汽车传动系冲击性能实验台控制系统设计.doc

学士论文摘 要汽车传动系作为汽车动力传动系统中的关键部件，主要由发动机、离合器、变速器、传动轴和驱动桥组成。为确保汽车的安全行驶，必须对汽车传动系零部件的冲击性能指标进行全面检测。汽车传动系冲击性能实验台的意义，在于全面、准确地测试传动系总成零件的耐冲击性及其相关特性，为驾驶员安全提供保障，为生产厂家提高产品质量。实验中首先对汽车传动系的载荷进行分析，确定影响汽车传动系扭转冲击载荷的主要因素，结合突然接合离合器起步和不分离离合器紧急制动两个典型工况分析传动系冲击载荷情况。通过对实验台模拟的典型工况及传动系的结构分析，确定实验台机械结构，并设计实验台控制系统。实验台的控制与监测系统采用PC+数据采集卡+PLC联合控制方式。PC作为上位机，PLC作为下位机，实现了系统的动作控制、监控和数据处理。通过分析实验台控制系统的各组成环节，建立了控制系统的数学模型并进行了性能分析。将模糊控制与PID控制结合起来，提出了一种基于模糊参数自整定PID控制算法。仿真分析表明，设计的方法相对于传统PID法响应速度快，稳态精度和跟随精度高，有较好的鲁棒性。基于LabVIEW技术，设计了双闭环汽车传动系冲击性能检测系统，实现了系统的数据采集、数据处理、数据库管理等功能。实验结果表明，控制与检测系统的各项性能指标达到了设计要求。关键词：传动系；冲击性能实验台；控制系统；PID控制；LabVIEWAbstractAutomobile power train is the important component of automobile dynamic transmission automobile power-transmission system，including engine、clutch、transmission、transmission shaft and drive axle. In order to ensure the security of automobile driving, it is important to test the impacting durability performance index of automobile power train components. The automobile power train impacting performance test rig durability test rig is the test equipment to test power train performance, which can comprehensively and exactly test the impacting performance and relative characteristic of power train components，which provide security for the driverand improve product quality for manufacturers. In order to stimulate real running conditions of automobile power train, Firstly the load characteristic of auto power train is analyzed. Confirming major factors effected impacting torque of automobile power train are running conditions of sudden jointing clutch start and no separating clutch emergency brake.Through the test-bed to simulate the working conditions and the of power train structure analysis, to determine the mechanical structure of the principle, and test control system components required to control workpiece.The controlling and testing system control the test rig by personal computer allying with data collection board and program logical controller. PC is as host computer, and PLC is as slave system. It has achieved the action