（机械电子工程专业论文）自动离合无级变速器性能试验台模拟装置及测控系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 自动离合无级变速器是轻型摩托车传动系统的重要组成部分，也是摩托车至 关重要的安全性装置，其质量高低、性能好坏是摩托车行车安全的重要保障，直 接影响摩托车行驶的可靠性。因此检测自动离合无级变速器的工作性能就显得尤 为重要。 我国摩托车行业在自动离合无级变速器性能检测方面一直缺乏专门的模拟 试验设备，为了适应摩托车行业对检测设备模型化和智能化的需求，满足自动离 合无级交速器在试验室里进行性能模拟测试的需求，本论文结合企业实际科研课 题，设计开发了“摩托车自动离合无级变速器性能试验台的模拟装置”。 本论文主要进行了以下研究工作：探究了摩托车自动离合无级变速器的结构 与原理，对其工作特性进行理论分析与研究，基于小型化、智能化和实用化的设 计目标进行机械、电气与自动控制的设计，搭建了传感检测平台，以完成对自动 离合无级交速器性能的模拟检测与控制。具体的研究工作有： ( 1 ) 在综合分析摩托车自动离合无级变速器的结构组成和工作原理的基础 上，综合已有的摩托车自动离合无级变速器性能试验台的优点，克服其弊端，开 发出了摩托车自动离合无级变速器性能试验台的模拟装置装置。 ( 2 ) 用c a t i a 软件进行了摩托车自动离合无级变速器性能试验台模拟装置 机械部分的开发，并对试验台进行了部分结构的模拟仿真。利用c a t i a 的工程 图功能并结合a u t o c a d 完成了摩托车自动离合无级变速器性能试验台模拟装 置的图纸设计。 ( 3 ) 选择传感器，用p r o t e ld x p 软件设计了传感器信号调理电路与系统测 量控制电路，搭建了试验台的模拟测控平台。 摩托车自动离合无级变速器性能试试验台模拟装置的开发综合运用了计算 机技术、机电技术、测试技术，它的完成将指导摩托车生产制造企业的自动离合 无级变速器的实际生产、检验、测试，也可以为高校、科研院所、科教展览提供 教学仪器、模拟装置，为摩托车行业自动离合无级变速器的生产、测试提供经验 教训。 关键词：自动离合无级变速器，模拟装置，测控系统，试验台 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i cc v t ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) c l u t c hi sa l li m p o r t a n t c o m p o n e n to fl i g h tm o t o r c y c l e s ，i ti sa l s oav e r yi m p o r t a n ts a f e t yg u a r a n t e eo ft h e m o t o r c y c l e st r a n s m i s s i o ns y s t e m s ot h eq u a l i t yo fa u t o m a t i cc v t c l u t c hw i l ld i r e c t i n f l u e n c em o t o r c y c l ed r i v er e l i a b i l i t y t h e r e f o r e , t e s tt h ea u t o m a t i cc v tc l u t c h w o r k i n gp e r f o r m a n c ei se s p e c i a l l yi m p o r t a n t o u rc o u n t r y sm o t o r c y c l ei n d u s t r yh a sn os p e c i a l i z e ds i m u l m i n ge q u i p m e n t st o t e s tw o r k i n gp e r f o r m a n c eo fm o t o r c y c l ea u t o m a t i cc v tc l u t c hi no r d e rt oa d a p tt h e m o t o r c y c l ep r o f e s s i o nt ot h ec h e c k - o u tf a c i l i t ys i m u l a t i o na n dt h ei n t e l l e c t u a l i z e d d e m a n d , a n dt oa d a p tt h er e q u i r e m e n t so ft e s t i n gaa u t o m a t i cc v tc l u t c ho ft h e m o t o r c y c l ei nt h el a b o r a t o r y ih a v ed e s i g n e da m e c h a n i c a ls i m u l a t i n gt e s t e rf o r a u t o m a t i cc v tc l u t c ho f t h em o t o