（机械电子工程专业论文）汽车动力转向油泵试验装置的研制与应用.pdf

汽车动力转向油泵试验装置的研制与应用 摘要 汽车动力转向油泵是汽车液压动力转向系统中的油源装置，其工作性能的 好坏直接影响汽车行驶的平稳性和可靠性，关系到驾乘人员的生命财产安全， 对转向油泵的性能进行严格的出厂试验尤为重要。 针对汽车动力转向油泵在生产过程中需要逐个进行试验的问题，研制了一 种高效、高精度的试验装置。该装置基于m c s 5 1 系列高性能单片机，分为机 械系统、液压系统和控制系统三部分，可以对汽车动力转向油泵的转速和油压 进行无级调节，并可检测流量和扭矩等重要参数，从而完成试验大纲所规定的 跑合、安全阀调节、容积效率检测，以及最大流量检测等多种试验。 传统的汽车动力转向油泵试验装置采用键盘输入和l e d 显示实现人机交 互，这种界面对操作人员的素质要求比较高，不直观也不方便，降低了产品的 测试速度。本文选用触摸屏为人机交互界面，触摸屏具有坚固耐用、反应灵敏、 节约空间、易于交流等诸多优点，使得人机交互更为直截了当。采用m o d b u s 通信协议编写单片机通信程序，实现了触摸屏与单片机之间的通信联络。根据 试验大纲要求设计了人一机界面，包括手动和自动两种测试方式，可以实现数据 显示、参数设置、自动测试和报警提示等功能。 使用结果表明，该装置的测控精度高，人机界面友好，操作简单方便，适 合汽车动力转向油泵的批量试验，应用前景广阔。 关键词：转向油泵；试验装置；单片机；触摸屏；m o d b u s 协议 d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft e s t i n gd e v i c ef o r v r e h i c l ep o w e r s t e e r i n gp u m p a b s t r a c t v e h i c l ep o w e rs t e e r i n gp u m pi st h es o u r c eo ft h eo i li n s t a l l a t i o ni nt h e a u t o m o t i v eh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，w h o s ew o r k i n gp e r f o r m a n c e sd i r e c t l y a f 诧c tt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h em o t o rc a ra n dr e l a t et ot h es a f e t yo ft h e l i v e sa n dp r o p e i r t i e so ft h eo c c u p a n t s i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tf o rm a n u f a c t u r i n g e n t e r p r i s e st ot e s tt h es t e e r i n gp u m p i nv i e wo ft h ep r o b l e mt h a tt h ev e h i c l ep o w e rs t e e r i n go i l p u m p sn e e dt ob e t e s t e di n d i v i d u a l l yd u r i n gp r o c e s s i n g ，ah i g h - e m c i e n c ya n dh i g h - p r e c i s i o nt e s t i n g d e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e di nt h ep a p e r b a s e do nm c s - 5l h i g h p e r f o n n a n c es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ，t h ed e v i c ec o n s i s t so ft h r e ep a n s ： t h em e c h a n i c a ls y s t e m ，t h e h y d r a u l i cs y s t e ma n dt h ec o n t r o ls y s t e m t h ed e v i c ec a ns t e