controlling, monitoring and data dealing.Through analyzing all parts of test rig controlling system, mathematical models of controlling system are built. Based on PID controlling cant satisfy the request of controlling, in order to adapt test rig inertia quality system and test environment changes, a new algorithm based on a parameter self-adjusting fuzzy PID is provided. The results of simulating are proved that the new algorithm has quickly speed response, high steady-state accuracy and high track accuracy to traditional PID method. It has good robust to model parameter changing.The software of the system of test rig is built on the base of LabVIEW. The data is collected and analyzed by the software. It finished the data collecting and dealing. And the man-machine was built. The result is proved that the performance index of controlling system achieves to test rig designing demand.Key word: Power train；Impact properties test rig；Control System； PID control； LabVIEW目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1开发汽车传动系冲击性能实验台的重要意义11.2国内外汽车传动系冲击性能实验台的开发现状及技术水平11.2.1国内的研究现状21.2.2 国外的研究现状21.3 本论文的主要设计内容21.4 技术指标22汽车传动系冲击性能实验台的工作原理及总体设计42.1实验台基本结构原理42.2实验台的总体设计42.2.1设计过程中需要解决的问题42.2.2实验台机械结构部分整体设计42.2.3实验台控制系统部分的整体设计53实验台机械结构部分的设计63.1实验台实验过程63.2实验台机械部分使用要求63.3实验台机械结构部分的设计63.3.1实验台机械结构部分方案确定及组成73.3.2动力部分73.3.3惯性飞轮组部分93.3.4扭矩传感器部分113.3.5联轴器部分113.3.6驱动桥支撑和调整结构114汽车传动系冲击性能实验台控制系统设计134.1实验台过程分析134.2实验台控制系统的机构及其功能134.3实验台在两种工况下的控制系统过程分析144.3.1突然接合离合器工况的控制过程分析144.3.2紧急制动工况下控制过程分析154.4可编程控制的概述154.4.1可编程控制器的产生与发展154.4.2可编程控制器的定义174.4.3可编程控制器的特点174.4.4可编程控制器的应用184.4.5可编程控制器的组成184.5实验台控制系统主要硬件的选取204.5.1直流调速系统的选择204.5.2 PLC选取及其开关量控制204.5.3 工业控制计算（PC）的选择214.5.4 数据采集卡214.5.5 传感器224.5.6 系统软件225实验台测控系统建模及性能分析245.1 实验台控制系统建模245.1.1直流电动机与惯性飞轮组系统245.1.2 可控硅整流装置285.1.3速度控制器和电流控制器建模295.1.4电流、转速PID双闭环控制系统的动态性能指标分析345.2电流控制器、转速控制器系统在Simulink环境下性能仿真分析366系统软件设计及实验验证406.1 LabVIEW简介406.2软件开发体系与结构406.3 操作系统的人机界面456.4实验结果47结 论49致 谢50参考文献51511 绪 论传动系作为汽车的动力系统中的一个关键部件，将电动机发出的动力传递给车轮，从而使汽车启动行驶。在驱动的过程中，高速旋转的发动机突然接合离合器起步及突发的紧急制动等工况，都会对传动系产生很大的冲击扭矩，对其中部件产生巨大影响。另一方面，现代汽车技术的成熟带动传动系的结构变得日益复杂，对传动系的冲击性能也有了越来越高的要求。