r c y c l e t h i st h e s i sm a i n l yc a r r i e do nt h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k ：g od e e pi n t ot h e s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo f t h ea u t o m a t i cc v t c l u t c h , c a r r yo nt h et h e o r i e sa n a l y s i sa n d s t u d yo fi t sw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c ，t h e nt 0m a k eas m a l l ，i n t e l l i g e n t i z e ，p r a c t i c a l i t y s i m u l a t i n gt e s t e rb a s e do nt h em e c h a n i s m , e l e c t r i ca n da u t o c o n t r o ls t r u c t u r ed e s i g n , w h i c hc a nd oa l lt h et e s t st h en a t i o n a ls t a n d a r dr e q u e s t s t h ec o n c r e t er e s e a r c hw o r k h a s ： ( 1 ) i nt h eg e n e r a l i z e da n a l y s i sm o t o r c y c l ea u t o m a t i cc v tc l u t c hs t n l e m r e c o m p o s i t i o na n dp r i n c i p l eo fw o r k , a n do nt h eb a s i so fa b s o r p t i o nt h eo r i g i n a l a u t o m a t i cc v tc l u t c hp e r f o r m a n c et e s tp l a f f o r mm e r i t , o v e r c o m e si t sm a l p r a c t i c e ，i d e s i g n e d t h em o t o r c y c l ea u t o m a t i cc v tc l u t c hm e c h a n i c a la n a l o g ym o d e l p e r f o r m a n c e ( 2 ) w i t hc a n a ，id e s i g n e da m e c h a n i c a ls i m d a t i n gt e s t e rf o ra u t o m a t i cc v t c l u t c ho f t h em o t o r c y c l e ，a n dh a sc a r r i e do nt h e p a r t i a ls = n q l c t u r c ss i m u l a t i o nt op r o v e n t h et e s t p l a t f o r ms t r u c t u r a ld e s i g nr a t i o n a l i t y a n dt h ef e a s i b i f i t y a n du n i f i e d a u t o c a d u s i n gt h ec a t i ae n g i n e e r i n gp l a t f i m e t i o nt oc o m p l e t et h em o t o r c y c l e a u t o m a t i cc v tc l u t c ht e s tp l a t f o r mm e c h a n i c a la n a l o g ym o d e lb l u e p r i n td e s i g n ( 3 ) c h o o s e ds e l 够o r s ，d e s i g n e dt h ee l e c t r i cc i r c u i to fs e l s o rs i g n a lr e c u p e r a t i o n a n dt h ee l e c t r i cc i r c u i to fs y s t e ms u r v e yc o n t r o lw i t l lp r o t e ld x p a n df i n a l l yib u i l t t h et e s ts i m u l a t i o nc o n t r o lp l a t f o r m t h ec o m p l e t e do ft h i ss i m u l a t i n gt e s t e rw