（机械电子工程专业论文）基于网络化虚拟仪器的车辆零部件检测系统的研发.pdf

独创性声明 l ii11 11 11111 1i iiii y 18 8 0 2 3 9 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：杏勃 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务o ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：杏锄 导师( 签名) 旁1 场汤日期硎。& 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着汽车行业的迅猛发展以及日益激烈的市场竞争，人们对汽车 质量的要求也越来越高。车辆零部件作为汽车的基本组成部分，是决定汽车整 体质量好坏的根本，因此车辆零部件需要高质量的测试方法。虚拟仪器技术的 出现为工程技术人员提供了更好的选择。采用虚拟仪器技术开发测试系统不仅 周期短，效率高，而且价格相对较低，成为今后的一个发展趋势。 本文结合某车辆零部件检测中心实际工作，做了大量相关研究，研发一种 基于网络化虚拟仪器的车辆零部件检测系统，并对该系统中所涉及的关键技术、 系统构架、各部分功能实现，进行了深入研究。论文主要研究工作如下： 1 对当前虚拟仪器技术作了介绍，并在此基础上介绍了l a b v i e w 功能和特 点，同时表明检测技术与虚拟仪器技术相结合将成为未来检测技术发展的主流 方向。 2 根据车辆零部件测试需要，提出了检测系统的总体构架，并对系统各部 分的功能作了描述。 3 介绍并分析了检测过程中的信号分析处理技术，如频谱分析、傅里叶变 换以及加窗处理等，并通过对各自的算法理论的研究，在l a b v i e w 环境下设计 实现了各自算法。 4 具体介绍车辆零部件检测系统系统的硬件设计。硬件部分主要包括了数 据采集卡的选型，传感器的选型，主减速器及传动轴试验台的设计 5 通过l a b v i e w 软件实现系统的检测各种功能，包括信号采集、信号处理 分析、结果显示等。同时通过网络发布的形式使系统具备远程控制的特性。 最后论文在总结全文工作的基础上，对进一步研究提出了建议和展望。 关键词：虚拟仪器；车辆零部件；测试；网络化 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n ty e a r sh a v ew i t n e s s e dt h ea c c e l e r a t i n gd e v e l o p m e n ta n df i e r c em a r k e t c o m p e t i t i o no f t h ea u t o m o b i l e i n d u s t r y a l o n g1 7 l r i t ht h a tt r e n d ，c o n s u m e r s e x p e c t a t i o n o fa u t o m o b i l e si sa l s oi n c r e a s i n g a st h eb a s i cp a r t so fa u t o m o b i l e s ，a u t oc o m p o n e n t s a l et h ef u n d a m e n t a le l e m e n to fa u t o m o b i l eq u a l i t y t h e r e f o r e , a l la d v a n c e dt e s t i n g m e t h o di sam u s tf o ra u t o m o b i l ec o m p o n e n t s t h ea d v e n to fv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g yh a sp r o v i d e de n g i n e e r i n gt e c h n i c i a n sw i t hb e t t e ro p t i o n s t h ee x p l o r a t i o n a n dt e s t i n gs y s t e mb ym e a n so fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yy i e l d sas h o r t e rp e r i o d 、) l r i mh i g he f f i c i e n c ya tar e l a t i v e l yc h e a p e rp r i c e , w h i c hi sb o u n dt ob et h ef u t u r e d e v e l o p m e n tt r e n d