所以，研发出高精度、自动化程度高的汽车传动系冲击性能实验台具有广阔的应用前景。1.1开发汽车传动系冲击性能实验台的重要意义汽车传动系是将发动机所发出的动力传递到驱动车轮的装置。传动系具有减速、变速、倒车、中断动力、轮间差速和轴间差速等功能，与发动机配合工作，能保证汽车在各种工况条件下的正常行驶，并具有良好的动力性和经济性。但在实际应用中因为传动系质量不过关而导致的故障时有发生，比如半轴、驱动桥断裂等。这就为汽车的安全行驶带来了很多隐患，而汽车传动系冲击性能实验台就可对这些易于发生损坏的零部件进行检测，并研究其可靠性。开发汽车传动系冲击性能实验台，可以在室内专门进行汽车传动系冲击性能的实验，通过实验分析考察大的冲击扭矩对传动系零部件疲劳破坏的“贡献” ，并可以与传动系常规寿命实验相结合，全面地分析汽车传动系上的扭转载荷1。汽车传动系冲击性能实验属于强化实验2。在新产品开发过程中，它可以快速发现传动系的薄弱环节，暴露传动系的早期失效，将实验信息及时地反馈给设计等有关部门，及时更改，减少开发风险，缩短开发周期。根据国外的使用经验，汽车传动系冲击性能实验的时间要比普通寿命实验短得多。通过室内实验台实验，可以对同一型号的不同供应商的传动系、总成或零部件等的冲击性能进行对比，快速地得出实验结果，便于企业做出生产决策。在国内冲击性能实验台的使用也越来越多，但对此项目研究还处于发展阶段，技术水平与国外还有很大的差距。而国外对于我国技术转让存在壁垒，且国外的实验台价格十分昂贵2，所以就急需我们研究出具有自主产权的高水平实验台。1.2国内外汽车传动系冲击性能实验台的开发现状及技术水平随着科技的日益发展，世界经济的全球化，制造业的竞争也越来越激烈。制造业的发展水平也是一个国家工业现代化和国家经济实力的标杆，而汽车行业又最能体现制造业发展水平。因此汽车行业的发展对于国家经济实力提升有很大的作用。而汽车传动系冲击性能实验台式对汽车性能检测中的一个重要组成部分，在国内外许多企业、科研机构、大专院校都对此展开了深入的研究。1.2.1国内的研究现状我国的汽车行业起步比较晚，而且初期发展缓慢，在改革开放之后才进入飞快的发展阶段，大小的汽车企业出现了许多，但真正具有核心自主知识产权的技术很少，随着国内汽车行业的发展，国内汽车检测技术也有了很大的发展，在传动系零部件检测方面，国内许多大学和企业也相继研制出了一些列离合器测试机，技术领先的单位主要由：重庆大学，东南大学，长春中联离合器实验设备研究所，黄石优福利自动化装备有限责任公司等。在汽车传动系冲击耐久性能检测方面，查阅的资料表明，国内对于大的冲击扭矩载荷在汽车传动系冲击耐久性能检测方面研究很少，没有看到有关开发雷斯是烟台的信息，汽车传动系冲击性能实验台的开发还是空白。1.2.2 国外的研究现状世界上一些发达国家的工业相当发达，汽车产业也相对的发达和成熟，一个重要原因就是拥有相当先进的产品检测手段及控制手段。如日本的AUTOMAX公司曾为日产柴开发过该类型的实验台，美国福特车桥实验方法包含汽车传动系冲击耐久实验项目，该实验台已经是常用设备。在这些发达国家实验台应用已经很普遍，技术水平也相对成熟。而且检测精度也相对较高。1.3 本论文的主要设计内容论文课题需要解决的核心技术问题是：如何解决模拟汽车传动系的实际工况，开发高精度、高可靠性、高效的传动系冲击性能实验台控制系统设计。为此，本文在如下几个方面进行研究：（1） 对论文课题的工程背景和国内汽车传动系冲击性能测试设备的研究现状及发展趋势进行资料收集和深入研究，确定论文课题的主要设计工作；（2） 对汽车传动系实验台原理的陈诉及实验台机械系统和控制系统的初步设计；（3） 考虑实验台适应不同型号的轻、中、重型汽车传动系的需要，设计实验台的台架及机械传动部分，实现对典型工况的模拟。减化、优化实验方法，提高了实验台的检测效率，为高精度、高可靠性、高效的实验台控制与检测系统的开发打下了基础；（4） 实验台控制与检测系统的方案设计；（5） 通过分析实验台控制系统各构成环节，建立了系统的数学模型，对系统进行控制性能仿真分析，研究系统控制存在的主要问题；（6） 汽车传动系冲击性能实验台的软件设计与实验验证。1.4 技术指标实验台要能够模拟突然接合离合器起步工况和不分离离合器紧急制动工况。还要具有自动和手动两种运行方式。实验台对两种工况可以随意选择，离合器、制动鼓和制动盘等均实现自动控制。实验台在实验过程中具有安全保护和报警功能。主要的技术参数1变速器输入转速控制范围及精度05000rpm；5rpm.。2变速器输入端扭矩范围及精度010000Nm；1%FS。3驱动桥输入端扭矩范围及精度050000Nm；1%FS。4油温测量范围及精度0150；5。2汽车传动系冲击性能实验台的工作原理及总体设计2.1实验台基本结构原理汽车传动系冲击性能实验台的工作原理示意图如图2-1所示，是由代用离合器和代用变速器代替实际的离合器和变速器，由惯性飞轮组模拟所测汽车发动机的转动惯量。