i l lp r o v i d ea b u n d a n tb u td e t a i l e d s c i e n t i f i cd a t af o rt h ea c t u a lt e s to ft h ea u t o m a t i cc v tc l u t c h ；i tc a l lg u i d et h e 武汉理工大学硕士学位论文 m o t o r c y c l ei n d u s t r y sa c t u a l l ym a n u f a c t u r ea n dt e s t ，p r o v i d eat e a c h i n gi n s t r t t m e n tf o r t h eu n i v e r s i t y , g r a a u a t es c h o o l ，o rt h ee x h i b i t i o n , a n da l li t sw o r k i n gr e s u l t si sa v a l u a b l ee ：x p e r i e - 1 1 c ef o ro u r m o t o r c y c l ei n d u s t r y k e y w o r d s ：c v ta u t o m a t i cc l u t c h , s i m u l a t i o nm o d e l ，c o n t r o ls y s t e m ，t e s tp l a t f o r m 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 摩托车无级变速传动技术的综述 1 1 1 无级变速传动技术的发展 无级变速c v t ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l et r a n s m i s s i o n ) 是一个古老的概念，最 早获得成功应用的是在1 8 8 6 年由德国d a i m l a r - b e n z 公司生产的汽油机汽车上， 它是一种v 型橡胶带式无级变速传动装置，但由于存在着传递转矩容量、可靠 性和使用寿命的制约，应用有限。因此在汽车诞生的一百多年的时问里，最基本 的传动形式一直是有级齿轮传动。 二十世纪七十年代中期，荷兰v a nd o o m e st r a n s m i s s i eb v 公司( 简称v d t 公司) 开发出一种金属带式无级自动变速器，称为v d t - c v t 。这种无级自动变 速器克服了以前其它传动形式的缺点，实现了真正意义上的无级变速传动。 v d t - c v t 自1 9 8 7 年商品化以来，到目前为止，世界上几乎所有的汽车生产厂家， 都接受了这项技术，开发出自己的c v t 。c v t 的适用范围也从最初的0 6 升， 发展到目前的3 3 升。 无级变速器通常由动力源和传动机构与执行机构组成。传动系统的调速一般 主要有两种方式：一种是动力源速度恒定，调节传动机构的传动比，即所谓的机 械无级变速传动；一种是传动机构的传动比恒定，调节动力源速度，即所谓的电 力无级变速传动。 ( 1 ) 机械无级变速器 机械无级变速器有摩擦式、链式、带式和脉动式四大类，约3 0 多种结构型式。 摩擦式无级变速器 摩擦式无级变速器是指利用主、从动刚性元件( 或通过中间元件) 在接触处 产生的摩擦力和润滑油膜牵引力进行传动，并可通过改变其接触处的工作半径进 行无级变速的一种变速器。 摩擦式无级变速器由三部分组成。传递运动和动力的摩擦变速传动机构、保 证产生摩擦力所需的加压装置、实现变速的调速机构。它具有各种不同的结构 类型。目前国内应用较广或已形成系列进行生产的主要有：锥盘环盘式、多盘式、 转环直动式、钢球锥轮式、菱锥式、行星锥盘和行星环锥无级变速器等。 链式无级变速器 武汉理工大学硕士学位论文 链式无级变速器是一种利用链轮和钢质挠性链条作为传动元件来传递运动和 动力的机械变速装置。它属于开发较早、应用较多的一种通用型变速器。 链式无级变速器由链轮和链条构成的传动机构、调速机构和链条张紧加压机 构三部分组成。它是通过主、从动链轮的两对锥盘的轴向移动实现调速的。按 链条结构形式可分为以：滑片链无级变速器、滚柱链无级变速器、套环链无级变 速器、摆销链无级变速器等几种。 带式无级变速器 它与链式变速器相似，其变速传动机构是由作为主、从动带轮的两对锥盘及 张紧在其上的传动带组成。其工作原理是利用传动带左右两侧面与锥盘接触所产 生的摩擦力进行传动，并通过改变两锥盘的轴向距离以调整它们与传动带的接触 位置和工作半径，从而实现无级变速。它由于具有结构简单、工作平稳等优点， 在机械无级变速器中可以说是应用最广的一种。带式无级变速器根据传动带的形 状不同，可分为平带无级变速器和v 带无级变速器两种类型。 脉动式无级变速器 变速传动机构主要由3 5 个相连杆机构组成，或者是连杆与凸轮和齿轮等机 构的组合，其工作原理和连杆机构相同，但需配置输出机构。脉动式无级变速器 也是由传动机构、输出机构和调速机构三个基本部分组成。 ( 2 ) 电力无级变速技术 电力无级变速器可分为电磁滑差式、直流电动机式和交流电动机式变速器三 类。 