（机械电子工程专业论文）汽车起动机液压负载试验系统设计.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，汽车起动机液压负载试验系统设计是 本人在指导教师的指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经靛表或撰写过的怍品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：垄逝! ! 丛年立月! 生日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”- 同意长存理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允评论文被套阀和借阅。奉人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学 位论文。 作者签名 指导导师签名 敬湾辛 五红 查生年三月! 兰日 ! 坐一年三月丝目 摘要 起动机在出厂前需要对其进行负载性能测试，以往的起动机测试系统所能提供的 负载转矩范围小控制精度低，针对以上1 ；足，本文提出了一种基于液压伺服控制技 术的起动机负载测试系统。 起动机液压负载测试系统能够提供较大范围的负载转矩，同时为了保证快速、稳 定和准确实现负载转矩，提出了一种单参数化的模糊p i d 控制算法，并通过m a t l a b 软件对系统进行了模拟仿真。试验结果证明，模糊p i d 控制具有优良的控制精度和响 应速度。另外运用s o l i dw o r k s 三维软件对试验台架的零件进行实体建模同时进行 r 模型的虚拟装配最后对模型进行了运动仿真，给系统的机械零件加工和装配提供 了便利。 试验系统的实际应用表明，系统的集成度和测试精度较高，速度快，完全满足生 产上的需要。 关键词：起动机液压负载模糊p l d a b s t r a c t hi sn e c e s s a r yt od e t e c tt h ei o a dp e r f o r m a n c eb e f o r es t a r t e rc o m i n gi n t ou s et h el o a d t o r q u er a n g et h a tp r e v i o u ss t a r t e rt e s t i n gs y s t e mc a l lp r o v i d ev , a ss m a l l w i t hl o wc o n t r o l a c c u r a c yf o ra l lt h e s ed i s a d v a n t a g e s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sak i n do f s t a r t e rl o a dt e s t i n gs y s t e m b a s e do nh y d r a u l i cs e r v oc o n t r o lt e c h n o l o g y t h es y s t e mc a l lp r o v i d eaw i d er a n g eo f l o a dt o r q u em e a n w h i l e i no r d e rt or e a l i z ef a s t ， s t a b l ea n da c c u r a t el o a dt o r q u e as i n g l ep a r a m e t e ro ft h ef o z z yp i dc o n l r o la l g o r i t h mi s p r o p o s e d 、w h i c hi ss i m u t a t e db ys o f t h a r em a t l a bt e s tr e s u l t ss h o r t e dt h a tt h ef u z z yp i d c o n t r o la l g o r i t h mh a de x c e l l e n tc o n t r o la n dr e s p o n s ea c c u r a c yb e s i d e s t h es o l i dm o d e l i n g f o r t h ep a r t so f t h e t e s tb e n c hm e a n w h i l e t h ev i r t u a la s s e m b l y f o r t h e m o d e l a n d f i n a l l y t h e m o t i o ns i m u l a t i o nw a sd o n eb ys o f t w a r es o l i dw o r k s w h i c hp r o v i d eac o n v e n i e n c ei ot h e p r o c e s s i n ga n da s s e m b l yo f m e c h a n i c a lp a r t s o n 。