p l e s s l yr e g u l a t et h e r o t a t i n gs p e e da n do i lp r e s s u r eo ft h ev e h i c l ep o w e rs t e e r i n go i lp u m p a n dt h e i m p o r t a n tp a r a m e t e r ss u c ha so i ln o wr a t ea n dm o t o rt o r q u ec a na l s ob ed e t e c t e d ，s o v a r i o u st e s t sc a nb ef u l f i l l e da ss t i p u l a t e di nt h et e s t i n gp r o g r a m ，s u c ha sr u n n i n g - i n ， s a f e t yv a l v ea d ju s t i n g ，v o l u m e t r i ce m c i e n c ym e a s u r i n ga n dm a x i m u mn o wr a t e m e a s u r i n g t r a d i t i o n a lv e h i c l ep o w e rs t e e r i n gp u m pt e s t i n gd e v i c eu s e s k e y b o a r da n d l e dd i s p l a yt oa c h i e v eh u m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o n t h i sk i n do fi n t e r f a c er e q u i r e s ah i g hq u a l i t yo fp e r s o n n e la n do p e r a t i o ni sn e i t h e rv i s u a l i z e dn o rc o n v e n i e n ta n d t h et e s t i n gs p e e di ss l o w i nt h ep a p e r ，i n d u s t r i a lt o u c hs c r e e nh a sb e e ns e l e c t e da s t h ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c e ， w h i c hm a k e st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n o p e r a t o r a n d m a c h i n eb e c o m em o r es t r a i g h t f o r w a r d t b u c hs c r e e nh a sd u r a b l e ， r e s p o n s i v e ， s p a c e s a v i n g ，a n dm a n yo t h e ra d v a n t a g e sa n di se a s yt oc o m m u n i c a t ew i t h t h e p r o g r a m so ft h es i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rh a v e b e e nw r i t t e n a c c o r d i n g t o m o d b u sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l w i t ht h e p u r p o s e o f r e a l i z i n g t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et o u c hs c r e e na n dt h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r t h e h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e i m a g e sh a v e b e e nd e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h