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原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 XXXX 大学大学 毕业设计（论文） 快速轮胎充气机设计 系系 别别 ： 专专 业业： 学学 生生 姓姓 名名： 学学 号：号： 设计设计( (论文论文) )题目题目： 起起 迄迄 日日 期期: : 设计设计( (论文论文) )地点地点: : 指指 导导 教教 师师: : 专业教研室负责人专业教研室负责人: : 2013 年 月 日 I 摘 要 本设计是通过对快速轮胎充气机工作原理、工作的环境和工作的特点进行分析，并 结合实际，在进行细致观察后，对快速轮胎充气机的整体结构进行了设计，对组成的各 元件进行了选型、计算和校核。 关键词：快速轮胎充气机，设计，结构设计 II Abstract The design is based on metal nail-making machine working principle, the working environment and the working characteristics of the analysis, and combined with the practice, the careful observation, the metal nail-making machine structure of the overall design, the various parts of the selection, calculation and checking. Key Words:Key Words: metal nail-making machine, design, structural design III 目 录 摘 要 . I Abstract II 目 录 III 第 1 章 概述 6 1.1 轮胎充气机发展概况 . 6 1.2 液压传动的工作原理及组成部分 . 6 1.2.1 液压传动的工作原理 6 1.2.2 液压传动的组成部分 7 1.3 液压传动的优缺点 . 7 1.4 液压系统的设计步骤与设计要求 . 8 1.4.1 设计步骤 9 1.4.2 明确设计要求 9 第 2 章 快速轮胎充气机总体结构设计 10 2.1 主机的功能结构 10 2.2 工作原理 . 10 2.3 课题设计要求 11 第 3 章 快速轮胎充气机工作机构设计 12 3.1 液压缸的主要主要参数 . 12 3.2 活塞杆强度计算 12 3.3 液压缸活塞的推力及拉力计算 . 13 3.4 活塞杆最大容许行程 14 3.5 液压缸内径及壁厚的确定 15 3.5.1 液压缸内径计算 . 15 3.5.2 液压缸壁厚计算 . 15 3.6 液压缸筒与缸底的连接计算 16 3.7 缸体结构材料设计 . 17 3.7.1 缸体端部连接结构 . 17 IV 3.7.2 缸体材料 . 17 3.7.3 缸体技术条件 . 17 3.8 活塞结构材料设计 . 17 3.8.1 活塞与活塞杆的联接型式 . 17 3.8.2 活塞的密封 . 18 3.8.3 活塞的材料 . 18 3.8.4 活塞的技术要求 . 18 3.9 活塞杆结构材料设计 19 3.9.1 端部结构 . 19 3.9.2 端部尺寸 . 19 3.9.3 活塞杆结构 . 19 3.9.4 活塞杆的技术要求 . 19 3.10 活塞杆的导向、密封和防尘 20 3.10.1 导向套 . 20 3.10.2 活塞杆的密封与防尘 . 20 3.11 缸盖的材料 . 21 3.12 自动定心装置 . 21 第 4 章 快速轮胎充气机机架的设计 23 4.1 机架的基本尺寸的确定 . 23 4.2 架子材料的选择确定 . 23 5.3 主要梁的强度校核 . 23 第 5 章 快速轮胎充气机电路控制设计 26 5.1 系统分析与设计 26 5.2 总体设计流程 . 26 5.3 单片机控制模块的设计 . 27 5.4 气压检测及 A/D、D/A 模块的设计 . 30 5.4.1 气压检测 . 30 5.4.2 方案选择 . 30 5.4.3 电路设计与分析 . 31 V 5.5 软件设计 . 33 5.5.1 A/D 模块软件设计 . 33 5.5.2 D/A 模块软件设计 . 35 参考文献 36 总 结 38 致 谢 39 27 第 1 章 概述 1.1 轮胎充气机发展概况 随着时代的发展，汽车已经进入了寻常百姓家，汽车工业也经历了有史以来 最高速的发展期，同时也对汽车制造业提出了更高的要求。快速轮胎充气机正是 基于这样的状况下而产生的提高汽车轮胎装配效率的一种新型工具。 该课题的研 究对于提高学生的工程能力，拓展生存空间有着非常重要的意义，以及为今后进 一步研究快速充气机的研究做一个前期的准备工作，具有重要的社会意义。 自动充气机是通过微处理器和压力传感器自动调节轮胎气压的尖端科技产 品，一次性完成对轮胎的充气/放气/检验，精度高、速度快、经久耐用、操作简 单，带给轮胎更好的保护。它的出现完全替代手动气压表消除误差、更好的保护 轮胎。 1.2 液压传动的工作原理及组成部分 1.2.1 液压传动的工作原理 驱动的液压系统，它由油箱、滤油器、液压泵、溢流阀、开停阀、节流阀、 换向阀、液压缸以及连接这些元件的油管组成。