汽车变速箱性能检测系统设计与实现
李冰锋1，2 陈书宏1
（⒈中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳 110016 ; 2. 中国科学院研究生院，北京 100039） 摘要：本文从整体上论述了汽车变速箱性能检测系统的测试原理和设计方案，并从硬件和软
件两方面详细阐述了汽车变速箱性能检测系统的组成。现场总线的采用，使本系统的结构更
加简单，实施更加方便。实践证明，该方法是可行的，可靠的。
关键词：变速箱；可编程控制器；CC-Link；触摸屏
The Design and Implementation of a Test System for the Performance of Automobile Gearbox
Li Bing Feng1,2 Chen Shu Hong 1
(⒈Shenyang Institution of Automation Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016 ; ⒉
Graduate School Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039 )
Abstract: This paper discusses the test theory and design project of a test system for the performance of automobile gearbox, and describes the makeup of the system from hardware and
software. The use of fieldbus makes the system simpler and more convenient. It is proved that this
approach is practicable and reliable in practice. Key words:Automobile-gearbox;PLC;CC-Link;Touch screen
中图分类号: TP273 文献标识码: A
1、 前言
变速箱以其传动力矩大、传动比固定、结构紧凑等优点，成为汽车的关键传动部件之
一。其操作性、传动性和安全性的好坏将直接影响到汽车的整体性能。因此，在变速箱总装
完成之后，必须对其进行系统全面的性能检测，以保证每台变速箱的内在质量。目前，汽车
行业中，用于汽车变速箱性能检测的试验台主要有机械功率封闭式试验台和电功率封闭式试
验台两种。
由于机械功率封闭式试验台存在着加工量大、机械结构复杂、传动效率低、能量损耗
大、通用性较差等缺点，已逐渐被淘汰；现在广泛采用的是机械结构简单、通用性较强的电
功率封闭式试验台。本文介绍的就是一种基于工业现场的电封闭式的变速箱综合性能检测系
统。
2、 系统的总体设计
整个检测系统由注、排油装置，辅助装置和试验台主体三部分组成。其工作流程如下：
变速箱总成装配完毕后，被送入到注油工位，由注油装置向变速箱注入润滑油，注油量合格
后，变速箱被辅助装置送至试验台进行性能检测，检测完毕后，再由辅助装置将变速箱送到
排油工位进行排油，排出的润滑油经油路自动回流到注油装置，以循环利用。由于注、排油
装置和辅助装置的控制比较简单，在此不做详述。 试验台主体是整个检测系统的核心部分。其结构原理如图a所示：
图（a）
动力区和模拟负载区的直流电机均由转速和电流双闭环的可控硅可逆直流调速器供电。
两者的不同在于，动力区的直流电机处于转速和电流的双闭环控制，可以运行于期望的转速
上；而模拟负载区的电机则采用电流闭环来间接地控制加载扭矩。在整个试验过程中，动力区电机工作于电动状态，其直流调速器工作在整流状态，将电网电能转化为机械能，驱动变
速箱运转；而模拟负载区电机则处于发电状态，其直流调速器工作在逆变状态，将机械能转
化成电能并回馈电网[1]。可见整个系统构成了电能的封闭系统，故称为电功率封闭试验台。
3、 测控系统组成
（1）硬件构成及其特点
变速箱生产厂商一般要求对其生产的变速箱进行多方面的检测。例如，变速箱的油温、
油压检测，变速箱冷却泵流量检测，换档力检测，噪音检测等。根据客户的需求，本系统选
择了如下几个主要的性能指标作为检测对象：振动和噪声，换档力，变速箱油温、油压和冷
却泵流量，里程表编码器，另外还要求对变速箱的输入、输出转速，扭矩和功率等参数进行
检测。
由于变速箱，试验台主体，注、排油装置和辅助装置在空间上的分散性，使得上述检测
和控制信号在空间上也呈现出较大的分散性。这使的系统的布线相当繁琐，也对以后的系统
维护和扩展带来了很大的麻烦。为此，本系统采用了现场总线的控制方式。
CC-Link是Control&Communication Link的简称，是三菱电机于1996年推出的开放式
现场总线系统。其数据容量大，传输速率快，是一种可靠性高、性能较强的现场总线网络，
支持瞬时传送和即插即用功能，当传输速率小于100米时，最高传输速率可达到10bps[3]。
完全能够满足本系统的要求。
系统的测控原理图如图（b）所示：
图（b）
PLC采用三菱的Q系列[2]，CC-Link总线模块连接远程A/D模块和远程I/O模块。由于
本系统中传感器输出的信号类型有电压信号和电流信号两种，所以各采用一块远程A/DI模
块和远程A/DV模块，用于测量和采集输入和输出扭矩信号、速度信号，加速度传感器信号，