et e s t i n g o u t l i n e ，w h i c hi n c l u d em a n u a lm o d ea n da u t o m a t i cm o d ea n dc a na c h i e v ed a t a d i s p l a y i n g ，p a r a m e t e r ss e t t i n g ，a u t o m a t i ct e s t i n g ，a l a r m i n ga n do t h e rf i u n c t i o n s t h et r i a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et e s t i n gd e v i c eh a sh i g hp r e c i s i o no fm e a s u r i n g a n dr e g u l a t i n g ，t h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei sf r i e n d l ya n dt h eo p e r a t i o ni ss i m p l e a n dc o n v e n i e n t s ot h et e s t i n gd e v i c ei ss u i t a b l ef b rb a t c ht e s t i n go fv e h i c l ep o w e r s t e e r i n go i lp u n l p sa n dh a s w i d ep r o s p e c t so fb e i n gw i d e l yu s e d k e yw o r d s ：s t e e r i n go i lp u m p ；t e s t i n gd e v i c e ；s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ；t b u c h s c r e e n ；m o d b u sp r o t o c o l 致谢 岁月如梭，光阴荏苒，硕士研究生的学习和生活转瞬即逝。值此论文完成 之际，谨向我尊敬的导师王玉琳老师以及绿色所指导和帮助过我的所有老师们 致以衷心的感谢! 感谢刘志峰院长在硕士研究生阶段对我的指导和激励，刘院长用他博学的 知识、严谨的科研态度和踏实的工作作风，来教导我如何去做科研，如何做好 科研。 感谢刘光复教授、宋守许副教授、张雷副教授对我工作、学习、生活的帮 助和照顾。 特别感谢王玉琳老师，在研究生阶段的科研工作中与王老师朝夕相处，让 我受益颇多。他踏实的工作作风、对学生的热诚和蔼、专业的学术素养让我如 醍醐灌顶。幸得王老师的耳提面命、循循善诱，本人的大、小论文才得以按期 按质完成。对于王老师的辛勤教诲，在此表示最真挚的谢意和最崇高的敬意。 感谢高洋博士、李新宇博士、刘涛博士、张曦、赵健、蒋浩、夏晖等同学 在科研项目和学习生活上给予的支持和帮助。 感谢己毕业的朱一、阳斌、黄娇红、毕道坤、魏培、赵流现、袁小鹤、赵 子文等师兄师姐，在我刚步入科研团队时所给予的帮助和指导。 感谢我的家人多年来给我的支持和鼓励，这将是我一生的动力。特别感谢 我的父母，正是在你们的教育和帮助下，我才能顺利完成学业。 最后，感谢为我的论文提供帮助的参考文献作者们。 作者：王运 2 0 1 2 年4 月 插图清单 图1 1动力转向系统的结构2 图2 1试验装置动力传递结构示意图5 图2 2 扭矩传感器安装方式8 图2 3 轴l 和轴2 的位置8 图2 - 4 传动轴1 结构设计9 图2 5 传动轴2 结构设计9 图3 1液压系统总体方案1 1 图4 1控制系统原理框图1 6 图4 2 程序存储器扩展17 图4 4 地址译码法连线18 图4 58 2 5 5 a 与a t 8 9 s 5 2 的硬件连接1 9 图4 6d a 转换模块的过程原理图2 0 图4 7 变频器控制模块2 0 图4 8比例阀控制模块2 1 图4 9 d 转换的过程原理图2 1 图4 1 0 3 3 8 扭矩转速传感器与单片机的硬件连接2 2 图4 1 14 2 0 i i 认电流转换成0 5 v 电压2 2 图4 12a d c 0 8 0 9 模拟量采集模块2 3 图4 1 3 触摸屏的结构原理图一2 4 图4 15 通信口参数设置一2 5 图4 1 6 汽车动力转向油泵试验装置人机界面主界面2 6 图4 17 “自动测试 画面按钮设置2 7 图4 18 手动方式组态画面一2 7 图4 19 “实时转速”数值显示元件设置2 8 图4 2 0 “转速调节”数值输入元件设置2 8 图4 21类比报警设置2 9 图4 2 2自动方式组态画面一3 0 图4 2 3 通信程序流程3 3 表格清单 表2 1工作情况系数kp 7 表2 2 3 3 8 系列智能数字式扭矩转速传感器技术参数7 表3 1z q y 系列压力传感器1 3 表3 2 其它液压元件的选型l3 表4 1外围芯片译码地址1 9 表4 2 触摸屏与单片机位地址对应关系一3 0 表4 3 触摸屏与单片机字地址对应关系。