b a s e do nt h ep r a c t i c ea n dr e l e v a n tr e s e a r c hi nat e s t i n gc e n t e ro fa u t o m o b i l e c o m p o n e n t s ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p sat e s t i n gs y s t e mo fa u t o m o b i l e c o m p o n e n t sb yn e t w o r k i n gv i r t u a li n s t r u m e n t s ，a n dc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y s e st h e k e yt e c h n o l o g y , s y s t e m a t i cf r a m e w o r ka n dt h er e a l i z a t i o no fa l lc o m p o n e n tf u n c t i o n s 1 1 1 ep a p e rm a i n l yc o v e r st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 d e s c r i b e st h el a b v i e wf u n c t i o n sa n df e a t u r e sb a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no f v i r t u a li n s t m m e n tt e c h n o l o g y , w h i l et h a td e t e c t i o nt e c h n o l o g yc o m b i n e dw i lt h e v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yw i l lb e c o m et h em a i n s t r e a mo ft h ef u t u r ed i r e c t i o no f t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t e s t 2 p r o p o s e do v e r a l l s t r u c t u r eo ft h ed e t e c t i o ns y s t e m ，w h i c ha c c o r d i n gt ot h e a u t o m o b i l ec o m p o n e n tt e s tr e q u i r e m e n t s ，a n dt h e nd e s c r i b e st h ef u n c t i o no fv a r i o u s p a r t so ft h es y s t e m 3 1 1 1 e s i g n a la n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gt e c h n i q u e si nd e t e c t i o np r o c e s sa r e i n t r o d u c e d ，s u c h a s s p e c t r a la n a l y s i s ，f o u r i e r t r a n s f o r ma n dw i n d o w e d p r o c e s s i n g a n d c o m p l e t et h ea l g o r i t h mt h e o r ys t u d y d e s i g na n di m p l e m e n tt h e a l g o r i t h m si nt h el a b v l e w e n v i r o n m e n t 4 h a r d w a r ec o m p o n e n t sd e s i g ni si n t r o d u c e ds p e c i f i c a l l yi nv e h i c l ed e t e c t i o n s y s t e m h a r d w a r ep a r ti n c l u d e sad a t aa c q u i s i t i o nc a r ds e l e c t i o n ，s e n s o rs e l e c t i o n , t h e m a i nr e d u c e ra n dt h et r a n s m i s s i o ns h a f tt e