电磁滑差式调速技术 电磁滑差式调速技术通过改变其励磁电流来调速，它属于一种较为落后的调 速方式。其特点是：结构简单、成本低、操作维护方便，但滑动量大、效率低、 发热严重，不适合长期负载运转，一般用于小功率传动。 直流调速技术 直流调速技术通过改变磁通或改变电枢电压实现调速。其特点是调速范围大、 精度较高。但缺点在于其电枢电流是通过机械式换向器接入电枢绕组的，由于换 向环大，其接触碳刷与换向整流子比较容易损坏使得容量、电压、电流及转速均 因此受到限制，导致直流调速无法应用于一些大功率驱动场合。 交流调速技术 交流调速技术通过变极、调压和变频进行调速。作为驱动动力源主力的交流 电动机具有结构简单、造价低廉、结实耐用、容易维护等优点。但是交流电动机 最大的缺点是调速困难。虽然有调压调速、半级调速、变极对数调速等措施可以 2 武汉理工大学硕士学位论文 利用，但其性能指标不佳，不适合用于频繁调速。 ( 3 ) 液压无级变速技术 液体传动分为两类：一类是液压式的，主要是由泵和马达组成或由阀与泵组 成，适应于中小功率传动；另一类是液力式的，采用液力耦合器或液力变矩器进 行变速传动，适用于大功率。这两类传动的共同特点是调速范围大、可吸收冲击 和防止过载、传动效率较高、使用寿命长、易于实现自动化，但制造精度要求高、 价格较贵、运转时容易发生漏油。 在本课题中涉及的摩托车传动系统中一般采用的是v 带式无级变速器。无级 变速传动c v t 加入电子控制技术后称为e c v t ，电控无级变速器( e c v t ) 代表 了汽车和摩托车变速器的最高技术水准。其工作原理是在电脑的控制下通过变换 主、从动盘的工作半径进行无级传递，具有结构简单、尺寸较小的特点。摩托车 上采用电控无级变速系统最成功的例子是铃木公司，铃木公司2 0 0 2 年推出的 b u r g m a n a n 6 5 0 和2 0 0 3 年推出的概念车g s t r i d e r 将e c v t 技术引入到踏板车中， 让驾驶者充分感受技术的进步。b u r g n m aa n 6 5 0 和g s t r i d e r 的变速箱采用了铃 木电控无级变速系统s e c v t ( s u z u k ie l e c t r i c a l l y - c o n t r o l l e dc o n t i n u o u s l yv a r i a b l e t r a n s m i s s i o n ) ，s e c v t 是在无级变速( c v t ) 基础上采用了电脑进行控制，通 过三个分别装在驱动盘、从动盘、曲轴上的三个传感器收集发动机的信息，并参 考车速和油门的位置，自动计算出目标转速，利用电机带动改变驱动盘的直径达 到变速目的。 v 型皮带无级变速器具有吸收震动、噪音小、成本低、保养维修方便等优点， 广泛应用于很多不要求传递大转矩的场合。v 型皮带无级变速器最早应用在摩托 车上是在1 9 世纪5 0 年代。由于传递转矩的限制，v 型皮带无级变速器主要用在 传递转矩小的简便的摩托车上。后来随着橡胶工业的不断发展，v 型皮带在摩擦、 磨损、变形等方面的性能不断提高，其传动能力也随之大幅度提高，v 型皮带无 级变速器逐渐用于中排量的踏板摩托车上 无级变速传动作为摩托车理想的传动系统，具有普通有级变速传动无法相比 的优点。它可以控制摩托车发动机始终运行在最佳目标运行区，显著提高摩托车 的经济性，改善摩托车的动力特性，还可通过自动换档使摩托车驾驶操纵变得简 单，既减少摩托车的行驶冲击，也减少驾驶员的劳动强度。与常规有级式机械传 动摩托车相比，无级变速传动摩托车具有节省燃料、排气污染小、操纵方便、乘 坐舒适、变速快捷的优点。 1 1 2 摩托车自动离合无级变速系统的组成及工作原理 武汉理工大学硕士学位论文 摩托车自动离合无级变速器的基本结构和传动原理与带传动原理基本相同。 所不同的是，其主、从动轮均是由作轴向运动的锥轮组成，通过改变主、从动轮 上的工作半径实现连续变速。其结构简图如图1 - 1 所示。 1 卡盘2 移动盘3 v 型传动带4 从动盘5 离心蹄块6 弹簧7 滑动从动盘8 主动盘 图1 1 摩托车自动离合无级变速器结构简图 ( 1 ) 摩托车自动离合无级变速系统的组成 主动轮系 主动轮系直接挂接在曲轴左端，分为左、右两部分，v 型传动带安装于左、 右两半轮的轮槽中，如图1 2 所示。主动轮直径根据摩托车发动机的结构综合考 虑确定。 l - 卡盘2 | 滑动衬套3 移动盘4 v 形传动带5 主动盘6 曲轴7 垫圈8 油封9 离心滚珠 l o 减震块 图l - 2 主动轮工作示意图 主动轮多用铝合金材料加上成型。主动轮右半轮( 移动轮) 孔内压入粉末冶金 4 武汉理工大学硕士学位论文 衬套与曲轴连在一起，以便右半轮在滑动套上作轴向移动。用钢板冲压成型的卡 盘则通过内花键与曲轴相连，卡盘上的三个凹槽同右半轮相配合。六只离心滚珠 呈6 0 0 夹角，位于右半轮环形深槽内，槽底呈锥形。当曲轴转速升高时，受惯性 离心力的影响，离心滚珠将推动右半轮轴向左移动。 左半轮则通过内花键或花键板型式与曲轴紧密连在一起，其右端面与右半轮 形成的v 型槽，构成无级变速器的调速机构，并可安装v 型传动带；左侧端面有 离心叶片，用于对v 型传动带实施冷却。 