解析手动变速器在线加载试验台工作原理及设计要点

随着消费者对汽车的舒适性、操控性等需求日益提高，变速器厂家也越来越注重对总成NVH问题控制，其中最重要检测手段为在线加载。虽然国家在变速器开发过程中出台了台架试验标准，但针对批量生产出厂检验项目而进行的性能测试却无明确规定，目前各企业均根据自己产品特点，采用在线加载试验进行下线变速器的出厂性能测试，并形成企业标准作为判定产品合格与否的出厂依据。

一、引言

变速器是汽车三大核心部件之一，其工况好坏直接影响汽车的整体性能，为预防控制装配下线的质量必须进行在线诊断，减少外部质量损失，对变速器进行100%快速校验迫切需要。如何快速判断和辨别出变速器的性能质量，除试验人员具备丰富经验外，还必须配备好的测试设备，在线加载试验台因其能够较真实地模拟汽车行驶工况而被广泛推广和应用。我公司是专业生产各种商/乘用车手动变速器的厂商，批量较大，但同时变型品种也较多，如何开发出一个适合公司产品特点的在线加载试验台至关重要，现就在线加载试验台的设计相关要求及工作原理进行探讨和总结。

二、变速器在线加载试验特征描述及比较

所谓在线加载试验即在产品装配流水线上利用加载试验台对变速器施加部分载荷进行试验检测，查看变速器的过程控制可靠性并作出出厂质量评价，塞选不合格产品。在线加载试验是近年来发展起来的，尤其是电封闭在线加载从国外的引进在近年已成熟应用和国产化，其加载原理及检测项目源于台架试验，能更真实模拟汽车工况，检测效果好，同时还可以检测出传统的空载试验台所不能检测的测试内容（如：啸叫、瞬时速比、同步器性能等），但其验证目的和检测项目内容却与台架试验有所不同，现将空载试验、在线加载、台架加载的特征简要对比如下表:


备注：表中所述阻力，即汽车行驶过程中存在的风阻、坡阻、转动惯量等统称。

三、在线加载试验台正确选型

1、根据能源回馈分类，目前行业内应用加载试验台的有开放式/机械封闭式/电封闭式，应用特点如下图：



2、手动变速器在线加载试验台应考虑的加载模式应为电封闭加载，原因如下四点：

1）适用性：试验台反应灵敏、易于控制、布置方便灵活、不受被测件尺寸及传动比的限制等特点。

2）有效性：在模拟汽车工况方面更真实，能够实施正拖、反拖等，明显优于磁粉制动器等，可以更好验证变速器和质量评价；

3）经济性：能量回收利用，功耗相对较小，后期运行成本小，同时，选用电机寿命长，维护简单，符合节能设计原则；

4）可行性：近年电封闭加载已在国内广泛应用，技术成熟，效果好，也是目前国内主流应用模式。

四、电封闭加载试验工作原理

试验台的驱动和加载功能主要是通过变频调速柜对变频电机的矢量控制（PID控制器）来实现，使得各时间段扭矩、转速进行相应匹配，并满足加载规范中的要求，从而模拟汽车行使工况。台架的驱动系统共由整流单元、逆变单元等组成。逆变单元亦采用变频装置，分别完成对驱动电机和加载电机的精确速度、扭矩控制。此结构能够对试验台机械传动系统（包括被试变速箱总成）中由于变速箱总成在传动过程中的能量损失（约占5％～10％） 和2台（针对纵置变速器）交流伺服电机的工作过程汇总产生的功耗（约占15％～20％）之外的所有能量进行回收，回收的能量通过直流至直流母线用以驱动电机运行或直接反馈至电网，从而形成能量的闭环系统。当然，由于上述的两种损耗造成的能量损失应有外部供电电网补充。

1、电封闭电气控制原理示意图（图1）



2、电封闭加载台动作过程简介：

现以我公司某5档手动箱加载试验过程为例试验顺序由R-1-2-3-4-5，每档都加载模拟汽车加速/匀速/减速及动态换档要求（如图2）为例：

1）正拖（如上图1中R档试验阶段t1-t2-t3）：

a、齿轮副正面受力啮合，模拟汽车启动加速直至正常匀速行使过程，此过程中输入电机施加设定的正向扭矩进行加速（主要是克服摩擦等阻力、转动惯量、输出电机的发电制动），并保持扭矩不变，直至转速达到设定的目标值，正向扭矩减小至合适大小以保证输出电机按照设定的转速匀速转动（主要是克服摩擦等阻力、输出电机的发电制动）；

b、输入电机根据信号指示进行加速，该状态为电动机，给变速器提供动力，而此时输出电机则根据信号指示以限制速度模式（不能超过设定的转速），以满足得到输入端提供的相应扭矩，阻止输入端加速转动，并通过做磁力线运动将动力转化为电能，此时加载电机相当于发电机，将所发电反馈至电网或直接反馈给输入端。

2）反拖：（如上图1中的t3-t4-t5）

a、齿轮副反面受力啮合，模拟汽车松油门刹车减速，此过程中输出电机施加设定反向扭矩进行减速，齿轮由匀速转动以一定的加速度进行减速，直至转速降低到设定的目标值，而输入端施加的扭矩减小至能保持匀速转即可（怠速状态，即油门完全松开状态发动机提供的初始动力）；

b、输入端电机根据信号指示进行扭矩变化，该状态仍为电动机（只是提供的动力小于负载提供的阻力），而此时加载电机由发电状态调整为电动状态，提供阻力（相当于汽车惯性仍在高速转动），由于输出转速高于输入端，反拖输入端提高转速，致使驱动电机整体做负功，处于发电状态，即输入电机为发电机，输出电机为电动机。

3）输入端加载扭矩与转速变化（正拖—匀速—反拖）试验实物图如图3；



图3（我公司5T28加载试验台5档测试界面截图）


五、在线加载试验台设计要求：
1、装夹快捷、操作方便；

2、各项内容检测时间较短，能够快速检测判定结果；

3、与在线生产节拍匹配；
4、方便维护保养；

5、预留一定换产接口（软件/硬件），适用变型变速器试验较强（针对我公司变种产品多，批量小特点）。


六、在线加载试验的功用
短时间内对变速器的噪音、选换档性能等NVH指标进行正确评价，具体检测内容如下：

1、测试正反齿面加载噪音（检测手段：耳感、声级计、振动频谱分析仪）；

2、选换档性能（选换档力、选换档位移）（检测手段：手感、设备传感器）；

3、倒车、变速同步功能（检测手段：目测、设备传感器/速比对比）；

4、倒车灯/里程表开关（检测手段：设备检测）；

5、传动效率（检测手段：根据传感器采集数据计算）

6、转弯功能（针对带差速变速器，检测手段：根据传感器采集差速速差与设定同步速差对比）。

7、油封动态密封检测（检测手段：目测，运转过后油封处是否有漏油现象）

七、总结

由于变速器产品结构本身设计特征、装配节拍以及使用配置等影响，用户所需要的在线加载试验台表现的形式有可能差别较大，但无论如何变化，其工作原理及设计出发点是相同的，因此本文可作为设备选型、设计等参考。