s i t ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e ms h o wt h a tt h es y s t e mc a nl u l l ym e e tt h ep r o d u c t i o n n e e d sw i t hh i g hi n t e g r a t e dl e v e l t e s t i n gp r e c i s i o na n dt e s ts p e e d k e y ”o r d s ：a u t o m o b i l es t a r t e rh 、d r a u l i cl o a d f m , l yp i d 目录 摘要 a b s t l a c t 目录 第一章绪论 l 11 起动机测试技术的发展 l 12 液压控制技术的概况 2 121 液压控制的历史进展 2 122 国内液压控制技术的发展现状2 13 论文研究的背景与意义3 1 4 起动机测试系统的性能指标 3 1 5 论文研宄的主要内容4 第二章起动机测试项目分析与台架结构设计 5 21 汽车起动o l n 试原理概述 5 21 1 起动机工作原理 5 2i2 起动机测试系统组成 6 2l3 起动机性能参数的确定 8 22 起动机试验项目分析 9 23 试验系统的机械结构设计 1 0 24 本章小结 1 3 第三章液压模拟负载系统总体设计1 4 31 液压动力系统设计 1 4 3i f l 负载系统的原理设计 】4 3i2 直动i c 电液伺服阀概述 1 6 31 3 液压泉站总体设计1 9 32 系统油液的维护和保养 2 3 33 液压负载系统的硬件设汁 2 5 331 控机的选用 2 6 332 传感器的选择与接n 设计2 7 3 33 数据采集与1 司服控制技术概述 3 0 334 起动机模拟开关电源的设计 3 2 34 负载系统的软件设计 3 3 35 本章小结 3 7 第四章模糊p i d 控制器设计与系统的应用 3 8 41 系统闭环同路分析 3 8 42 模糊p i d 控制转矩及其t 方真 3 9 43 测试系统的应用与结果分析 4 3 44 本章小结 4 5 第五章液压负载系统的抗干扰分析4 6 51 测试系统的干扰分析 4 6 52 起动机测试系统抗干扰措施 4 7 j 21 硬件抗干扰设计 522 软件抗干扰设计 53 本章小结 结论与展望 致谢 参考文献 4 7 4 8 4 8 4 8 4 8 4 8 第一章绪论 1 1 起动机测试技术的发展 汽车最早的起动方式是人工手摇的方式，随着发动机功率的增人和对汽车起动性 能要求的提高逐渐淘汰r 手摇方式而采用了起动机起动的方式。汽车起动机是起动 发动机的关键部件利用蓄电池将电能转化为旋转的动能，使静止状态的发动机转动 起来从而使得汽车能够进入正常行驶状卷。所以，在某种程度l 汽车的使用性能取 决于起动机的性能。到目前为止国内外关于汽车起动机的设计、制造与测试方面的 技术已经有了突飞猛进的进步，下面将分别从国内和国外两个角度来分析起动机的发 展状况。 在7 0 年代初的时候，永磁材料得到了广泛的使用，这为永磁式起动机的推广创造 了良好的条件，使得起动机的起动效率有了明显的提高，减少了电气连接件结构简 单提高了工作的可靠性。但是，相对国外而言，我国对于永磁式起动机的研究起步 较晚技术水品相对落后，采用的也都是国外的工艺。到了1 9 8 6 年，长沙汽车电器研 究所开始研发永磁减速式起动机，1 9 8 7 年就研制出了q d l 2 7 型的永磁减速式起动机c i ， 这是第一台由我国自己设计的永磁减速式起动机。经过多年的学习与发展到目前为 止有许多汽车电器厂商都可以制造出先进的永磁减速型起动机，并且所制造的起动机 都能达到世界的先进水平。 1 9 8 1 f 美国d e l c o r e m y 公司醴计出永磁起动机的方案。1 9 8 2 年德国波许公司小批 量生产r 与奥迪匹配的永磁起动机。之后的几年先后也有一些国家开始研制利用永磁 村料制备永磁起动机。到了】9 8 5 年英国卢卡斯电气有限公词研制丁多种规格的承磁 减速起动机：。到日前为止起动机及其自动测试系统的发展有了新的突破。1 9 9 7 年tw i l f r i e db e n n i n g 研制出一套综合c a t 设备，该设备可进行起动机性能试验，利用 磁粉制动器进行试验加载，运用p i d 控制算法对加载转矩进行跟踪和闭环控制。近年 来，模糊控制技术已经取得了巨大的进步主要在工业化生产方面控制设备以及智能 仪表装置上得到了广泛的应用。模糊控制算法比较灵活，适应性强对于那些无法确 定的数学模型部町以采用这种控制方法。当然，模糊控制也有不足之处其控制精度 不够稳定，因此，需要与其他控制算法( 包括p i d 控制算法) 相结台才能克服缺点。 阳春华、王雅琳等人从1 9 9 8 年开始对起动机性能c a t 系统进行设计和研究利用模 糊p i d 控制算法，使得该设备具有较高的检测精度，并且系统运行比较平稳1 。