯的灵活性。

3.2 软件部分

软件采用模块化结构，可以使各测试项目中的每个功能测试互相独立，互不影响。当试验需求改变，需要对功能进行扩展或更新时，不需要对全部的软件进行重新设计，只要对某个特定功能测试模块的软件进行更新即可，可减少工作量，也体现出测试软件的通用性和灵活性。而各测试项目中存在的相同测试功能的子模块也可以相互调用，实现资源的重复利用[9]。

柔性化测试系统最重要的体现在于软件系统的功能实现上。测试人员只需根据测试需求，用鼠标选择要进行的测试项目，跳过不必要的过程，提高了测试效率。进入测试项目后，用户可以对试验参数进行编辑，包括工艺参数和传感器参数编辑两部分，工艺参数主要是指与试验工艺相关的参数设置，传感器参数是指试验所用的传感器标定值编辑。如果需要更换试验产品的型号，直接在产品型号下拉窗选择，如果需要添加新型号，可在添加型号输入窗内输入新型号进行添加。参数编辑界面如图7所示。