离心滚珠的主要作用是在大小随发动机转速变化而变化的离心力作用下推 动主动轮沿轴向移动，使带轮上作半径变化，从而实现无级变速器的变速。 从动轮系 从动轮系同样分为左右两部分，套装在离合轴上。从动轮右半轮是一个焊接 组合，由右部带轮和轴套组成，但不能作轴向移动，从动轮左部带轮( 滑动从动 盘) 组合则由克服弹簧的张力向左作轴向移动，如图1 3 所示。 1 挡圈2 轴承3 、1 4 埘套4 滚针轴承5 内从动带轮6 、1 0 油封7 、8 扭力销、套 9 滑动从动盘1 1 o 型圈1 2 弹簧座1 3 大弹簧1 5 传动离合器底盘组合1 6 大螺母1 7 传动 离合器鼓1 8 传动离合器轴螺母 图1 3 从动轮系工作示意图 v 型传动皮带 v 带主要有四种类型：普通v 带、宽v 带、块带、v 型钢带。普通v 带是一般带 传动中采用的v 带，有标准v 带和窄型v 带。在踏板摩托车中常用标准v 带和窄型 武汉理工大学硕士学位论文 v 带，如图1 4 ( a ) 所示。 1 顶布2 顶胶层3 航拉体( 聚酷线绳) 4 缓冲胶层5 底胶层 圈1 4v 型传动皮带 v 型皮带无级变速器所用传动皮带是由氯丁橡胶和聚酷线绳制成，结构材料 如图1 - 4 0 ) 所示，它是v 型皮带无级变速器上非常重要的零部件。为了提高v 型皮 带的柔性，使其易于弯曲，把带的底部做成齿形，这样还可使v 型传动带的楔角 变化不大，保证其与带轮有足够的接触面积，形成良好的接触，防止打滑。由于 v 型皮带做成齿形，高速运动的传动带由于质量减少，其运动惯性力变小，伸长 变形小，有利于提高传动效率。 离合器总成 在摩托车自动离合无级变速系统中与从动带轮组合使用的是干式蹄块自动 离心式离合器。无级变速器和离合器同时使用，如图1 5 所示，离合器安装于后 减速箱的输入轴( 即无级变速器的从动轴) 上。从动带轮与离合器的主动部分刚 性连接，并套在从动轴上；离合器的从动部分与从动轴通过花键刚性连接，离合 器内装有如图1 6 所示结构的离心块和拉簧。这样在带轮低速运转时，蹄块组合 因为拉力弹簧的作用而未能张开，离合器处于断开状态，当带轮转速升高到一定 值时，蹄块离心力增大超过弹簧力时变张开，与离合器从动盘产生摩擦力带动了 从动盘转动；当转速升高时，摩擦力增大，传递的转矩也增大。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 主动轴2 轴套3 主动带轮4 皮带( 传动带) 5 从动带轮 6 离合器总成7 带斜槽的 隔套8 从动轴9 测速装置 图1 5 自动离合无级变速器传动结构图 滋辩 煺戮 1 从动轴2 拉簧3 蹄块4 离合器外壳体 图1 6 离合器主从动结构简图 ( 2 ) 摩托车自动离合无级变速器工作原理 主动带轮上工作半径较小，从动带轮上工作半径较大，传动比较大，以保证 摩托车迅速起步。随着发动机转速的提高，主动带轮中的滚珠在离心力的作用下， 沿着移动盘上的斜滑道向外移动，因为移动盘右侧的支撑盘是固定的，只能是滚 珠推动移动盘向左移动，如图l - 7 所示。又因为固定盘是不动的，移动盘的左移 武汉理工大学硕士学位论文 导致固定盘与移动盘之间的距离变窄，由于v 型皮带宽度一定，皮带会被挤压到 主动带轮的外圆，使主动带轮上工作半径变大。v 型皮带的长度是一定的，在主 动带轮上作半径变大的同时，皮带会克服从动带轮弹簧的压力沿从动带轮向内圆 方向运动，使从动带轮上工作半径变小，引起传动比变小，摩托车高速行驶。 猛 图1 7 皮带传动原理 台 轴 反之，当发动机转速降低时，滚珠向里移动，移动盘右移，使得主动带轮上 工作半径变小，同时从动带轮上作半径变大，致使传动比变大，摩托车低速行驶。 在此过程中离合器的结合与分离，对于实现摩托车的无级变速起着至关重要 的作用。装于摩托车上的发动机首先带动主动轴旋转，通过v 型皮带带动从动 带轮及离合器中离心块一道转动，而离心块在旋转过程中以图l - 6 中蹄块固定端 为支点，活动端外张但受拉簧的制约。当主动轴转速增高至离心块产生的离心力 超过拉簧的预拉力并达到一定数值时，活动端与摩檫盘内表面贴合产生摩擦力， 进而构成一个转动力矩带动从动轴转动，从而将动力通过离合器向外输出，此条 件下离合器为接合状态；当主动轴转速较低、离心块所产生的离心力不足以克服 拉簧的预拉力时，离心块的活动端无法与摩擦盘内表面贴合，摩擦盘、从动轴不 转动，此条件下离合器为分离状态。在离合器处于结合状态时，由于主从动轮半 径可以连续无级地变化，因面所形成的传动比也是连续无级变化的，从而实现了 摩托车的无级变速。 1 2 摩托车自动离合无级变速器工作特性的检测 由武汉理工大学汽车学院、上海摩托车研究所共同起草，国家发展和改革 委员发布并实施的中华人民共和国汽车行业标准摩托车和轻便摩托车自动离 合无级变速器性能台架试验方法，成为摩托车自动离合无级变速器检测的国家 8 武汉理工大学硕士学位论文 标准。根据标准规定，摩托车自动离合无级变速器的性能检测包括以下几个项目： 摩托车自动离合无级变速器起始接合转速特性； 摩托车自动离合无级变速器的变速特性； 摩托车自动离合无级变速器的力矩传递特性； 摩托车自动离合无级变速器的传动效率； 1 2 1 摩托车自动离合无级变速器的工作特性 ( 1 ) 自动离合无级变速器起始接合转速特性 在自动离合无级变速器工作过程中，存在三种转速：主动轴转速n l 、从动 轴转速n 3 、从动带轮转速n 2 图1 5 中离合器8 未接合前，离合器为分离状态，此时，主动轴转速为n l ， 从动带轮转速为n 2 ，从动轴转速n 3 = o 。 