这些模拟方式与实际车辆运行方式是有所差异的，所以就需要依靠代用离合器、代用变速器和控制系统适当控制和调整，最后达到理想的模拟状态。1-电机 2-皮带 3-惯性飞轮组 4-扭矩传感器 5-离合器6-变速器 7-传动轴 8-驱动桥 9-支架图2-1 汽车传动系冲击性能实验台的工作原理示意图2.2实验台的总体设计2.2.1设计过程中需要解决的问题1.模拟真实汽车工况起动工况过程，由于不同类型的汽车的起动力矩差别很大，所以在工艺上很难实现；2.智能化测试过程中，拟合曲线的计算及保证实时判别测试结果；3.在检测过程中既要保证检测精度又要缩短检测时间；4.Windows操作系统下的实时检测技术；5.通过分析实验台控制系统各构成环节,建立了系统的数学模型,采用MATLAB对系统进行控制性能仿真分析；6.传感器的选择及传感器安装位置的确定。2.2.2实验台机械结构部分整体设计国内此类实验台大部分为机械封闭式，这种实验台有以下不足之处：机械结构复杂,易引起各种有害震动。仅能做定转速、定扭矩排挡循环实验，实验结果与实际路试有很大差异。其试件必须有一个主试，而另一个陪试。目前，总成实验已经淘汰了这种老式实验台。而此次所要设计的实验台，在检测工件之间，可以任意模拟工况，可施加多种要求的扭矩，具有一定的修正作用，在通过工业控制计算机控制伺服电机带动惯性轮转动，模拟发动机的转速和转动惯量，传递给离合器和变速器，再经过控制系统的控制满足所需要的工况。2.2.3实验台控制系统部分的整体设计实验台控制方案的设计是实验台开发的重要内容，因为它将直接影响实验的精度、结果的可信度以及实验时间和成本。实验台控制方案设计遵循的原则是：合理简化汽车传动系的复杂使用工况，在确保实验精度的同时，降低测控系统的开发成本，具备完善的安全防护功能。实验台的实验过程是制定实验台控制方案的基础，如何在实验台上用尽量简化的办法，模拟汽车传动系的实际使用工况，是实验台控制系统开发过程中需要首先解决的问题。汽车传动系实际使用工况复杂，并存在许多随机因素。例如，在突然接合离合器加速起步工况下，真实驾驶中，驾驶员会在一档和二档或其他档位上经常变换。要在实验台上完全模拟真实情况，会使实验操作和控制过程变得非常繁琐，影响工作效率。控制系统式实验台开发的关键技术之一，实验台的控制方案直接影响实验台的精度。如何在实验台上用尽量简化的方法，模拟与控制汽车传动系扭转冲击耐久实验工况，提出实验台控制系统原理，设计和选取控制系统的主要硬件，分析硬件之间的通讯方式，开发控制系统的软件，直接关系到实验台能够实现预定的控制功能。而且，深入探讨实验台的控制系统开发，不但可以完成预定的实验工况，提高实验结果的可信度，还可以节省实验时间和成本，提高经济效益。3实验台机械结构部分的设计传动系冲击性能实验台是一个涉及到机械及动力传输、控制、计算机编程、通信和数据采集与传输的复杂实验设备，在室内模拟汽车传动系的前述两个冲击下的使用工况。实验台的机械系统式实验台的基础，实验台的动作最终要由机械系统加到被试的汽车传动系。3.1实验台实验过程在此，选择紧急制动工况的实验过程进行简要说明。控制系统发出指令，电动机通电开始工作，由电动机通过带传动，将动力传递到模拟发动机转动惯量和转速的转动惯量部分的惯性轴，惯性轴上安装有惯性盘。实验开始之前，已经根据与被试传动系相匹配的发动机的转动惯量，选择好该次实验惯性盘的转动惯量。当电动机达到预定的转速时，控制系统使电动机断电，2秒钟后，控制系统发出指令给制动处的电磁阀、离合器通电接通制动压缩空气，制动鼓作用，使驱动轮抱死，在惯性飞轮组部分、离合器主动部分及离合器后传动系自身转动惯量的惯性力的作用下，在被试的汽车传动系中产生一个很大的冲击扭矩。安装在离合器前端的扭矩传感器测量出整个扭矩-时间过程信号，特别是捕捉到峰值转矩信号，并将扭矩-时间信号经过处理传递到工控机上，以曲线形式实时地输出实验信号（转速、扭矩等）。3.2实验台机械部分使用要求从上述的实验过程的简单叙述可以看出,实验台机械部分3是实验台的基础需要满足下面的使用要求：（1）模拟与被试传动系相匹配的发动机的转动惯量和转速，并直接作用于被试的汽车底盘传动系，转动惯量应该能够根据实验要求，在实验前进行调节，转速则在每次冲击实验中能够调节；（2）动力部分要提供可靠的动力源，功率要满足实验台开发任务书中的要求，使传动系的转速能够在90秒内达到规定值，转速能根据实验需要进行调节，并有良好的制动控制；（3）变速器和驱动桥在实验的过程中润滑油的温度要与实际车辆运行时相近，不能出现润滑油温度过高，使变速器和驱动桥内的零部件润滑条件变得恶劣，造成零部件的早期损坏，而不能正确反应实际使用中冲击载荷对传动系造成损伤的现象；（4）要适应轻、中、重型车的实验要求，保证实验精度，使实验台平稳可靠运行。3.3实验台机械结构部分的设计3.3.1实验台机械结构部分方案确定及组成经过多个方案分析、论证与设计，最终确定了实验台机械部分的方案，并且绘制出了机械部分的原理图。