s t - b e d a tt h es a m et i m e ，t h et h i n g ss h o u l d b ep a i da t t e n t i o ni nt h eh a r d w a r ed e s i g n 5 u s i n gl a b v i e ws o f t w a r es y s t e mt ot e s tv a r i e t yo ff u n c t i o n s ，i n c l u d i n gs i g n a l 武汉理工大学硕士学位论文 a c q u i s i t i o n ，s i g n a lp r o c e s s i n ga n da n a l y s i s ，a n dd i s p l a y i n gt h er e s u l t a l s om a k i n g t h es y s t e mh a st h ef e a t u r e so fr e m o t ec o n t r o l l i n gb yp u b l i s h i n gt h es y s t e mo nt h e n e t w o r k s u m m a r i z i n gt h ea b o v ea n a l y s e s ，t h ep a p e rf u r t h e rp r o p o s e ss u g g e s t i o n sa n d e x p e c t a t i o n s k e yw o r d s ：v t r t u a li n s t r u m e n t ；a u t o m o b i l ec o m p o n e n t s ；t e s t i n gs y s t e m ； n e t w o r k i n g 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 课题相关技术及国内外研究发展状况1 1 2 1 相关关键技术1 1 2 2 国内外研究现状分析2 1 3 问题的提出4 1 4 论文的研究内容和组织结构4 第2 章零部件性能测试内容及试验台介绍6 2 1 主减速器6 2 1 1 主减速器工作原理6 2 1 2 主减速器实验方法6 2 1 3 主减速器试验台7 2 2 传动轴8 2 2 1 传动轴工作原理8 2 2 2 传动轴实验方法j 9 2 2 3 传动轴试验台1 0 第3 章测试系统硬件平台设计1 1 3 1 硬件结构总体设计1 1 3 1 1 系统的硬件总体结构1 1 3 1 2 组成模块及功能1 1 3 2 数据采集卡选型1 1 3 3 传感器模块选型1 3 3 3 1 扭矩传感器1 3 3 3 2 光电开关1 5 3 3 3 加速度传感1 6 3 3 4p t l 0 0 热电阻1 8 i v 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 5 扭力变送器2 0 第4 章虚拟仪器系统的软件设计2 2 4 1 虚拟仪器2 2 4 1 1 虚拟仪器简介2 2 4 1 2 虚拟仪器特点2 2 4 1 3 虚拟仪器结构2 3 4 2l a b v l e w 软件2 4 4 2 1l a b v i e w 发展2 4 4 2 2l a b v i e w 的功能2 5 4 2 3l a b v i e w 的特点2 5 4 3 信号处理分析2 6 4 3 1 采样定理2 6 4 3 2 频谱分析2 7 4 3 3 傅里叶变换2 7 4 3 4 加窗处理2 9 4 4 系统软件实现3 0 4 4 1 数据采集模块3 0 4 4 2 主减速测试系统3 4 4 4 3 传动轴疲劳测试系统4 0 第5 章网络化虚拟仪器的实现4 1 5 1 网络化虚拟仪器的概念4 l 5 2 组建网络虚拟仪器系统的模式4 2 5 3 网络化虚拟仪器系统中的软件开发技术4 3 5 3 1t c p 协议4 4 5 3 2d a t a s o c k e t 技术4 5 5 3 3 在w e b 上发布程序4 5 5 3 测试系统网络化的实现4 6 5 3 1w e b 发布的实现原理4 6 5 3 2 服务器端w e b 发布配置步骤4 6 5 3 3 客户端远程测控4 9 v 武汉理工大学硕士学位论文 第6 章系统调试5 1 6 1 硬件调试5 1 6 2 软件调试5 2 6 3 系统整体调试5 3 6 3 1 主减速器5 3 6 3 2 传动轴5 5 第7 章总结与展望5 7 7 1 工作总结5 7 7 2 工作展望5 7 参考文献5 9 致谢6 2 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研工作6 3 v i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 随着我国汽车工业的快速发展，汽车的社会保有量不断增多，汽车及其相 关产业的人才需求量将大幅度增长。