3 0 表4 - 4 通信报文格式3l 表4 5m o d b u s 功能代码一3 2 表4 6 数值显示元件触摸屏发送通信数据格式3 2 表4 7 数值显示元件单片机通信应答数据格式3 2 表4 8 位元件触摸屏发送通信数据格式3 4 表4 9 位元件单片机通信应答数据格式3 4 表4 1 0 数值输入元件触摸屏发送通信数据格式3 4 表4 1 1 数值输入元件单片机通信应答数据格式3 4 表5 1跑合试验流程一3 5 表5 2 安全阀调节试验流程3 5 表5 3 容积效率检测试验流程3 6 表5 4 最大流量检测试验流程3 6 表5 5 现场实测转向油泵的转速( r m i n ) 和压力( m p a ) 3 7 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 近年来，随着汽车装备制造业的快速发展，中国已成为一个新兴的汽车大 国。据估计，2 0 l5 年国内汽车总销量预计将超过美国，到2 0 2 0 年，中国的国 内汽车总产量将达到两千万台，其中2 0 的产品将进入国际市场。目前，发达 国家将近1 0 0 的汽车都已装载了液压助力转向系统。在国内，汽车制造商为了 满足舒适性和安全性的要求，也正在越来越多地使用液压助力转向系统。中型 卡车、高档客车、高档轿车、轻型卡车和微型车等都已开始装载液压助力转向 系统。 汽车动力转向油泵是汽车液压助力转向系统中的关键油源部件，其工作性 能的好坏，直接影响汽车驾驶过程中的平稳性和可靠性【1 1 ，关系到驾乘人员的 生命财产安全。现代社会人们对汽车的液压助力转向系统提出了越来越高的性 能要求，比如操作轻便、转向灵敏、污染小、噪声低、行驶平稳等，这些要求 都取决于提供动力油源的转向油泵的性能。因此，对转向油泵的性能进行严格 的出厂试验显得尤为重要。 1 2 汽车动力转向油泵试验装置国内外研究现状 1 2 1 汽车动力转向油泵简介 汽车转向系统是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构【2 1 。汽车转向机构 可分为机械转向和动力转向两种方式。机械转向是依靠驾驶员的手力转动方向 盘，经转向器和转向传动机构使转向轮偏转。动力转向是在机械转向的基础上， 加装动力系统( 多采用液压助力系统) ，可借助此系统来减轻驾驶员的手力，让 汽车的驾驶变得更加简单和轻松，并且让车辆反应更加敏捷，在一定程度上提 高了汽车驾驶的安全性。随着科技的发展，目前已出现了电子液压助力转向系 统和电动助力转向系统。但是机械式的液压助力系统凭借着成本低、可靠性高、 助力力度大等诸多优势，目前仍在国内大量使用。 机械式液压动力转向系统的结构如图卜1 所示，动力转向系统是在机械转 向系统的基础上加设一套由机械转向器、转向动力缸和转向控制阀三大部分组 成转向动力装置。如图卜1 所示，当驾驶员转动转向盘1 时，转向摇臂9 摆动， 通过转向直拉杆1 1 、横拉杆8 、转向节臂7 ，使转向轮偏转从而改变汽车的行 驶方向。本试验装置测试的汽车动力转向油泵的功能是将发动机的机械能转变 为驱动转向动力缸工作的液压能，再由转向油泵动力缸输出转向力驱动转向轮 转向。 7 1 方向盘2 转向轴3 转向中间轴4 转向油管5 转向油泵6 转向油罐7 转向节臂 8 转向横拉杆9 转向摇臂1 0 整体式转向器l1 转向直拉杆1 2 转向减震器 图卜l动力转向系统的结构 1 2 2 试验装置国内外研究现状 目前发达国家汽车动力转向油泵的性能试验多采用先进的自动化装置【3j ， 例如德国著名的汽车配件生产商博世( b o s c h ) 和采埃孚( z f ) ，都采用了主流 测控技术一一计算机自动化，他们研制的汽车动力转向油泵试验装置具有测试 精度高、测试速度快、测试结果直观等优点，可以说代表了当今汽车动力转向 油泵性能试验装置的最先进水平。但是，引进这些设备需要花费很多外汇，且 维修成本高，不适合我们的国情。目前，国内现有的汽车动力转向油泵试验装 置与国外的先进水平还存在一定的差距，主要表现在：测试精度低；长期工作 的可靠性差；测试功能单一，产品适应性差；操作复杂，对工人的素质要求比 较高。