机械变速器试验技术及联调试验台设计

第28卷 第6期2008年6月北京理工大学学报

TransactionsofBeijingInstituteofTechnologyVol.28 No.6Jun.2008

自动机械变速器试验技术及联调试验台设计

满益明, 陈慧岩, 龚建伟, 段玉林, 李洪雷

(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081)

摘 要:结合实际项目,设计了自动机械变速器(AMT)联调试验台系统.运用汽车动力因数计算车辆等效质量,提出分段模拟车辆行驶阻力试验方案,对飞轮系统进行优化设计,实现了AMT联调试验台可变惯量的模拟加载与匹配.实际应用表明,AMT联调试验台系统符合使用要求.关键词:自动机械变速器;试验台;惯量匹配;飞轮

中图分类号:U467 523;U469 694 文献标识码:A 文章编号:1001 0645(2008)06 0500 05

DesignofaTestBenchSystemforAutomatedMechanicalTransmission

MANYi ming, CHENHui yan, GONGJian wei, DUANYu lin, LIHong lei

(SchoolofMechanicalandVehicularEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)

Abstract:Givesthedesignandimplementationofatestbenchsystemforanautomatedmechanicaltransmission(AMT).Theeffectiveinertiaofvehicleiscalculatedbyapplyingapowerfactor,andanexperimentalmethodsimulatingtheroadresistanceforceinsegmentsisproposed.Afly wheelsystemisoptimallydesignedtoprovidemechanicalinertia.TheloadsimulationandmatchingofvariableinertiaoftheAMTcombineddebuggingtestbenchareachieved.PracticalapplicationprovedthatthedesignofAMTcombinedtestbenchmeetstherequirements.

Keywords:automatedmechanicaltransmission(AMT);testbench;inertiamatching;flywheel 自动机械变速器(AMT)是在传统手动机械式齿轮变速器基础上,用以微处理器为核心的控制器及相应执行机构对选挡、换挡、离合器、制动及发动机供油操纵进行控制[1]而实现的自动变速系统.它不仅保留了原齿轮变速器高效率、低成本、结构简单等优点,而且还具有自动变速器的动力性优越、安全性、排放性和乘坐舒适性良好等特点.AMT台架试验是AMT研究开发中的重要环节,通过台架试验对AMT进行性能测试,优化换挡规律使其与发动机匹配,从而实现最佳的动力性或经济性,同时为AMT的装车奠定基础.目前,国内自动变速箱的试验技术基本为静态或者疲劳加载[2]方式,不能实现动态的加载与稳定.虽然国外具有相关的试验技术与设备,但是其价格高昂,设备使用与维修极不方

便.为此,结合实际项目,作者设计了可动态加载的AMT联调试验台.

1 AMT试验台系统的用途及功能

试验台系统主要完成AMT在实车上的基本性能模拟及自动换挡功能测试,并能模拟部分稳态惯性负载和动态转矩负载.试验台需要实现的主要功能有: 选换挡机构单动作试验与标定; 离合器执行机构单动作试验与标定; 自动变速操控系统与电控发动机之间的通信功能试验; 电控发动机、离合器驱动机构与自动机械变速器的联调试验,包括起步、升降挡、手动和自动模式转换等试验; 记录并显示起步及换挡控制历程; 模拟稳态负载和动态负载的加载.

收稿日期:20070802

作者简介:满益明(1982 ),男,博士生,E mail:manyiming@;陈慧岩(1961 ),男,教授,博士生导师.

第6期满益明等:自动机械变速器试验技术及联调试验台设计501

2 AMT试验台系统组成及原理

2 1 被测AMT系统组成与工作原理

被测AMT系统由主、副变速箱、电控换挡控制系统及其执行机构组成.主变速箱装有电液换挡机构,副变速箱装有电控气动换挡机构.电控换挡控制系统主要测试参数为变速器输入输出轴转速、发动机转速、离合器行程、制动信号、选位与换挡行程及入口的油压、流量、油温与出口油温等.AMT系统基本原理如图1所示.ECU根据驾驶员的操纵(加速踏板、制动踏板、选挡手柄的位置等)及车辆运行状态(车速、发动机转速、变速器输入轴转速等)等进行综合判断,确定驾驶员意图及路面状况,采用ECU中存储的相应控制规律(最佳换挡规律、离合器接合规律、发动机油门调节规律等),发出控制指令,借助相应执行机构,对油门开度、离合器接合及换挡进行控制,使其实现最佳匹配,从而获得良好的行驶性能、平稳的起步性能和快速的换挡能力

.