机械部分如图所示，它由以下六部分组成：（1）动力部分：由电动机1、电动机联轴器2、电动机皮带3和电动机皮带轮4组成；（2）惯性飞轮组部分：由惯性轴的带轮5和惯性轴及惯性盘6组成；（3）扭矩传动器部分：由扭矩传动器8和扭矩传感器的联轴器9组成；（4）联轴器和变速器的支撑结构：由组成联轴器和变速器的支撑机构10、离合器11和变速器12；（5）驱动桥支撑和调节机构：由主减速器外壳支撑和调整机构14和驱动桥支撑机构15组成；（6）底座及旋转件的安全防护装置：由扭矩传感器防护罩7和传动轴及防护罩13组成。除此之外，实验台的机械系统还有一些辅助装置，不再赘述。3.3.2动力部分动力部分4包括：电动机及其调速装置等相关设备、电动机皮带轮、传送带、联轴器、电动机机座及其位置调节装置等。从实验台对动力的要求可以看出，选择直流电动机比较好，因为直流电动机具有大的启动转矩，调速性能好，符合实验台的动力需求。在选择确定直流电动机后，接下来要确定电动机的功率，根据实验台开发任务书中的规定，在90秒内能使实验台的转速达到5000rpm。确定直流电动机的功率和转速的关键在于两个方面：一是实验工况，二是被试汽车传动系的转动惯量及与其相匹配的发动机转动惯量两者之和的大小。实验室的目标转速直接影响电动机功率和转速的选取。同时，实验时变速器处在不同档位时，变速器输出端后转速不同。如果将实验台和被试传动系的转动惯量都换算到电动机转轴上，那么变速器档位越高，换算后的转动惯量就越大，达到同一电动机转速时，对电动机的功率需求就越大。在实验台所模拟的两个工况中，突然接合离合器起步工况，被试的传动系除了离合器主动部分外，被试传动系的其他旋转部分都处于静止状态，显然旋转质量要比紧急制动工况少得多，电动机的输出功率相对也少。图3-1机械系统装配图发动机的转速变化范围很大，就实验台所模拟的两个工况中，发动机原本处于一个高转速范围，根据工程实践，选取电动机的转速为3000rpm。根据以上分析，最后确定使用由西安西玛机电有限公司提供的Z4-160-32他励直流电动机。电机主要参数是：=55KW、=400V、=3010r/m、R=0.0434、=151A、=0.87、=0.88kg、L=1.52。该直流电动机转动惯量小，具有较高的动态性能，并能承受较高的负载变化率。在电动机上还装有测速发动机，用来测量电动机的实时运行速度。与该电机配套使用的直流调速装置，选用siemens 6RA70全数字直流调速装置。该装置具有性能可靠，操作舒适和运行平稳等优点，关于直流调速等控制部分，将在以后章节中详细说明。电动机机座调节是靠两个调整螺栓，螺栓的旋入和旋出可以使电动机在机座上沿着垂直于惯性轴方向来回移动，以调解皮带的张紧力。3.3.3惯性飞轮组部分惯性飞轮组主要包括：惯性轴皮带轮、惯性轴、惯性轴的两个支架、四个惯性盘、惯性盘安装调整机构、四个惯性轴轴承、制动钳盘机构等，如图3-2所示。1-皮带轮 2-轴承盖（2个）3-惯性盘A 4-惯性盘B5-惯性盘C 6-惯性盘D7-制动盘 8-制动盘支架图3-2惯性飞轮组部分的装配图惯性飞轮组主要的功能是模拟发动机的转动惯量，并将动力经由扭矩传感器传递给被试的汽车传动系。由于发动机型号不同，其转动惯量变化较大，为了适应这种变化，在实验台的开发过程中，设计了四个惯性盘：惯性盘A。转动惯量为0.1kgm2；惯性盘B，转动惯量0.2kgm2；惯性盘C转动惯量为0.2kgm2；惯性盘B，转动惯量为0.2kgm2；惯性盘D，转动惯量为0.5kgm2。从图3-2可以看出，惯性盘从左到右按照惯性盘A、惯性盘B、惯性盘C和惯性盘D的顺序排列，惯性盘B与惯性轴上的法兰盘固连在一起，其他三个为可移动的惯性盘，实验前分别通过螺栓安装在惯性轴的支座上。三个可移动的惯性盘A、C、D，通过螺栓可以与惯性盘B连接，从而可以使连接后惯性盘总的转动惯量有：0.2、0.4、0.5、0.7、0.9、1.0六个值（单位:kgm2）从最小值0.2kgm2到最大值1.0kgm2。六个转动惯量间隔也比较均匀，便于在实验时，可以根据与被使汽车传动系相匹配的发动机的转动惯量，进行适当选取。为了安装方便可移动的惯性盘A、C、D，设计了专门的安装调整机构。在A、C、D三个惯性盘的外缘上，开了一个环形槽，使安装调整机构上四个小轮可以讲惯性盘托起，顺利地安装在惯性盘B上。1-惯性盘 2-支撑滚轮（4个） 3-支撑臂（2个） 4-丝杠手轮（3个）图3-3惯性盘的安装调整机构惯性轴的支架固定在实验台的底座上，在设计时充分考虑两个支架要稳定和可靠支持其上高速旋转惯性轴的要求。惯性盘的安装调整机构如图3-3所示。由于实验前A、C、D三个惯性盘都连接在惯性轴的支架上，在确定实验所需要的转动惯量后，为了将惯性盘平稳顺利的与惯性盘B连接，专门设计了这套惯性盘安装调整机构。该机构由一个半圆形结构支持，上面的四个小轮卡在惯性盘的槽内，以稳定地支撑惯性盘沿着惯性轴来回移动。