逐渐增大主动轴转速n l ，由前述知，n 3 也随之增大，当n 3 增至使离合器接合 时，从动轴随之转动。从动轴开始正常转动的转速则为自动离合无级交速器的起 始啮合转速，即n 3 一n 加 o 式中：n 2 m 即为自动离合无级变速器莳起始啮合转速 起始结合转速n 2 。的大小依自动离合无级变速器结构的不同而不同，当一辆 摩托车的自动离合无级变速器的结构给定后，1 1 2 m 的实际数值也随之确定。 ( 2 ) 摩托车自动离合无级变速器的变速特性 摩托车自动离合无级变速器的变速特性是指若干个主动轴转速n l 与对应带 轮转速n 2 的比值( f = n 2 n ，) 绘制成的曲线。 逐渐增加主动转速n l ，与之对应的带轮转速n 2 也随之增大，在此过程中， 主动轴直径、带轮直径也相应变化，使传动比k 随之变化，可得到相对应的不 同的n i ，n 2 转速的数值。 ( 3 ) 摩托车自动离合无级变速器的力矩传递特性 摩托车自动离合无级变速器的力矩传递特性是指若干个带轮转速n 2 。与该转 速下传递到从动轴的力矩t 3 绘制的曲线。 ( 4 摩托车自动离合无级变速器的传动效率 即指从动轴功率p 毋与主动轴功率m 1 的比值( ，7 = p e 3 p c l ) 。 1 2 2 摩托车自动离合无级变速器工作特性的台架试验 9 武汉理工大学硕士学位论文 集普通车辆用离合器与变速器的功能于一体自动离合无级交速传动作为摩 托车理想的传动系统，直接影响着摩托车的动力特性。目前大量生产的踏板式摩 托车几乎全部采用自动离合无级变速器，它有结构简单、易于布置、价格相对低 廉等诸多优点，采用这种自动离合无级变速器的摩托车在城镇非常实用、也广受 人们的欢迎。随着需求量的不断增加，对摩托车无级变速器的性能提出了更高的 要求。因此，自动离合无级变速器生产商需要对自动离合无级变速器进行各种质 量检测和性能综合评价。 台架试验是自动离合无级变速器研究中不可缺少的重要环节，是评价自动离 合无级变速器能否满足使用要求的最重要试验之一，研究一种模拟性能好、自动 化程度高的自动离合无级变速器试验台是非常符合实际需要的。 自动离合无级变速器试验台是测定和分析自动离合无级变速器性能和质量 的试验装置。自动离合无级变速器生产企业要求试验台系统能够检测自动离合无 级变速器的各种性能。 就摩托车自动离合无级变速器试验台的研究内容而言，主要包括理论研究、 试验研究和数字仿真。武汉理工大学汽车研究所从1 9 9 8 年开始研制摩托车自动 离合无级变速器性能试验台，研制出的试验台能满足摩托车用自动离合无级变速 器的工作特性试验，并达到国内同类产品的先进水平，目前已在全国普及。2 0 0 5 年该所又与上海摩托车研究所负责起草、制订了摩托车和轻便摩托车自动离合 无级变速器性能台架试验方法，使摩托车自动离合无级变速器台架试验有章可 循。 1 2 3 研制自动离合无级变速器性能试验台模拟装置的必要性 由于实际的自动离合无级变速器试验台体积大，在进行软件调试和计算机 仿真时需要与实际试验台进行联接，过程会比较麻烦；在试验室进行教学时， 由于体积庞大，需要专门开辟试验室，造成资源浪费；在进行展览时，由于重 量大，导致运费增加，安装也困难。 而它的模拟装置可以模仿自动离合无级变速器试验台的工作方式，体积较 小( 笔者最终设计出的试验台模拟装置模型尺寸参数为：长8 4 0 m m 高7 0 0 m m 宽 6 4 0 r a m ) ，质量较轻，是真实的自动离合无级变速器试验台小型化、模型化的再 现。它可以适应摩托车行业对检测设备模型化和智能化的需求，也可以为高校、 科研院所、科教展览提供教学仪器、模拟装置，为摩托车行业自动离合无级变 速器的生产、测试提供经验教训。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 研究目标、意义及内容 1 3 1 研究目标： 从小型化、智能化、实用化的角度设计出自动离合无级变速器性能试验台的 模拟装置，实现试验台从驱动到执行系统的运转；设计并搭建检测控制平台，以 完成对摩托车自动离合无级变速器性能的模拟检测。 1 3 2 研究意义： 摩托车自动离合无级变速器性能试验台模拟装置的开发综合运用了计算机 技术、机电技术、测试技术，它的完成可以为试验室提供自动离合无级变速器 的模拟性能检测；可以为教学和计算机软件模拟测试提供实物平台；可以为展 览提供试验台的模型；还可以指导摩托车生产制造企业的自动离合无级变速器 的实际生产、检验、测试。 1 3 2 研究内容： 对摩托车自动离合无级变速器的理论进行研究，掌握其结构及工作原理。 探究摩托车自动离合无级变速器性能的测试方法，对摩托车自动离合无级 变速器性能测试的理论进行研究，提出试验台模拟装置整体设计技术方案，。 利用c a t i a 软件并结合a u t o c a d 设计试验台模拟装置机械部分。 根据测试项目要求，进行试验台测控系统的设计，为自动离合无级变速器 性能的模拟检测及性能测试软件的安装调试搭建测控平台。