1、毕业设计汽车变速器试验台测控系统硬件设计摘 要 变速器作为汽车传动系上重要组成之一，其性能直接影响到汽车可靠性和动力特性，因此要经过实验来测试和分析汽车变速器的性能影响，以及验证变速器产品转速、转矩等参数的合理性，为产品设计与质量评估提供可靠的依据，缩短产品的开发周期和提高产品质量。变速器试验台测控部分主要组成有驱动电机，负载电机，变频器，工控机，转速转矩传感器，数据采集卡等。本文主要完成变速器试验台测控系统总体方案，电机控制部分的电气原理图设计及绘制，测控系统数据采集硬件接线图。本试验台测控系统硬件选型主要有：根据给定的设计参数完成电机的选型，然后根据电机功率完成变频器的选型；通过分析给定参
2、数，所需要的测量精度和所需要测量的数据要求（转矩和转速），对传感器进行选型；通过所选传感器，完成数据采集卡的选型。本试验台通过变频器内的能量逆变装置，实现能量的回收再利用。关键词：变速器试验台 测控系统组成 硬件选型及接线图 电气原理图 AbstractTransmission as vehicle drivetrain is one of the important composition, its performance directly affect auto reliability and dynamic characteristics, so be through experimen
3、t to test and analysis of the auto transmission impact on performance, and validate the transmission products rotational speed, torque and other parameters of the rationality, for product design and quality evaluation, shorten the reliable basis for new product development cycles and improve product
4、 quality. The transmission control part of main component test with a drive motor, load motor, frequency converter, industrial PC, speed, torque sensor data acquisition card, etc. This paper mainly complete transmission test rig measurement and control system, motor control part of the overall schem
5、e of the electrical diagram design and drawing, measurement and control system data acquisition hardware hookup. This transmission test rig system hardware selection mainly has: according to the given design parameters selection, then finish motor based on the motor power complete frequency converte
6、r selection; Through the analysis, requiring given parameter measurement precision and required the measured data of requirements (torque and speed), selection of sensor; Through selected sensor, complete data collection card selection.This test rig in by the frequency inverter device, realization e