以及变速箱自身信号。
变速箱的噪声是其检测过程中的一项重要性能指标，由于现场存在着其它干扰噪声，若
采用声级计直接来测量变速箱噪声，则噪声信号将不可避免的存在着失真，甚至被其它现场
噪声所淹没。为了比较准确地测得变速箱的噪音信号，本系统采用了以振动来评价噪声的技
术，由加速度传感器来间接测量变速箱的噪声[4]。
由于本系统只是整个变速箱装配线中的一个环节。当被检测变速箱进入此工位时，需用
扫描仪来识别其序列号，并通过以太网模块从上位系统获取此种型号变速箱的各种性能指标
值的极限值及其它相关数据，当检测完毕后又需要通过以太网模块将实际的性能指标值及其
相关数据送上位系统保存。
3、软件系统
该系统的软件整体上分为PLC控制软件和触摸屏的监控软件两部分。
PLC的控制软件分为：主程序、故障报警子程序、与远程模块的通讯子程序、 从上位系统获取数据子程序和向上位系统反馈数据子程序四个部分。
（1）PLC控制软件
主程序应根据性能检测系统各部分工作的要求，总结出各部分工作的相互关系，画出程
序流程图，再由PLC的输入输出逻辑关系编写程序的梯形图。限于篇幅，其具体的程序不
再给出。
故障子程序用于检测性能试验台和变速箱的故障，当试验台或者变速箱发生故障时，应
置位在PLC中定义的相应的故障位，并自动结束试验台的运行状态。然后，根据故障类型
的不同对显示故障字进行不同的赋值，触摸屏会根据读取的显示故障字不同而显示不同的故
障，同时把所有定义的故障位定义为一个上传故障字，故障类型被上传于上位管理系统进行
故障的存储。
与远程模块的通讯子程序编制，只是配置一个实际cc-link系统的其中一个环节。而配
置整个cc-link系统则需要模块设置、参数设置、编程和最后的启动检查等过程。其中参数
设置因从站的类型不同会有所区别。图c示出了主站控制三个远程I/O站和一个远程设备站
的程序例子。
图 （c）
由于检测的变速箱型号不同，变速箱的性能指标也不尽相同。当变速箱到达试验台后，
首先用扫描仪读取变速箱的序列号，从上位系统获取数据子程序会比较本次检测的变速箱型
号与上次检测的变速箱型号是否相同，如果型号不同，则从上位系统读取本次检测的变速箱
的相关数据；如果型号相同，则不进行任何操作。
当变速箱顺利检测完毕或者检测过程中出现故障时，向上位系统反馈数据子程序将检测
结果或故障数据上传到上位管理系统。如果上传的是顺利检测完毕的数据，这些数据将和被
检测变速箱的序列号一起被存入数据库；如果上传得是故障数据，这些数据将和变速箱序列号一起下传至返修区PLC，以指导返修区的操作。
（2）触摸屏监控软件
触摸屏监控软件可以在其支持的软件上编制，通过调用软件工具库的工具以及相关项的
设定或通过宏定义可设计出所需的画面。程序设计完毕后从个人电脑下传到触摸屏即可使
用。触摸屏与PLC通过串口进行通讯。软件的不同功能可以通过不同的画面显示出来。本
系统的触摸屏画面设计为4个：主画面、操作画面和状态显示画面和帮助画面。
主画面其实只是一个用于画面切换的画面。通过触发不同的触摸按钮，即可以切换到相
应的画面进行进一步的操作。
操作画面用于显示各种用于实际操作的触摸按钮，当定义触摸屏上的按钮时应使触摸按
钮与在PLC定义的位按钮形成一种一一对应的关系，这样当对触摸屏上的按钮进行操作时
PLC中相应的位按钮就会被置位或复位。其操作效果可以等同于实际的按钮。，
状态显示画面是包含信息量最为丰富的一个画面，需要显示的内容包括实际的检测值：
各档的转速比和扭矩值，里程表数据，变速箱的流量、压力、温度、噪音等数据以及换档力
的值等。
另外，不管是操作画面还是状态显示画面都应该显示变速箱的型号和故障的类型。
考虑到实际需要，增加了大量的帮助画面，包括触摸屏的维护、参数说明，操作的注意
事项等。
4、 结论
本文阐述了用于工业现场的变速箱性能检测系统，采用了plc加触摸屏的监控方案。实
际应用表明该系统性能稳定、可靠性高。特别是采用了CC-Link现场总线系统，使得整
个系统的布线大为简单，同时也为以后系统的扩展和维修提供了方便。
参考文献
1、廖军 ．汽车变速箱系统综合试验台的分析研究．广西机械．2000（4）．
2、MELSEC—Q系列PLC大全．2001．
3、MELSEC—Q CC-Link模块应用指南．2001．
4、秦树人．齿轮传动系统检测与诊断技术．重庆：重庆大学出版社．1999．
作者简介：
李冰锋：男，1979年12月生，汉，中科院在读硕士，模式识别与智能系统专业。
陈书宏：男，汉，硕士生导师,主要从事机械电子工程方面的研究与应用。
Li Bing Feng: Male, Born in November 1979, Han, Graduate student of Chinese Academy of
Sciences, Major in Pattern Recognition and Intelligent System .
Chen Shu Hong: Male, Han, Master supervisor, Main field: Machine and Electronic engineering.
附：
基金号：中国科学院知识创新工程重大项目 KGCX-SW-15
联系方式（李冰锋）：
辽宁 沈阳 东陵区南塔街114号 沈阳自动化研究所 第五研究室， 110016
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