它的工作原理：液压泵由电动机 带动旋转后，从油箱中吸油。油液经滤油器进入液压泵，当它从泵中输出进入压 力管后，将换向阀手柄、开停手柄方向往内的状态下，通过开停阀、节流阀、换 向阀进入液压缸左腔，推动活塞和工作台向右移动。这时，液压缸右腔的油经换 向阀和回油管排回油箱。 如果将换向阀手柄方向转换成往外的状态下，则压力管中的油将经过开停 阀、节流阀和换向阀进入液压缸右腔，推动活塞和工作台向左移动，并使液压缸 左腔的油经换向阀和回油管排回油管。 工作台的移动速度是由节流阀来调节的。当节流阀开大时，进入液压缸的油 液增多，工作台的移动速度增大；当节流阀关小时，工作台的移动速度减小。 为了克服移动工作台时所受到的各种阻力， 液压缸必须产生一个足够大的推 力，这个推力是由液压缸中的油液压力产生的。要克服的阻力越大，缸中的油液 压力越高；反之压力就越低。输入液压缸的油液是通过节流阀调节的，液压泵输 出的多余的油液须经溢流阀和回油管排回油箱， 这只有在压力支管中的油液压力 7 对溢流阀钢球的作用力等于或略大于溢流阀中弹簧的预紧力时， 油液才能顶开溢 流阀中的钢球流回油箱。所以，在系统中液压泵出口处的油液压力是由溢流阀决 定的，它和缸中的油液压力不一样大。 如果将开停手柄方向转换成往外的状态下， 压力管中的油液将经开停阀和回 油管排回油箱，不输到液压缸中去，这时工作台就停止运动。 从上面的例子中可以得到： 1）动是以液体作为工作介质来传递动力的。 2）液压传动用液体的压力能来传递动力，它与利用液体动能的液力传 动是不相同的。 3）压传动中的工作介质是在受控制、受调节的状态下进行工作的， 因此液压传动和液压控制常常难以截然分开。 1.2.2 液压传动的组成部分 液压传动装置主要由以下四部分组成： 1）能源装置把机械能转换成油液液压能的装置。最常见的形式就是液 压泵，它给液压系统提供压力油。 2）执行装置把油液的液压能转换成机械能的装置。它可以是作直线运 动的液压缸，也可以是作回转运动的液压马达。 3)制调节装置对系统中油液压力、流量或流动方向进行控制或调节的装 置。例如溢流阀、节流阀、换向阀、开停阀等。这些元件的不同组合形成了 不同功能的液压系统。 4)辅助装置上述三部分以外的其它装置，例如油箱、滤油器、油管等。 它们对保证系统正常工作也有重要作用。 1.3 液压传动的优缺点 液压传动有以下一些优点： 1）在同等的体积下，液压装置能比电气装置产生出更多的动力，因为 液压系统中的压力可以比电枢磁场中的磁力大出 3040 倍。在同等的功率下，液 压装置的体积小，重量轻，结构紧凑。液压马达的体积和重量只有同等功率电动 机的 12%左右。 2）液压装置工作比较平稳。由于重量轻、惯性小、反应快，液压装置 易于实现快速启动、制动和频繁的换向。液压装置的换向频率，在实现往复回转 8 运动时可达 500 次/min，实现往复直线运动时可达 1000 次/min。 3）液压装置能在大范围内实现无级调速（调速范围可达 2000） ，它还 可以在运行的过程中进行调速。 4）液压传动易于自动化，这是因为它对液体压力、流量或流动方向易 于进行调节或控制的缘故。当将液压控制和电气控制、电子控制或气动控制结合 起来使用时，整个传动装置能实现很复杂的顺序动作，接受远程控制。 5）液压装置易于实现过载保护。液压缸和液压马达都能长期在失速状 态下工作而不会过热，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的。液压件能 自行润滑，使用寿命较长。 6）由于液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，液压系统的设计、 制造和使用都比较方便。液压元件的排列布置也具有较大的机动性。 7）用液压传动来实现直线运动远比用机械传动简单。 液压传动的缺点是： 1）液压传动不能保证严格的传动化，这是由液压油液的可压缩性和泄 漏等原因造成的。 2）液压传动在工作过程中常有较多的能量损失（摩擦损失、泄漏损失 等） ，长距离传动时更是如此。 3）液压传动对油温变化比较敏感，它的工作稳定性很易受到温度的影 响，因此它不宜在很高或很低的温度条件下工作。 4）为了减少泄漏，液压元件在制造精度上的要求较高，因此它的造价 较贵，而且对油液的污染比较敏感。 5）液压传动要求有单独的能源。 6）液压传动出现故障时不易找出原因。 总的说来，液压传动的优点是突出的，它的一些缺点有的现已大为改善，有 的将随着科学技术的发展而进一步得到克服。 1.4 液压系统的设计步骤与设计要求 液压传动系统是液压机械的一个组成部分， 液压传动系统的设计要同主机的 总体设计同时进行。着手设计时，必须从实际情况出发，有机地结合各种传动形 式，充分发挥液压传动的优点，力求设计出结构简单、工作可靠、成本低、效率 高、操作简单、维修方便的液压传动系统。 9 1.4.1 设计步骤 液压系统的设计步骤并无严格的顺序，各步骤间往往要相互穿插进行。 一般来说，在明确设计要求之后，大致按如下步骤进行。 1）确定液压执行元件的形式； 2）进行工况分析，确定系统的主要参数； 3）制定基本方案，拟定液压系统原理图； 4）选择液压元件； 5）液压系统的性能验算； 1.4.2 明确设计要求 设计要求是进行每项工程设计的依据。 在制定基本方案并进一步着手液 压系统各部分设计之前， 必须把设计要求以及与该设计内容有关的其他方面了解 清楚。 