7、nergy energy recycle.Keywords: transmission test rig system composition hardware selection and the wiring diagram electrical diagram 1 绪论1.1论文研究的目的及意义 随着汽车市场的不断扩大，汽车行业对变速器的需求不断增长，对汽车变速器的质量要求也越来越高，这就要求既要有高科技的加工手段，又要有高质量的检测设备。变速器的出厂检验是控制出厂质量的重要环节，出厂检验的任务是在产品出厂前尽快发现问题并及时解决，以避免在用户使用中出现质量问题，这样可有效控制产品质量，减
8、少售后服务的工作量，节约资金，降低成本，提高产品的市场信誉度。利用加载试验台作为变速器的检验设备，在国外早已普遍应用。近些年来我国的部分生产厂家也开始使用加载试验台对出厂设备进行检验。使用加载试验台，可在有载荷的情况下检测变速器，更接近变速器的实际使用工况，能发现一些空载试验所检查不出来的质量问题，可有效控制变速器的质量，因此设计开发一种性能好的变速器加载试验台是非常重要的。汽车变速器是汽车传动系统的重要组成部分。其性能的优劣直接影响到传统系统的性能，关系到整车的质量。因此必须进行疲劳寿命试验用来测试和分析汽车变速器的耐久性、使用寿命、传动效率等因素的影响，以及验证变速器产品结构设计、制造工艺
9、、材料、负荷、转速、润滑条件等参数的合理性，为产品设计与质量评价提供可靠的科学依据，缩短产品的开发周期和提高产品质量。研制汽车变速器试验台，实现对各种汽车变速器例行试验，测试其性能、参数等，以检测变速器是否满足有关技术要求的规定；自动记录相应的试验数据并进行分析处理，最后将数据、特性曲线等试验结果通过报表打印输出。实现汽车变速器测试系统的高精度、速应性、实时性和高抗干扰能力。改变传统的汽车变速器测试方法，大幅度提高工作效率，从而提高汽车变速器检修的速度和质量，降低检修成本，实现检修自动化、数字化、智能化，完成对检修过程的有效记录管理，建立汽车变速器的状态参数数据库，为汽车变速器检修由定期维修向
10、状态维修提供一定的设备基础，提高汽车变速器检修管理水平，从而实现对汽车变速器状态的有效控制，为数字化检修的建设服务。1.2 变速器试验台发展现状 变速器试验台的类型曾从“机械封闭式”到“开环”到“电封闭式”几种类型等几个阶段，其中“机械封闭式试验台”是由驱动电机、俩个传动箱、输入扭矩转速传感器、被试件、输出扭矩传感器、加载器等组成，由于这种试验台试验时相当于有一个封闭式功率流在这个封闭的机械传动系统内流动，因此称之为机械式封闭式试验台；“开环试验台”是由驱动电机输出的功率，通过被试变速器和陪试变速器之后，即被负载装置（各种测功机）全部吸收并且消耗掉；“电封闭式”是变速器输出的机械功率首先通过加
11、载电动机装换成电功率，再通过电参数的调节，将这部分电功率以合适的电压、电流方式（交流模式时还包括频率和相移）传到变速器的驱动电机，再由该电机将电能转换成机械能，驱动变速器的输入轴，实现能量的回馈与利用。1.2.1 国外的发展现状 目前，国外变速器台架测试技术已经比较成熟，可以对变速器的一些特性进行检测，如空载或又负荷情况下的加速及减速换挡特性，1、2、3、4前进挡、倒档的滑差测定，各种工况下的各种油压等。这些设备技术含量高、测试精度高，但购置费用较高，仅有一些经济发达地区的个别大型维修部门从国外厂家购买了试验台，但仅仅几台试验台远远满足不了我国各地众多轿车维修单位的需要。目前我国北京四惠汽车修
12、理公司、广东花都汽车修理公司及广西南宁富缘汽车修理有限公司引进了英国公司开发的用于汽车维修行业使用的自动变速器试验台，该试验台能对自动变速器进行动态模拟测试，检测的技术指标包括在不同的负荷的控制油压、输入、输出转速、冷却流量、离合器、制动器是否打滑等指标。该机的作用主要在两个方面：其一在自动变速器维修前对自动变速器进行诊断、分析，对以后的维修提供数据；其二为维修后出厂的自动变速器作性能检测，以保证维修后的出厂质量。其结构可分为自动变速器试验台台架、模拟加载装置、动力供应部分、连接附件、控制台等五个部分组成。ATP-UK-300型号动力装置为73kw的调频电机作为动力输入，ATP-CN-200型
13、采用一个排量为4L的发动机作为动力输入装置，采用仪表显示，独立控制，其连接设计了快速连接机构，能对数十种自动变速器进行快速连接其模拟负载装置采用了风冷的电涡流测功机。此设备设计较先进，可以试验多钟型号的自动变速器，应用范围较广，特别是快速连接机构值得借鉴，但是设备价格较昂贵，只有在较大的修理企业且在北京、广东等自动变速器维修量较大的地方才能考虑购买，一般汽车修理企业在产品的价格上较难接受。1.2.2国内的发展现状目前，汽车变速器检测已获得很大发展，但在许多汽车变速器制造和检修企业，尤其是一些小型企业仍采用传统测试方法。在国内的机车检修设备使用单位中，大多数的汽车变速器试验台仍属于触点控制的非标