速器控制的核心内容.

控制参数主要有发动机油门开度 和车速v,加速度dv/dt有时也被作为一个控制参数.换挡规律主要有单参数、双参数和动态3参数换挡规[4]

律.换挡过渡过程的好坏直接关系到换挡品质,常用换挡时间、冲击度及离合器滑磨功3项指标评价换挡品质[3,4],良好的换挡品质要求换挡过程平稳而没有冲击.综合考虑各种因素,试验台被测对象AMT变速箱采用组合型的双参数换挡规律.

试验台系统性能要求: 换挡时间小于3s; 系统换挡冲击小; 平稳的模拟加载.

2 4 AMT试验台系统的组成及原理

试验台系统采用与原车基本相同的动力传动系统,通过加速踏板、选挡手柄、模拟制动开关及台架控制器等对发动机、AMT及加载系统进行综合控制,对自动变速操纵系统的各项功能进行联调试验,其原理示意图如图2所示.

图1 AMT工作原理示意图

Fig.1 SchematicdiagramofAMTsystem

2 2 CAN通信

AMT控制过程是动力传动系统综合控制过程的重要组成部分,因此AMT系统与车内其它电控单元尤其是发动机控制单元的通信显得尤为重要.该试验台系统采用CAN总线技术实现各控制单元之间的通信,通过AMTECU与发动机ECU之间的数据共享与协调控制,提高了AMT起步和换挡时的换挡品质,同时还减少了硬件数目和试验台开发成本.2 3 换挡规律及其考核标准

换挡规律是指两排挡之间自动换挡的时刻随控制参数变化的规律,它关系到动力传动系统各总成潜力的挖掘与整体最优性能的发挥,直接影响车辆

[1,3]

图2 AMT试验台系统工作原理示意图

Fig.2 PrincipleofAMTtestbenchsystem

试验台系统的硬件主要由电控发动机、离合器总成、AMT系统、扭矩测量装置、可换挡传动箱、负载加载装置、惯量加载装置、台架控制器、主控系统及试验台辅助系统等组成,如图3所示.

电控柴油机为试验台提供动力;离合器用于传递扭矩;变速箱和选换挡执行机构及控制系统组成试验台的被测对象即AMT系统;扭矩测量装置用于测量变速器输入输出轴转速与转矩;负载加载装置由测功机实现;惯量加载装置由组合飞轮装置构成的机械惯量加载系统实现;台架控制器、主控系统由工控机和相应的软件组成;可换挡传动箱用于改

502北京理工大学学报

[5-6]

第28卷

数图确定.

只考虑无风条件下的汽车运动,则汽车的行驶方程式为[5]

Ttqigi0 T/r=Gfcos +CDAv2/21.15+

1 扭矩仪1的效率; 2 离合器传递效率; 3 变速箱效率; 4,J4,i 可换挡传动箱效率,惯量,传动比; 5,J5 扭矩仪2的效率,惯量; 6,J6 测功机效率,惯量; 7,J7 弹性联接轴效率,惯量;Jf 飞轮惯量

图3 AMT试验台系统硬件组成示意图

Fig.3 HardwarestructureoftheAMTtestbenchsystem

Gsin + mdv/dt.(1)

式中:Ttq为发动机输出转矩;ig为变速器传动比;i0为主减速器传动比; T为传动系机械效率;r为车

轮半径;G为汽车重量;f为滚动摩擦因数; 为道路坡道角;CD为空气阻力系数;A为迎风面积; 为汽车旋转质量换算系数, >1;m为汽车质量;dv/dt为汽车行驶加速度.

定义动力因数D=(Ft-Fw)/G,式中:Ft为驱动力,Ft=Ttqigi0 T/r;Fw为空气阻力,Fw=CDAv2/21.15.将式(1)除以汽车重量G并整理得

dv/dt=(D- )g.