车辆零部件作为汽车的基本组成部分，与 汽车使用的可靠性、安全性有着密切的关系。汽车作为一个由许多不同零部件 组成的复杂机械系统，对于其重要部件的可靠性分析，是不能通过理论计算得 出的，只能通过反复实验才能得出，“汽车是实验出来的 这句话说明了零部 件检测的重要性。国外汽车工业起步早，资金投入大并且十分注重检测工作， 因此无论是在技术、装备还是基础理论以及方法上都要远远领先于国内。国内 的汽车行业想要缩小与国外的差距，除在设计、加工工艺、生产制造以及目前 的热点问题如节能、高效以及时尚外，汽车零部件的可靠性检测更是一个重要 的环节，只有保证了使用的安全，才能去谈其他的特色。 目前，随着微电子技术的发展，虚拟仪器技术及其产品在许多发达国家得 到了普遍的应用，而国内虚拟仪器技术近几年虽然得到较快的发展，但和国外 相比仍有较大的差距。随着中国加入世贸组织，经济的全球化，科学技术更是 受到了极大的挑战，而那些在科学试验中起着重要作用的仪器仪表更是面临着 巨大的挑战。研究和发展虚拟仪器技术可以较快的发展仪器、仪表技术。将虚 拟仪器应用到汽车零部件的检测中，不仅能节约大量的人力物力，还能提高检 测效率和检测精度。 1 2 课题相关技术及国内外研究发展状况 1 2 1 相关关键技术 1 ) 检测技术 传统对零部件的检测，一般都是工作人员借助仪器仪表来就近监视作业情 况，凭借直观作出决策判断。但有些部门要对相距遥远的汽车零部件进行检测， 如果沿用传统的办法，则在技术上和经济上都是不可取的。为了适应这种客观 需要，逐步发展了远程检测技术，就是应用网络通信技术对远方的运行设备进 行检测，以实现远程测量，远程信号传输和远程调节等各项功能。 武汉理工大学硕士学位论文 远程检测技术是随着计算机技术，通信技术，传感技术的发展而逐渐兴起 的设备检测技术。远程检测的待检测设备与控制中心分别位于两地，打破了地 域的界限，能过方便的通过网络来连接传递信息。它采用多元的信息传输、检 测，管理和一体化的集成技术，实现信息，资源和任务的共享，达到了检测的 实时、快速和有效，并能够同其它的计算机网络系统互连，向人们提供了一个 更高效、更全面、更安全，更快捷的服务模式，改变了传统的检测模式【l 】。 目前远程检测技术的主流是应用i n t e r n e t 技术，在t c p i p 协议和w w w 规 范支持下，合理组织软件结构，使工作人员通过访问网络服务器来迅速获取权 限下的所有信息并及时做出响应。未来，虚拟仪器的发展会越来越迅速，越来 越成熟，将这项新技术加以研究用于远程检测系统上，是检测系统未来发展方 向之一【2 】。 2 ) 虚拟仪器技术 虚拟仪器( v i r t u a li n s t n a n e n t ，v i ) 是基于通用计算机平台建立的可编程仪器 或仪器系统，其实质是用户根据自己的需求定义，设计仪器的相关测试功能， 将传统仪器硬件与现代计算机技术相结合，用以实现并扩充传统仪器的功能。 虚拟仪器具有结构简单、可视化、测量精度高等优点。 近年来，随着自动化测控技术的迅速发展和日益广泛的应用需求，虚拟仪 器技术在自动控制、信号检测、数字信号处理、电路分析、电子技术仿真和实 现、信号与系统分析、数据采集、模块化仪器、无线数据采集、网络应用等诸 多领域，得到了广泛的应用，并正在发展成为一种现代化测控标准技术。世界 各国的高等学校、研究机构、企事业单位和生产制造公司，都纷纷发展基于虚 拟仪器的技术应用。目前，中国每年有3 0 0 0 0 多人次的学生通过课堂和实验室 学习虚拟仪器技术，有1 2 0 多所院校开设虚拟仪器课程，有7 0 多个实验室与美 国国家仪器公司合作建立了虚拟仪器联合实验室【3 1 。 1 2 2 国内外研究现状分析 虚拟仪器技术的开发和起源于美 n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 公司。1 9 8 6 年n i 公 司推出t l a b v i e w 软件，并首先提出了虚拟仪器的概4 1 。从虚拟仪器概念提出 至今，有关虚拟仪器技术的研究方兴未艾。研究人员在虚拟仪器硬件接口、虚 拟仪器软件及其设计方法等方面做了许多有意义的研究工作，并已开发了许多 实用的虚拟仪器系统。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 各种虚拟仪器开发平台为虚拟仪器的推广应用奠定了基础 美国n i 公司在虚拟仪器概念出现以后，推出了图形化虚拟仪器专用开发平 台l a b v i e w 。这种平台采用独特的图形化编程方式，编程过程简单方便，是目 前最受欢迎的虚拟仪器主流开发平台。为了兼顾其他高级语言软件开发者的习 惯，n i 还推出了l a b w i n d o w s c v i 、c o m p o n e n t w o r k s 等交互式开发平台。