14、准设备，采用手工调节，人工读表，人工数据处理等。这种传统方法工作效率低、劳动强度大，而且要求测试人员工作时精力高度集中并具有丰富的试验经验，即使这样，测试精度也往往难以保证。由于其数字化程度低、试验操作繁琐、安全系数低、故障率高，报表可信度低，且难以建立完备的机车检修数据信息库，所以成为制约检修生产信息化和数字化的瓶颈。部分国内厂家已经开始了该试验台的研制并取得了一些成绩，但由于技术力量不足，所开发的试验台技术含量、自动化程度较低，有些项目的测试只能用于手动操作，准确率较低，而且检测项目较少，与国外的产品相比缺乏竞争力，无法替代进口产品。研制的设备要具有集成化、数字化和智能化的特点，保证测试精
15、度高、重复性好，同时要求简单可靠、成本低。目前，能够满足上述要求，同时具有手动和自动控制方式，汽车变速器测试的设备并不多见。随着我国汽车保有量的迅速增长，促进了汽车检测维修设备企业的发展，并开始开发研制具有一定水平的检测设备。但是由于装备自动变速器的汽车是近几年才大量进入我国，自动变速器检修设备一直处于较低水平，目前国内市场上仅有山西省汽车保修机具供应站生产一种称作“中国首台自动变速器维修专用试验台”的一型自动变速器试验台，该试验台在实验时不装液力变矩器，即不能试验液力变矩器的性能，由于不试验液力变矩器所以该设备结构简单，成本低，售价相对较低。该设备采用液压马达进行动力输入，输入额定转矩为20
16、0Nm，输入转矩较小，不能满足大排量汽车自动变速器对自动变速器的检修试验的要求，由于在实验时不装液力变矩器，所以靠试验台提供自动变速器系统油压，这样不能完全模拟实际使用工况，但是可以拆除油底壳进行试验，当阀体漏油时可以一目了然的看到设计的一型电磁阀测试仪可以对种以上车辆的自动变速器进行换挡控制，可以用于试验台检测时使用，也可单独就车路试，此设备值得借鉴。1.3 主要设计内容 本文对汽车变速器试验台测控系统的硬件组成进行设计，设计的主要内容如下：1）变速器试验台测控系统总体方案设计；2）变速器试验台主要组成部分的选型；3）变速器试验台电机控制部分电气原理图设计及绘制；4）变速器试验台数据采集系统
17、控制原理图设计及绘制；1.4 设计参数 本试验台设计的主要参数如下： 1) 试验台要求变速器输入轴最高转速6000r/min; 2）试验台要求变速器输入最高转矩； 3）变速器的传动比为3.6-15.6。2 变速器试验台总体方案确定2.1 变速器试验台概述 变速器试验台是汽车变速器实验的主要设备，它对变速器的转速，转矩测量和分析试验，在汽车的试验设备中具有重要的地位，按其工作原理可将其分为三类：开环试验台，机械封闭试验台和电封闭试验台。2.1.1 开环试验台的原理及优缺点 开环试验台结构原理图如图2.1：图2.1开环试验台结构原理框图 各部分组成及功用： 动力区由电机或者内燃机、调速器及附属装置
18、组成，它负责向系统提供动力（功率），其中包括转速和扭矩。 试验区是由被测装置、变速器、扭矩转速测量装置及一些其他测量装置组成。 模拟负载区主要由测功机（也可以是发电机或者磁粉制动器等）及其他附属装置组成。开环试验台整套系统的工作原理及工作过程比较简单，整套设备的技术含量低，制造成本相对较低，它的致命弱点是台架需要大功率动力（驱动电机或者内燃机），能量无法反馈使用。因此，其试验成本相对于后面所述的封闭试验台来说较高，而在变速器实验项目中，它属于长时间的试验项目，因此，功率的消耗就成为一个必须考虑的问题。开环试验台常用于变速器的传动效率试验和疲劳寿命试验，对变速器出场实验而言，开环试验台是不合适的
19、。2.1.2 机械封闭试验台原理及优缺点机械封闭试验台的原理框图如图2.2所示，机械封闭试验台是由驱动电机，两个传动箱，输入转速转矩传感器，被试件，输出转速转矩传感器，加载器等组成，由于这种试验台试验时相当于有一个闭环功率流在这个封闭的机械传动系统内流动，一次称之为机械封闭试验台，机械封闭试验台具有节能，控制方便，可靠性好功率流内部封闭，能源消耗不大，造价适中；其缺点是扭矩施加装置结构复杂，需要定期维护，试件转速不能太高，特别是现在车用发动机速度越来越高，矛盾逐渐显现。图2.2机械封闭试验台原理框图1-驱动电机，2-传动箱，3-转速转矩传感器，4-被测试变速器 5-陪试变速器，6-加载装置2.
