CN112326237A - 一种液压机械无级变速箱性能检测试验台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种液压机械无级变速箱性能检测试验台，主要包括机械系统、液压系统、测控系统以及加载系统四大部分。所述机械系统包括基地平台，在基地平台上的柴油机通过联轴器向变速器总成提供动力；所述液压系统包括液压换段液压系统、润滑冷却液压系统以及变速器调速液压系统；所述测控系统包括工控机、数据信号采集模块、执行器控制模块以及故障报警模块等；所述加载系统主要通过上位机操作实现待测试变速箱在不同工况下的负载模拟。本发明能够通过机械、液压、测控、加载四大系统的综合应用，实现待测试变速器的性能检测，主要包括测试变速器的负载模拟、各性能状态的监测、执行器的控制以及试验数据的处理分析等操作，并具有一定的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于拖拉机变速箱性能检测控制领域，具体涉及一种液压机械无级变速箱性能检测试验台架。
背景技术
液压机械无级变速器是由液压调速机构及分、汇流机构组成，是一种液压功率流与机械功率流并联的新型传动形式，通过机械传动实现传动高效率，通过液压传动与机械传动相结合实现无级变速。具有变速范围广，传递动力大，有利于提高车辆动力性、燃油经济性以及工作效率，减少车辆冲击与噪声，可实现换挡自动化并降低驾驶员疲劳强度，在拖拉机及工程机械运用极为广泛，因此对其试验具有一定的现实意义。但目前国内关于液压机械无级变速器的技术发展相对较慢，其次关于变速器试验台的研究一般针对纯机械或纯液压传动装置，针对功率分流形式的变速器研究较少且相对功能单一。因此设计一种用于检验液压机械无级变速箱性能检测并实现其性能测试的试验台架具有一定的现实意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种液压机械无级变速箱的性能检测试验台架，通过机械、液压、测控、加载四大系统的综合应用，实现待测试液压机械无级变速的性能检测、故障诊断以及性能优化。
技术方案：一种液压机械无级变速箱性能检测试验台，包括机械、液压、测控与加载系统，其特征在于：所述机械系统包括源动力柴油机、转速转矩仪、测试变速箱总成、升速箱、电涡流测功机等，其中所述转速转矩仪分别与测试变速箱总成输入轴、输出轴相连，经待测试变速箱的动力输出后经升速箱升速降扭后与电涡流测功机端相接；所述液压系统主要由变速器换段、润滑冷却以及调速液压系统三部分组成，其中所述液压系统主要由油箱、电机、齿轮泵、电磁阀以及多组传感器等装置组成，所述测控系统主要包括数据信息采集模块，执行器控制模块，系统标定模块、数据处理以及故障报警模块，其中所述数据信息采集模块主要包括动力源柴油机水温、进气歧管压力，测试变速箱总成输入输出转速转矩、各离合器油压与流量，变速箱体温度，润滑油压、变量泵-定量马达输出油压与流量、电涡流测功机的转速转矩，传感器经系统标定后根据原理编写采集程序将采集的数据经A/D模数转换器将采集数字信号转换成模拟信号传输至工控机；所述执行器控制模块包括动力源柴油机的节进气歧管压力开度、变速箱各离合换与制动器的工作状态、变量泵斜盘倾角、润滑电机开关、电涡流测功机负载大小以及测功机润滑开关，工控机及工作人员可根据采集信息手动或自动将控制信号经D/A转换模块将数字信号转换成模拟信号传至动力源柴油机、测试变速器总成以及负载电涡流测功机，实现动力源柴油机的进气歧管压力、测试变速箱总成变速控制以及拖拉机作业工况负载模拟，最终在变速箱试验前将控制策略写进控制器，变速器测试台架将最终采集的各传感器信号传输至工控机，工控机根据变速箱控制策略操作各执行器工作形成闭式循环；所述系统标定模块包括各传感器的性能标定；故障报警模块主要包括传感器采集信号异常、离合器等执行器执行异常故障报警显示；最终工控机将采集的数据进行显示分析处理存储，编写并打印测试结果。
经采集卡和Rapid ECU采集后的数据，工控机对接收的信号进行处理并以图表的形式在显示屏显示并将某些采集的数据以数值的形式写入EXCEL表格中。
采用独立的液压泵站换段系统，在测试变速箱总成旁设有独立液压站，并有小油箱专供离合器换段使用，与油箱连接的管路设有粗、细滤清器，驱动电机带动齿轮泵将液压油经溢流阀，电磁阀等实现各段位离合器与制动器的工作；
