（机械电子工程专业论文）汽车等速万向节综合性能的检测与抗干扰系统研究.pdf

武汉理工人学硕士学位论文 摘要 伴随着世界经济的发展、人们生活水平的日益提高，汽车正广泛进入千家 万户，对汽车的需求量也在逐年递增。我国正由世界第三大汽车消费国向世界 第三大汽车生产国发展，但是汽车零部件的质量却不尽人意。等速万向节是汽 车行驶过程中保证安全性，可靠性和稳定性能的关键部件，其质量直接影响汽 车在行驶中的安全性和可靠性。而汽车的安全与否又直接影响到人们的生命安 全和切身利益。 为了对汽车等速万向节的综合性能进行评估，台州宏利汽车零部件有限公 司与武汉理工大学进行了一个科技计划项目一一汽车等速万向节综合性能试验 台的研制。虽然这个科技项目已经完成，但是在使用时干扰比较严重，因此对 系统进行检测与抗干扰系统研究是很有必要的。 本文首先介绍了论文研究的目的和意义、国内外研究现状。其中介绍了汽 车等速万向节的结构及作用和对比了周期循环寿命试验台国内外研究现状。 本文还介绍了实验台的三个组成部分：变频调速系统、液压加载系统和检测 控制系统。其中计算选择了变频器和电机的参数，就系统中需要检测的9 个模 拟量选择了合适的传感器和a d 数据采集卡。本文还介绍了周期循环寿命试验 台检测控制系统的电磁干扰源，从干扰产生的来源、干扰传播的途径和干扰产 生的危害三个方面重点分析了雷电冲击引起的暂态骚扰、静电放电引起的骚扰、 开关电源引起的干扰和变频器谐波引起的干扰。 论文还详细介绍了变频器的原理和其干扰的来源，以及干扰传播的途径和 干扰产生的影响。变频器的干扰主要是5 、7 、1 1 、1 3 次谐波的干扰，传播的途 径分为电路耦合方式、感应耦合方式和空中辐射方式，干扰产生的影响分为输 入侧和输出侧谐波对设备的危害。 论文还针对各个干扰源进行电磁兼容设计，从滤波，屏蔽，接地和隔离四 个方面进行分析及设计，最后设计了相应的系统抗干扰措施。最后进行了系统 的抗干扰措施的仿真，验证检测系统的抗干扰能力是否有所改善。 关键词：等速万向节，检测，变频器，干扰 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew o r l de c o n o m ya n di n c r e a s i n gp e o p l e ss t a n d a r do f l i v i n g ，c a r sa r eaw i d er a n g ei n t ot h et e n so ft h o u s a n d so fh o u s e h o l d s ，a u t o m o b i l e s d e m a n di sa l s oi n c r e a s i n gy e a rb yy e a r c h i n ai sd e v e l o p i n gb yt h ew o r l dt h i r db i g a u t o m o b i l ec o u n t r yo fc o n s u m p t i o nt ot h ew o r l dt h i r db i ga u t o m o b i l ep r o d u c e r c o u n t r y ，b u tt h eq u a l i t yo fa u t op a r t si sa c t u a l l yu n s a t i s f a c t o r y t h ec o n s t a n t v e l o c i t y j o i n ti sk e yc o m p o n e n tw h i c hg u a r a n t e e s t h es e c u l e ，r e l i a b i l i t ya n dt h es t a b l e p e r f o r m a n c ei nt h ea u t o m o b i l et r a v e lp r o c e s s ，a n di t sq u a l i t yi m m e d i a t ei n f l u e n c e a u t o m o b i l e si nt r a v e ls e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y t h es a f e t yc a ri sa l s oad i r e c ti m p a c to n p e o p l e sl i v e sa n d v i t a li n t e r e s t s i no r d e rt oa s s e s sa u t o m o t i v ec o n s t a n t v e l o c i t yj o i n t so ft h ec o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c e ，t a i z h o uh o n g l ia u t om o b i l ep a r t sc o l t d a n dw u h