基于PLC的變速器同步器測試系統(tǒng)

在汽車的傳動系統(tǒng)中，若采用機(jī)械式手動變速器，一般都配有同步器，其主要功能是：使接合套與待接合齒圈兩者之間能迅速同步，阻止在同步之前齒輪進(jìn)行嚙合，防止產(chǎn)生接合齒圈之間的沖擊，縮短換檔時間，迅速完成換檔操作，并延長齒輪壽命。

同步器的性能指標(biāo)直接影響變速器的效能表現(xiàn)，從而影響車輛的操控性，所以要在安裝前對其技術(shù)性能和壽命進(jìn)行一系列相關(guān)測試。

研究基于PLC的變速器同步器測試系統(tǒng)，可以對同步器換擋過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時準(zhǔn)確的測試記錄，通過對比分析處理，從而對被試同步器的性能與壽命作出客觀準(zhǔn)確的評價。

因?yàn)镻LC具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，所以采用PLC作為整個測試系統(tǒng)的控制核心，通過驅(qū)動電機(jī)模擬換擋過程，并且控制二個軸的轉(zhuǎn)速;同時配以計(jì)算機(jī)，設(shè)定測試條件，用以高速采集測試系統(tǒng)中多路傳感器信號，并對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行后期分析處理，并發(fā)出相應(yīng)指令。

1 測試系統(tǒng)組成

汽車同步器測試系統(tǒng)的主要部件有：結(jié)構(gòu)臺體、變頻電機(jī)、伺服電機(jī)、慣性飛輪、被試同步器、換擋機(jī)械手、循環(huán)潤滑系統(tǒng)、機(jī)械手控制箱、控制柜、各種檢測傳感器、PLC、計(jì)算機(jī)等，測試臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

注：1.交流伺服電機(jī)(0.85kW);2.減速機(jī);3.離合器;4.交流變頻電機(jī)(3 kW);5.機(jī)械手液壓泵站;6.皮帶輪;7.位移傳感器;8.液壓缸;9.潤滑油噴油口;10.編碼器(低速);11.組合式慣性飛輪;12.離合器;13.轉(zhuǎn)速傳感器(高速);14.潤滑油回油口;15.兩分力傳感器;16.齒輪錐;17.同步器;18.撥叉;19.工作倉。

測試臺能對一定型號的同步器進(jìn)行3類主要測試：連續(xù)測試、慣性測試和擠壓測試，連續(xù)測試與慣性測試測量同步器動摩擦系數(shù)和耐磨損性能，擠壓測試用于測量同步器的靜摩擦系數(shù)，測試是在室溫至120℃的潤滑油環(huán)境中進(jìn)行的，通過對測試臺測量數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算，觀測并記錄同步的摩擦性能與耐磨損性能，從而對同步器的性能作出評價，其中連續(xù)測試流程如圖2所示。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個測試系統(tǒng)的核心是測控部分，首先要求實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，以確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠;同時在測試過程中，要求實(shí)時采集采集位移、轉(zhuǎn)速、同步扭矩、軸向力、潤滑油油溫和流速等一系列信號數(shù)據(jù)，通過處理采集到的信號數(shù)據(jù)及由此繪出的特性曲線，分析評價被測變速器同步器的相關(guān)性能，其測控系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

測控系統(tǒng)由PLC、計(jì)算機(jī)、各種傳感器、信號測試調(diào)理卡、驅(qū)動與控制電機(jī)等組成。測試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)和PIC共同控制，計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)具有良好的人機(jī)交互功能，負(fù)責(zé)對整個測控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，向PLC發(fā)送指令及數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的控制，并通過數(shù)據(jù)分析軟件對采集到的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理，從而測試同步器的性能指標(biāo)。

因?yàn)镻LC具有操作方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足測試系統(tǒng)控制的要求，所以采用PLC來采集現(xiàn)場信號和輸出控制信號;負(fù)責(zé)直接控制與監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，包括換擋機(jī)械手的運(yùn)動控制、電機(jī)速度的調(diào)節(jié)、變速器油溫控制等;傳感器負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的信號，經(jīng)信號測試調(diào)理卡轉(zhuǎn)換成模擬量傳送給PLC和計(jì)算機(jī)。