国内传统的做法是，采用人力在自制的汽车转向油泵试验装置上调整泵 的各种工况，手工记录泵的流量、压力、转速、温度和扭矩等一系列参数，最 后人工处理各种数据，制作报表绘制曲线。这种方法测试精度低，劳动强度大， 工作效率低，不适合批量试验【4 j 。国内现有的带有测控功能的转向油泵试验装 置，多数基于p c 机”j ，造价不菲，可靠性差，操作繁琐，售后服务得不到保证， 最为关键的是测试试验的步骤不能更改，产品的适应性差。另外，国内近几年 开发的少量基于单片机的汽车动力转向油泵试验装置，多采用键盘输入和l e d 显示实现人机交互，这种界面显示信息少，对操作人员的素质要求比较高，不 直观，不方便，限制了产品的测试速度。 1 3 论文的主要工作及研究内容 本课题的主要任务是：针对汽车动力转向油泵在生产过程中需要逐个进行 试验的问题，研制一种高效、高精度、人一机交互更为直观的试验装置。该装置 包括机械系统、液压系统和控制系统三个部分。机械系统主要实现动力传递， 将电机的转速和扭矩传递到被测试泵；液压系统主要完成对汽车动力转向油泵 进行压力加载；控制系统的主要任务是调节转向泵的转速、油压和油温，并可 检测转向泵的流量和扭矩。其中，控制系统的设计基于m c s 一5 1 系列高性能单片 机，采用工业触摸屏人一机界面，设置手动和自动两种试验方式，产品的适应性 强，操作简单方便。试验装置具有数据显示、参数设置、自动完成测试试验、 报警提示等功能。用户可根据要求调整转向油泵的工况，自动或手动完成试验 大纲所规定的跑合、安全阀调节、容积效率检测，以及最大流量检测等各种性 能试验i6 。 1 3 1 论文的选题和研究目标 本课题来源于合肥某汽车油泵制造企业与合肥工业大学的合作项目一一汽 车转向油泵综合性能检测系统的研究与开发。该项目旨在对该企业生产的转向 油泵进行性能测试，而转向油泵在出厂前必须逐个进行性能测试以确保质量。 1 3 2 论文的研究内容 一、机械部分设计 机械部分设计包括：动力源电机、扭矩传感器、转速传感器的计算与选型， 传动轴与联轴器的设计与计算，机械传动装配图的绘制、关键部件零件图的绘 制等。 二、液压系统设计 对被试转向油泵进行压力加载，需要设计一套液压回路，选择压力加载阀、 压力传感器、温度传感器和流量传感器，还需要选择液压油过滤器等液压元件。 三、控制系统设计 转向油泵的试验大纲要求本试验装置能够完成被试泵的跑合、安全阀调节、 容积效率测试、最大流量测试等试验项目，为此需要设计一套电气系统进行相 关的测量与控制。 四、人一机界面设计 设计友好的人一机界面，使得试验操作简单化、自动化，实现各项测试数据 的实时监测，并可根据需要修改试验步骤，以提高产品的适应性。 1 3 3 论文结构安排 本论文的章节安排如下： 第一章简要介绍汽车动力转向油泵试验装置的研制背景和研制意义，分 析国内外现状，介绍论文的主要研究内容以及结构安排。 第二章设计汽车动力转向油泵试验装置的机械系统，包括动力源电机、 扭矩传感器、转速传感器的计算与选型，传动轴与联轴器的设计与计算等。 第三章设计汽车动力转向油泵试验装置的液压系统，包括压力传感器、 温度传感器、流量传感器，以及压力加载阀等液压元件的选型设计。 第四章为满足转向油泵的性能测试试验，基于a t 8 9 s 5 2 高性能单片机， 设计一套转向泵试验装置控制系统，带有多路a d 和d a 转换模块电路；基于 工业触摸屏设计一套人一机交互界面，实现单片机和触摸屏的通信，利用 s a m d r a m 软件设计触摸屏的组态画面l7 1 ，并编写通信程序。 第五章对汽车动力转向油泵试验装置进行检测试验，并对试验结果进行 分析，最后得出结论。 第六章对全文进行总结和展望。 4 第二章汽车动力转向油泵试验装置机械系统设计 汽车动力转向油泵试验装置的机械部分主要完成动力传递，将动力源电机 的转速和扭矩传递到被测试泵。本章所述的机械系统设计主要为动力传递路径 的设计，如图2 1 所示。图中变频电动机1 通过柔性联轴器2 和4 将动力传递 给被试转向油泵8 ，变频电动机1 的转速由控制系统中的交流变频器来控制。 图2 1 中的5 为轴承座，6 为被试泵安装座。3 为扭矩传感器，用来检测被试泵 的阻力矩，也可检测被试泵的转速。当控制系统检测到被试泵的阻力矩超过设 定值时，会发出指令立即停机，以保护变频电动机。7 和9 分别为被试泵8 的 进油口和出油口。 8765 4 3 l - 变频电动机2 联轴器3 扭矩传感器4 联轴器5 轴承座6 转向油泵安装座 7 进油口8 转向油泵9 出油口 图2 1 试验装置动力传递结构示意图 2 1 驱动电机计算选型 本试验装置选用三相交流异步电机来驱动转向油泵。