a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yh a sc a r r i e do u tap r o j e c t - - v e h i c l ec o n s t a n t - v e l o c i t yj o i n t sc o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c et e s t b e d a l t h o u g ht h i sp r o j e c th a sb e e nc o m p l e t e d ，b u td i s t u r bi sq u i t e s e r i o u si n t h eu s et i m e ，m a i n l yf r o mt h et r a n s d u c e ra n dt h ei n t e r f e r e n c eo ft h e i n t e r f e r e n c ed e t e c t i o ns y s t e m t h e r e f o r er e s e a r c h i n gd e t e c t i o na n da n t i - j a m m i n g s y s t e mi sn e c e s s a r y t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h ep a p e rr e s e a r c hg o a la n dt h es i g n i f i c a n c e ，t h e d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o n t h i s d e s c r i b e dt h ev e h i c l e c o n s t a n t - v e l o c i t yj o i n t sa n dt h er o l eo ft h es t r u c t u r e a n dc o n t r a s t st h el i f ec y c l e r e s e a r c ht e s tb e da th o m ea n da b r o a d t h i sa r t i c l ea l s od e s c r i b e st h et h r e et e s tc o m p o n e n t s ：v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d r e g u l a t i o ns y s t e m ，h y d r a u l i cl o a d i n gs y s t e ma n dt e s t i n gc o n t r o ls y s t e m s w h i c ht h e c a l c u l a t i o no ft h ef r e q u e n c yc o n v e r t e ra n dm o t o rs e l e c t i o no ft h ep a r a m e t e r s ，f o r mt h e s y s t e mn e e d i n g t od e t e c tt h e9p a r a m e t e r st oc h o o s et h er i g h ta n a l o gs e n s o r sa n da dd a t aa c q u i s i t i o nc a r d t h i sa r t i c l ea l s od e s c r i b e st h e1 i f ec y c l et e s tr i gc o n t r o l s y s t e md e t e c t e d t h es o u r c eo fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e f r o ms o u r c e so f i n t e r f e r e n c e ，j a m m i n ga n di n t e r f e r e n c eo f t r a n s m i s s i o nh a v ef o c u s e do nt h r e ea s p e c t s o ft h eh a z a r da n a l y s i so ft h ei m p a c to ft h e c a u s e db ye l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g eh a r a s s m e n t ， i i l i g h t n i n g i n d u c e dt r a n s i e n th a r a s s m e n t i n t e r f e r e n c ec a u s e db ys w i t c h i n gp o w e r s u p p l y , a n di n t e r f e r e n c ec a u s e db yh a r m o n i cf r e q u e n c yc o n v e r t e r t h ep a p e ra l s od e t a i l st h ep r i n c i p l e so ff r e q u e n c yc o n v e r t e ra n di t ss o u r c e so f i n t e r f e r e n c e , a sw e l la st h ei n t e r f e r e n c eo ft r a n s m i s s i o na n dt h ei m p a c to fi n t e r f e r e n c e f r e q u e n c yc h a n g e r sd i s t u r b a n c ei sm a i n l y5 ，7 ，11 ，13s u b h a r m o n i cd i s t u r b a n c e s t h e d i s s e m i n a t i o nw a yd i v i d e si n t ot h eh o o k u pw a y ，i n d u c t i o nc o u p l e dm o d ea n dt h e a i r b o r n er a d i a t i o nw a y , t h ei n f l u e n c ew h i c ht h ed i s t u r b a n c ep r o d u c e sd i v i d e si n t ot h e i n p u ts i d ea n dt h eo u t p u ts i d eo v e r t o n et ot h ee q u i p m e n tt h eh a r m t h ep a p e ra l s oa i m sa te a c hn o i s es o u r c et o c a r r yo nt h ee l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t yd e s i g n ，e a r t h sf r o mt h ef i l t e r ，s h i e l da n di s o l a t e sf o u ra s p e c t st oc a r r yo n t h ea n a l y s i sa n dt h ed e s i g n ，u l t i m a t ed e s i g n c o r r e s p o n d i n gs y s t e ma n t i - j a m m i n g m e a s u r e f i n a l l yh a s c a r r i e do n s y s t e m sa n t i - j a m m i n gm e a s u r es i m u l a t i o n ， c o n f i r m a t i o ne x a m i n a t i o n s y s t e m sa n t i - j a m m i n ga b i l i t yw h e t h e rt oh a v et h e i m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：c o n s t a n tv e l o c i t yu n i v e r s a lj o i n t ，d e t e c t i o n ，i n v e r t e r , i n t e r f e r e n c e i i i 独创性声明 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 学或其它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。 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：粗导师c 签名) 雄日期： 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 研究的背景和意义 第1 章绪论 伴随着世界经济的发展、人们生活水平的日益提高，汽车正广泛进入千家 万户，对汽车的需求量也在逐年递增。我国正由世界第三大汽车消费国向世界 第三大汽车生产国发展，安全性已成为人们普遍关注的焦点n 1 。但是我国汽车零 部件的质量不尽人意。 i i 1 汽车的安全技术 随着社会水平的提高，汽车安全技术越来越受到广泛关注，因此世界各国 都非常重视汽车安全技术的研究与开发工作，目前已有部分汽车安全技术得到 成功应用。其中，主动安全技术和被动安全技术是保证汽车乘员安全的重要保 障2 1 。 ( 1 ) 主动安全技术 主动安全技术就是尽可能防止交通事故的发生。可以从制动系统、车速自 动控制系统、驾驶员视野、控制及显示装置几个方面得到体现。 