1）主机的概况：用途、性能、工艺流程、作业环境、总体布局等； 2）液压系统要完成哪些动作，动作顺序及彼此联锁关系如何； 3）液压驱动机构的运动形式，运动速度； 4）各动作机构的载荷大小及其性质； 5）对调速范围、运动平稳性、转换精度等性能方面的要求； 6）自动化程序、操作控制方式的要求； 7）对防尘、防爆、防寒、噪声、安全可靠性的要求； 8）对效率、成本等方面的要求。 27 第 2 章 快速轮胎充气机总体结构设计 2.1 主机的功能结构 随着汽车工业的发展， 传统的轮胎充气工艺远不能适应现代化生产规模的要 求。研制与轮胎流水作业生产线配套的，机械化、自动化、节能高效的充气设备 是现代化汽车生产企业亟待解决的实际问题。 设备由本体台架、液压传动系统、气动系统、微机测控系统等 4 部分组成。 其中本体台架又由工作台、车轮传送机构、车轮定位机构、车轮卡紧机构、轮胎 充气装置等 5 部分组成。 图 2.1 快速轮胎充气机的结构示意图 2.2 工作原理 本公开了一种与现用打气筒操作方式完全不同并装有安全阀的新型式轮胎 打气机。它操作更省力、简便，工作效率提高，可避免轮胎打爆，适用于各种 轮 11 胎打气。其特点是：两个气筒内各放置一特制活塞体，并由一根推杆连接两活塞 体，两个气筒的另一端，分别通过一个内装单向气门的弯管与一个过渡装气筒密 封 连接，在推杆的中点安装一个固定轴及轴套，与操作杆下端的开口滑头相配 合，过渡装气筒上装设有安全阀。使用时，在安全阀上设定轮胎的最大充气量， 翻开并脚 踩踏板，前后扳动手柄，当安全阀排气时，即完成充气。 2.3 课题设计要求 (1).最大锁紧力：15000N；(2).下行速度：20mm/sec；(3).最大工作压力： 1Mpa；(4).总体尺寸：800X600X2000mm。 27 第 3 章 快速轮胎充气机工作机构设计 快速轮胎充气机的工作机构主要是通过液压缸来进行实现的。 3.1 液压缸的主要主要参数 课题的主要技术要求： (1).最大锁紧力： 15000N； (2).下行速度： 20mm/sec； (3).最大工作压力： 1Mpa； (4).总体尺寸：800X600X2000mm。 快进时采用差动联接，并取无杆腔有效面积 1 A等于有杆腔有效面积 2 A的两 倍，即 21 2AA 。为了防止在滑台突然前冲，在回油路中装有背压阀，初选背压 Papb 5 108。最大工作压力：1Mpa； 初选最大负载工进阶段的负载 F=15000N，按此计算 1 A则 2232 55 1 1 25105 . 2 108 2 1 1010 15000 2 1 cmmm pp F A b (3.4) 液压缸直径 cmcm A D64. 5 2544 1 由 21 2AA 可知活塞杆直径 cmcmDd98. 364. 5707. 0707. 0 按 GB/T2348-1993 将所计算的 D 与 d 值分别圆整到最相近的标准直径， 以便 采用标准的密封装置。圆整后得 cmD3 . 6 cmd5 . 4 按标准直径算出 22222 2 222 1 26.15).543 . 6( 4 )( 4 16.313 . 6 44 cmdDA cmDA 3.2 活塞杆强度计算 活塞杆在稳定工作下，如果仅受轴向拉力或压力载荷时，便可以近似的采用 直杆承受拉、压载荷的简单强度计算公式进行计算， 活塞杆应力 2 4 d P (3.5) 13 或 P d 4 (3.6) 式中P活塞杆所受的轴向载荷 d活塞杆直径 活塞杆制造材料的许用应力 根据以上公式可知 液压缸 3 2 6 2 10.5513 .54 4 4.13 100 . 1 4 d P 可见，活塞杆的强度均满足要求。 3.3 液压缸活塞的推力及拉力计算 液压油作用在液压缸活塞上的作用力 P，对于一般单边活塞杆液压缸来说， 当活塞杆前进时的推力： 1 2 11 4 p D pAP (3.7) 当活塞杆后退时的拉力： 1 22 22 - 4 pdDpAP）（ (3.8) 当活塞杆差动前进时（即活塞的两侧同时进压力相同的压力油）的推力： 1 2 213 4 -p d pAAP ）（ (3.9) 式中 D活塞直径（即液压缸内径）cm d活塞杆直径 cm 1 p-液压缸的工作压力 当活塞杆前进时的推力： Np D pAP 86 2 1 2 11 104.52104 4 94.13 4 当活塞杆后退时的拉力： NpdDpAP 86 22 1 22 22 10.31104 4 6.3-94.13 - 4 ）（ ）（ 当活塞杆差动前进时（即活塞的两侧同时进压力相同的压力油）的推力： Np d pAAP 86 2 1 2 213 105.21104 4 .364.13 4 - ）（ 液压缸活塞的推力及拉力可以直接从附录中的有关计算中查出； 大部分也可 14 以从机械设计手册表 11-133 中直接读出。 表11-133为活塞杆直径d采用速度比计算得出， 不同液压缸直径D和压力 1 p 下液压缸活塞上的推力 1 P及拉力 2 P数值。 图 3.1 液压缸活塞的受力 3.4 活塞杆最大容许行程 根据机械设计手册表 11-141 和表 11-142 即可以概略的求出液压缸的最 大容许行程。 两个液压缸均采用如图固定自由模式进行安装。 