这是 我国起动机测试领域的革命性变化。 对于起动机性能检测技术，我国已经有r 自己的标准，q c f f 2 9 0 6 4 9 2 标准对汽车 起动机的特性试验方法做了相关的规定，而z b t l l 0 0 l 一8 6 则特别规定了起动机在不同 负载转矩下的转速、电压、电流咀及功率等参数。根据这些标准各个汽车厂家也都 研制出了相应的起动机性能检测设备。开封市方圆电器设备制造有限公司研制出了针 对f y q d 型起动机的性能检测设备。该测试设备能对起动机进行空载、制动以及额定 负载等六项试验，根据测得的各项参数来判断该起动机是否台格。这代表了我国汽车 起动机测试技术已经有了新的突破。 12 液压控制技术的概况 1 2 】液压控制的历史进展 1 7 世纪中叶，法国的帕斯p 提出了著名的液体静压力传递定律，奠定了液压技术 的理论基础1 。液压技术从此就不断的被人们所认知和利j = | j 。 液压技术的飞速发展开始丁，第二次世界大战是随着对武器和e 行器等军事装备 中的自动控制系统高精度、反应快的需要而发展起来的。另外，现代微电子和计算机 技术的飞速发展为液压控制技术的发展提供了有利条件，利用电子元器件和传感元件 作为液压系统的控制单元和反馈检测单元，从而构成了一个完整的液压控制技术体系。 与电动控制系统等控制系统相比，液压控制系统具有容量大、响应速度快、刚度大和 控制精度高等突出优点因此利用液压油作为控制系统的介质在各类机床、重型机 械等领域上得到了很广泛的应用。 液压控制系统能够按照机械装各的要求对位置、速度、加速度、力和力矩等被控 制量按一定的精度进行控制，并且能在外部干扰的情况下，也能很快的达到新的稳定 状态，实现既定的动作。随着电液伺服阀的研制成功，利用该阀作为精密控制的核心 单元使得液压控制系统具有了更高的控制精度和响应速度。比如航空的舵机控制系统、 船舶的舵机系统、火炮随动系统等都是利用电液伺服阀的优良特性来实现系统的控制 5 。但是t 对其控制理论的深入研究是从卜个世纪中叫开始的，麻省理工学院在对液 压伺服控制方面的经典控制理论上有了突破性的进展，其基本方法是采用基于工作点 附近的增量线性化模型来进行分析。至此，液压控制系统的经典控制理论已经进入了 一个新的阶段。 1 2 2 国内液压控制技术的发展现状 2 0 世纪5 0 年代是我国建国的初期国内尚且没有自主的液压亡业，因此，我国的 液压技术的起步比较晚；进入2 0 世纪6 0 年代，液压产品开始如雨后替笋般的出现在 机床 a - , a k 、农业机械和工程机械等领域此时我国的液压技术开始从仿制苏联开始走 向自主研发的道路。一方面引入国外的液压元件进行分析和研究，另一方面开发设计 了中低压系列的液压元件。到r1 9 6 8 年，我国液压元什已经基本形成一个独立的制造 业体系。到了2 0 世纪7 0 年代我国成功研制了电液比例溢流阀和流鼍阀、j k 系列液 压集成块、以及成功试制了q d y 2 型电液伺服阀和d y m 型电液脉冲马达。改革开放 后，我国的液压技术开始进入到r 快速发展时期。扶国外引进4 0 多项的先进液压技术t 通过消化吸收和技术分析开始进行批量生产，成为了行业的主导产品。虽然我国液压 的发展水平和世界的先进水平存在一定的差距主要体现在产品品种少t 规模小t 经 济效益低，科研开发力量薄弱。但是这些差距都在不断的缩小相信在不久的将来 我国的液压技术会成为世界的领先水平。 1 3 论文研究的背景与意义 汽车是人们现代重要的交通工具，世界各工业国把汽车工业作为本国的国民经济 的支柱产业。根据知名人士透露，2 0 1 2 年，各国著名汽车生产商对汽车零郭件的采购 额将达到8 0 0 亿美元，其中7 5 来自于中国”1 “。到目前为止，全世界范围内大约有 5 5 0 0 多家企业生产汽车零部件。但是，到20 1 5 年随着汽车零部件制造业逐渐趋于规范 化、自动化、智能化其生产厂家通过竞争将会有一半消失。这就意味着在市场竞争 巾会有优胜劣汰的结果出现。然而这种竞争将带动汽车零部件的快速发展和进步同 时也给汽车零部件厂商带来了无限的挑战与发展机遇。汽车起动机作为重要的汽车零 部件，其生产水平也逐渐趋于完善。但是质量是企业的生命对于起动机的质量测试 工作一直是各生产厂家的一大难题。测试设备效率低、运行缓慢跟不上起动机的生产 速度已经成为生产厂家的通病。因此，摆在我们面前的工作一方面就是必须提高测试 设备的研发能力，保证起动机测试系统具有较高的测试速度和精度，而另一方面就是 不断的提高生产技术和管理技术，以适应不断提高的自动化生产。 随着机电液体化技术的日趋成熟各种电液伺服阀的控制精度不断提高因此， 机电液一体化技术是控制系统未来的发展趋势。本文介绍了一种利用机电液一体化技 术和计算机技术专门对汽车起动机进行液压模拟负载测试系统。该系统的蹬计可以有 效的解决以往存在的困难问题，在很大程度上提高了生产效率及产品质量。为我国起 动机的市场竞争能力和生产能力趋干规模化提供r 良好的空问和条件。园此，汽车起 动机液压负载试验系统的研制，将对我国汽车起动机的生产和测试具有重大的意义。 