机动车换挡力测试仪的研制

机动车换挡力测试仪的研制

王宏哲

     国家客车质量监督检验中心    重庆市    401122

摘要：本文重点阐述同时测量机动车X方向（换挡方向）和Y方向（选挡方向）力学传感器及配套测量显示仪表的研制过程，结合QC/T1019-2015《汽车变速换挡操纵装置性能要求及台架试验方法》加以分析，明确相关组成部分的基本实用情况，结合其具体的作用原理，实现同时2个方向的换挡力的测量。

关键词：机动车；换挡力；测试仪；力学传感器

在我国汽车行业飞速发展的进程中，变速箱的种类越来越多，有手动变速箱、自动变速箱及手动一体变速箱等。早期各种车辆的变速箱换挡操纵机构质量差别极大，有部分车辆换挡不顺畅，甚至换挡困难，更有甚者，在进行15000公里可靠性试验过程中，数次造成换挡杆球头螺丝断裂，致使车辆无法行驶。

一、机动车换挡力测试仪的研制背景

早期的机动车检测设备主要依靠进口日本、美国、德国、丹麦的检测设备，价格极其昂贵，对于国外没有的设备，只能自己研制。

我们于2008年，根据客户的需求，初步设计完成了二轴向力学测量传感器及配套测量显示仪表，用于测量X方向换挡力和Y方向的选挡力。当时查新检索了国内外的大量资料，没有相关的成熟设备和资料，完全是自主创新。经过不断改进，性能达到了设计要求，并且通过了计量检测，交付用户数台试用并获得好评。

2015年10月10日，国家颁布了QC/T1019-2015《汽车变速换挡操纵装置性能要求及台架试验方法》，于2016年3月1日正式实施。该标准对换挡间隙、选挡间隙、换挡方向无负载操作力、选挡方向无负载操作力作了具体要求：

A机械式变速器：

常温环境：X方向换挡力不大于2牛顿，Y方向选挡力不大于14牛顿；

零下40度: X方向换挡力不大于4牛顿，Y方向选挡力不大于16牛顿；

B自动变速器：

常温环境：X方向换挡力不大于20牛顿；

零下40度: X方向换挡力不大于24牛顿；

二、机动车换挡力测试仪的研制意义

以前检测设备主要依靠进口日本、美国、德国、丹麦的检测设备，价格极其昂贵，动辄上千万，而且维护成本极高。对于国外没有的设备，只能自力更生，自主创新。

三、机动车换挡力测试仪的研制过程

我们于2008年，开始设计完成了二轴向力学测量传感器，当时查新检索了国内外的大量资料，没有找到相关资料，于是自主创新，根据材料力学知识，选取了多种材料进行试验。在一个传感器上同时测量两个方向的力，又不能互相干扰，还要抗过载，非常不容易。在换挡操作时，有时挡位对不准，会瞬时过载损坏传感器，因此要求传感器的材料屈服极限高，弹性极限高。既要保证传感器的灵敏度，又要保证传感器抗过载。最后选择了钛合金TC4作为传感器的基础材料，辅助材料使用铝合金的方案，制作传感器。钛合金TC4，进行调质热处理和时效处理，性能优良，灵敏度比合金钢提高一倍，并且性能稳定，抗腐蚀，抗蠕变。

钛合金加工不同于合金钢，加工难度大。钛合金铣床加工时，容易粘刀，刀具极容易损坏，打孔更是困难，上磨床时，产生绿色的火花，极易燃烧，具有一定的危险性。另外，钛合金没有磁性，无法在磨床上磁性定位，必须制作专用夹具。

经过科研攻关，终于加工出了钛合金传感器芯，经过热处理后，在经过表面处理，粘贴高精度应变片，经过烘干和防水处理后，安装外壳及把手，固定螺丝孔，终于制作出了第一批钛合金双轴向测量传感器，然后自己用砝码进行计量测试，标定测量常数，然后反复测量，验证传感器的精度和重复性及零点漂移，最终完成传感器的制作。

下一步是制作配套的测量与显示仪表。采用了锂电池3.3V稳压器供电模式，选取了STC51单片机读取AD模数转换器，并驱动5寸彩色液晶工业级显示器的方案，简单可靠，抗干扰能力强，易于维修。

简单介绍一下美国德州仪器的高度集成的24位模数转换器ADS1232芯片：采用TSSOP24封装，双通道，高精度，有效精度达到19位，最高采样频率80SPS，实际采用10SPS，精度高性能稳定，内置PGA放大器，放大倍数可以设置为1、2、64、128。被广泛应用于低电平、高精度测量。

ADS1232采用串口移位寄存器工作方式，只有2根通讯数据线，一改以前AD转换器的并口输出模式，与单片机连接只需要将DOUT和SCLK分别连接到单片机的P3.6和P3.7上；GAIN1接高电平和GAIN0接地，PGA放大系数设置为64；SPEED接地，采样速率设置为10SPS；A0是通道选择，连接到单片机的P3.5，A0为0，测量X方向；A0为1，测量Y方向；PDWN是复位控制，连接P3.4，用于启动ADS1232开始工作。经过试验，ADS1232使用非常方便，测量精度高，性能稳定。

串口移位寄存器工作方式时序如下图所示：等待DOUT下降沿出现，延时T2，然后用移位寄存器方式读出24位模数转换测量数据，注意：24位数据必须一次全部读出，之后DOUT被强行拉高。如下图所示。

先设置A0为0，测量X方向；然后设置A0为1，测量Y方向，测量结果经过变换后分别输出到显示器上。测量时，驾驶员要先熟悉挡位，找准挡位，避免挂不进挡的情况发生。传感器虽然靠牺牲灵敏度，增强了抗过载能力，但过载还是会照成传感器的软伤害，影响测量精度。

另外，传感器虽然进行了周密设计，但是，测量X方向时，对Y方向还是有轻微的串扰；测量Y方向时，对X方向也有轻微的串扰，这是无法完全避免的。

仪表外壳的选择也是大费周折，自己开模具费用太高，而且没有经验。最后现有采用手持机外壳改窗口，效果还可以，美观实用，携带方便。经过不断改进，性能达到了设计要求，精度趋于稳定 ，终于通过了计量检测，交付用户数台试用并获得好评。

对于我们学汽车专业的，设计汽车仪器，实属不易：既要熟悉汽车标准，又要精通力学和电学；还有非常熟悉单片机软件和硬件；还要熟悉传感器加工工艺；还要联系加工，每个环节都不能出差错。另外，仪器不可能一次设计就完美无缺，需要不断改进，不断完善。

结语

非常感谢宏晶的STC国产单片机芯片，抗干扰能力超强，新出品的USB串口程序烧录器比以前的好用多了，没有出现通讯不畅的情况！串口下载程序非常方便实用，仪器的程序可以随时修改。

由于篇幅限制及其他原因，不能详细介绍，仅能抛砖引玉，为汽车工业尽一点微薄之力；如有不当之处，恳请同仁批评教正，非常感谢！

参考文献

1. QC/T1019-2015《汽车变速换挡操纵装置性能要求及台架试验方法》；

2.德州仪器模拟器件手册。