为更好检测测试变速箱性能，综合考虑整体试验台成本、环保等问题，在测试变速箱与电涡流测功机之间设有齿轮箱，齿轮箱各挡位传动比与测试总成变速箱各段位峰值相匹配，，齿轮箱本身具有换挡机构；
负载装置由电涡流测功机模拟，采用多种模式对于工况的模拟，根据试验前得到的仿真以及试验得到的拖拉机作业工况策略图，采用PID控制算法，根据转速、力矩传感器信号反馈，通过输入励磁电流实现测功机的控制。
优选项：为更好实现发动机控制，发动机油门执行器主要为具有转动转角有限的力矩电机，具有位置反馈功能，采用电流与位置双反馈闭环控制形式；力矩电机的控制主要通过加速踏板来带动，加速踏板具有位置传感器，工控机通过采集位置传感器信息实现发动机油门的控制；
优选项：为方便控制策略的研究以及控制方法的开发，采用具有硬件在环功能的Rapid ECU作为测试变速箱专用控制器，并且由Rapid ECU硬件采集发动机供油拉杆以及电涡流测功机各传感器信息，实现变速器的速比控制。
试验台采用DCS(分散控制集中管理模式)，系统根据数据的传送速率采用总线技术完成各种数据，指令以及信息的传输，工控机设有3块CAN接口卡与各模块相连接，CAN1接口工作在较低的波特率，采集温度、油耗等实时性要求不高的信息；CAN2接口在高波特率状态下工作，采集一些对于实时性和精确性较高的数据，例如转速、转矩、油压以及流量等信号；CAN3接口处于高波特率下主要用于电涡流测功机的控制；
有益效果：1、可以有效精确快速的实现测试变速箱相关信号的采集与控制，为测试变速箱性能提供有效数据，实现测试变速器多功能测试与分析；
2、通过电涡流测功机模拟拖拉机作业工控，可以有效实现测试变速器的动态加载试验；
3、实现变速箱试验台自动控制与手动控制结合模式，对各传感器信号进行实时监控采集，并实现数据显示、储存、分析以及打印等功能；
4、可实现试验台故障诊断与系统报警以及自动筛选数据功能；
5、实现对离合器的工作及性能状况进行判断；
6、软件采用虚拟仪器，有效的减少了试验设备成本。
附图说明
图1为试验台总体结构示意图
图2为试验台测控系统
具体实施方式
下面结合附图1、2对本发明做进一步说明：
如图2所示，通过踩动加速踏板，改变发动机油门开度带动发动机转动，将动力传至测试变速箱总成，通过数据采集卡以及Rapid ECU采集的各传感器信息传至工控机，工控机发出各种控制信号，实现闭环控制，进行测试变速箱相关传感器信息的采集、显示与储存；当传感器显示数据超出实际理论范围时，进行自动过滤，若长时间出现数据可靠性较低或者异常现象，显示界面报警信号灯闪烁提醒，并自动切断动力传递，实现系统自我保护，并在故障解决，数据显示正常后进一步试验。
1、液压机械无级变速器效率特性的台架试验。
试验目的：根据记录下的发动机输出与液压机械无级变速器输出转速、转矩试验数据，计算得出实际工况下的传动效率。并结合理论分析模型，采用参数辨识的方法建立液压机械无级变速器传动效率的半经验模型。
试验方法：试验通过改变发动机油门开度以及测功机的负载来体现拖拉机行驶的工况，通过数据采集卡测量并记录发动机输出转速、转矩以及液压无级变速器输出的转速、转矩。试验过程中让HMCVT各段位排量比在0～1范围内10等分，每个排量比下进行效率测量试验并记录；
2、液压机械无级变速器传动特性的台架试验。
试验目的：与理论分析以及虚拟样机开发得到的液压机械无级变速器传动特性进行对比，验证理论分析模型和虚拟样机模型的正确性。
试验方法：试验控制发动机输出转速在750～2200r/min之间等距离的选择10个发动机转速数据点。并通过改变泵控马达系统的排量比来实现各段位内部传动比的变化，同时基于数据采集卡采集液压机械无级变速器输出端的转速。将发动机输出转速除以液压机械无级变速器输出转速来获取当前排量比情况下的传动比。
3、液压机械无级变速器变速和换段控制策略研究的台架试验。
试验目的：验证一元和二元控制变速和换段策略的正确性和实用性，并与仿真试验结果进行对比。
试验方法：试验采用固定测功机的负载，使得一次试验过程中地面负载几乎不发生变化。通过在Matlab/Simulink中搭建控制程序，并利用CodeWarrior将Simulink中的程序编译成C语言代码并烧录进Rapid ECU当中。采用Rapid ECU对液压机械无级变速器的变量泵和离合器进行控制。试验过程中改变地面的负载以及发动机的转速，并记录下不同负载和转速工况下对应的传动比响应值以及响应时间。