14 起动机测试系统的性能指标 模拟电源输出电流：最大1 0 0 0 a 模拟电源输出电压：1 2 v 和2 4 v ( 直流电压) 起动机转速：0 - 3 0 0 0 r m i n o5 起动机转矩：0 1 0 0 0 n i t i 05 测量的起动机的功率范围：12 1 0 k w 系统的液压额定压山：9 m p a 测控柜：6 2 0 ( l ) x 6 2 0 ( w ) x 】8 2 0 0 1 ) 测试起动机尺寸：最大长度5 5 0 m m 1 5 论文研究的主要内容 根据课题的要求，对起动机的工作原理、试验项目和试验标准进行充分的分析之 后对汽车起动机的液压负载试验系统进行了设计和研究，其主要内容介绍如下： ( 1 ) 分析了起动机的工作原理和起动机的试验项目利用三维软件设计了起动机的试验 台架。 ( 2 ) 对液压模拟负载系统进行了总体设计，主要包括液压负载实现的原理，各个动力元 件的型号选择和硬件设计以及软件设计。 ( 3 ) 通过恒转矩控制和仿真分析了系统的性能同时对测试系统的实际应用进行了结粜 分析。 ( 4 ) 分析丁液压负载系统的干扰现象，井提出了抗干扰的措施。 第二章起动机测试项目分析与台架结构设计 21 汽车起动机测试原理概述 2 1 1 起动机工作原理 汽车起动系统是垃动机的起动装置，该系统主要包括起动机总成、点火启动开关、 蓄电池等。起动机是由直流电动机、传动机构和控制装置组成的。其中的直流电动机 是常见的电机，一股包括转予、定子、电刷等部件。工作时，转于受到电机磁场力作 用而产生转矩，起动机的传动小齿轮将转矩传递给发动机的飞轮从而带动发动机转 动，而控制装置负责起动机的小齿轮与发动机的齿圈啮台与分离，即等到发动机转起 来之后负责二者之问的分离。图21 为q d j 2 8 1 5 型起动机实物图。 惫 图21 q d j 2 8 1 5 型起动机实物图 起动机的工作过程如下“：当起动机的起动开关拨到起动位置时，起动机开始动 作，直流电机吸引线圈操纵拨叉使齿轮与齿圈相啮台，齿轮驱动装置安装在枢轴的螺 纹上使得齿轮驱动装置在向前移动齿圈时有一个小角度的转动促进了驱动齿轮与 飞轮齿圈的更好啮合，导向环在驱动装置上滑动继续轴向移动并压缩复位弹簧，直到 活动铁芯接通主接线柱为止。枢轴开始转动枢轴的轻微转动和来自啮合弹簧的力在 螺纹推进作用下使小齿轮的齿与飞轮的齿进入啮合螺纹继续使小齿轮与飞轮的齿圈 进一步啮合直l - i j 4 、齿轮碰到枢轴上的一个限位环为止，小齿轮与飞轮齿圈相比很小， 这就意味着b 轮转一圈枢轴就要转几圈齿数的减少也增大了来自t - 起动机带来的转 矩，发动机起动之后，它的转速就套远近超过枢轴的转速，超越离台器断开齿轮和枢 轴的连接防止枢轴的超速和损坏起动开关断开复位弹簧6 通过拨叉将驱动装置和 齿轮带回到初始的位置。至此，起动机完成了起动发动机的任务。图22 为起动机内部 操纵动作图。 1 21 1 i b 图2 2 起动机内部操纵动作圈 1 甜电2 励线嘣3 起动* * * 啦h 线叫5 - 保持线6 一复掸蔷 7 活动铁芯8 拽z9 - 驱动轮l o - 1 轮冉嘲l i - 单向离e # 1 2 - & 链 起动机的最主要元器件就是直流电动机，f 面将先分析一下直流电动机的特性原 理1 ： 直流电动机在虽初始起动的时候产生转矩的大小和转子的电流磁极成正比，即： m = ( 卅t ( 2 1 ) 其中，吖为电磁转矩；c 卅为电机的常数；为通过转子的电流：o 为磁极磁通。当起 动机在运转的叫候，直流电动机将产生反向电动势昂即： ，= 月( 22 ) 其中，”为电动机的转速。根据式2 2 可知加在电动机上的电压有两部分一部分损 失在转子的内阻l ，另一部分用来平衡电动机的反电动势，即： u = e r + ，( s + 月l ) ( 23 ) 其中，u 为电枢电压；b 为电枢绕组电阻；r 为励磁绕组电阻。根据直流电机的工作 原理可知电动机能够转动起来并且能输出一定的转矩是因为电磁转矩与阻转矩h i 断 平衡的结果。因此对于直流电动机的输出转矩的测试是一个必要的环节。 2 1 2 起动机测试系统组成 依据汽车起动机测试的标准，要求起动机测试系统具有以下儿部分单元，主要 包括：主电源、1 = 控机、被测起动机、模拟负载单元以及转速转矩传感器。f 面将分 别l 到述各个硬件的用途： ( 1 1 主电源 k 要是由工控机控制的可调稳压大直流电源u t 以按照调节函数进行控制使输 出电压按照要求进行输出，根据实际要求可以设计成增量式多段直线拟合的特性模拟 函数。 ( 2 1 工控机 工业现场用的计算机是测控系统的控制核心，其主要功能是对电压、电流、转 矩以及转速等信号进行处理，同时又利用伺服控制卡对负载系统进行控制。 ( 3 ) 模拟负载单元 其功能主要是模拟发动机在。些路况f 的负载状态，以往都是磁粉制动器提供负 载转矩t 由于磁粉制动器有较多的优良特性，即在一定区域内电流与转矩呈线性关系， 因此可以通过改变励磁电流来改变阻转矩。然而，磁粉制动器只能在线性区域内才能 有效的进行转矩的控制，到了饱和区域就无法满足控制要求。其次，时较大功率的起 动机进行负载试验时磁粉制动器会产生较大的热量其散热性能差。