图 3.2 安装型式简图 根据长度公式 P d l 2 205 (3.12) ClS- (3.13) 可知切断液压缸活塞杆计算长度 l 和实际行程 S 分别为 P d l 2 205 = 8 2 1010 90205 =52.54cm ClS-=52.54-6=46.5cm 15 液压缸活塞杆计算长度 l 和实际行程 S 分别为 P d l 2 205 =cm8.772 10125 63205 6 2 ClS- =72.78-5.5=67.28cm 3.5 液压缸内径及壁厚的确定 3.5.1 液压缸内径计算 当 P 和 p 已知，则液压缸内径 D 可按公式得： p P D 4 (3.14) 式中 P活塞杆上的总作用力，N p液压油的工作压力，KN 液压缸的内径为 63mm。 3.5.2 液压缸壁厚计算 一般，低压系统用的液压缸都是薄壁缸，薄壁可用下式计算： cm pD 2 (3.15) 式中，缸壁厚度，m p液压缸内工作压力，Pa 刚体材料的许用应力 D液压缸内径，cm 当额定压力 Pn16MPA 时，Pp=Pn 150/100 当额定压力 Pn16MPA 时，Pp=Pn 125/100 n b (3.16) b 缸体材料的抗拉强度，Pa n安全系数，一般可取 n=5 应当注意，当计算出的液压缸壁较薄时，要按结构需要适当加厚。 因此，根据上述公式可得， 切断液压缸 .88 5 44 n b 16 mm pD 18 8 . 82 .5121016 2 6 液压缸 .88 5 44 n b mm pD 15 8 . 82 91016 2 6 故切断液压缸的壁厚为 18mm，液压缸的壁厚为 15mm。 关于液压缸的安全系数，在设计液压缸时通常取 n=5。但是这在比较平稳的 工作条件下，强度有些余量；相反，假如工作条件为动载荷或冲击压力超过超耐 压力时， 有时会出现危险状态。 因此合理的安全系数， 应根据实际使用条件选取。 3.6 液压缸筒与缸底的连接计算 缸体法兰连接螺栓计算 缸体与端部用法兰连接或拉杆连接时，螺栓或拉杆的强度计算如下： 图 3.3 缸体联接 螺纹处的拉应力 Zd KP 2 1 4 (3.17) 螺纹处的剪应力 47. 0 2 . 0 3 1 01 Zd kPdk (3.18) 合成应力 3 . 13 22 n (3.19) 式中 Z螺栓或拉杆的数量 s 材料为 45 钢时， s =30 17 3.7 缸体结构材料设计 3.7.1 缸体端部连接结构 采用简单的焊接形式，其特点：结构简单，尺寸小，重量轻，使用广泛。缸 体焊接后可能变形，且内径不易加工。所以在加工时应小心注意。主要用于活塞 式液压缸。 3.7.2 缸体材料 液压缸缸体的常用材料为 20、35、45 号无缝钢管。因 20 号钢的机械性能略 低，且不能调质，应用较少。当缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需要焊接 时，则应采用焊接性能比较号的 35 号钢，粗加工后调质。一般情况下，均采用 45 号钢，并应调质到 241285HB。 缸体毛坯可采用锻钢，铸铁或铸铁件。铸刚可采用 ZG35B 等材料，铸铁可 采用 HT200HT350 之间的几个牌号或球墨铸铁。 特殊情况可采用铝合金等材料。 3.7.3 缸体技术条件 a. 缸体内径采用 H8、H9 配合。表面粗糙度：当活塞采用橡胶密封圈时， Ra 为 0.10.4m，当活塞用活塞环密封时，Ra 为 0.20.4m。且均需衍磨。 b. 热处理：调质，硬度 HB241285。 c. 缸体内径 D 的圆度公差值可按 9、10 或 11 级精度选取，圆柱度公差值应 按 8 级精度选取。 d. 缸体端面 T 的垂直度公差可按 7 级精度选取。 e. 当缸体与缸头采用螺纹联接时，螺纹应取为 6 级精度的公制螺纹。 f. 当缸体带有耳环或销轴时， 孔径或轴径的中心线对缸体内孔轴线的垂直公 差值应按 9 级精度选取。 g. 为了防止腐蚀和提高寿命，缸体内表面应镀以厚度为 3040m的铬层， 镀后进行衍磨或抛光。 3.8 活塞结构材料设计 3.8.1 活塞与活塞杆的联接型式 表 3.1 活塞与活塞杆的联接型式 联接方式 备注说明 18 整体联接 用于工作压力较大而 活塞直径又较小的情况 螺纹联接 常用的联接方式 半环联接 用于工作压力、机械振 动较大的情况下 这里采用螺纹联接。 3.8.2 活塞的密封 活塞与缸体的密封结构， 随工作压力、 环境温度、 介质等条件的不同而不同。 常用的密封结构见下表 表 3.2 常用的密封结构 密封形式 备注说明 间隙密封 用于低压系统中的液压缸活塞的密封 活塞环密封 适用于温度变化范围大，要求摩擦力 小、寿命长的活塞密封 O 型密封圈密封 密封性能好，摩擦系数小；安装空 间小，广泛用于固定密封和运动密封 Y 型密封圈密封 用在 20MPa 下、往复运动速度较 高的液压缸密封 结合本设计所需要求，采用 O 型密封圈密封比较合适。 3.8.3 活塞的材料 液压缸常用的活塞材料为耐磨铸铁、灰铸铁（HT300、HT350） 、钢及铝合 金等，这里采用 45 号钢。 3.8.4 活塞的技术要求 a. 活塞外径 D 对内孔 1 d的径向跳动公差值，按 7、8 级精度选取。 b. 端面 T 对内孔 1 d轴线的垂直度公差值，应按 7 级精度选取。 c. 外径 D 的圆柱度公差值，按 9、10 或 11 级精度选取。 19 图 3.3 活塞 3.9 活塞杆结构材料设计 3.9.1 端部结构 活塞杆的端部结构分为外螺纹、内螺纹、单耳环、双耳环、球头、柱销等多 种形式。