电机的功率可由下式 计算【8 】： p ：丝( 2 1 ) 6 0 ，7 式中：p 一电动机功率，k w ； p 一转向油泵压力，m p a ； 9 一转向油泵流量，l m i n ； 叩一转向油泵总效率。 根据转向油泵试验大纲要求，最大压力为2 0 m p a ，最大流量为3 0 l m i n 。 今取p m 。x = 2 0 m p a 1 3 0 = 2 6 m p a ，q m 。x = 3 0 l m i n ，叩= 8 1 ，代入( 2 - 1 ) 式 计算得：p = p m 。x q m a x ( 6 0 叩) = 2 6 1 07 3 0 1 0 。3 ( 6 0 0 8 1 ) = 1 6 0 5 ( k w ) 。 y 系列( i p 4 4 ) 电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机【9 j ， 具有防止灰尘、铁屑或其他杂物侵入内部之特点，b 级绝缘，工作环境温度不 超过+ 4 0 ，额定电压3 8 0 v ，频率5 0 h z ，适用于无特殊要求的机械，如机床、 泵、搅拌机等。根据汽车动力转向油泵试验装置的工作环境以及上述计算结果， 本试验装置选择y 1 6 0 l 2 型三相异步电机，其额定功率为1 8 5 k w ，额定转速 2 9 3 0 r m i n ，满足使用要求。选择机座带底脚、端盖无凸缘的安装形式，电动机 的外伸轴尺寸为4 2 1 1 0 m m 。 2 2 联轴器计算选型 联轴器是机械传动中常用的部件，它主要用来连接轴与轴( 或连接轴与其 它回转零件) ，以传递运动与扭矩。本文设计的汽车动力转向油泵试验装置，需 利用联轴器来传递电机的扭矩。联轴器可分为刚性联轴器、挠性联轴器、安全 联轴器和非机械式联轴器等，常用联轴器都已标准化。低速、刚性大的短轴可 选用刚性联轴器；低速、刚性小的长轴可选用无弹性元件的挠性联轴器；传递 扭矩较大的重型机械宜用齿式联轴器；对于高速、有振动和冲击的机械，可选 用弹性元件挠性联轴器；轴线位置有较大变动的两轴，应选用万向联轴器；有 安全保护要求的轴，宜选用安全联轴器。 根据电机的转速和工作环境，为了保证联轴器的可靠性，以及制造、安装 和维护的成本，本试验装置选择弹性柱销式联轴器。这种联轴器的优点是能传 递较大的扭矩，且结构简单，安装方便，能满足长期使用。被连接的两轴允许 有一定的偏移，满足转向油泵试验装置频繁启、停的要求。 该联轴器公称扭矩的计算公式为： p 丁= 9 5 0 0 二-( 2 2 ) ，z 式中：尸一电机功率( k w ) ； 刀一电机转速( r m i n ) 。 根据式( 2 2 ) 带入电动机参数尸= 1 8 5 k w ，刀= 2 9 3 0r m i n ，计算得 t = 6 0 n m 。实际计算时应将公称扭矩丁乘以工作情况系数敝，得到计算扭 矩瓦。= 鼠丁。不同工况下的工作情况系数敝如表2 1 所示。 本试验装置的四个测试试验中扭矩变化和冲击载荷较小，根据表2 1 ，k 。可 取1 5 ，则计算扭矩瓦。= 缸x 辟1 5 6 0 n m = 9 0 n m 。根据电机外伸轴的外径 d = 4 2 m m ，从国标g b t5 0 1 4 2 0 0 3 中查得l x 3 型弹性柱销式联轴器的公称转 矩为1 2 5 0 n m ，许用最大转速为4 7 5 0 r m i n ，轴径在4 0 4 8 m m 之间，满足使 用要求。 6 表2 1 工作情况系数k 爿 工作情况及举例 髟( 原动机为电动机) 扭矩变化很小，如发电机、小型通风机、小型离心泵 1 3 扭矩变化小，如透平压缩机、木工机床、运输机 1 5 扭矩变化中等，如搅拌机、增压泵、冲床 1 7 扭矩变化和冲击载荷中等，如水泥搅拌机、拖拉机 1 9 扭矩变化和冲击载荷大，如挖掘机、起重机 2 3 扭矩变化大并有极强烈冲击载荷，如压延机、重型初轧机 3 1 2 3 扭矩仪计算选型 本试验装置选用3 3 8 系列智能数字式扭矩转速传感器。其主要技术参数如表 2 2 所示【1 0 】。 表2 2j n 3 3 8 系列智能数字式扭矩转速传感器技术参数 型号j n 3 3 8单位 不准确度 o 1 0 5f s 重复性 o 1 0 5f s 线性 o 1 o 5f s 滞后 0 1 0 5f s 过载能力1 5 0f s 工作温度 一2 0 + 6 0 供电电源 1 2v 频率信号输出 5 v j n 3 3 8 系列中的j n 3 3 8 a 为通用型动态扭矩传感器，其安装方式如图2 2 所示。扭矩转速传感器的量程选择以最大扭矩来确定，若过载使用，可能会造 成传感器的永久性损坏。 