本次课题所选的 模拟负载是液压伺服控制系统。它可以满足不同功率的起动机的负载并且响应速度 快。 ( 4 ) 转矩转速传感器 以往的转矩和转速都是分别用不同的传感器检测的，比如转速传感器是连接在负 载轴上直接测量转速，转矩值是通过测得磁粉制动器的负载压力乘以力臂得到的。但 是随着传感器技术的不断发展t 此种方法已经逐渐的消失，目前， 了场己经有集多功能 为一体的传感器t 可以直接同时测量转矩和转速的参数值。本文将在第三章的硬件接 口设计详细叙述高集成度的转矩转速传感器的应用。 凹2 3 起动机测试原理示意圈 起动机负载测试过程如图23 所示工控机作为控制核心，分别控制主电源和负载 系统，置电源为起动机中的电磁开关和直流电动机提供电压不同型号的起动机其电 压大小是不同的- 一方面工控机对负载系统进行加载控制，另一方面转矩转速传感器 将转矩、转速值传递给工控机进行分析处理，最后将转矩、转速电流、电压等起动机 的特性曲线输出和打印，根据标准最后判定该起动机合格与否。 213 起动机性能参数的确定 发动机能否顺利快速的起动起来，完全取决于起动机的性能参数能否与发动机相 匹配如果j ：能够匹配则会造成起动时问延长、起动的次数增多或者烧毁起动机等较 严重的后果，凶此确定起动机的性能参数是十分必要的。其性能参数主要包括起动机 的输出转矩、起动的最低驱动转矩、驱动发动机的最低转速、输入功率、从起动机到 发动机的传动比等。r 面将分别介绍各个参数的确定方法。 ( 1 ) 输出转矩 起动机在带动发动机的飞轮时其转速逐渐增大，速度增加的快慢只取决于起动 机的输出功率和投动机飞轮的转动惯量，其关系方程如下 m = j 坐d t 十吖n ( 14 1 其中，竹为起动机的输出转矩，为飞轮的转动惯量，w 为起动机角速度a 如为摩擦 转矩和风阻转矩之和，由式2 4 可知只要获得了起动机的角 速度和 就可l l 间接 的得到起动机的输出转矩m ，如果在测量转矩吖时，同时测出起动机的工作电流，就 可以得到起动机的转矩特性曲线m - ( i ) 。 ( 2 ) 最低起动转矩 起动机的驱动转矩必须克服发动机的阻转矩才能起动发动机而发动机的起动阻 转矩主要取决于发动机气缸的压缩比、： 作容积、缸数、转速和温度。各型发动机的 阻转矩一般的估算公式为： m f = cl( 25 ) 其中为发动机的排量：c 为比例系数，o c 时汽油发动机取3 0 4 0 ，柴油发动机取 7 0 7 5 一所以起动发动机的最小起动转矩的要求是 南 缸 ( 3 ) 起动机驱动发动机的最低转速 起动机同时还必须具有使发动机转动的最低工作转速，这是起动机的额定转速 而起动机的额定功率p 决定了发动机的最低起动转速。和起动阻转矩胁即 9 5 5 0 只 n i ( 26 ) 其中，p ，为芨础机的起动功率 动机最低起动转速”。为 2 。i 若起动机与发动机之间的齿轮1 动的传动比为i ，则起 一般汽油发动机罐低起动转速为5 0 一7 5 r m i n ，柴油发动机为l o o 1 5 0 r m i n 4 1 起动机蛀大功率 根据式2 6 可得起动机功率的表达式为 ( 27 1 d 一，h m m 9 5 5 0 起动机的任务就是起动发动机所以只要起动机的最大功率能满足发动机就可以了。 另外，起动机属于短时工作的装置，可以取其最大功率点为额定功率点。 ( 5 ) 从起动机到发动机的齿轮传动比f 起动机到发动机的传动比，的正确选择是保证起动机机械特眭与发动机起动特性 合理匹配的重要依据，传动比不直太大也不能太小。太大会使折合到发动机的转速低 于最低起动转速而无法带动发动机，传动比太小使得带动吲一型号发动机的起动机尺 寸较大。因此一般以最大功率时的起动机转速为依据设计传动比，并使起动发动机的 转速不低于发动机能够成功起动的转速。根据以往的经验可知，汽油发动机的传动比 为1 3 1 7 柴油发动机传动比为8 1 0 。 22 起动机试验项目分析 对于起动机的测试试验主要包括电磁开关的开关性能试验和直流电动机构综合性 能试验，其中直流电动机的性能试验只要包括空载性能试验、负载性能试验、综合性 能曲线试验、制动性能试验等“”。本文主要对直流电机的性能删试试验进行研究。 ( 1 ) 空载性能试验 测量起动机水带负载情况f 的转速，控制起动机的主电源电压，使起动机的输入 电压保持在稳定的范围内- 通过空载转速传感器测得起动机的空载转速m 若测得的 转速帆太于等r 标准转速，则起动机的空载性能合格。 ( 2 ) 负载性能试验 负载性能试验包括报多的、删试项目，主要是使起动机在不同的负载条件下进行试 验。负载条什根据起动机在各种转矩和电压的条件下来划分的，测试起动机在外部设 定负载情况下的电流、转速。将起动机的电压控制在稳定范围之内，并利用负载系统 将阻转矩控制在规定的范围之内t 此时若起动机的转速大于或者等于测试标准值，主 回路电流小于或等于标准值，负载性能台格。 ( 3 ) 综合性能曲线试验 该测试试验也属于负载性能试验。综合性能曲线试验是按照一定的步进值增加负 载转矩，同时记载负载变化过程中起动机的电压、电流转速、转矩、功率( 数据处 理得到的) 等参数。