制动系统( a b s 、e b d 、a s r 、e s p ) 。汽车制动防抱死装置( a n t i l o c kb r a k i n g s y s t e m a b s ) 的作用是保持紧急制动时汽车方向的稳定，使汽车在紧急制动时 车轮不会抱死，如果没有a b s ，那么在紧急制动时，前轮发生抱死，便会失去转 向能力，后轮发生抱死，便会发生甩尾，无论哪一种都是非常危险的情况。而 电子制动力分配( e l e c t r i cb r a k ef o r c ed i s t r i b u t i o n e b d ) 的作用是缩短 汽车制动距离，它是a b s 的最好辅助，两者结合在一起，就能在缩短汽车制动 距离的同时保持方向稳定。加速防滑控制系统( a c c e l e r a t i o ns k i dc o n t r o l s y s t e m a s r ) 是a b s 的升级版，它的作用是当汽车加速时将滑动率控制在一定 的范围内，从而防止驱动轮快速滑动，没有a s r 的汽车在加速时驱动轮容易打 滑。电控行驶平稳系统( e l e c t r o n i c ss t a b i l i t yp r o g r a m e s p ) 的作用是校 正方向，保持行驶稳定，它是a b s 和a s r 系统功能的延伸，是目前最高级的汽 车防滑装置。随着技术的进步，又因为a b s 、a s r 、e s p 在技术及性能上的贯通， 武汉理工大学硕士学位论文 可以预见，在今后的汽车上将越来越多地安装a s r 和e s p 。 车速自动控制系统( e l e c t r o n i cs p e e dc o n t r o l 或c r u i s ec o n t r 0 1 ) 。 车速自动控制系统是一种车速电子自动控制系统，当行车速度在4 0 公里小时 以上时，该装置可自动保持以某一恒定速度行驶而无需踩加速踏板。由于电子 系统能准确地控制车辆的设定工况，从而使高速行驶的车辆运行更加安全、平 稳，特别适用于现代高速公路上的行驶车辆。 驾驶员视野、控制及显示装置。好的视野是安全驾驶的首要因素。可以 通过增加摄像头，改善玻璃材料( 防雾、防眩) ，加热后窗( 不利的天气情况下 帮助镜面保持清洁) ，安装紫外线大灯( 减少黑洞效应) 等方式，使驾驶员的视 野更好，减少交通事故的发生。 危险警告系统。能够防止车辆偏离相应的行驶路线引起的碰撞或交通事 故。 驾驶辅助系统。能够防止由于车辆偏离相应的行驶路线引起的碰撞或交 通事故。与危险警告系统不同的是，当感到危险来临时，系统将自动应用自行 车速和转向控制装置及制动装置或自动驾驶系统。 碰撞规避系统。利用车辆上的探测装置，当遇到危险时向驾驶员提供警 示或自动采取相应措施。 预警监测系统。对驾驶者、车辆和道路状况进行监测并提供警告。 自动驾驶公路系统。这是一个长远目标，它包括公路基础设施信息收集 系统、路一车通信系统，障碍物检测系统、危险警告系统等，它创造了一个几 乎没有交通事故的驾驶环境，使汽车安全性得到显著提高。 ( 2 ) 被动安全技术 随着科学技术的发展，汽车主动安全技术在交通安全中起着越来越大的作 用。但尽管如此，仍然不可避免地发生意外情况，此时，汽车的被动安全技术 将是避免乘员受伤的唯一保障。汽车的被动安全技术主要包括安全带、安全气 囊、安全转向柱及安全座椅等几个方面。 乘坐舱的设计。首先考虑对碰撞能量的吸收，例如防撞门柱、吸能方向 盘等。在发生碰撞时，就可以吸收能量并帮助减少乘坐舱的变形，以达到保护 成员的目的；其次还要考虑发生碰撞时保持其完整性，避免乘员受到挤压和冲 击。 安全带。目前安全带的设计引入了许多先进技术，安全带收缩装置可以 根据车辆的设计而有不同的变形。同时还有专门为孕妇及儿童考虑而设计的安 2 武汉理工大学硕士学位论文 全带，以保护孕妇腹中的胎儿和儿童的安全。 安全气囊。越来越多的汽车安装了安全气囊，以保护乘员在中等到严重 的碰撞中避免受到受害。有一种安全气囊，安装在汽车的前面，保护行人在碰 撞过程中受到伤害。 孕妇与儿童安全。长期以来，人们对孕妇与儿童的安全并没有刻意去研 究，但近年来，人们越来越多地关注孕妇与儿童的安全，如前所述的安全带。 现在为孕妇与儿童考虑的还有座椅与专用的儿童安全保护锁。 综上所述，汽车安全性的发展趋势是，在每个安全领域都要开发出性能更 好、反应更快和分辨力更强的安全系统，使它们在不同的环境和条件下，针对 不同的乘员迅速做出不同的反应。 1 1 2 现代汽车转向装置的发展趋势 助力转向系统经过几十年的发展，技术日趋完善。今后，电动助力转向系 统将进一步成熟，线控转向系统将成为我们研究的努力方向。具体来说，转向 系统主要从以下几个方面进一步发展嘲： ( 1 ) 传感器技术 性能完善的电动助力转向系统需要采集转向盘转角信号、转向盘转矩信号、 转向盘转速信号、电机电压信号、电机电流信号等。目前，传感器的成本是制 约电动助力转向系统迅速市场化的主要因素，因此，设计和开发适合电动助力 转向系统使用的性价比较高的传感器是未来技术发展的关键。 ( 2 ) 控制策略的研究 控制策略是影响助力转向系统性能的关键因素之一，也是电动助力转向系 统的核心技术之一。