20、1.3 电封闭试验台 电封闭试验台结构原理框图如图2.3：图2.3电封闭试验台结构原理框图 电封闭试验台在结构上与开放式试验台类似，但电封闭试验台在实现加载功能的同时实现发电的功能，发出的电力通过闭环系统提供给驱动端的电机或反馈给电网。电封闭加载试验台是由电动机或电机组作为源动力带动传动装置，在带动发电机或发电机组工作时，通过产生电磁制动转矩进行加载，并将发出的电能通过回馈方式可被再度利用，从而达到节能的目的。从图中可以看出，交流电力封闭试验台的设计思想是在原有开环试验台的基础上加一套动力回收装置，将系统消耗的能量通过电网加以回收，从而降低试验消耗。其优点是能源利用好，效率高，结构简单，能够实
21、现动态加载，；缺点是造价昂贵。发展初期，用直流电机组发电带动一台直流电动机拖动变速器，另一台直流发电机加载，再经同步发电机组回馈电网，这种方式效率只能达到60%，占地面积大，机组噪声高，加载响应慢，现已逐步淘汰。随着直流交流技术的发展，直流发电机组已被静止直流变流器取代，能源利用率大大提高，但直流变流器回馈电网质量较差，功率因素仅为0.75，在国外是禁止并网的。上世纪八十年代以来，交流变流技术飞速发展，回馈电网功率因数可达到0.9999，能够并网，减少了对电网的污染。2.2 变速器试验台总体方案确定2.2.1 变速器试验台结构组成 通过对开环试验台、机械封闭试验台和电封闭试验台进行对比分析，确
22、定本试变速器试验台采用交流电封闭设计。试验台组成框图如2.4所示：图2.4 试验台组成框图驱动电机模拟汽车发动机在不同转速下的工况，考虑到试验台经济性，在驱动电机的选型上，由于电机转速在6000r/min的电机较少，且非常昂贵，故而选择转速较为常见的转速在3000r/min左右的电机。然后通过升速箱来获得更高的转速以满足设计参数的要求。负载电机模拟汽车驱动轮在地面上行驶时的负载，负载电机要求的转矩较高，一般常见的电机也满足不了设计要求，故而要在负载电机前端加上一个加速箱，起到减速增扭的效果。本试验台变速器前后装有转速转矩传感器，主要用来测量变速器输入轴和输出轴的转速和转矩。2.2.2 变速器试
23、验台测控系统硬件组成 本变速器试验台的主要控制部分由工控机和数据采集卡两部分组成，测控系统的主要功能是工控机向变频器发出指令，实现对电机的控制，然后接受转速转矩传感器的输入信号，经过处理和计算，将结果以直观的形式显示出来。整个系统采用数据采集卡系统实现。由于转速转矩传感器输出的信号为频率信号，所以转速转矩传感器有一个配套的频率电压转换模块，将转速转矩传感器输出的频率信号转化为电压信号功数据采集卡采集。数据采集卡与总线之间采用PCI总线传输信号。变速器试验台测控系统硬件组成框图如图2.5所示：图2.5 变速器试验台测控系统硬件组成框图3 变速器试验台电机控制系统 本变速器试验台的驱动系统由工控计
24、算机发出指令，通过变频器控制驱动电机的运行状态，为变速器提供动力来源。本变速器试验台的加载系统由工控机发出指令，通过变频器控制负载电机的转差率，模拟汽车在不同路面条件和行驶工况下的阻力状况，为传动部件的测试提供各种阻力工况的载荷。驱动电机提供动力，负载电机吸收变速器的输出功率，系统选用交流异步变频电动机，作为驱动电机和负载电机，在测试过程中由变频器哈有源逆变器对电机的运行状态进行控制，同时将完成能量反馈。控制框图如图3.1所示：图3.1 控制框图3.1 电机的选型 参照设计参数，变速箱输入轴的最高转速为6000r/min，由于常见的电机满足不了这么高的转速，故而需在驱动电机和变速箱之间加上一个
25、升速箱，此升速箱的传动比定为i=1：2，由此可得驱动电机的转速最高要求为：变速器输入轴最大转矩为，得驱动电机的输出的转矩为。根据公式：，得。考虑到本试验台适应不同变速器测试，故而将转速，转矩选用最大来满足不同容量的变速器。 参照大连电机有限公司电机样本选择选择驱动电机的型号为MDSP355L-2的变频调速三相异步电动机，额定功率315kw，额定转矩1000Nm。电机参数表3.1： 变速器的传动比为3.6-15.6之间，故而据此可以算出加载电机的最大转速为2000转/分，加载电机的最大转矩为6000，分解到两个加载电机上的转矩为3000。常见电机的转矩满足不了要求，故而要在变速器和负载电机之间加