需要指出的是：當(dāng)測試開始之前，必須對變速器各個擋位位置進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，將各個擋位對應(yīng)的選擋位置傳感器和掛擋位置傳感器數(shù)據(jù)存儲于PLC的存儲區(qū)，同時將機(jī)械手的控制參數(shù)如各個擋位的掛擋力、掛擋速度、擋位位置補(bǔ)償存儲于PLC的存儲區(qū)，在測試過程中，通過對這些數(shù)據(jù)的快速查詢而準(zhǔn)確快速的模擬換擋過程。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

測控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)與PLC綜合控制。

作為上位機(jī)，計(jì)算機(jī)中的對應(yīng)控制程序基于Windows2000/XP平臺系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，采用人性化用戶界面，能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺的自動化控制和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲及分析處理，其主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

1)查閱、刪除、分析、打印歷史測試數(shù)據(jù)或曲線圖;

2)實(shí)時顯示測試中的設(shè)備狀態(tài)及可能出現(xiàn)的錯誤故障，按照出錯等級(警告、錯誤、嚴(yán)重錯誤、致命錯誤)自動做出應(yīng)對;

3)可以預(yù)先設(shè)定試驗(yàn)程序，包括軸向力、加載時間、卸載時間、轉(zhuǎn)速差、潤滑油溫度等參數(shù)，并能對同步器參數(shù)和試驗(yàn)工況進(jìn)行編輯、保存、下載、打印;

4)連續(xù)自動記錄測試過程中的相關(guān)等數(shù)據(jù)，實(shí)時圖形顯示所有的測量和計(jì)算數(shù)據(jù)，并生成相應(yīng)變化曲線分析圖;

作為下位機(jī)，PLC負(fù)責(zé)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制與監(jiān)控，PLC中的控制程序采用德國倍福公司的TwinCAT PLC編程軟件編寫，整個程序控制流程如圖4所示。

PLC中的控制程序?qū)崿F(xiàn)的功能主要有：

1)采集數(shù)據(jù) 因?yàn)闇y試環(huán)境中通常存在強(qiáng)烈的電磁干擾，如不采取相應(yīng)的抗干擾措施，其會以傳導(dǎo)和輻射的形式進(jìn)入測控系統(tǒng)，嚴(yán)重影響測試結(jié)果，所以要從硬件和軟件上加以相應(yīng)處理，硬件上要采取相應(yīng)的電磁屏蔽，在測試信號調(diào)制卡設(shè)置多重濾波電路，利用PLC的I/O模塊帶有電氣隔離功能進(jìn)行光電隔離;軟件上采用相應(yīng)算法進(jìn)行濾波處理，進(jìn)一步減低干擾影響。

2)安全保護(hù) 當(dāng)不當(dāng)操作或測試同步器零件總成發(fā)生過早損害或其他故障(電機(jī)過載、超速、超溫等)時，使試驗(yàn)臺能夠快速自動停止，對變頻器具有過流、過載、過壓、欠壓、過熱、短路和冷卻風(fēng)扇異常保護(hù)，對電動機(jī)具有過載和超速保護(hù)，對系統(tǒng)具有超速、超扭和超溫保護(hù)，所有報警信號通過主控制計(jì)算機(jī)顯示故障原因或故障代碼;緊急停車是必須的硬件功能，可以手動執(zhí)行或系統(tǒng)自動執(zhí)行;緊急停車時加載機(jī)構(gòu)處于中間位，電機(jī)通過制動單元緊急停車、機(jī)械手摘到空擋，報警器發(fā)出報警。

3)控制換擋 PLC根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制命令，提取其存儲區(qū)內(nèi)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)換擋動作;同時計(jì)算機(jī)通過讀取相應(yīng)傳感器信號監(jiān)視換擋動作完成情況，若選擋未能到位或換擋超時，會即刻強(qiáng)制空擋，起到安全保險作用;當(dāng)選擋及時準(zhǔn)確到位時，則發(fā)出下一步指令。

4 結(jié)論

同步器測試系統(tǒng)是包含信號采集處理、電子電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)等學(xué)科于一體的自動控制機(jī)電一體化設(shè)備，能夠完成典型的長時間、高重復(fù)性測試項(xiàng)目，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，對于提高同步器測試自動化水平具有重要的實(shí)用價值。