当负载增加使起动机转速下降至试验条件中设定转速以f 时，试 验完成，此后，绘制出电压、电流，转速、转矩和功率对电流增长的轨迹曲线。图2 4 所示为起动机的电流，与功率尸、起动机电压u 、转矩r 和转速”之间的关系曲线。通 过该曲线能够全面和更直观地观测出起动机的性能参数。 蔑 闰2 4 起动机综合性能特性曲线图 ( 4 ) 制动性能试验 起动机与飞轮啮合旋转，通过摩擦负载系统输出最大负载转矩使起动机制动。 测量起动机在完全制动下的 吲路电流和起动机输出转矩，从而验证起动机瞬阃带负 载能力。若起动机输出转矩大于或者等于标准值，并且起动机主同路电流小于或者等 于标准值，制动性能合格。 23 试验系统的机械结构设计 根据起动机的尺寸、驱动小齿轮、配套的飞轮以及功率大小的不同，闷时考虑各 个试验项目之间起动机的位置变化，设汁了试验台的各种机构的过度元件来补偿各种 差异性，使起动机试验台具有更高的灵活度和集成度。利用s o l i dw o r k s 三维软件进行 实体建模，并分别对不同的功能进行机械结构设计= i “”。 ( 1 ) 起动机支架位置控制机构 为了使起动机与轮能够快速和精确的达到啮合位置，采 j j 伺聪液压缸带动支架 在轨道上进行移动t 位移传感器通过测量起动机齿轮与飞轮的中t 2 , g e ，将测量信号反 馈给液压缸使得定位齿轮的中心距非常精确。当起动机做空载转速测量试验时，只需 将伺服液压缸伸出一定位移，使支架向远离啮合的方向移动。在导轨的一侧设计r 限 位开关，当限位开关触发之后伺服液压缸停止j 二作，说明起动机到达指定位置，可 以做空载转速试验。另外对于不i 司的起动机其尺寸大小和安装的位置都是不一样的 为了增加试验的互换性和满足齿轮轴向啮合的可靠度，在起动机支架端而连接处增加 了个过渡板对于不同的起动机 需要更换枢垃的过渡板就可以了。如图2 5 所示， 为起动机支架位置控制结构。 图2 5 起动机支架位置控制机构 ( 2 ) 飞轮与传动机构 如图2 6 所示为飞轮与减速机构的三维设计模型飞轮由起动机的小齿轮带动做高 速旋转减速机构的小齿轮与飞轮同轴，它通过和模拟负载的夫齿轮相啮合，将运动 传递给模拟负载单元。起动机与模拟负载单元之问增加一个减速齿轮一方面可以将 提供的负载转矩缩小相应的倍数，从而大大的提高了负载转矩的控制能力。另一方面 可以使模拟负载单元和传感器的尺寸大大的缩小，使得整个台架显得更加紧凑。 圈2 6 飞轮与传动机构 ( 3 ) 模拟负载与传感机构 模拟负载与传感机构的三维设计模型，如图2 7 所示模拟负载由两个刹车盘和两 个制动钳组成刹车盘之间同轴连接，两端由轴承座支撑。通过制动钳作用在刹车盘t 的摩擦力来改变模拟负载的负载转矩而制动钳作用在刹车盘上的力是由液压缸来实现 的，传动齿轮将整个运动的负载转矩通过轴来传递。转矩转速传感器得出负载单元输出 的转矩和转速值，通过传动比问接的折算出起动机的转钜和转速值，传感器的两个轴端 由弹性柱销联轴器进行联接。 吲27 模拟负载三维模型 图28 起动机负载台禁总体结构图 将以上主要机构及部件进行虚拟装配，获得起动机试验台架总成的三维设计模型， l 司时进行运动仿真。如图2 8 所示- 当起动机支架处于柳始位置时可以对起动机进行空 载转速试验和电磁开关试验：当支架沿着导轨移动到能与飞轮相啮台的时候启动起 动机使得飞轮被驱动- 通过传动机构将运动传递给传感器和模拟负载，控制模拟负载 对起动机实施连续或定点加载，可以进行起动机负载试验、制动试验或综合特性曲 线的试验。台架本体起支撑作用内部主要封装电气和液压泵站。打开侧板可以很方 便的进行安装与维修。 运用以上三维虚拟装配模型直接生成二维图纸然后拆解成各个零部件进行机械 加工处理，使得图纸工作更加有条有理，装配试验台台架一次到位，充分体现了三维 软件的准确性和快速性。 24 本章小结 本章分析r 起动机的工作原理以及测试系统的组成，分析了起动机的性能参数以 及测试项目，设i 上了汽车起动机试验系统的台架机械结构。利用s o l i d w o r k s 三维软件 采用模块化的| 殳计方法进行建模和装配生成三维模型使得试验台架的零件加工和装 配更加快捷和准确。 第三章液压模拟负载系统总体设计 起动机模拟负载试验，以往都是利用磁粉制动器提供负载转矩，调节澈磁电流大 小来控制磁粉制动器的输出负载转矩，但是由于这种负载转矩小、川度小、散热性 能差并且存在滑差率而不易控制，因此，只能给一些功率不大的起动机提供模拟负载 。! 。随着液压伺服技术应用的不断成熟。同时为了适应不同型号起动机的试验测试和 保证系统多功能、通用性的要求。设计了液压伺服控制系统作为模拟负载，并且为该 系统设计了模糊p i d 控制器。这种模拟负载具有较宽广的负载转矩，能与绝大多数的 起动机匹配，并且其剐度大、散热性好、易于控制，对不同型号的起动机具有较强的 自适应能力j ”。 31 液压动力系统设计 液压动力系统的作用是给负载模拟系统提供动力，运动介质为液压油，执行机构 为液压缸，控制部分是利用伺服控制器来调节电液伺服阀，转而对液压缸进行控制。 其他的液压辅助蹬各即蓄能器、滤油器和散热器都是必不可少的。下面将分别详细的 介绍备个部分帆组成与设计方法。 31 1 负载系统的原理设计 如图31 所示为液压负载系统原理囤。