根据本设计的结构，为了便于拆卸维护，可选用内螺纹结构。 3.9.2 端部尺寸 如图，为内螺纹联接简图。查表 11-148，按照本设计要求，选用直径螺距 -螺纹长=33 245KKtA 。 图 3.2 螺纹联接简图 3.9.3 活塞杆结构 活塞杆有实心和空心两种，如下图。实心活塞杆的材料为 35、45 号钢；空 心活塞杆材料为 35、45 号无缝钢管。本设计采用实心活塞杆，选用 45 号钢。 图 3.3 空心活塞杆 图 3.4 实心活塞杆 3.9.4 活塞杆的技术要求 a. 活塞杆的热处理：粗加工后调质到硬度为 HB229285，必要时，再经过 高频淬火，硬度达 HRC4555。在这里只需调质到 HB230 即可。 20 b. 活塞杆的圆度公差值，按 911 级精度选取。这里取 10 级精度。 c. 活塞杆的圆柱度公差值，应按 8 级精度选取。 d. 活塞杆的径向跳动公差值，应为 0.01mm。 e. 端面 T 的垂直度公差值，则应按 7 级精度选取。 f. 活塞杆上的螺纹，一般应按 6 级精度加工（如载荷较小，机械振动也较小 时，允许按 7 级或 8 级精度制造） 。 g. 活塞杆上工作表面的粗糙度为 Ra0.63m, 为了防止腐蚀和提高寿命，表 面应镀以厚度约为 40m的铬层，镀后进行衍磨或抛光。 3.10 活塞杆的导向、密封和防尘 3.10.1 导向套 a. 导向套的导向方式、结构导向套的导向方式、结构 表 3.3 导向套的导向方式 导向方式 备注说明 缸盖导向 减少零件数量，装配简单，磨损相对 较快 管通导套 可利用压力油润滑导向套，并使其处 于密封状态 可拆导向套 容易拆卸，便于维修。适用于工作条 件恶劣、经常更换导向套的场合 球面导向套 导向套自动调整位置，磨损比较均匀 本设计采用缸盖导向。 b. 导向套材料导向套材料 导向套的常用材料为铸造青铜或耐磨铸铁。 由于选用的是和缸盖一体的导向 套，所以材料和缸盖也是相同的，都选用耐磨铸铁。 c. 导向套的技术要求导向套的技术要求 导向套的内径配合一般取为 H8/f9，其表面粗糙度则为 Ra0.631.25m。 3.10.2 活塞杆的密封与防尘 这里仍采用 O 型密封圈，材料选择薄钢片组合防尘圈，防尘圈与活塞杆的 配合可按 H9/f9 选取。薄钢片厚度为 0.5mm。 21 3.11 缸盖的材料 液压缸的缸盖可选用 35、45 号锻钢或 ZG35、ZG45 铸钢或 HT200、HT300、 HT350 铸铁等材料。在这里选择 ZG45 铸钢。缸盖按 9、10 或 11 级精度选取。 3.12 自动定心装置 气动带动滑动体，然后带动平行四边形连杆体，气缸上升或下降，实现平行 22 四边形连杆体松开或拧紧。 24 第 4 章 快速轮胎充气机机架的设计 4.1 机架的基本尺寸的确定 机架是支撑及其所有附件的可移动机构。 要保证拆装方便、 安全； 重量要轻， 便于移动；架子要有足够的空间安装。而且每个总成之间要考虑它们之间的协调 关系。考虑到这些方面的因素后要确定的一些尺寸根据这些数据，大概确定架子 的长高。这样架子的地面的结构就确定了。支撑的部件是支撑板，支撑板固定在 支承轴上，支承轴安装在机架上。 为了使机架能够方便移动，须在架子上装轮子，因此在架子的 4 个侧面通过 螺栓各连接两个轮子， 使得架子和轮子连接牢固。 靠近转盘这端安装有锁止装置， 使得架子在任何位置都能停止固定。 4.2 架子材料的选择确定 架子的结构确定后，就需要准备材料，买材料时要考虑钢材的性能，同时也 要考虑成本，再者还要考虑到其美观，通过到市场调查分析后，台架选用 60 60 的方钢和 5050 的角钢组合制作。其规格如表一所示。 受力比较小的底架就用 50 的角钢制作， 其他的受力大的转架就用 60 的 方钢制作。在转架与支撑板的固定处需要用轴连接。 表 5-1 钢材的尺寸 规格 60 60 50 50 横截面图 长度 500 567 材料 Q235 Q235 5.3 主要梁的强度校核 估算支撑的质量为 25 （250N） ，考虑到一些外在压力，按照重量为 600N 进行校核。支承轴 160 ，查机械工程材料 P105 页表 5-2 得，Q235 钢材的屈服 24 强度 b =375460MPa，取 b=375 MP a 解：和轴一样建立如图所示的坐标系。 以轴心为 x 轴，垂直上平面的直线为 y 轴，一端点为圆点建立如图 6.1 所示 的平面直角坐标系。 因为：FRD =600N ，把 RDE 从 D 点移到 E 后的受力情况如图 6.1 所示。 图 5.1 得到一个 F 和一个力矩 M=FabLbe=6000.300NM=180 Nm 计算轴的集惯性矩 Ip和抗弯截面系数 Wz，因为材料和轴的是一样的， 所以 b=375 MP a , Ip=y 2dA =10.16cm4; W= I p/y max=6773.688410-6m3 所以 max= M max / W=180/（6773.6910-6）P a=0.26MP a 也设安全系数：K=5 故：K max=50.26MP a=1.5 MP a b=375 MP a 因此：也可以做出结论转架在安全系数为 5 的情况下也是安全的。 所以可以进行制作。解：以轴心为 x 轴，垂直上平面的直线为 y 轴，一端点 为圆点建立如图 2.2.1 所示的平面直角坐标系。轴的受力分析。轴的轴心受力简 图如图 2.2.1-b 所示。