该机构既可以通过转动丝杠一起前后移动，也可以左右移动，托着惯性盘，使操作者可以很容易地将惯性盘固定在惯性盘B或惯性轴支架上。制动盘机构由制动盘、制动钳和制动钳支架组成。制动盘安装在惯性轴的末端，与惯性轴通过键连接，在制动盘两侧，各有一个制动钳，制动钳采用某车型的实车制动钳，安装在制动钳支架上。在一次实验的过程中，运转的实验台系统出现紧急故障时，如转速严重超过目标转速，是实验台的振动传感器测量到振动超过限定值，实验台控制系统就给控制制动钳压缩空气的电磁阀通电，制动钳动作，时高转速的实验台快速停下来，避免发生意外。由于惯性飞轮组在实验的过程经常在高转速下工作，转动惯量很大，为了保证实验台在工作时运转平稳，提高实验台本身的寿命，避免由于惯性飞轮组部分的不平衡质量产生过大的附加力矩，在加工后，要对惯性飞轮组部分做动平衡实验。3.3.4扭矩传感器部分扭矩传感器部分由扭矩传感器及其支架、传感器两端的联轴器组成。扭矩传感器是测量部分的核心，它的两端，都通过联轴器连接，前端与惯性轴相连接，后端与连接轴相连。1-连接轴支架 2-连接轴 3-连接周盖 4-左连接法兰 5-右连接法兰6-变速器支撑架 7-离合器壳连接盘 8-离合器支撑架调整丝杠图3-4连接轴与变速器支撑机构3.3.5联轴器部分图3-4所示是连接轴6和变速器的支撑机构，主要由连接轴、左右连接法兰、变速器支撑架和离合器连接盘组成。连接轴是实验台将动力传递给被试汽车传动系的连接机构。对该部分设计应充分考虑强度的要求。由于各种离合器壳体前段的尺寸不同，前端面与飞轮端面之间的轴向尺寸也不同，在实验台设计时，重点解决这个问题。根据目前最大的离合器壳体数据设计了变速器支撑架的轮廓尺寸、离合器的连接盘尺寸可以根据具体的离合器壳的端面螺栓口的尺寸来确定。连接盘上可以由常见的离合器壳的连接尺寸，做出几组连接螺纹孔。变速器的支撑架可以通过转动丝杠而前后移动，以便使左右法兰连接顺利。3.3.6驱动桥支撑和调整结构如图3-5所示，驱动桥支撑和调整结构主要由后桥两端支架(2个)、后桥中间支架（2个）、主加速器外壳支架及这5个支架的调整丝杠组成。1-后桥两端支架 2-后桥中间支架 3-主加速器外壳箍紧带4-主加速器外壳支架 5-丝杠（5个） 6-底座图3-5驱动桥支撑和调整机构 此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩实验时，实验台会产生很大的冲击力。因此，各支撑架应将驱动桥可靠地固定在底座上。同时，由于不同车型的变速器和驱动桥纵向尺寸不同，所选用的传动轴也有差别，为了保证顺利连接，转动每个支架的丝杠可以使支架前后移动，以弥补在选定传动轴后驱动桥和变速器之间尺寸的不足或过大问题。4汽车传动系冲击性能实验台控制系统设计4.1实验台过程分析实验台的实验过程是实现汽车的两种工况，一类为突然接合离合器工况，表示在坡道起步、加速换挡、在泥泞的道路上满载起步或车轮下陷等情况导致汽车不能用正常方式起步，而在发动机达到很高转速下，突然接合离合器使汽车起步的工况；另一类是紧急制动工况，表示在紧急情况下，驾驶员来不及踏下离合器踏板而进行制动的工况。而在整个实验过程中，控制系统需要对实验台进行全程控制，对实验台器件进行控制，完成一系列模拟工况7的操作。采集传感器的数据，并进行数据传输，传输到工控机上。工控机是整个系统数据处理的中心，可以提供良好的人机界面，输入和储存 被试汽车传动系的测试数据，编写和储存实验的程序加载谱。每次进行实验时，工控机读取程序加载谱，给出每次实验的目标扭矩值。工控机还通过与直流调速系统及PLC间的通信，对实验过程进行实时监控。将实验结果（数据-扭矩传感器的扭矩信号，转速传感器的转速信号等）显示在工控机人机界面上，并将实验结果以曲线形式实时输出。在实验的过程中，当工控机收到振动传感器的振动信号超过限定值时，工控机将信息传输给PLC，PLC控制实验台停止工作，直到排除故障之后继续工作。PLC的主要功能是对实验台进行自动化控制。通过与工控机之间的通信，控制直流调速系统、离合器、鼓式制动鼓和制动盘出的电磁阀，时这些设备按照实验要求实时进行工作。同时，在实验台防护罩接合部位的接触式行程开关没有接触，或者驱动桥和变速器出的油温超过限定值时，就会给PLC一个开关信号，自动地停止实验，直到故障得以解决。实验台共有三个转速传感器，分别安装在实验台的直流电动机前端、离合器的输入端、变速器的输出端。在直流电动机前端的转速传感器是发电式的传感器，是直流调速器、双闭环调速系统的外环中的重要环节。PLC通过控制柜中的继电器等电器，控制直流调速电机、离合器、制动器和制动盘等器件。直流调速器给直流电动机供电，并可以在工控机和PLC的共同控制下实时调节电动机转速。