目前，国内外许多学者都在探讨将先进的控制理论应用于 助力转向系统的研究，如鲁棒控制理论、模糊控制理论、神经网络控制理论和 自适应控制理论等。今后，控制策略研究的重点主要集中在如何抑制电机的力 矩波动、如何获得较好的路感、如何抑制路面干扰和传感器的噪声等方面，以 进一步优化和改善助力转向系统的动态性能和稳定性。 ( 3 ) 低成本、低油耗、大批量专业化生产 随着国际经济形势的恶化，石油危机造成经济衰退，汽车生产愈来愈重视 经济性，因此，要设计低成本、低油耗的汽车和低成本、合理化生产线，尽量 实现大批量专业化生产。对零部件生产，特别是转向器的生产，更表现突出。 3 丛堡堡王丛堂塑主兰堡堡皇 1 1 3 汽车等速万向节 等速万向节是把两个轴线不重合的轴连接起来，并使两轴以相同的角速度 传递运动的机构，其外观如图卜1 所示。 图1 1 等速万向节的外观 等速万向节是轿车传动系统中的重要部件，其作用是将发动机的动力从变 速器传递到两个前车轮满足轿车传动轴外端转角的要求；将发动机的动力平 稳、可靠的传递给车轮；补偿轿车内端悬架的跳动，驱动轿车高速行驶。由于 等速玎向节传递繁重的驱动力矩，随受负荷重，传动精度高，需求量很大，又 是安全件，凶此其主要零件均采用精锻件加工而成“”。 由此可见，等速万向节是汽车行驶过程中保证安全性、可靠性和稳定性能 的关键部件，其质量直接影响汽车在行驶中的安全性和可靠性。而汽车的安全 与否叉直接影响到人们的生命安全和切身利益。所以对汽车万向节相关性能的 检测显得尤为重要。 因此台州宏利汽车零部件有限公一j 与武汉理工大学进行了一个合作项目一 一汽车等速万向节综合性能试验台的研制。此项目主要是为了快捷准确的榆测 汽车等速万向节的综合性能，从而汽车零部件的质量问题得到控制。 1 2 国内外研究现状 我国汽车制造及零部件的制造商一直对其产品的准静态与动态的使用寿 命、疲劳及磨损极限的试验感到困扰。因为国外公司如美国的m t s 、德国的g a t 等一直将其试验台技术实行对华禁运。我国汽车制造及零部件的制造公司的产 品要做试验，要么送到国外的机构去做这种试验费用很高，时间周期长；要 武汉理t 大学硕士学位论文 么花很大的费用引进国外公司的整套试验设备但得不到设备的技术。随着经济 的快速发展，汽车制造及零部件的制造公司的用户越来越追求更高的动力输出、 机械效率和耐用性，同时他们还追求一种能被固定纪录成检测数据的价值，现 在许多企业已经把检验作为一项标准，因此对试验设备的需求愈加强烈。由武 汉理工大学通过一年的技术攻关，研制成功的汽车等速万向节综合性能试验台 各单项技术冲破了美、德公司的技术壁垒，而且这些单项技术的有机集成和创 新所形成的汽车等速万向节总成综合性能试验设备体系，使用户大大节约了费 用和时间，也极大地促进了我国试验技术的发展。 汽车等速万向节总成性能参数试验设备由周期循环寿命试验台、扭转疲劳 强度试验台、密封罩低温试验台共三台设备组成。由于本论文主要是针对其中 的周期循环寿命试验台来分析的，故下面以周期循环寿命试验台为例作技术经 济效益分析。 根据中国科学院武汉科技查新咨询检索中心提供的查新报告，从检出的文 献看，有可对汽车等速万向节传动轴进行静扭断裂强度测试试验的试验台、机 械封闭功率流齿轮试验台、封闭直流电功率流型机械传动试验台、电液比例控 制加载机械闭式变速器试验台等多种试验台装置的报道，未见采用了功率流机 械封闭式试验方式、电液比例液压连续加载、静音滑台设计及楔式倍压锁紧设 计的可进行周期寿命性能试验、外球笼摆角检测、内球笼许用摆角与许用滑移 量、密封罩离心试验等四项试验的汽车等速万向节周期循环寿命试验台的报道。 表1 - 1 将本项目的研究成果与国内外同类技术的主要性能参数进行了比 较。从表1 - 1 和查新报告可得出结论，本课题组在汽车等速万向节的封闭式周 期循环寿命试验台中有以下创新设计： ( 1 ) 旋转式叶片液压加载器，具有体积小、扭矩大、可在工件旋转中使用 的特点。 ( 2 ) 采用静音滑台设计，解决了重型滑台的无摩擦、静音运动与增大锁紧 夹紧面问题。 ( 3 ) 楔式倍压锁紧机构，提供1 1 倍的液压推力的安全锁紧力。 ( 4 ) 采用电液比例调压技术，实现了用计算机电子信号控制调节液压加载 系统的扭矩载荷压力。 ( 5 ) 许用摆角、许用滑移量的微分检测技术。 ( 6 ) 一台设备可完成4 项测试项目：周期寿命性能试验、外球笼摆角检测、 内球笼许用摆角与许用滑移量、密封罩离心试验。 5 武汉理工大学硕士学位论文 本设备的功能、技术指标均达到和超过国家标准的要求。因此，本试验台属 于重大技术集成创新成果。 表1 周期循环寿命试验台综合技术参数比较表 国内外本成果 项目综合技术水平及特点综合技术水平及特点 开放式高功耗。 功率流 低功耗，其功率只有开放 总体结构式结构的1 4 - - 1 1 5 ，本台采 封闭式低功耗。 封闭式 用2 2 k w 。 受力不均匀，寿命 滚珠滑台短，有噪音，不易 外球笼锁紧。 静音滑台 驱动力大，驱动平稳， 摆角滑台 受力均匀，摩擦大， 无噪音易锁紧。 静摩擦 寿命短，噪音大， 滑台 易锁紧。 摆角滑 液压锁楔式倍压 液压倍增式加楔式机 台锁紧 紧机构 液压倍增式 锁紧结构 构，锁紧力达到液压驱 机构动力的1 1 倍，结构紧凑。 