通过受力图可以明显看出轴的最大弯矩是在 BE 点之间。 把 F 从 C 点移到 B 后的受力情况如图 2.2.1- b 所示。 得到一个 F 和一个力矩 M=FLbe=6000.3NM=180 Nm 因为：Fba+Fde=2F=1200N 25 由于轴的受力完全对称，故 Fba=Fde=F=600N B 点和 F 点的弯矩为：MB=WF=FbaLde+M=6000.01+180 Nm=601.8Nm 受力情况如图 2.2.1 所示. 计算轴的极惯性矩 Ip 和抗弯截面系数 Wz 因为材料和轴的是一样的，所以 b=375 MP a , Ip=y 2dA =10.16cm4; W= I p/y max=6773.688410-6m3 所以 max= M max / W=305/（6773.6910-6）P a=0.45MP a 也设安全系数：K=5 故：K max=50.45 MP a=2.25 MP a b=375 MP a 因此：也可以做出结论转架在安全系数为 5 的情况下也是安全的。 所以可以进行制作。 24 第 5 章 快速轮胎充气机电路控制设计 5.1 系统分析与设计 总体设计思路 1：首先由压力传感器将检测到的车轮胎内部的当前气压参 数， 传输到模/数转换器 ADC0832 的一路模拟信号通道，转换出八路数字信号传 给单片机 AT89S52，接着单片机把计算气压值送给 LCD1602 并让它显示当前气压 值。 然后键盘输入我们需要的气压值， 经单片机 AT89S52 键盘扫描程序读出键值， 并在 LCD1602 上显示出来， 接着通过控制核心(单片机)比较当前气压值与输入的 气压值：如果输入值大于当前气压值时，通过单片机发出一个控制命令驱动电机 工作，开始充气，在充气的同时继续对气压进行采样，当两个值相等时，中断驱 动电路，停止充气；而如果当前气压值大于输入值时，单片机发送控制命令到电 磁阀驱动器，开通电磁阀，放气开始，与此同时仍然进行气压采样，当两值相等 时，电磁阀断开，停止放气。在夜间，特别是在有车辆行驶的路边加气时，我们 有照明灯和警示灯，通过特殊功能键可使照明灯发光工作或警示灯发出警示信 号，给使用者的操作带来方便，避免发生交通事故。 5.2 总体设计流程 本设计以AT89S52单片机为核心，对所有的数据进行处理。将扫描到的键盘 输入值在LCD1602上显示， 并运用ADC0832对气压传感器采集到的模拟数据进行模 数转换，并将转换后的数据传送给单片机进行处理。同时用LCD1602来显示外部 采集到的气压值。如果检测到的气压值小于设定的气压值，则单片机控制充气工 作，若检测到的气压值大于设定的气压值，则TLV5616对单片机处理好的数据进 行数模转换再将转换好的模拟信号传送给电磁阀，电磁阀随着放气的进行，电磁 阀的阀门慢慢变小，放气的速度也随着减慢，这样可以减小误差。系统的总流程 图如图2-1所示 27 图 2-1 总体流程图 5.3 单片机控制模块的设计 方案一：采用AT89S52 8位单片机 AT89S52 3是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片 内含 8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 256bytes 的随机 存取数据存储器（RAM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生 产，与标准 MCS51 指令系统及 8052 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理 器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大 AT89S52 单片机适合于许多较为复杂控 制应用场合。 AT89S52 有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 比较 相等 初 始 电 流 采 样 （压力传感 AD转 单片机 LCD 显 键盘扫描 驱动电机 充气 电磁阀 放气 停止电机 相等 大于 小于 是 是 否 否 28 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，2 个读写口 线，AT89S52 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处 理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地 降低开发成本。 AT89S52主要功能特性： 1、兼容MCS51指令系统 2、8k可反复擦写(1000次)Flash ROM 3、32个双向I/O口等。 此单片机是小型电子产品普遍采用的微控芯片，性价比高。在控制领域应用 也比较普遍。 方案二：采用高档高位机凌阳的61单片机 凌阳的16位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的CPU内核采用凌阳最 新推出的 nSP（Microcontroller and Signal Processor）16位微处理器芯 片（以下简称 nSP）。