4、油压、流量对换段时间影响研究的台架试验。
试验目的：探究离合器充油压力和流量对换段时间的影响，并通过试验数据确定出最优的充油压力和流量数值。
试验方法：试验利用调速阀和溢流阀，分别调整主油路流量和充油压力。通过数据采集卡在一次试验期间内全程采集油压随时间变化的数据并记录入电脑。再采用数据挖掘的方法寻找到每次试验数据的换段时间，即充油压力稳定到某一定值所花的时间。
5、油压、流量对换段质量影响研究的台架试验。
试验目的：探究离合器充油压力和流量对换段质量的综合影响，并通过试验数据确定出最优的充油压力和流量数值。
试验方法：试验利用调速阀和溢流阀，分别调整主油路流量和充油压力。并将液压机械无级变速器输出的转速和转矩测量并记入电脑。根据该试验记录数据，计算获取输出轴速度降幅度、输出轴动载荷系数、最大冲击度。
6、液压机械无级变速器振动特性测量的台架试验。
试验目的：为拖拉机振动特性的研究提供理论基础。为拖拉机振动特性的仿真研究提供了动力学模型输入的试验数据，以此来研究拖拉机的平顺性
试验方法：试验利用调速阀和溢流阀，分别调整主油路流量和充油压力。并通过单向振动加速度传感器去测量液压机械无级变速器垂向上的振动加速度信号。
7、液压机械无级变速器换段时序研究的台架试验。
试验目的：根据试验数据，采用非线性回归方法建立换段时序与换段质量之间的关系模型，并最终确认出最佳的换段时序。
试验方法：采用之前研究选定的最优充油压力和流量。以HM1和HM2段离合器C1和C2进行试验研究，分别使C2离合器电磁阀先于C1离合器0、20、40、60、80、100、140、 180、220ms工作，根据测量系统记录数据，并计算输出轴速度降幅度比、最大冲击度和输出轴动载荷系数。并将变速器箱体外部垂向振动加速度传感器输出的数据记入到电脑中。
8、泵控马达动态(响应特性)台架试验。
试验目的：根据记录下的发动机输出转速与马达转速试验数据，得出马达转速和控制电流及发动机输出转速的关系；间接得到排量比和控制电流及发动机输出转速的关系。结合排量比和传动比之间的关系，实现整个HMCVT的变速控制。
试验方法：试验通过改变比例电磁铁的电流，通过数据采集卡测量并记录发动机输出转速、以及马达转速。
9、湿式离合器转矩容量试验。
试验目的：测得所设计的湿式离合器在工作过程中所能传递的发动机转矩的最大值。
试验方法：在离合器的输入轴和输出轴上安装转速传感器；首先在PTO端添加负载；当离合器输出端与输入端的转速保持一致时，证明此时离合器可靠的传递发动机的转矩；当载荷添加到某一值时，离合器输入端和输出端的转速不相等，证明此时离合器发生滑磨现象，离合器已经不足以传递这么大的转矩，此时的加载量就是离合器所能传递的最大转矩。
10、湿式离合器结合温升试验。
试验目的：测量离合器在工作过程中摩擦副温度的变化。
试验方法：让离合器输出端的制动器工作，锁住离合器输出端；离合器的输入端由驱动电机带动以目标转速匀速旋转；液压系统控制工作油压加载至目标油压，使离合器处于半离合状态进行滑磨；测量滑磨过程中扭矩与温度随时间的变化；通过改变工作油压大小得到不同滑磨功率进行试验，当摩擦副温度上升至目标温度时，停止试验。
Claims (9)
1.一种液压机械无级变速箱总成性能检测试验台，包括机械装置与测控系统，其特征在于：所述机械装置包括源动力柴油机、转速转矩仪、测试变速箱总成、齿轮箱、负载电涡流测功机以及换段电机等，其中所述转速转矩仪分别与测试变速箱总成输入轴、输出轴相连；所述测控系统主要包括数据信息采集模块，执行器控制模块，系统标定模块以及故障报警模块，其中所述数据信息采集模块主要包括动力源柴油机水温、进气歧管压力，测试变速箱总成输入输出转速转矩、各离合器油压与流量，变速箱体温度，润滑油压、变量泵-定量马达输出油压与流量、电涡流测功机的转速转矩，传感器经系统标定后根据原理编写采集程序将采集的数据经A/D模数转换器将采集数字信号转换成模拟信号传输至工控机；所述执行器控制模块包括动力源柴油机的节进气歧管压力开度、变速箱各离合换与制动器的工作状态、变量泵斜盘倾角、润滑电机开关、电涡流测功机负载