传动轴直流调可由计算机控制， 变频电机 可由计算机控制， 驱动方式速电机不能无级调速。可无级调速。 磁粉制动低频特性差，价格不 器高。 电液比例专利液压加载器，无泄 液压加载 泄漏大，体积大。 连续双向漏，体积小。电液比例 加载方式 器 旋转液压液压连续加载，计算机 电动加载 体积大，价格高。 加载器控制。价格适中。 器 机械加载体积大，控制精度低。 可完成4 项测试项目： 周期寿命性能试验、外 可测试一台口k 氏弛【 完成单一测试项目 一台口k 战弛 球笼摆角检测、内球笼 项目 设备 设备 许用摆角与许用滑移 量、密封罩离心试验。 6 武汉理工大学硕士学位论文 虽然本科技计划项目已经完成，但是在使用时干扰比较严重，故本论文主 要解决的问题就是分析干扰产生的来源、干扰传播的途径以及干扰产生的影响 及其相应的抗干扰措施的研究。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文主要是针对汽车等速万向节综合性能试验台检测过程中遇到的干扰进 行了分析和相应的抗干扰措施的设计。本文的内容安排如下： 第l 章主要介绍了论文研究的目的和意义、国内外研究现状。其中介绍了 汽车等速万向节的结构及作用和对比了周期循环寿命试验台国内外研究现状。 第2 章详细介绍了周期循环寿命试验台的工作原理，重点介绍了试验台的 检测控制部分，另外分析了检测控制系统中存在的干扰问题。 第3 章介绍了周期循环寿命试验台检测控制系统的电磁干扰源，从干扰产 生的来源、干扰传播的途径和干扰产生的危害三个方面重点分析了雷电冲击引 起的暂态干扰、静电放电引起的干扰、开关电源引起的干扰、和变频器谐波引 起的干扰。 第4 章主要从雷电防护、静电防护、信号通道抗干扰、电缆设计、变频器 的电磁兼容和系统的软件抗干扰几个方面来研究本检测控制系统的抗干扰措 施。 第5 章主要进行了抗干扰措施的仿真，并得出相应的结果。 第6 章综合评述了本文的研究工作。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章周期循环寿命试验台的概述 2 1 试验的目的 周期循环寿命试验台主要是进行周期寿命性能试验、外球笼摆角检测、内 球笼许用摆角与许用滑移量和密封罩离心试验四个试验。其试验的目的是根据 汽车各挡位的转速、扭矩要求及运转规定的时间，完成周期循环寿命试验。 2 2 试验的条件与方法 本试验台试验的条件主要有：应等同于安装在所用汽车中的等速万向节 总成。应在常温( 室温) 环境下进行。伸缩型等速万向节中心位置应接 近其在汽车中的正常安装位置。轴交角应等同于安装在汽车中的正常角度。 转速应满足汽车各档位的转速。加载扭矩应满足汽车的性能。 试验的方法为：模拟在汽车中的工作，在各档位的转速下，加载相应 的扭矩，转动相应的时间( 或循环次数) ，各转速都转动一遍为1 个循环周期。 试验至试样破坏为止，记录下转速、加载扭矩、运转时间、循环次数。从 循环开始每间隔3 h 测量一次试样表面温度，若温度高于1 2 0 时，停止试验。 2 3 试验台的技术要求 ( 1 ) 试件长度范围：5 0 0 1 2 0 0 m m 。 ( 2 ) 工件安装角度：外球笼偏摆角度0 - - 4 5 。( 水平方向) ；内球笼偏摆角 度0 2 2 。( 垂直方向) ；试验时摆角可在此角度范围内调整。 ( 3 ) 内球笼升程：4 0 0 舢。 ( 4 ) 转速0 1 2 0 0 r m i n 范围内可调，转速控制精度：1 。 ( 5 ) 扭矩范围：o 1 2 0 0 n m ：扭矩测量精度：1 f s ( 6 ) 最高转速1 2 0 0 转m i n ( 扭矩值5 0 0 n m ) ；最低2 0 0 转m i n ( 扭矩值 1 2 0 0 n m ) ，最大试验功率6 0 k w 。 ( 7 ) 红外传感器实现即时测量传动轴外球笼处温升状况，温度达到1 2 0 。c 8 武汉理工大学硕士学位论文 时停机。 ( 8 ) 根据实验项目的不同，可以显示温度、转速、转矩等参数。检测报告 可以打印输出，检测数据和试验结果可存入数据库。 ( 9 ) 测试台应配有过压、过流、缺相保护和紧急停机装置。 ( 1 0 ) 测试台工作方式：连续2 0 0 小时以上或循环计数1 0 7 次。 2 4 周期循环寿命试验台方案 为达到试验的目的和技术要求，试验台采用如图2 1 所示的原理，让汽车等 速万向节在汽车各挡位的转速、扭矩要求及运转规定的时间，完成周期循环寿 命试验。 图2 1 周期循环寿命试验台的原理框图 由试验台的原理框图可知，试验台主要由变频调速系统、液压加载系统、 检测控制系统组成。变频调速系统主要是为了改变试件的转速，由计算机控制 实现自动调速；液压加载系统主要是为了实现自动连续加载、卸载，由计算机 实现试验扭矩的调节与控制；检测控制系统是试验台的核心，实现实时的检测 和控制，完成汽车等速万向节的周期循环寿命试验。 9 武汉理工大学硕士学位论文 周期循环寿命试验台采用功率流机械封闭式试验方式，通过电液比例技术 实现液压连续加载，变频调速驱动，极大地节省了试验能耗。试验台采用计算 机控制，通过多位开关，可选择不同的试验项目。