最大扭矩的计算公式为： 产9 5 5 0 p 玎 ( 2 3 ) 式中：卜扭矩( n m ) ； p 一功率( k w ) ； 万一转速( r m i n ) 。 本试验装置采用弹性柱销式联轴器，取传动效率叩= o 9 9 ，则功率 p = p 瑁= 1 8 5 0 9 9 = 1 8 3 1 5 ( k w ) ，已知心= 2 9 3 0 r m i n ，则由( 2 3 ) 式算得： 产9 5 5 0 18 3l5 2 9 3 0 = 5 9 7 ( n 。m ) 。 根据最大扭矩和最高转速，可选规格为6 0 n m 、转速为6 0 0 0 r m i n 的j n 3 3 8 a 7 型扭矩转速传感器，安装方式如图2 2 所示。 负载设备 联轴器扭矩传感器联轴器电机 一 | l ：l 一 工 图2 2 扭矩传感器安装方式 图2 2 中使用两组联轴器，将扭矩传感器安装在动力源电机和负载之间， 要保证扭矩传感器的轴线、动力源电机的轴线与负载设备的轴线，三者之间的 同轴度误差不超过0 0 5 m m 。 2 4 传动轴设计计算 图2 3 为汽车动力转向油泵试验装置的装配图，在本装置中需要进行设计 计算的传动轴为轴1 和轴2 。 图2 3轴1 和轴2 的位置 一、轴l 的设计计算 ( 1 ) 计算轴1 传递的功率尸l 和扭矩丁 轴l 传递的功率由弹性柱销式联轴器的传动效率决定，取弹性柱销式联轴 器的传动效率瑁= 0 9 9 ，则 尸l = p 瑁2 ( 2 4 ) 根据式( 2 4 ) ，计算轴1 的功率p l - 18 5 0 9 9 2 = 1 8 1 3 ( k w ) 。 轴l 传递的扭矩丁通过下式计算： d 丁= 9 5 5 1 0 6l( 2 5 ) 门 在式( 2 5 ) 中，带入电机转速门= 2 9 3 0 r m i n 和轴1 的功率p l ，算得轴 1 传递的扭矩7 1 = 5 9 m 。 ( 2 ) 初步确定轴1 的最小直径 轴1 的最小直径按照下式进行估算【9 】： 厅 d 血= 4 i 且 yn ( 2 6 ) 选取轴l 的材料为4 5 钢，调质处理，则彳o = 1 1 2 【9 1 。根据式( 2 6 ) ，带入轴 1 传递的功率p l = 1 8 1 3 k w 和转速甩= 2 9 3 0 r m i n ，便可算得轴1 的最小直径为 d m i n = 2 0 5 6 m m 。图2 4 中轴1 的最小直径实际取值为3 2 m m 。 图2 4传动轴1 结构设计 二、轴2 的设计计算 电机功率由轴1 传至轴2 时，变化不大。根据轴l 的计算结果，轴2 的最 小直径也应是2 0 5 6 m m 。类比轴1 ，对轴2 进行结构设计，如图2 5 所示，取 最小直径为3 0 m m 。 o 旷 c u 、 严、， 。一， 日b1 6 l 6 5弱 2 3 0 图2 5传动轴2 结构设计 2 5 滚动轴承设计选型 在图2 - 3 中，轴1 要承受较大的径向载荷与一定的轴向载荷，根据g b t 2 9 2 1 9 9 4 ，选择两只面对面安装的角接触球轴承，其型号为7 2 0 9 a c 【1 。角接 触球轴承的轴向预紧包括内圈的定位和外圈的预紧。在图2 4 中，内圈的轴向 定位通过直径为5 0 m m 的轴肩作为定位面，为了便于拆卸，轴肩的高度应低于 9 轴承内圈的厚度，外圈的轴向预紧采用轴承端盖。 因为轴l 上的角接触球轴承已经承受了大部分的轴向载荷，所以轴2 只需 安装一对常用的深沟球轴承，主要承受径向载荷，同时也可以承受一定的轴向 载荷。在此，选择型号为6 2 0 7 的深沟球轴承，如图2 3 所示。 2 6 本章小结 本章的主要任务是设计机械动力传递路径，将电机的动力传递到被测试的 动力转向油泵。根据计算功率选择了y 1 6 0 l 2 型三相笼式异步电机，根据计算 负载选择了l x 3 型弹性柱销式联轴器，完成了两根传动轴的设计计算和滚动轴 承的选型，绘制了动力传递路径的装配图。 第三章汽车动力转向油泵试验装置液压系统设计 液压系统主要是对汽车转向油泵进行压力加载，模拟其在特定工况( 特定 负载压力和转速) 下的工作状况，完成压力、温度的测控以及流量的检测等， 设置不同的试验条件，完成试验大纲所规定的转向油泵性能测试试验【1 2 】。 3 1 液压系统总体方案 为完成跑合、安全阀调节、容积效率测试和最大流量测试等汽车转向油泵 试验项目，本试验装置的液压系统需满足以下几个要求： ( 1 ) 对被试转向油泵进行自动压力加载，选用比例溢流阀，在控制系统中 通过d a 转换，将数字量转化成模拟电流实现对试验泵的压力加载； ( 2 ) 将试验时的油压、流量和油温等参数，通过相关的传感器传送到控制 系统并显示在触摸屏上； ( 3 ) 为保证油路的畅通，需设置多级过滤装置； ( 4 ) 为保证液压油的粘度符合试验要求，需设置加热装置； ( 5 ) 增设一个手动加载装置，当比例溢流阀出现故障时，可临时启用手动 加载机构，由操作人员控制节流阀的开度，调节压力的大小。 