(2)

式中: 为道路阻力系数, =fcos +sin ;g为重力加速度.

将式(2)代入式(1)并整理,即可得到不同车速下所对应的汽车等效质量为

Ttqigi0 T-Gfrcos -CDAv2r/21.15-Girme=.

(D- )gr

(3)

变AMT输出轴的转矩转速,使其与测功机匹配;辅

助系统主要由发动机、可换挡传动箱及测功机的辅助件组成.

若将变速箱输出轴和测功机的输入轴直接连接或与被测AMT变速器相连的传动箱采用单一传动比时,由于各个挡位的正常工作范围不一样,电涡流测功机的正常使用范围无法覆盖各挡位的转速与转矩范围;另一方面将使得飞轮系统的惯量在低速时变得非常大,且还需要在很大范围内连续可变,同时,若被测车辆的惯量分布范围较大,要求的绝对模拟误差较小时,仅用飞轮系统模拟车辆的惯性能量将使机械惯量加载系统的结构复杂化,占用过多实验室空间.此时,不仅试验台负载设备的设计将十分复杂,而且费用也将巨额增加.综合考虑以上两方面的因素,经分析计算,将传动箱设计成具有3个传动比的可换挡传动箱.

根据扭矩仪适用的转速与扭矩范围及发动机和变速箱输出轴的转速与扭矩范围,选用了同一型号不同量程的扭矩传感器,该型号传感器可同时测量转速与转矩.扭矩仪1用于测量变速器输入转速与转矩,扭矩仪2用于测量AMT输出轴转矩与转速,但是由于AMT输出轴转矩工作范围广,考虑到扭矩仪的价格与实用性,将其布置在可换挡传动箱之后,经过换算即可获得AMT输出轴的转矩与转速.

测功机主要用于试验台系统模拟车辆道路阻力的动态加载,机械惯量加载系统则用于试验台的稳态加载.

4 等效惯量计算及设计

4 1 试验台加载惯量的选择

试验台常用加载惯量主要有机械惯量和电惯量两种形式.常用机械惯量系统为机械飞轮结构,它加载实时、成本低、可靠性高,但会导致试验台结构复杂,占用过大测试空间.电惯量技术比较成熟,但成本高,控制系统复杂,其控制系统需要具有实时响应能力,加载存在一定滞后;同时,在大惯量加载试验中,完全的电惯量加载要求测功设备具有足够大的功率以提供所需惯量负载.在试验台的动态性能要求不太严格且加载惯量小的试验中,电惯量是一种非常好的选择.因此,作者的试验台采用机械惯量和电惯量配合使用的方案,既降低台架开发成本,又保证了系统的动态性能,降低了控制系统复杂性.4 2 机械惯量加载方式设计

测功机的使用一般应该满足以下条件: 在满量程的20%~80%之间时,测功机加载扭矩测量精度最高; 原动机的特性曲线需落在测功机所能吸收的功率区域范围之内; 考虑到振动与噪声的3 车辆等效质量计算

汽车加速行驶时,车辆等效质量的计算常引入汽车旋转质量换算系数 ,而 主要与发动机飞轮的转动惯量、车轮的转动惯量、传动系的惯量及其传动比有关,可由文献[5]中的相应公式推出.在进行

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范围之内.

经过可换挡传动箱的转换,AMT输出轴的转速转矩被转换到测功机的理想工作范围,使AMT多挡位换挡模拟加载试验被分成3个不同阶段进行.为此,试验台系统在满足测功机使用要求和简化机械惯量加载系统设计的同时,还实现了各个阶段的动态切换、连续试验与加载.

4 3 惯量计算理论依据

机械惯量加载系统由均质圆盘组成,其转动惯量为

J=m1R/2= bR/2.