4.2实验台控制系统的机构及其功能蜂鸣器被测件信息转速传感器1转速传感器2扭矩信号振动信号 PC PLC声光警告显示器打印机故障解除开关行程开关油温信号1油温信号2转速传感器直流电机直流调速器控制柜内各用电器对应的继电器离合器电磁阀油泵电机制动盘油泵电机鼓式制动器电磁阀图4-1实验台控制系统的结构原理图如上图4-1所示，工控机（PC）和PLC事控制系统的核心。4.3实验台在两种工况下的控制系统过程分析4.3.1突然接合离合器工况的控制过程分析在突然接合离合器8起步工况，实验开始前，将被试汽车传动系相关信息输入到PC中，如变速器的档位和主减速器传动比、发动机的最大转矩。将这些信息作为输入的主要原因是，传感器测量的只是离合器输入端的扭矩时间历程，变速器处在不同的档位时，输出端扭矩峰值就不同，对变速器后面的传动系影响就不同，同样，主减速器的传动比直接影响半轴上的扭矩峰值。实验过程时，控制系统发出指令，电动机通电开始工作，同时，电动上的转速传感器测量电动机的转速，并将转速信号回馈给直流调速装置。安装在离合器输入端的转速传感器将转速信号传递给计算机，在计算机内经过换算，认定电动机达到目的转速时，计算机控制程序发出对电动机挺值得信号给控制系统，电动机断电，2秒钟后，控制系统发出离合器助力器的控制开启指令，离合器开启电磁阀动作时离合器突然接合，在被试汽车传动系中产生大的冲击扭矩。串联在被试传动系上的扭矩传感器测量整个过程中的扭矩-时间历程，通过采集卡及A/D转换处理，将信号传递给计算机，以曲线形式实时地输出实验数据。实验过程中，实验台的安装控制装置在数据超过限定值时，及时的发出信号，使实验停止。当实验台振动传感器检测到振动超过限定值时，就发出信号，停止下一次冲击实验，变速器和后桥中的油温传感器在监测到油温超过150时，即停止下一次的实验，在终止实验的同时，工控机发出信号给PLC，PLC控制实验台的声光报警系统开关闭合，发出警报，直到故障解决为止。4.3.2紧急制动工况下控制过程分析在紧急制动工况，控制系统发出指令，电动机通电开始工作，由电动机通过带传动，将动力传递到模拟发动机转动惯量和转速的转动惯量部分的惯性轴，惯性轴上安装有惯性盘。实验开始前，已经根据与被试传东西相匹配的发动机转动惯量，选择好该次实验惯性盘的转动惯量。当电动机达到预定的转速时，控制系统使电动机断电，2秒钟后，控制系统发出指令给制动鼓处的电磁阀，电磁阀通电接通制动压缩空气，制动鼓作用，使驱动轮抱死，在惯性飞轮组部分、离合器主动部分及离合器后传动系统自身转动惯量的惯性力的作用下，在被试的汽车传动系中产生一个很大的冲击扭矩。安装在离合器前端得扭矩传感器测量出整个扭矩-时间过程信号，特别是捕捉到峰值转矩信号，并将扭矩-时间信号经过处理到工业控制计算机上，以曲线形式实时地输出实验数据（转速、扭矩等）。4.4可编程控制的概述4.4.1可编程控制器的产生与发展可编程控制器4式为了适应工业控制的需要，在传统控制手段的基础上，借助于数字技术开发出来的。（1） 可编程控制器的产生早期的工业控制中采用的继电器控制系统属于固定界限的逻辑控制系统，控制系统的结构随功能的不同而不同。系统中采用的机械电气式期间本身的不足影响了控制系统的各种性能，无法适应现代工业发展的需要。20世纪60年代，晶体管等悟出点期间的应用促进了控制装置的小型化和可靠性的提高。60年代中期，小型计算机被应用到过程控制领域，大大提高了控制系统的性能，但当时计算机价格昂贵，编程不方便，输入/输出信号与工业现场不兼容，因而没能在工业控制中得到推广和应用。20世纪60年代末期，美国通用公司（Generral Motors Corporation,GM）为了在激烈的市场竞争中战胜了对手，制定出多种、小批量、不断推出新车型来吸引顾客的战略。但原油的控制系统由继电器和接触器等组成，灵活性差，不能满足生产工业不断更新的需要。1968年，GM公司为了改造汽车生产设备的控制方式，要求采用新型的控制装置取代传统的继电器控制装置，提出了以下10条招标的技术指标： 简单方便，可在现场修改程序； 硬件维护简单，采用模块化设计； 可靠性要高于继电器控制系统； 体积小于继电器控制系统； 可将数据直接送入管理计算机； 成本可与继电器控制系统竞争； 输入可以是交流115V； 输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀和接触器等； 在进行扩展中，原有的系统只需要很小的改动； 用户程序储存器的容量至少可扩展到4KB。1969年，美国的数字设备公司（Digital Equipment Corporation,DEC）开发出世界上第一台能满足上述要求的样机，并在GM公司的汽车装配线上获得成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、使用灵活、体积小、寿命长等一系列有点很快就推广应用到食品、饮料、冶金、造纸等其他工业领域。随后德国、日本等国相继引进这一技术，迅速在工业控制中得到了广泛的应用。我国从1974年开始研制，1977年开始应用于工业领域。