美国 h p 公司的h p v e e 、t e k t r o n i s 公司的e z t e s t 和t e k t n s 以及美国h e md a t a 公 司的s n a p - m a r t o r 平台软件，也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台。在国内， 西安交大韩九强等采用面向对象技术研究了可组态生成不同虚拟仪器的可视化 虚拟仪器软件开发平台，重庆大学秦树人等提出了虚拟仪器产品的网络化开发 方法。 2 ) 软件工程领域的新方法新理论在虚拟仪器设计中得到广泛应用【5 川 面向对象技术( o b j e c to r i e n t e d ，o o ) 、a c t i v e x 技术、组件技术( c o m p o n e n t o b j e c tm o d e l ，c o m ) 等被广泛用来进行虚拟仪器的测试分析软件和虚拟界面( 控 件) 软件设计，出现了许多数据处理高级分析软件和大量的仪器面板控件，这些 软件为快速组建虚拟仪器提供了良好的条件。 3 ) 虚拟仪器开发向标准化方向发展【8 l 在19 9 8 年9 月成立了i v i ( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t ) 组织。l 组织 是最终用户、系统集成商和仪器制造商的一个开放的联盟。目前，该组织已经 制订了示波器数字化仪、数字万用表、任意波形发生器函数发生器、开关多路 复用器矩阵及电源等五类仪器的规范。i v i 制订的虚拟仪器统一规范，提升了仪 器驱动软件标准化水平。 4 ) 虚拟仪器网络化、智能化初见端倪 伴随网络技术的高速发展，出现了以网络为基础、虚拟仪器为核心的“虚 拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) 的概念 9 1 。目前，虚拟实验室已成功地应用于许多 大型实验室的实验研究和高等学校的实验教学。在人工智能研究的影响下，人 们开始关注如何提高虚拟仪器的智能化水平。重庆大学秦树人等提出的智能化 控件的思想，通过具有一定智能的多功能控件提高虚拟仪器灵活性。 5 ) 采用接口总线组建复杂虚拟仪器系统 虚拟仪器的突出成就不仅是可以利用p c 机组建成为灵活的虚拟仪器，更重 要的是它可以通过各种不同的接口总线，组建不同规模的自测试系统。目前虚 拟仪器系统开发采用的总线包括传统的r s 2 3 2 串行总线、g p i b 通用接口总线、 v x i 总线，以及已经被p c 机广泛采用的u s b 通用串行总线和i e e e1 3 9 4 总线 武汉理工大学硕士学位论文 ( f i r e w i r e ) 。美国n i 公司在1 9 9 7 年9 月1 日推出模块化仪器的主流平台p x i ，这 是与c o m p a c tp c i 完全兼容的系统。这种虚拟仪器模块化主流平台p x v c o m p a c t ， p c i 的传输速度已经达到1 0 0m b s ，是目前已经发布的最高传输速度。 1 3 问题的提出 某汽车检测中心作为国内的为数不多的老企业，随着科技的进步，在车辆 零部件检测技术等方面取得了长足发展，从先前的人工检测到后来的仪器、仪 表检测，再到现在的电脑控制自动化检测。先后共有多项科技成果获得国家、 省、部科技进步奖。对于该厂的调研来源于课题车辆零部件检测系统的需 求。 通过调研，我们了解到，原有的一些检测手段都存在不同程度的缺陷：稳 定性差、操作复杂、检测效率低、检测误差大。车辆零部件作为汽车的基础组 成部分，其性能的好坏是决定汽车质量优劣的根本，因此高效率、低误差是车 辆零部件检测系统最关键的环节。在参与该课题调研与系统分析报告编写的过 程中，各方提出了将传统检测技术改为虚拟仪器技术的建议。有鉴于此，本论 文提出了对虚拟仪器在车辆零部件检测中的应用研究课题。 针对以上情况分析，本文结合某汽车检测中心车辆零部件检测系统科研课 题，作了大量细致、深入的研究，提出了一套切实可行的技术方案。利用虚拟 仪器技术、传感器技术等，研究开发了一套基于网络化虚拟仪器技术的车辆零 部件检测系统，旨在提高车辆零部件检测系统的自动化、信息化水平。 本文将主要介绍主减速器性能测试系统和传动轴疲劳测试系统，并且在介 绍传动轴疲劳测试系统的基础上实现虚拟仪器的网络化的功能。 1 4 论文的研究内容和组织结构 论文主要从以下几个方面展开研究： 本课题以某汽车检测中心车辆零部件检测系统为基础，着重研究并设计基 于虚拟仪器的车辆零部件检测系统，并在此系统的基础上实现其网络化。所要 完成的主要研究工作如下： ( 1 ) 检测系统硬件设计与功能实现。 ( 2 ) 检测系统的软件实现。 ( 3 ) 系统网络化功能的实现。 4 武汉理工大学硕士学位论文 本论文的组织结构如下： 第1 章：绪论部分。主要介绍课题的研究背景和国内外相关技术研究情况， 阐述立题意义，对论文的主要工作和结构作了说明。 第2 章：以主减速器和传动轴为例子，介绍车辆零部件的检测内容和方法， 并介绍了相应的测试试验台。 