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章摩托车自动离合无级变速器性能测试及测控 系统整体设计 2 1 摩托车自动离合无级变速器性能测试方法 摩托车自动离合无级变速器性能检测的试验要求模拟输入轴无级变速，检测 输出轴启动时的输入轴转速、输出轴启动后皮带完全张紧时的输出轴转速、以及 输入轴与输出轴的转速比、转矩变化 本试验台模拟装置的自动离合无级变速器传动关系示意图如图2 - l ： 图2 - 1 摩托车自动离合无级变速器传动关系示意图 试验台模拟装置以计算机控制的电机作动力，模拟摩托车发动机的工作状态 并完全覆盖其工作区域；以计算机控制的测功机模拟摩托车的负荷状态，根据不 同的动力及负荷情况可覆盖自动离合无级变速器的全部工作面。在主动轴动力输 出端装上被试件一自动离合无级变速器的主动轮；在从动轴动力输出端装上自动 离合无级变速器从动轮，主动轮通过皮带带动从动轮。 在具体的试验过程中，笔者拟考虑采用以下四个试验方法。这四个试验方法 能比较全面的得到自动离合无级变速器的几个重要特性，同时可判断出自动离合 无级变速器与发动机的匹配关系是否合适等方面的问题，便于调整总成之间的参 数，得到最佳匹配关系。 2 1 1 自动离合无级变速器起始接合转速特性的测试 考虑通过逐渐增加主动轴转速n l ，使从动轴转速1 1 3 与甄别转速以之差大于 0 ，同时记录主动轴转速n l 和带轮转速n 2 ，由n l 、1 1 2 可以分别得到主动轴接合转 速1 3 _ 1 。和带轮接合转速n 2 m 其中甄别转速以指用于指判定离合器是否接合与打 滑的转速，该转速为一定值。 2 1 2 自动离合无级变速器变速特性的测试 武汉理工大学硕士学位论文 考虑通过逐渐增加主动轴转速n l ，每隔塑票二；粤柏n i i l 取一个记录点，并 j u l ， 记录该点的主动轴转速n l 和带轮转速n 2 ；并以主动轴转速n l 或带轮转速n 2 为横 坐标，传动比i 为纵坐标进行自动离合无级变速器变速特性曲线的绘制。 2 1 3 自动离合无级变速器力矩传递特性的测试 考虑通过逐渐增加主动轴转速n l ，并使带轮转速n 2 略高于带轮接合转速 n 2 l n ，且带轮转速n 2 等于从动轴转速n 3 。 采用以增加连接在从动轴上的测功机控制电流的方式，逐渐增加从动轴上 的力矩，直到带轮转速n 2 与从动轴转速n 3 之差大于甄别转速栉，停止增加测功 机的控制电流，并记录主动轴转速n i ，带轮转速n 2 、从动轴转速n 3 、主动轴力 矩t l 和从动轴力矩t 3 的数值。 增加主动轴转速n l ，使带轮转速n 2 等于从动轴转速n 3 。 重复上述，直至满足下列三个条件之一时为止： a ，主动轴转速n l 大于试验限制最大主动轴转速n l 。； b 带轮转速n 2 大于试验限制最大带轮转速姚。； c o 从动轴力矩t 3 大于试验限制最大从动轴力矩t 3 。 以带轮转速n 2 为横坐标，从动轴力矩t 3 为纵坐标绘制自动离合无级变速 器力矩传递特性曲线。以带轮转速n 2 为横坐标，传递效率1 1 为纵坐标绘制自动 离合无级变速器传递效率曲线。 2 1 4 自动离合无级变速器传递效率的测试 逐渐增加主动轴转速n i ，使主动轴转速n l 达到主动轴试验转速n l 。回时 记录主动轴转速n l 、带轮转速n 2 、从动轴转速n 3 、主动轴力矩t l 和从动轴力矩 t 3 的数值。 增加测功机的控制电流，并使从动轴力矩t 3 等于从动轴力矩增量么t 3 ， 记录点的么t 3 = 二羔竺n m 同时记录主动轴转速n 卜带轮转速n 2 、从动轴转 l o 1 5 速n 3 、主动轴力矩t i 和从动轴力矩t 3 的数值。 增加测功机的控制电流，使从动轴力矩t 3 增加一个从动轴力矩增量4 t 3 。 同时记录主动轴转速n l 、带轮转速n 2 、从动轴转速n 3 、主动轴力矩t l 和从动轴 力矩t 3 的数值。 按上述条的方法，每次使t 3 增加么t 3 ，并作记录，直至带轮转速1 1 2 与 从动轴转速n 3 之差大于两倍的甄别转速 ，时为止。 以从动轴力矩t 3 为横坐标，以传动比i 为纵坐标绘制自动离合无级变速 器性能曲线。以从动轴力矩t 3 为横坐标，以传动效率q 为纵坐标绘制自动离合 武汉理工大学硕士学位论文 无级变速器传递效率曲线。 改变主动轴试验转速n m 并重复上述的试验内容，直至满足下列 三个条件之一时为止： 丑主动轴试验转速大于最大限制转速l l l m l t 。； b 主动轴转矩大于试验限制最大主动轴转矩t l 。； c 主动轴输出功率大于发动机的最大功率。 以所测得的参数绘制相应的性能曲线。 2 2 测试系统技术方案 要达到对摩托车自动离合无级变速器性能的模拟测试，设计的试验台模拟装 置，应包括试验台主体和控制系统。其中试验台主体包括：基座、电机、由电机 带动的主动轴、从动轴、从动轴带动的测功机；电机、主动轴、从动轴、测功机 都设置在机座上；主动轴的一端为用于加装自动离合无级变速器主动轮的动力输 出端，从动轴的一端为用于加装自动离合无级变速器从动轮的动力输入端。 在主动轴上设有力矩传感器和转速传感器，从动轴上设有力矩传感器和转速 传感器，被试自动离合无级变速器的带轮上设有转速传感器。各传感器的信号输 出给计算机；电机和测功机都由计算机控制。