起动机小齿轮打出并开始转动，然后带动飞 轮和同轴的两个摩擦盘旋转，同轴的转矩转速传感器获得当前负载的转矩和转速值， 然后折算成起动机的转矩和转速数据传递给伺服控制器。控制器通过调节伺服阀6 、7 的电流的大小控制伺服阀阀口的开口大小。液压缸对摩擦盘的负载转矩是通过液压缸 作用在盘上的压力实现的。正压力的大小决定了的摩擦负载转矩的大小，伺服阀通过 对液压缸进行实时的调节、精确的控制，从而控制对起动机的负载转矩。蓄能器8 起 到了吸收液压系统内的液压冲击和压力脉动。为了适应不同功率和类型的起动机，畦 计了两个直径大小不同的液压缸，由f = 尸j 可知，对于大液压缸9 单独作用时，可以 提供相对较大的正压力，适用于巾等功率起动机的负载，小液压缸1 0 单独作用时，可 以提供较小的正压7 】适用于小功率的起动机的负载二者同时工作9 1 _ j 适用于大功率 起动机的负载。系统采用的电液伺服间对环境的清洁度要求高，凶此油液必须经过充 分的过滤，精密滤油器1 4 进行二次过滤，回油滤油器1 3 进行回油过滤，可以满足系 统油液的清洁度。此设计方法不仅降低整个系统的复杂程度而且= i 丕减小了整个系统 的设计尺寸。 图3 1 液压负载原理图 i 定爨液飘2 粗姥* 3 冷却器4 一流阀5 一单向6 、7 一电液伺服阀 8 一箍能g9 ，l0 小液k 缸| 】、1 1 一刹午盘1 3 一目滤 】 l bf 4 一精* 赭油# 负载转矩主要是靠衬片与摩擦盘之间的滑动孽擦来实现的，油缸的伸缩提供给摩 擦盘正压力通过施加正压力的大小来调整摩擦力的大小，最终可以改变对起动机的 负载转矩，下面将详细介绍雎擦盘的受力分析情况m 一。 髑3 2 摩擦盘对片受力分析 笋掣 e 如图3 2 所示将圆形的衬片摩擦面划分成无穷多个圆弧形单元，在该单元处摩擦 表面的鳝损与该压力p 及其相对滑动速度r 的乘积成正比。但是随着月。的增加p 越来 越小使得n 值在整个的摩擦表面上趋于相等即 p r 。= f = c o s if 3i 因此对于整个摩擦衬片的作用力f 为 r 鹾知， 舯，为弧凹，：肌：胁。尘尘垒 2 月月 而油缸的推力f 为 f 5 “d ；1 p o 其中岛为油缸直径p 。为油缸内液压油的压力。 综合式3 1 一式3 3 计算得到单元上作用的压力p 为 p ：竺趋 4 1 1 r 最终得到摩擦转矩为 ”，：誓一铂zcpd；pol,_2l z c p d - p p o l 2 m i 碑 = i - w ! r - + r ”一f 1 1 ： 刹“一书l l o s 删扣：! 芝# 。， ( 32 ( 3 3 ) 34 1 ( 3 5 ) 通过式3 5 可知，影响负载转矩的因素主要包括与摩擦衬片的摩擦系数，液压油 压力p i t 摩擦衬片的巾心圆半径r 和摩擦片直径d 要想使模拟负载系统输出精确的 摩擦转矩，应对以上参数进行精确的设计和优化， 31 2 直动式电液伺服阀概述 电液伺服阀作为起动机测控系统的控制核心其特性品质的好坏直接影响测控系 统的性能5 。电液伺服阀的主要功能如下： ( 1 ) 功率信号的放大 将小功率弱电信号转换成夫功率的液压流量和压力信号。 ( 2 ) 伺服运动控制 飚 一q = f 根据输入信号的极性和大小，控制液压油输入到液压缸中的流量、压力，并通过 反馈来实现精确的控制负载的速度和力的大小。 ( 3 ) 传输并转换信号 将电信号，转换成液压信号输出流量p 和压力p 。 根据电液伺服阀的功能可知，对于阀的选择应主要从负载系统的流量、压力、动 态指标三方面考虑。电液伺服阀按照结构大体分为三种方式，即圆柱滑阀式、喷嘴挡 板式和射流管式。由于圆柱滑脚具有良好的控制性能，因此，根据需要采用圆柱滑阀 结构的电液伺服阀。 依照电液伺服阀的控制等级，通常可分为单级、两级、三级电液伺服阀，单级电 液伺服阀嘏都是由滑阀、转矩马达组成，滑闷直接由转矩马达提供动力支持实现滑 动然而由于单级电液伺服阀中的转矩马达功率很小，只能应用于小功率的控制系统， 另外单级电液伺服阀有时还可能出现控制不稳定的现象因此这种类型的电液伺服 阀在系统中的应用受到了限制。两级电液伺服阀克服了流量限制和控怀稳定的虢点， 其前置级一般都足采用喷嘴挡板阀，而这种伺服闻存在的缺点主要是零位“漏大产 生前置放大级的流量，同时抗污染能力也比较弱，最终将影响伺服阀的控制精度。为 了弥补咀l 的不足，选择0 d y d i 直动式电液伺服阀，该伺服阀低泄漏无先导级流 量，并具有很强的抗污染能力：阀芯动力大，永磁式线性力马达输出的驱动力为电磁 铁的两倍：动态响应高，低滞环和高分辨率使其具有较精确的重复精度。因为h i 存在 前置放火级，取消，一些强度薄弱零件及高精度零件的加工与装配，这使得伺服阀的 可靠性提高了，同时降低了加工精度和成本。 图3 3 直动式电液伺服阀结构朦理图 l 一$ q 节螺g i2 插座3 一目g4 一阀童5 一a 线性 马达6 一控制电路7 一口传9 8 直动式电液伺服阀结构图如图3 3 所示其中零位调节螺塞土要是调节零偏阀套 的作用能够有效的防止阀芯的摩擦，另外，位移传感器的应用也替代了复杂1 ：艺的机 械反馈装置，可迅速的将阀芯位移信号反馈到伺服放大器中，与直线力马达形成一个 闭环位置系统通过原边短路补偿方法，解决了零点和l 余电压问题，使位移传感器的 分辨率达到i , u m 大大提高r 力马达的动、静态特性。 