第3 章：详细论述检测系统的硬件构成，介绍了数据采集卡和传感器的选 型，并对传感器的安装部位进行了描述。 第4 章：检测系统的软件设计，简单介绍了虚拟仪器的概念和i a b e w 软 件平台；对编程过程中所用到的主要信号处理分析方法进行了介绍；运用 l a b v i e w 软件编程设计了主减速器测试系统和传动轴测试系统，对测试系统各 部分的功能进行说明，并给出了虚拟测试系统中主要模块的程序图。 第5 章：网络化虚拟仪器的实现。介绍网络化虚拟仪器的组成及相关技术， 并在此基础上实现系统的网络化功能。 第6 章：完成对系统的调试。对所设计的虚拟测试系统进行了整体调试， 并对实验数据进行了简单说明。 第7 章：工作总结和展望。对全文作总结，并指出自己所作的工作，以及 系统需要进一步改进的地方。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章零部件性能测试内容及试验台介绍 鉴于车辆零部件的多样性，论文以主减速器与传动轴为例子，介绍了车辆 零部件性能测试内容及并介绍了相应的试验台。 2 1 主减速器 2 1 1 主减速器工作原理 主减速器是在传动系中起降低转速的作用，它是依靠齿轮数少的齿轮带动 齿轮数多的齿轮来实现减速的，主减速器结构如图2 1 所示。 1 壳轴承；2 差速器壳体；3 调整垫片；4 - 半轴齿轮；5 调整垫片；6 - 行星齿轮； 7 主减速器从动锥齿轮；8 主减速器壳体；9 - 行星齿轮轴：1 0 齿轮组定位销 图2 1 主减速器组成结构图 电机通过输入轴带动半轴齿轮转动时，由于锥齿座与机座固定不动，迫使 行星齿轮做行星运动，并通过销轴将运动输出。当输入轴旋转时，其上的偏心 套带动转臂轴承旋转，使转臂轴承外圈上空套的星齿和针齿做偏心运动和错齿 运动，这时针齿既做高速公转，又做低速自转的行星运动。针齿的自转通过其 圆柱滚子的另一端作为销轴，与输出轴销盘上的销孔始终相互接触而转动，将 针齿的行星运动变成输出轴的低速、定轴转动，以实现减速【l 们。 2 1 2 主减速器实验方法 在对主减速器进行试验时，一般检测以下项目和内容。根据检测项目的标 准判断主减速器的质量。 1 ) 转矩、转速性能测试 在电机带动主减速器升速状态下，检测主减速器总成的内阻力矩，同时检 6 。，e 武汉理工大学硕士学位论文 测转速并绘制输入速度一力矩的对应曲线。转速在l o o r m i n 一2 0 0 0 r m i n 内可 调，在运转过程中，其阻力矩是不断变化的。 2 ) 温度测试 主减速器温度的测定包括环境温度、润滑油温度( 即油温) 、箱体温度。其中 最主要的被测的参量为油温，指主减速器运转正常后油温所能上升到的恒定温 度值，一般来说，不同的运行状态( 如转速、转矩、负载等变化时) 所能达到的平 衡油温是不同的。 3 ) 振动测试 在额定转速下运转，测定主减速器的机械振动。振动测试需要从水平方向 和竖直方向测试星齿行星减速器的振动。 2 1 3 主减速器试验台 根据测试要求，论文设计主减速器检测试验台如图2 - 2 所示。 u l o98765 1 基座；2 电机；3 同步带；4 张紧机构；5 轴承座；每联轴器；7 转速传感器；8 - 力速度传 感器；9 高速齿轮箱；l o 万向连接轴；1 1 连接主减速器 图2 2 主减速器检测试验台 考虑到空间限制，整个试验台采用上下分布式结构，这样可以避免由于同 轴度误差太大时，降低电机的使用寿命。 同步传送机构( 包括张紧机构) 、轴承座、扭矩转速传感器检测装置、高速齿 7 武汉理工大学硕士学位论文 轮箱、万向连接轴依次排开，这样的结构易于安装，并且当出现故障时容易检 查各部分。 1 ) 驱动电机选择 驱动电机提供动力源，为了能更好的控制电机的速度，避免电机的磁场对 传感器信号的干扰，采用电磁调速电机。 2 ) 电机与传动轴连接方式选择 电机与传动轴之间可以有两种连接方式：1 电机与传动轴之间使用联轴器； 2 电机与传动轴之间使用同步带。本试验台选择方式2 ，这样不仅节约了空间， 还可以根据需要确定减速比省了降速齿轮箱，节约了成本。 3 ) 联轴器选用 联轴器广泛应用于旋转机械的传动中，联轴器所连接的两轴，由于制造误 差及安装误差、承载后的变形及温度变化的影响，要求联轴器有适应一定范围 的相对位移的性能。 无弹性元件的挠性联轴器中性能较优的齿式联轴器应用较多，但是齿式联 轴器在使用中经常存在如下的故障：齿面磨损严重；内圈产生轴向位移量较大， 甚至不能啮合；发生断齿现象；联轴器对口螺栓折蝌1 1 】等等。 论文中选用的膜片式联轴器，该联轴器具有如下使用特点：传递扭矩大， 常用传递扭矩范围为1 6 - - 2 0 0 0 0 0 n m ；结构紧凑；无须润滑，工作寿命长，是替 代齿式联轴器的理想产品；适宜在恶劣条件下长期工作。 2 2 传动轴 2 2 1 传动轴工作原理 十字轴式万向传动轴常用于交叉轴或两平行轴之间的动力传递，它结构简 单、运行可靠、使用维护方便。