2

4

4 4 机械惯量加载系统组合优化设计

试验台系统的惯量模拟加载系统应具备以下条件: 模拟惯量宽度范围尽可能广; 模拟惯量应尽可能地适应不同种类车辆的要求.因此机械惯量加载系统采用多飞轮系统的设计.同时,考虑到该系统拆装组合的方便性、随意性,特意将其多飞轮系统设计成可自由组合的形式.当采用拨叉结构[7]时,惯性飞轮组体积将很大,考虑到试验间的空间有限,采用图4所示的销式结构.图4中飞轮A和B是系统常用飞轮,其余飞轮则装在主轴轴承上.不同飞轮组合选用不同的销,销的长短与惯量大小一一对应.当试验台做不同阶段的加载试验时,其所需加载的飞轮惯量可由式(10)计算得出,选用与之相对应的销并分别以A,B为基准插入对应的销孔即可,此时,插入销的飞轮就参与该阶段的加载试验,其他未插入销的飞轮则不参与加载.

(4)

式中:m1为均质圆盘的质量; ,R和b分别为均质圆盘的密度、半径和厚度.

根据能量守恒定律,将车辆直驶动能转换为AMT输出轴上的旋转动能,有

J1 2 /2=mev2/2.

(5)

式中: 为AMT输出轴至地面的传动效率; 为轮胎角速度;v为车辆速度;J1为汽车等效质量等效到AMT输出轴的转动惯量,即

J1=mev2/ 2=mer2/ i2c,式中ic为AMT输出轴至地面的传动比.

将图2中试验台AMT输出轴之后的系统转动

惯量等效到AMT输出轴上的惯量J 1,得

J 1=

i

2

(6)

J4+J5/ 4+J6

i=4

5

i+J7

j=4

6

j+Jf

k=4

7

k.(7)

图4 组合飞轮系统结构示意图

Fig.4 Structureofassembledfly wheelsystem

由于转动惯量J5很小,故可以将其忽略不计.则式(7)变为J=i

1

2

J4+J6

i=4

5

i+J7

6

j+Jf

j=4k=4

7

k.(8)

将飞轮系统惯量分为两组,一组进行微调,一组进行粗调,对其按一定的公比进行等比分配.通过对两组飞轮的不同组合,使加载的飞轮惯量尽可能多地分布在试验台可加载惯量范围之内.同时,当不同车型的惯量匹配误差超过5%时,还可以通过选择不同的i来匹配其惯量.

试验台可换挡传动箱的传动比i分别为0 138,0 217,0 667,与这3个传动比对应的惯性飞轮必须提供的Jf分别为3 0,13 0和75 0kg m2.通过对飞轮系统的不同组合加载,其可以提供的等效到AMT输出轴的转动惯量J 1的范围为6 7~3938 0kg m2,如图5所示.图6为J1与传动比的匹配图.对于不同车型,在利用式(6)计算出该车型等效到AMT输出轴上的惯量之后,根据 机械惯量加载系统主要功能为模拟车辆的惯性能量,故有J1=J 1.则e22

J4+J6=i

ic

5

i+J7

i=4j=4

6

j+Jf

k=4

7

k.(9)

由式(9)整理可得

7

mer2

Jf= 4 i-J4

ici=

j=4

7

j-J6

k=4

7

k-J7 7.

(10)

式(10)中,J4,J6,J7是已知的,故可以根据式

(

i.

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及选用的传动比,节约了试验时间与成本

.

速确定需加载的惯量和选用的传动比,并可快速确定不同车型需要选用的传动比与加载的机械惯量.

参考文献:

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5 结 论

根据汽车动力学模型,运用汽车动力因数计

算车辆等效质量.根据测功机使用要求和被测车辆惯量分布范围,设计了可换挡传动箱,提出对AMT联调试验台进行分段试验、分段模拟加载的方案.

考虑到机械惯量组合的方便性、随意性及试验间空间限制,设计了一种新颖的组合飞轮系统结构,该结构可以在不拆卸飞轮的情况下对其进行随意组合,安装简单、操作方便.

根据模拟车辆转动惯量的范围及转动惯量误差小于5%的规定,在考虑实际应用的前提下,对组合飞轮系统的惯量分配进行优化设计,使试验台能够最大限度地满足不同车辆对加载惯量的需求.

得出飞轮加载惯量与可模拟惯量的匹配图和常用模拟惯量与传动比的匹配图.根据该图可快

(责任编辑:匡梅)

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