大小以及测功机润滑开关，工控机及工作人员可根据采集信息手动或自动将控制信号经D/A转换模块将数字信号转换成模拟信号传至动力源柴油机、测试变速器总成以及负载电涡流测功机，实现动力源柴油机的进气歧管压力、测试变速箱总成变速控制以及拖拉机作业工况负载模拟，最终在变速箱试验前将控制策略写进控制器，变速器测试台架将最终采集的各传感器信号传输至工控机，工控机根据变速箱控制策略操作各执行器工作形成闭式循环；所述系统标定模块包括各传感器的性能标定；故障报警模块主要包括传感器采集信号异常、离合器等执行器执行异常故障报警显示；最终工控机将采集的数据进行显示分析处理存储，编写并打印测试结果。
2.根据权利要求1所述的一种液压机械无级变速箱总成性能检测试验台，其特征在于：所述机械装置主要包括动力源柴油机、转速转矩仪、测试变速器总成、齿轮箱、电涡流测功机、驱动电机、齿轮泵、地面基台、电路电气系统、润滑冷却系统以及支撑装置，其中所述支撑装置保证各机械装置轴向中心位置处于同一高度，并且各装置采用固定支撑至于地面基台之上。
3.根据权利要求1所述的一种液压机械无级变速箱总成性能检测试验台，其特征在于：所述测控系统硬件包括控制台、工控机、Rapid ECU、数据采集卡、CAN线束总成以及各传感器和控制器，所述控制台包括数据采集显示装置，执行器控制装置，电源电路控制装置以及紧急制动装置；所述工控机用于处理分析采集的传感器信号以及执行器控制；Rapid ECU实现动力源柴油机以及电涡流测功机的数据采集以及柴油机、电涡流测功机、换段系统以及排量比的控制；所述数据采集卡用于采集除柴油机以及电涡流测功机以外的所有传感器信号；CAN总线装置实现信号的采集与控制并实现与工控机之间的信息交流。
4.根据权利要求书1或3所述一种液压机械无级变速箱总成性能检测试验台，其特征在于被测试变速器总成包括液压调速机构、机械变速机构以及分、汇流机构组成，是一种液压功率流并联的新型传动形式，所述液压调速机构主要由变量泵-定量马达构成，通过RapidECU输入PWM信号改变电磁比例阀从而改变变量泵排量比，所述机械变速机构主要包括离合器与制动器换段通过改变电流信号改变液压换段系统电磁比例阀油压大小控制离合器与制动器的工作状态，控制开关其中所述测试变速器总成中液压系统油压、流量、转速转矩以及温度等信号等数据采集卡经D/A模数转换经总线传至工控机显示。
5.根据权利要求1所述的一种液压机械无级变速箱总成性能检测试验台，其特征在于所述齿轮箱包括多级齿轮传动机构，所述多级包含多个传动比，每段位的传动比与所述测试变速器总成传动比吻合或相差不大，在试验之前可通过换挡机构调至所需段位。
6.根据权利要求5所述的一种液压机械无级变速箱总成性能检测试验台，其特征在于齿轮箱包含润滑冷却系统、换挡机构和支撑装置，所述润滑冷却系统采用与测试变速器总成润滑冷却系统的电机-泵装置冷却润滑，所述换挡机构采用拨叉的形式进行换段，支撑装置用于支持齿轮箱与前后机构具有正确的轴向位置。
7.根据权利要求1所述的一种液压机械无级变速箱总成性能检测试验台，其特征在于：所述负载模拟装置为电涡流测功机，所述负载模拟控制器通过转速与力矩传感器对测功机的信号进行反馈处理，通过输入励磁电流实现电涡流测功机控制，所述工控机发出信号输出至Rapid ECU通过模数转换完成D/A将数字信号转换为模拟信号控制电磁比例阀，控制电涡流测功机产生转矩。
8.根据权利要求1所述的一种液压机械无级变速箱总成性能检测试验台，其特征在于：所述动力源柴油机采用CAN总线形式实现柴油机相关信号提取并传至工控机，所述工控机根据转速传感器测定发动机输出轴实际输出转速与设定转速比较后送入发动机下位机，所述下位机包括Rapid ECU和功率放大器，在下位机驱动下执行器改变柴油机油门开度，所述油门执行器包括一个具有位置反馈功能的有限转角力矩电机，通过改变电机的旋转角度调节油门开度。
9.根据权利要求1或3所述的一种液压机械无级变速箱总成性能检测试验台，其特征在于：故障报警系统可以实现变速箱试验台架各传感器、执行器或者其他试验相关系统的故障报警并在显示界面显示故障信息；负载模拟系统可以根据变速器试验前的控制策略，快速精确实现作业负载模拟。
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