可以自动采集数据，记录转 速、加载扭矩、运转时间、循环次数、许用滑移量、许用角、密封罩的外径差 等相关数据，并能打印图表报告等。 2 4 1 变频调速系统 由于变频调速系统具有调速快，精度高，节能等优点，本试验台采用变频 调速系统来实现。此变频调速系统由变频器和变频电机构成。 2 4 1 1 变频器的原理 本试验台采用的是交一直一交电压型变频器，其主电路图如2 - 2 所示旧。 万一 。工坠 r i , 警 z 1 嘶 警 z 车i 廿 = v l v d iv i 的 辽 “v 铆 z zs 之 + c f = v l h v d 4v d 6 斡 v 2 兮 z2 z l 2u i - 2 交一直一交电压型变频器主电路 图中各部分的作用做如下说明。 ) 整流部分( 交一直) 器是变频器中用来将交流变成直流的部分，它可以由整流单元、滤波 ，开启电路、吸收回路组成。 流单元( v d l v d 6 ) 武汉理工大学硕士学位论文 图中的整流单元是由v d i - v d 6 组成的三相整流桥，它们将工频3 8 0 v 的交流 电整流成直流，平均直流电压为5 1 3 v 。 滤波电容( c f ) 图中的滤波电容c f 其作用是对整流电压进行滤波。值得指出的是c f 是一个 大容量的电容器，它是电压型变频器的主要标志，对电流型变频器来说滤波的 元件是电感。 开启电流吸收回路( r ：、s ：) 在电压型变频器的二极管整流电路中，由于在电源接通时，c ，中将有一个 很大的充电电流，该电流有可能烧坏二极管，容量较大时还可能形成对电网的 干扰。影响同一电源系统的其他装置正常工作，所以在电路中加装了由尺。、s 。 组成的限流回路，刚开机时，r 。串入电路，限制c ，的充电电流，充电到一定的 程度后s ，闭合将其切除。 ( 2 ) 逆变部分 逆变部分的基本作用是将直流变成交流，是变频器的核心部分。 逆变桥 图3 1 中，由v i - - - v 6 组成了三相逆变桥，v 导通时相当于开关接通，v 截 止时相当于开关断开。现在常用的逆变管有绝缘栅双极晶体管( i g b t ) ，大功率 晶体管( g t r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、功率场效层晶体管( m o s f e l ) 等。 续流二极管( v d 7 v d l 2 ) 续流二极管v d 7 - - 一v d l 2 的功能有下面几点： a 由于电动机是一种感性负载，工作时其无功电流返回直流电源需要v d 7 v d l 2 提供通路。 b 降速时电动机处于再生制动状态，v d 7 - - v d l 2 为再生电流提供返回直流的 通路。 c 逆变时v i - - - v 6 快速高频率地交替切换，同一桥臂的两管交替地工作在导通 和截止状态，在切换的过程中，也需要给线路的分布电感提供释放能量的通路。 ( 爹缓冲电路( r 。疋、v d o l v d 0 6 、c o i c k ) 逆变管v 1 - - 一v 6 每次由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极和发射极( 即 c 、e ) 之间的电压u c e 极快地由0 v 升至直流电压值u n ，这过高的电压增长率会 导致逆变管损坏，g 。氏的作用就是减小电压增长率。v 1 - - - v 6 每次由截止状 态切换到导通状态瞬间，c o 。一气上所充的电压( 等于u d ) 将向v l v 6 放电。 该放电电流的初始值是很大的，民r 。的作用就是减小g c o h 6 的放电电流。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 制动部分 制动电阻 变频调速在降速时处于再生制动状态，电动机回馈的能量到达直流电路，会 使u d 上升，这是很危险的。需要将这部分能量消耗掉，电路中制动电阻r 口，就 是用于消耗该部分能量的。 制动单元 制动单元由大功率晶体管( i g b t ) 及采样、比较和驱动电路构成，其功能 是为放电电流l 流过提供通路。 2 4 1 2 电机的选择 由于变频调速系统中采用的电机是功率补偿电机，用于使试验台运转起来， 并补偿封闭传动系统中传动箱、传动轴等因摩擦损失的功率。 本试验台的试验功率为6 0 k w ，为中等功率，补偿功率理论上为1 5 - - - 1 1 6 试 验功率，为具有一定的余量采用2 2 k w 的电动机。 2 4 1 3 变频器的选择 选择变频器主要原则是要选择适当的额定容量和额定电流。而连续运行时 所需的变频器容量的计算式如式2 1 、2 - 2 所示h 1 。 l ( 2 一1 ) j l l c o s 牛 k ( 2 2 ) 式中 匕一负载所要求的电动机的轴输出功率； 刁一电动机的效率( 通常约0 8 5 ) ； c o s 矽一电动机的功率因数( 通常约0 7 5 ) ； 毛一电动机电流，工频电源时的电流； 霓一电流波形的修正系数( p 眦方式取1 0 5 - - - 1 0 ) ； 一变频器的额定容量( k v a ) ； 一变频器的额定电流( a ) 。 故意罴k v a 3 4 5 k v a ，1 x 2 2 0 0 0 3 8 0 5 7 9 a 由于要留有一定余量，故选择额定容量为4 2 3 k v a ，额定电流为6 1 a 的三 垦4 0 0 v 级s h f 一3 0 k 型变频器。