围绕 nSP所形成的16位 nSP系列单片机（以 下简称 nSP家族）采用的是模块式集成结构，它以 nSP内核为中心集成 不同规模的ROM、RAM和功能丰富的各种外设接口部件。 具有以下等性能 ： 16位 nSP微处理器； 工作电压(CPU) VDD为2.43.6V (I/O) VDDH为2.45.5V CPU时钟：0.32MHz49.152MHz ； 内置2K字SRAM；内置32K FLASH； 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数 据； 32位通用可编程输入/输出端口； 7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器； 此类单片机功能更强，但是价格比较昂贵。 综合本设计所要实现的各部分功能！仅需一片AT89S52单片机就可以满足设 计的需要，因此采用AT89S52作为主控芯片。 为了使电路更加紧凑，外部引线更加少，需合理设计整个系统的原理图 2， 以便硬件规划与设计。硬件总电路图如图3-1所示 29 C3 30p C4 30pf Y0 12MHZ R4 10K P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST 9 P3.0 10 P3.1 11 P3.2 12 P3.3 13 P3.4 14 P3.5 15 P3.6 16 P3.7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P2.0 21 P2.1 22 P2.2 23 P2.3 24 P2.4 25 P2.5 26 P2.6 27 P2.7 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P0.7 32 P0.6 33 P0.5 34 P0.4 35 P0.3 36 P0.2 37 P0.1 38 P0.0 39 VCC 40 U3 AT89S52 +5V +5V CH0 2 CH1 3 CS 1 CLK 7 DI 5 VREF 8 DO 6 GND 4 U2 ADC0832 +5v R2 10 +5v +5v DIN 1 SCLK 2 CS 3 FS 4 AGND 5 REFIN 6 OUT 7 VDD 8 TLV5616 * +5V 1 1 2 2 C1 104 1 1 2 2 C2 22u 1 1 2 2 S0 SW-PB R1 10K 1 2 3 4 5 6 7 8 910 11 12 13 14 15 16 J4 1602 1 2 3 4 5 6 7 8 9 J1 CON9 C5 CAPACITOR 1 2 3 J2 压力传感器 R3 10K R6 RES2 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 K1 RELAY-DPDT 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 K2 RELAY-DPDT Q1 9013 Q2 9013 +5v 100 * RES2 1 2 J5 灯 10k RES2 A 1 K 2 D1 DIODE R9 50 1 2 J6 电机 1 2 3 4 J7 CON4 Vin 1 GND 2 Vout 3 U1 LM2940 C6220u C7 104 1 2 3 J9 CON3 1 J10 CON1 1 A 2 K D2 LED R10 1k 1 2 3 4 5 6 7 8 J0 CON8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 8*10k CON9 K3 XIAOJIDIANQI Vin 1 GND 2 Vout 3 U1 7805 C6220u C7 104 5K RES2 9013 NPN 30 * RES2 5V 1 2 J0 电磁阀 1a 1 1b 2 2a 3 2b 4 3a 5 3b 6 GND 7 4a 8 4b 9 5a 10 5b 11 6a 12 6b 13 VCC 14 Q? 74ls04 1 J? CON1 D? LED D? LED R? RES2 R? RES2 图3-1 硬件总体布局 整个系统的控制核心是AT89S52，因此对单片机的资源要合理分配与利用。 单片机的IO口资源分配。 表3-1 IO口分配 键盘控制模块 P0.0-P0.7 设置比较的气压值 气压采集模块 P2.4-P2.7 通过ADC0832采集气压 电机模块(充气) P3.3 控制电机的转动 电磁阀（放气） P2.1-P2.3 通过TLV5616控制电磁阀 LCD模块 P1.0-P1.7 LCD数据 P3.0-P3.2 LCD控制信号 照明灯控制 P3.4 控制灯的亮灭 在自动充气机中的各个部分，并不是每一个部分都用到了单片机的控制。由 于本文研究的是单片机在自动充气机中应用，因此，对于没有用到单片机的部分 就不做过多的阐述，主要针对有用到单片机的重要部分做详细地阐述。在自动充 气机中的气压检测及模数转换模块、显示模块、键盘输入模块和照明报警模块都 30 是由单片机来控制，下面将对这四个模块的设计做详细介绍。 5.4 气压检测及 A/D、D/A 模块的设计 5.4.1 气压检测 通过压力传感器检测轮胎当前的气压参数并经由 ADC0832 传给单片机， 由单 片机给 LCD1602 送数据，让其显示当前的轮胎气压值。 