图2 3 是常见的万向传动轴，属于刚性非等速率 传动的十字轴式万向传动轴。 武汉理工大学硕士学位论文 1 套筒；2 十字轴；3 传动轴叉；4 - 卡环；5 轴承外圈；6 一套筒叉 图2 3 十字轴式万向传动轴组成结构图 万向传动轴原理图如图2 - 4 所示，主动轴与从动轴成卢角相交，卢被称为轴 间折角。当主动轴当主动轴旋转一周时，从动轴也旋转一周，因而它们的旋转 周数始终相等，即传动比始终等于1 。 图2 - 4 十字轴式万向传动轴原理图 2 2 2 传动轴实验方法 根据中华人民共和国汽车行业标准规定，汽车转向传动轴总成的性能 实验包括总成间隙试验、转动力矩试验、滑动花键的滑动起动力试验、静扭强 度试验、扭转疲劳寿命试验。论文介绍的是扭转疲劳寿命试验。 在进行传动轴扭转疲劳寿命试验时，将总成与转向器联接的一端固定，从 方向盘一端施加正反方向转矩。传动轴总成的疲劳寿命试验转矩按公式如下： m = m d i o , r 。 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中：m 疲劳寿命实验转矩值，n m ； m n 一转向器的额定输出转矩，n m ； f 。精向器的角度传动比； 9 武汉理工大学硕士学位论文 ，7 ，转向器的平均正传动效率值，取0 7 0 。 2 。2 3 传动轴试验台 试验台总体结构采用电动机驱动闭式双轴并联机械传动方式。试验台采用 高低速形式搭配，驱动电动机直接驱动低速端，通过串联在封闭传动系中的液 压式扭矩加载器对传动轴实现扭矩加载，并经过变速齿轮箱在被试传动轴上实 现高速运转。 1 齿轮箱：2 支撑部分；3 扭矩传感器；4 齿轮箱；5 电动机； 6 基座：7 加载器；8 试验件 图2 5 主减速器检测试验台 论文设计万向传动轴试验台如图2 5 所示，电机通过联轴器带动齿轮箱4 的 低速端运转，齿轮箱4 的低速端克服扭矩加载器的扭矩加载，经支承部分带动 陪试传动件和齿轮箱4 的低速端一起运转，齿轮箱4 的高速端驱动扭矩传感器， 再经支承部分与试验件连接一起运转，齿轮箱l 的高速端与试验件的另一端连 接，构成一个封闭系统。整个系统坐落在整体底板上，其中齿轮箱4 下有2 块 底板用于调节试验时所需角度，角度可以通过齿轮齿条在0 。2 0 。内任意调整。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章测试系统硬件平台设计 3 1 硬件结构总体设计 3 1 1 系统的硬件总体结构 设计是基于虚拟仪器技术的虚拟测试系统，包括硬件系统和软件系统。虚 拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件。系统的硬件主要 包括各传感器、数据采集卡、电源、放大器、滤波器、p c 机及连接线等。硬件 系统包括虚拟仪器的计算机硬件平台和若干测控功能硬件，包括传感器、采集 卡、电源、放大器、滤波器等。虚拟仪器测试系统硬件构成如图3 1 所示。 叫 传感器1， 高 一显示器 试 一传感器2 - 信性 号能 验 调数 计 理 据 算 ，i打印机 台 模采 机 r l】j 1 。v 。 块 集 卡 一 网络链接 叫 传感翱 i 3 1 2 组成模块及功能 图3 - 1 测试系统硬件构成 1 ) 信号调理模块：负责对传感器采集的信号进行处理，除去干扰信号。 2 ) 数据采集模块：接收传感器采集到的数据并将采集到的数据传送给工控机。 3 ) 工控机：实现对信号的分析处理，并对所处理的结果数据进行存储记录， 根据需要可以将测试结果数据打印输出或者上传到网络服务器。 3 2 数据采集卡选型 数据采集卡一般由多路开关、放大器、采样保持器、a d 和d a 转换器、 数字f o 和定时计数器组成。一般由传感器采集得到的信号比较微弱，需要放 大器对信号进行放大，然后将信号进行a d 或d a 转换，最后将转换好的信号 传给计算机进行相应的显示、处理。多路开关、放大器、采样保持器、a d 和 武汉理工大学硕士学位论文 d a 转换器都处在计算机的前向通道，是组成数据采集卡的主要环节。采集卡的 工作原理图如图3 2 所示。 l 传感器i i j 多路开关 0 鍪i 放大器l 位， $ 卡采样保持 j r a d 转换 计算机 图3 - 2 数据采集卡原理图 数据采集卡主要性能指标如下： 1 ) 模拟输入通道数。该参数表明采集卡最多能同时采集的信号路数。 2 ) 信号输入方式：单端输入，差分输入。 3 ) 模拟信号的测试量程。指a d c 能测量的最大、最小输入电压值。 4 ) 数据采集卡采集频率。表示数据采集卡每秒能采集多少次的模拟信号。 5 ) p c i 总线方式。 6 ) 分辨率与分辨力。数据采集卡所能分辨的输入信号的最小变化量。 7 ) 精度。一般用量化误差表示，量化误差e 为l s b 2 = 船= g = 酱 ( 3 - 1 ) il， d + i 8 ) 其他一些指标。如放大增益、计时计数器的个数等。 