其技术指标如表2 - i 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 表2 - 1 三垦4 0 0 v 级s h f 系列变频器技术指标 型号s h f 1 8 j k s h f 2 2 ks h f 3 0 l cs h f 3 7 1 (s h f - 彤ks h f 5 5 k 标准适用电机 1 8 j k w兹k w3 0 k w3 7 k w 彤k w 5 5 k w 额定容量l 2 6 3 k v a3 1 9 k v a舵3 k v a5 1 3 k v a6 2 棚弘7 6 2 k v a 输 额定电流2 3 8 a粥a6 l a嬲如a1 1 0 a 出 额定过载电漉 1 卯。1 分钟 额定输出电压 3 由3 8 0 v l s o h z ，4 0 0 v l 如h z ，4 6 0 v 1 6 0 h z 输 额定电压，频率 3 士3 8 8 - 4 6 0 v 如6 0 h z 7 变动容许值电压：1 5 一+ 1 m 频率：f 5 电压不平衡事：3 以内 7 入 电源阻抗 1 以上( 未满1 o 时，使用选购电抗器) 保护结构 封i j l 型( i p 2 0 ) 冷却方式 强制风冷 重量 1 2 k g 1 5 k g 2 0 k g 2 5 k g3 2 k g3 3 k g 控制方式v l i ! f j 空制或无速度传感器控嗣 高频载波频率正弦波p w m ( 载波髀l k - 1 4 1 d - t z ) 3 输出频车花围0 胍6 h z 起动频率0 一加h z 可变) 4 控 频率数字设定 0 d l h z ( 0 0 5 枷h z ) 制 设定分辩宰模拟设定 0 1 ( 1 0 b i t 0 - 1 0 v ，4 - 2 0 m a ，0 以( 9 b i t 0 - 5 v ，对于最大输出频率 功 数字设定输出频率的如0 1 c 1 0 - + 4 0 c ) 能频事精度 模撤设定 最大输出频率的_ 4 0 2 ( 9 5 c f l 0 c 5 直漉铜动 开始频率( 0 2 。2 0 h z ) ，动作时间( 0 1 1 0 秒) ，制动力( 1 1 0 步进) 瞬停再起动、转速跟踪起动、多档速运转、频率跳跃、报警自动恢复、p i d 控常图形运转、 附属功能 节能运转、转矩限制( 仅限无速度传感器控制梗式时) 运转，停止设定操作面板、串行通信【r s 4 8 5 ，r s 2 3 2 c ) 、控制回路端子 频率数字设定操作面板、串行通信( r 5 4 8 5 ，r s 2 3 3 c ) 、端子台步进 指令设定模掇设定 2 c k0 5 v 、0 - 1 0 砜4 - 加m a 、电位器【5 k o 、0 3 w 以上) 运频率指令、芷转指令、反转指令、加速、减速时涠设定、空转停止服警解除、紧急停止、 转 输入信号 j o g i 盘择、步进频率设息运转信号保持、转矩限制( 仪限于无速度传感器) 、擞字输入： 功 8 c h 可任意设定分配暖拟输入：电压l c k 电i i 永电压蒹用1 c 蝎 能 罄点输出 报警总括以及多功能接点输出( 1 c 接点、a c2 5 0v 、0 3 a ) 输出信号 状态信号 运转中、频率一致、过载预报、欠压、频率到达 集 输出 电极开路输出3 c h 可任意设定分配、模拟输出2 c h ) l e d 显示频率、输出电i i k 同步转速、负载率、输出电压、压力、线速度【无单位、运转中、报警 串行通信班 r s 4 8 文r s 2 3 ：c 功能扩张 通过r s 2 3 2 的串行通信口进行软件版本升级【专用型变频器才具备) 外部电源输出 d c 2 4 v 、l 弼r 蚺( 控制端子台) 电流限 | ；扎过电流切断、电机过负载、外部热敏器、欠压、过电压、瞬时停电、 保护功铑 散热片过热、输入输出缺相傈护 警告功能 过电压防止中、加减速中电流限制动作、制动电阻过热警告、过载警告、散热片过热警告 胃围温度1 0 - + 5 0 ( 3 ( 但是 加以上时，拆下上部通风盖) 环保存温度 2 0 + 6 5 6 境 周围湿度9 0 , 以下【无水珠凝结现象) 使用环境海拔1 0 0 0 m 以下屋内( 避免阳光直射，无腐蚀性气体，无易燃性气体无油雾及尘埃) 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 液压系统的原理 本试验台液压系统分为独立的传动系统和加载系统两部分，各自承担不同 的任务。 2 4 2 1 液压传动系统 液压传动系统主要用于驱动试验台中的运动部件运动，如回转工作台的回 转、立式液压滑台的上下运动以及回转工作台的锁紧。传动系统原理图如图2 3 所示。 图2 - 3 液压传动系统原理图 系统有三个执行元件：推拉缸负责回转工作台的回转，锁紧缸负责工作台 的锁紧、放松，立式缸负责立式液压滑台上下运动。 为使液压传动系统电机2 2 在空载下启动，应使电磁铁7 y a 得电，此时电磁 溢流阀l 处于卸荷状态。系统工作时，电磁铁7 y a 应失电。 当电