计算机由此可得到并输出主、从动 轴上的力矩和转速、带轮转速，通过计算得到主动轴输入功率、从动轴输出功率、 传动比( 主动轮转速带轮转速) 、传动效率( 系数转速力矩) 等参数，由此可 测的摩托车自动离合无级变速器的空载变速特性，啮合特性、自动调速特性、自 动变速离合特性、力矩传递特性、传递效率等全部的变速离合的工作特性。 试验台模拟装置的测控系统由硬件和软件组成，硬件是微型杌实对控制系 统的物质基础，它在软件的协调下运行，来实现对摩托车自动离合无级变速器性 能的模拟测试。 2 3 测控系统的硬件部分 2 3 1 一般测控系统的硬件组成 一般测控系统的硬件部分包括被控对象、过程通道、微型计算机主机及人机 联系设备等，如图2 - 2 所示： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 叫垂寸时 多 路 屯匾乎母 一奸f 采 i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 叫至习h 哥 样 器 徽 堰 被 控输 型 l 对q 至匠卜时 出 计叶匝 扫 ( 乎 描 算帼 苏 叫丽蕊 卜屯亟卜 蓑 冒 机 一。l 1 1 1+ 一盯丽 峁 l 开关量输入电路i 纺 i 。 形 i 开关量输出电路卜 形叫外存 图2 2 一般测控系统硬件组成框图 ( 1 ) 微型计算机主机 由微处理器、内存储器及时钟电路组成的微型计算机主机是控制系统的核 心。主机的任务主要是进行数据采集、数据处理、逻辑判断、控制量计算、越极 限报警等。同时主机还通过接口电路向系统的各个部分发出各种控制命令，指挥 整个计算机控制系统有条不素地协调工作。 考虑到实时控制的特点，选择主机时应该注意其数据存取速度及运算速度， 应满足在一定采样周期内能完成单路或多路数据采集、处理、运算及输出量输出 到执行机构等所需的时间其信息处理能力要与控制系统的动态性能要求相适 应。 本试验台选择p i i i 微处理器作为计算机的主机，采用工控机机型。 ( 2 ) 过程通道 模拟量输入通道 用来将被控制对象的模拟量被控( 或被测) 参数转变为数字信号并送计算机 处理，它由以下部分组成。 1 ) 传感器( 检测元件) ：用来对被控参数瞬时值进行检测，将其变为电信号。 2 ) 变送器：用来将传感器得到的电信号转变为统一的直流电流( 0 1 0 m a 或4 2 0 m a ) 或直流电压( 0 5 v 或i 5 v ) 信号。 3 ) 多路采样器：亦称多路模拟开路或多路转换器，它用于对多路模拟量信 武汉理工大学硕士学位论文 号进行分时切换，即将时间上连续的模拟量信号转换为时间上离散的数字量信 号。 4 ) a d 转换器：用于将采样后得到的时间上连续的模拟量信号转换成时间 上离散的数字信号，并送入计算机中处理。为减少被控参数值随时间变化对a d 转换器精度的影响，可在多路采样器后接采样保持器和信号放大器。其中放大器 的作用是把输入的微弱信号( 当没有送入变送器时) 放大到a d 转换器所要求 的输入电平，并在模拟量输入信号a d 转换器间进行阻抗匹配和隔离。 随着，现在集成电路的发展，多路采样器和a d 转换芯片一般都集成到a d 转换芯片上，本试验台选用1 2 位8 通道a d 转换器m a x l 9 7 作为a d 转换器。 模拟量输出通道 目前工业生产中使用的执行机构，其控制信号基本上都是模拟的电压或电流 信号。因此计算机输出的数字信号必须经d a 转换器变为模拟量后，方能去控 制执行机构。 对于本试验台而言，计算机所需要控制的信号有电机和测功机的使能控制信 号，笔者通过可编程并行接口芯片8 2 5 5 采用高低电平的信号加以控制。 开关量输入通道 用于将各种继电器、开关等的状态( 通或断) 输入计算机。 开关量输出通道 控制系统中继电器、接触器的闭合或断开，电机的启动、停止，指示灯和报 警信号的通断，可以用输出“o ，和1 状态来控制。完成这些功能的部件就组成了 开关量输出通道。 由上可知，过程通道由各种硬件设备组成，它们起着信息交换和传递的作用， 配合相应的输入、输出控制程序，使计算机和被控制对象间能进行信息交换，从 而实现对生产机械、过程的控制。 ( 3 ) 人机联系设备 在计算机测控系统中，一般应有一个控制台( 或操作面板) ，以便操作人员 能和计算机系统“对话”。控制台包括以三个部分。 作用开关 如电源、数据及地址的选择开关，自动手动开关等。它们通过接口可以与 计算机相连，以完成对计算机的启动、暂停，对系统的启动、暂停，对参数或数 据的修改，对工作方式、算法、控制方式进行选择等功能。 操作键盘( 按键) 一般应包括数字键及功能键。数字键用来送入某些数据或参数。功能键能使 武汉理工大学硕士学位论文 计算机输入功能键所代表的功能服务程序，如启动、复位、打印、显示等功能服 务任务。 显示屏( c r t ) 或数码显示器 简易的系统可采用l e d 显示器。较复杂的，功能要求齐全的则可采用c r t ， 以显示操作人员所要了解的内容或监视系统的工作进程及画面显示等。本试验台 选用显示器，方便于工作人员对程序执行情况的判断，可以从显示器的情况判断 计算机硬件及软件方面有没有什么问题，便于查找错误，另外也把测试结果显示 出来，以判断产品是否合格。 打印机及记录仪 用来打印