（2） 可编程控制器的发展过程、虽然PLC的应用时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模和超大规模集成电路技术的迅速发展和数据通信技术的不断发展，PLC的发展也极为迅速。其发展过程大致分为三个阶段： 第三代PLC（20世纪60年代末70年代中期）早期的PLC作为继电器控制系统的替代物，其主要功能只是执行原先继电器完成的顺序控制和定时控制等任务。 第二代PLC(2O世纪70年代中期80年代后期)20世纪70年代，微处理器的出现使PLC发生了巨大的变化。各个PLC制造 商先后采用微处理器作为PLC的中央处理器（Central Processing Unit,CPU）,使PLC的功能大大增强。 可编程控制器的发展方向（20世纪80年代后期至今）20世纪80年代后期，随着大规模和超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的价格大幅度下降，各种PLC采用的微处理器的性能普遍提高。（3） 可编程控制器的发展方向现代PLC的发展有两个主要趋势。其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、良好的兼容性和多功能方面发展，趋向于当前工业控制计算机（Industrial Personal Computer,IPC,即工控机）的性能。 微型、小型PLC功能明显增强，很多知名的PLC制造商相继推出了小型、特别是微型、高性能的PLC。 集成化发展趋势增强 由于控制对象的复杂化和高难度化，使PLC向集成化方向发展。PLC与PC集成、PLC与DCS集成、PLC与PID集成、PLC与现场总线集成等，并增强了通信和网络能力，尤其是以PC为基础的控制产品增长迅速。 向开放型转变 PLC存在的严重缺点主要是PLC的软、硬体系结构是封闭的而不是开放的，绝大多数的PLC 采用专用总线、专用通信网络协议。4.4.2可编程控制器的定义在可编程控制器的早期设计中，虽然采用了计算机的设计思想，但只有用来代替继电器实现逻辑（开关量）控制，主要用于顺序控制，所以被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）,简称PLC。随着技术的发展，这种装置的功能早已大大超过了逻辑控制的范围。美国电气制造商协会（National Electrical Manufacturers Association,NEMA）经过调查，将其正式命名为Programmable Controller,简称PC。由于PC容易与个人计算机（Personal Computer）的缩写相混淆，因而人们仍沿用PLC作为可编程控制器的简称。国际电工委员会（International Electrorechninal Commission,IEC）颁布的PLC的定义为：可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下的应用而设计。它采用可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出来控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。4.4.3可编程控制器的特点PLC把微型计算机技术和继电器控制技术融合在一起，兼具计算机的功能完备，灵活性强、通用性好以及继电器接触器控制系统的简单易懂、维修方便等特点，主要体现在以下几个方面：编程简单易学可靠性高功能强安装简单，维修方便采用模块化结构接口模块丰富系统设计与调试周期短4.4.4可编程控制器的应用经过长期的工程时间，PLC的上述特点越来越为广大技术人员所认识和接受，已经广泛地应用到石油、化工、机械、钢铁、交通、电力、轻工、采矿、水力、环保等各个领域，包括从单机自动化到工厂自动化，从机器人、柔性制造系统到工业控制网络。从功能上看，PLC的应用范围大致包括以下几个方面：逻辑（开关量）控制定时控制计数控制步进控制模拟量处理与PID控制数据处理通信和联网功能4.4.5可编程控制器的组成PLC的产品型号很多，发展非常迅速，应用日益广泛，不同的产品在硬件结构、资源配置和指令系统等方面各不相同。但从整体来看，不同厂商的PLC在硬件机构和指令系统等方面大同小异。下面主要介绍三菱公司FX系列的PLC得硬件组成、工作原理和系统资源配置等内容。图4-2 PLC的组成PLC从组成形式上一般分为整体式和模块式两种，但在系统硬件结构上基本相同、整体式PLC一般由CPU板、I/O板、显示面板、内存和电源等组成，一般按PLC性能又分为若干型号，并按I/O点数分为若干规格。模块式PLC一般由CPU模块、I/O模块、内存模块、电源模块、底板或机架等组成。无论哪种结构类型的PLC，都属于总线式的开放结构，其I/O能力多数可根据用户需要进