5.4.2 方案选择 方案一：采用ADC0809 8路8位AD转换器，即分辨率8位，采样频率，数据并行传输，可对8路信号 进行分时采样。多用于对多路信号进行采样的设计中。软件编程比较简单， ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，因此对它的硬件接线比较麻烦， 同时也会加大硬件设计难度。 方案二：采用ADC0832 ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的 模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入 在05V之间。8位2路AD转换器即8位分辨率、采样频率、数据串行传输。此转换 器一般用于对少数信号进行采样的电路中。外部只有8个引脚，连线简单方便， 但是相对而言软件编程稍微复杂一点。 方案三：采用TLV5616 12位转换器。 TLV5616是一个12位电压输出数模转换器（DAC） ，带有灵活的4线串行接口， 可以无缝连接TMS320、SPI、QSPI和Microwire串行口。数字电源和模拟电源分别 供电，电压范围2.75.5V。输出缓冲是2倍增益rail-to-rail输出放大器，输出 放大器是AB类以提高稳定性和减少建立时间。 rail-to-rail输出和关电方式非常 适宜单电源、电池供电应用。通过控制字可以优化建立时间和功耗比。精度高， 数据是串行传输的。只有8个引脚便于接线，软件编程简单。 方案四：采用DAC0832 8位转换器。 DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器， 使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的 需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。数据是进行并行传输，是以电流 31 的形式输出。有14个引脚，硬件连线较烦。软件编程简单。但是使用它并需外加 外部转换电路将电流转换成电压。 从软件和硬件制作的角度考虑，采用8引脚的ADC0832对采集到的气压值进行 AD转化。采用TLV5616对数据进行DA转化。 5.4.3 电路设计与分析 ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种 8 位分辨率、双通道 A/D 转换 芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，目 前已经有很高的普及率。 学习并使用 ADC083 可以使我们了解 A/D 转换器的原理， 有助于我们对单片机技术水平的提高。 1、ADC0832 具有以下 5 个特点： 8 位分辨率； 双通道 A/D 转换； 输入输出电平与 TTL/CMOS 相兼容； 5V 电源供电时输入电压在 05V 之间； 工作频率为 250KHZ，转换时间为 32 S； 其引脚电路图如图 4-1 所示 图 4-1 ADC0832 引脚图 芯片转换时间仅为32 S，具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误 差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控 制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易地实现通道功能的选择。 正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、 DI（如图4-1）。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效且与单片机的接口是 双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。 当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片处于禁用状态，CLK 32 和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保 持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟 输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在 第1个时钟脉冲的下降沿之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉 冲下降沿之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。当此2位数据为“1”、 “0”时，只对CH0进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行 单通道转换。当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负 输入端IN-进行输入。 当2位数据为“0”、 “1”时， 将CH0作为负输入端IN-， CH1 作为正输入端IN+进行输入。 到第3个脉冲