26、上减速箱，达到减速增扭的效果。减速箱的传动比设为6：1，得负载电机的最大转矩为500，根据公式：，得。 参照大连电机有限公司电机样本选择负载电机的型号为MDSP315L-2的变频调速三相异步电动机，额定功率160kw，额定转矩513Nm。电机的参数如表3.2：3.2 电机控制3.2.1 变频调速三相异步电动机的原理及方法 异步电动机定子三相对称绕组空间相隔角，当通以三相对称电流后，便产生了旋转磁场，其旋转磁场的转速（亦称同步转速）：式中定子绕组电源频率 磁场对数异步电动机的转差率：式中转差率 异步电动机转子转速由上式可知，异步电动机转子转速的调节方法有以下几种：改变异步电动机的磁极对数调速改变
27、转差率调速改变供电电源频率调速要改变异步电动机的转速，可从以上方法中选取一种即可。 采用方法不能满足传动试验台驱动部分连续调速的要求，方法不易于控制的实现，而采用方法则简单易行。 根据电机学原理，电机转子跟定子旋转磁场之间存在相对运动将产生电磁感应作用，电机转子上产生电磁转矩。设定子旋转磁场的转速为，转子的转速为，由电机机械特性可知，工作在第二象限的电机定子旋转磁场的转向虽然一致，但定子传转磁场的转速小于转子的转速，转差率，此时产生的电磁转矩，为制动力矩。电机转为发电机运行。电机处于回馈制动状态。 三相异步电动机的机械特性曲线如下图3.1：图3.1 电动机机械特性曲线本试验台的加载系统，利用工
28、作在第二象限的异步电机作为加载装置，假设负载电机现在机械特性曲线1上运行，通过控制变频器的频率确保传动部件的输出轴转速和加载电机定子旋转磁场转速保持同步，即保证转差率，电磁转矩，此时传动部件的输出端为空载状态，当加载信号发出时，变频器降低负载电机的指令频率，将电机电子磁场转速降低，其机械特性曲线变为2，由于被传动部件的输出轴和工作在稳定工况的驱动电机刚性相连，转速基本发生变化，负载电机改为B点工作，器转子产生的转矩，传动部件的输出端为加载状态。因此，通过精确调节负载电机的频率将，即能控制旋转磁场的转差率，进而控制加载力矩的变化，实现定量加载。综上，采用变频器对驱动电机进行调速。3.2.2 变速
29、器选型 驱动电机的额定功率为513KW，根据普传科技有限公司变频器样本选用PI7800 315G3 的变频器，315表示功率为315KW，G表示标准负载，3表示三相380V电压输入。负载电机的额定功率为160KW，根据普传科技有限公司变频器样本选用PI7800 160M3 的变频器，160表示功率为160KW，M表示较重型负载，3表示三相380V电压输入。本型号变频器具有特定的逆变模块，能够反馈电能。PI7800的技术规格：表3.3变频器的安装方向与空间：变频器应安装在室内通风良好的场所，并采用壁挂式，且必须与周围相邻物品或挡板保持足够空间，如图3.2所示：图3.2 安装方向与空间变频器配线，
30、分为主回路及控制回路两部分。下图为配线回路正确连线图如图3.3所示：图3.3 配线图变频器接线端子功能说明：变频器控制端子功能说明：3.2.3变频器选件说明1、交流电抗器选用普传变频器有限公司与PI7800相匹配的电抗器，变频器在工作时将产生较大的谐波含量很高，如果不装进线电抗器，将大大缩短变频器及其它设备的使用寿命，谐波干扰严重时，会导致有些设备不能正常运行，加装进线电抗器后将大大降低各谐波的含量，提高电网的功率因数，保证变频器及其它负载的安全运行，确保其它设备不受谐波干扰影响。常用交流电抗器的外行尺寸：2、滤波器 滤波器主要用来过滤回馈电网中那些杂乱信号。3.3工控机对变频器的控制因为该系
31、统中变频器数量不多，数量传输量不大，采用RS485总线来实现工控机与变频器之间的通讯，满足了实时性要求，由于变频器通讯采用RS485标准，与工控机的RS232标准之间需要进行交换，因此，在变频器与工控机之间采用RS/RS转换模块连接。3.3.1 工控机的选型本变速器试验台工控机选用研华IPC-610MB。IPC-610MB 采用AIMB-763VG的主板，Intel 奔腾双核 E5300（2.6G）的CPU ，板上带有2个COM 口，8个USB2.0，5个PCI，1个PCIex1/ PCIex16，1个千兆网卡。AIMB-763 使用的是 Intel 945G 芯片组，支持用以提升系统性能的先进双核处理器技术。其集成的 Intel GMA 950 图形控制器拥有一个 400 MHz 核心、224 MB 的共享视频内存及 DirectX 9 3D硬件加速。这些特性可确保得到高质量的图形，视觉表现更加平滑。为配合多显示器的使用并方便未来图形升级，它有一个 PCI Express x16插槽可对更高性能的图形卡提供支持，便于连接 CRT、LCD 以及其他各种显示设备 Specifications。该工控机输出信号为RS232协议。3.3.2 转换模块的选型由于常用的工控机协议均为RS232协议，本试验台采用的研华IPC-610MB也为RS232协议，而变频器采用的是RS48