如图3 4 所示为直动式电液伺服阀的电气原理图，。个电指令信号输入内部的比较 器进行运算，通过限幅器进行调幅后施加到阀位控制器的集成电路上，经过转换产生 脉宽调制电流，震荡器促使阀芯位置传感器励磁。经解调后的阀芯位置信号和指令位 置信号进行比较，使得阀芯位置控锥q 器产生电流输入给力马达，力马达驱动阀芯，使 阀芯移动到指令位置阀芯的位置与指令信号成正比，伺服阀的实际流量是阀芯位置 与通过阀芯计量边的压力降的函数。图中d c d c 转换模块的作用主要是给直线力马 达和位移传感器提供电压。指令信号采用电流信号方式输入范围为一+ 2 0 m a 输入 阻抗为2 0 0 q 。为了防l e 信号传输存在于扰，保证传输的准确性对线缆的绝缘层进行 了屏蔽处理。 m 型蝎 自源j l 汕 黪 指赢瑚 l i 反自丽西出 屏蔽气石丁广f 图3 4 直动式电液伺服阀电气原理图 根据直动式电液伺服阀的型号样本可知，对于q d y di 型伺服阀的流量等级有4 种，分别是5 、】0 、2 0 、4 0 l r a i n 。 般情况下，为了提高系统的效率尽量将伺服阀的 额定流量选得小些考虑到阀的功率特性曲线应包围负载的轨迹曲线，故选择额定流 量为2 0 l j m i n - 相应的零位泄漏q l 为06 l m i t t 。综上所得直动式电液伺服阀的特性指 标，如裘3 一l 所示。 表3 - 1 0 d y dl 性髓指标 阀的设计 带阎套的滑阀、蚺级 作动方式水磁直线马达直动式 额定流量 1 0 l m i n 霉位泄嚣 电豫电压 - 2 剁 指令信g - 阶跃响应0 - - 1 0 0 分辨率 滞环 零飘f a t - 5 5 0 k ) l5 测量输出信号 + 4 + 2 0 r o a 额宽3 d b ) 5 0 h z 本试验负载系统采用两组一样的0 d i 型的伺服阀，分别控制两个大小不同的液 压缸。对于电液伺照阀的控i l 。般都采用专门的伺服控制器进行配套的控制。为了 能够更好的将c a t 系统集成化，选择k p c i 1 8 1 6 多功能卡作为伺服控制的单元，它具 有2 路1 6 位精度的模拟量输出，可以通过跳线选择电流输出方式，并且其输出电流范 围是4 2 0 m a 完全匹配q d i 型的伺服阀的控制要求其具体的连接方式以及控制 响应情况将在f 节详细叙述。 3 1 3 液压泵站总体设计 液压泵站是多种单元的组台体，主要由液压泵组、油箱、温控单元，蓄能器和过 滤器等单元有机的组合在一起。液压泵站是液压系统的“，c , p j t ”，其主要且的是为系统 提供所需的具有定压力和清洁度的液压油“。液压泵站设计的好坏，直接影响着整 个系统的性能。所以液压泵站的设计足一个十分重要的环节。f 面对各个单元的设 计进行详细的叙述。 3 1 3 1 油箱与泵组的结构设计 油箱的主要作用是存储液压系统工作所需的油液，散发系统工作中产生的热量， 同时逸出混在油液中的气体，沉淀油中的污染颗粒。油箱分整体式和分离式，整体式 是利用设各机身内腔作油箱，虽然这种油箱结构紧凑，但是维修闻难而且散热性不好。 为了能使液压泵站方便安装和调试，| 司时考虑散热问题将液压泵站设计成分离式结 构如图3 5 所示将泵组放置在油箱之上，考虑强度上的需要油箱顶板设计的较厚， 是油箱测板厚度的四倍。此外，为，防l i i 共振和产生较大的噪声，在泵组底座与油箱 顶板之问加设了橡胶减振器并且使减振器的固有频率与泵组的同转频率远远错开。 油箱的底部设汁成倾斜面，目的是使液压油能排放井带走底部的沉淀。设计的隔壁主 要目的是将吸油管与回油管隔开增加液流循环途径，同时也达到了散热和分离空气 的效果。本系统属于巾型功率系统，油箱容量设计为6 0 0 l 完全满足动力的要求。 图3 5 液压泵站结构图 l _ * 2 # 3 - j 女4 m 月5 * 自阀6 目m * 接* 蚺f 目m 阀8 1 n m9 联轴* 1 0 聚i l 箱件1 2 9 1 3 帮盖i q 曾1 5m 滤# 1 6 幸气滤持8 17 镕# 泵组是液压负载系统的动力源主要包括液压泵、联轴器和电动机。根据叶片泵 的选择原则，系统工作压力征1 0 m p a 以下，故选择y b d i o 型叶片泵，其公称排量为 1 0m l r ，额定压力1 0m p a 。额定转速1 0 0 0 r m i n 。考虑到液压泵与电机的匹配问题， 选择电动机的同步转速为1 0 0 0 r m i n 同时考虑功率和转矩的大小，最终确定天津大明 英格电机有限公司生产的y 2 8 0 s 一6 型的三相异步电机，该型电动机的功率为4 5 k w ，额 定转速为1 0 0 0 f f m i n 。完全符台泵组的工作需要。泵轴与电机轴的联接应该严格对中 其同轴度误差为o0 2 r a m 。采j j 梅花形弹性联轴器这种联轴器不但具有较高的弹性 和耐磨性而且外形尺寸小，工作可靠不需维护。 313 2 其他辅助设备的选择 液压系统还