本测试系统选用的是研华公司生产的p c i l 7 1 2 型数据采集卡，这是一款性 能优良价格低廉的适合p c 机及其兼容机的数据采集卡。它基于p c i 总线，具有 信号采集( a d ) ，数字信号的模拟输出( d a ) 及定时计数等功能。p c i l 7 1 2 型数据 采集卡具体性能参数如下： 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 ) 采样率：1 m h z ； 2 ) 模拟输入：1 6 路单端输入或8 路差分或组合输入方式； 3 ) 模拟输出：2 路，1 2 位精度； 4 ) 数字量输入输出：1 6 路； 5 ) 定时计数器：3 路，分辨率为1 6 位； 6 ) 数字触发； 7 ) 7 种不同的模拟输入范围。 3 3 传感器模块选型 传感器是一种感受外界信号的检测装置，它的出现大大地方便了人们对自 然现象和规律的研究。新技术革命的到来，世界开始进入信息时代，而传感器 则好比人类的感受外部世界的器官，高性能p c 机则好比人类处理各种信息的大 脑，想要大脑能够对外界信息作出正确判断，就需要感觉器官能够准确而可靠 的获取外部信息。在现代化工业生产和科学研究中，传感器都起着非常重要的 作用1 2 1 。 在选择传感器时，要综合考虑多种因素，如被测物理量变化的特点、精度 要求、测量范围、性能价格比等。传感器的好坏，对测量系统的影响是非常大 的，一般来说，应根据以下几个方面来选择传感器。 1 ) 稳定性 传感器采集到的信号只与信号源相关，受外界干扰较小，且工艺上还能准 确地复现。 2 ) 准确性 传感器能准确反映被测量的变化，即输出信号能准确反映输入信号。 3 ) 灵敏度 灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与引起 该增量的相应输入量增量之比。 4 ) 其他：如低能耗、可靠性、经济性等 根据检测系统的需求，现在对传感器进行了逐一选择。 3 3 1 扭矩传感器 扭矩传感器选用z r n 5 0 4 动态盘式扭矩传感器，它采用超薄型法兰链接结 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 构形式，非常适用于测试台架应用，如发动机、测功机和电动马达试验台、车 轮载荷模拟试验台、变速箱和泵等试验台等应用。 z k n 5 0 4 型动态盘式扭矩传感器主要功能及性能指标如表3 1 所示： 表3 1z r n 5 0 4 型动态盘式扭矩传感器主要功能及性能指标 灵敏度： 1 士0 2m v v 扭矩示值误差： 士0 5 f s 非线性： 士0 2 5 f s 重复性： - 4 - 0 2 f s 回差： o 2 f s零漂( 2 4 小时) ： o 5 f s 零点温漂： 5 0 0 m f l 静态超载：1 2 0 断裂负载：2 0 0 使用温度：0 6 0 ( 2 储存温度：- - 2 0 7 0 1 2电源电压：+ 1 5 v 士5 ，1 5 v d ：5 总消耗电流： 1 3 0 m a频率信号输出：5 k i - i z 1 5 k i - i z 负额定扭矩：5 k h z ：b 1 0 h z零扭矩：i o k h z 士1 0 h z 正额定扭矩：1 5 k h z 士1 0 h z信号占空比：( 5 0 d ：l o ) 旋转扭矩的测量：采用应变片电测技术，在弹性轴上组成应变桥，向 应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后， 经过压频转换，转化成为与扭应变成正比的频率信号。 z r n 5 0 4 型动态盘式扭矩传感器特点如下： ( 1 ) 无轴承结构，可高速运转； ( 2 ) 信号输出可任意选择波形_ 方波或脉冲波； ( 3 ) 检测精度高、稳定性好、抗干扰性强； ( 4 ) 不需反复调零，可连续测量正反扭矩； ( 5 ) 既可测量静止扭矩，也可测量动态扭矩； ( 6 ) 体积小、重量轻，传感器可脱离二次仪表独立使用，只要按插座针号 提供+ 1 5 v ，1 5 v ( 2 0 0 m a ) 的电源，即可输出阻抗与扭矩成正比的等方波或脉 冲波频率信号。 z r n 5 0 4 安装方式为水平安装，如图3 - 6 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 2 光电开关 图3 - 6 扭矩传感器的水平安装方式 系统选用的是e 1 8 d s l 0 n k 型红外线光电开关测转速。e 1 8 d s l 0 n k 型红 外线光电开关主要技术指标如下： ( 1 ) 检测距离：1 0 c m ； ( 2 ) 检测方式：漫反射； ( 3 ) 输出形式：) n 常开； ( 4 ) 工作电压：6 v - 3 6 v d c ； ( 5 ) 持续电流：3 0 0 m a ； ( 6 ) 响应时间：2 5 m s ： ( 7 ) 使用环境温度：2 0c 一5 5c 。 光电开关通过判断贴在转轴上的金属