基于上述要求，设计本试验装置的液压系统原理图如图3 1 所示。图中，被 试泵5 由变频电动机3 驱动，其转速由转速表6 进行检测；节流阀1 1 和比例溢 1 5 l 、1 2 、1 3 、1 8 过滤器2 温度传感器3 交流异步电机4 扭矩转速传感器5 被试 转向油泵6 转速表7 截止阀8 压力传感器9 、1 4 溢流阀1 0 手动换向阀1 1 节流 阀1 5 比例溢流阀1 6 流量计1 7 冷却器 图3 1 液压系统总体方案 流阀15 用以控制被试泵5 的加载压力；溢流阀9 和1 4 作为安全阀，分别保护 被试泵5 和比例溢流阀1 5 ；压力传感器8 用来检测被试泵5 的工作压力并反馈 至试验装置的控制系统。由于转向油泵5 在试验跑合过程中会产生大量金属碎 屑，为了避免油路堵塞，安装了4 只过滤器，其中粗过滤器1 2 和精过滤器1 3 用来保护比例溢流阀1 5 ；流量计1 6 用来检测转向油泵的输出流量；温度传感 器2 用以测量系统的油温。 本试验装置设有自动和手动两种加载方式，通过手动换向阀1 0 进行切换。系统正 常工作时，手动换向阀1 0 处于上位，选择自动加载方式，通过比例溢流阀1 5 对被试 泵5 进行加载；当比例溢流阀1 5 出现故障时，可以通过换向阀1 0 启用节流阀l l ，对 系统进行手动加载以便完成相关试验【l 3 。 3 2 测试模块传感器选型 汽车动力转向油泵试验装置通过测试模块的传感器，测得压力、流量、温 度等模拟量，并通过a d 芯片转换为数字量，再传送给单片机控制系统，显示 在触摸屏人机界面上，操作者便可直观地观察或记录各项参数。 测试模块设计的关键在于传感器的选型【14 1 。传感器是信号输入通道的第一 环节，是对被测信号的拾取，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。对 于一项测试任务，首先要能够有效地从被测对象中取得能用于处理的信息，因 此，传感器在整个汽车动力转向油泵试验装置中占有十分重要的地位。 3 2 1 油压测试传感器选型 汽车动力转向油泵要求的试验参数范围是：转速0 3 0 0 0 r m i n ，流量兰 3 0 l m i n ，压力兰2 0 m p a l l 引。可选用z q y 系列压力传感器，此系列传感器采用 优质弹性材料和先进工艺，具有灵敏度高、精度高、性能稳定的特点，具有较 好的抗振、抗冲击、抗离心力以及过载等优点，可作各种管道的液体、气体静、 动态压力的测量。根据不同的使用要求，此系列传感器可与数字测量仪或计算 机等配套使用，便于实现自动化测试，主要技术指标如表3 1 所示。针对具体 的被测对象，本试验装置的压力传感器选用z q y 0 型。 3 2 2 流量测试传感器选型 本试验装置的流量检测可选用l u g b 系列流量传感器，该系列传感器适于 测量d n 2 5 3 0 0 m m 内径工业管道中的液体、气体或者蒸汽的流量。通过压电 晶体将卡门旋涡频率转化为与流量成正比的电流或电压脉冲信号。选用通径为 2 5 m m 的l u g b 一2 2 0 4 型流量传感器，其流量范围在1 2 3 3 1 6 6 6 7l m i n 之间。 该传感器可在水平或者垂直管道上布置，安装时可用配套供货的凹面法兰和双 头螺栓将传感器本体夹紧在试验装置的液压油管道上。 1 2 表3 一lz q y 系列压力传感器 型号z q y oz q y 1z q y 2z q y 3单位 灵敏度 1 5 3 51 5 3 5 1 2m v v 非线性、滞后、重复 0 1 、o 30 1 、o 3o 1 、0 3 f s 性误差 温度对零点影响 o 0 30 0 30 0 3f s 供桥电压1 0 ( d c a c ) m a x ： 15 ( d c a c )v 工作温度范围 一2 0 + 6 0 允许过负荷 1 2 0f s 连接方式输入：红( + ) 黄( 一)输出：蓝( + ) 白( 一) 3 2 3 油温测试传感器选型 本试验装置选用w t c j 系列一体化热电偶温度传感器【1 6 】，它是由温度传感 器和高集成度信号转换器组成的，信号变换器安装在温度传感器的冷端接线盒 内，把温度传感器检测到的电压信号转换成4 2 0 m a 的标准电流信号输出。该 系列传感器具有结构简单、安装维修方便等优点，可广泛应用于石油、化工、 冶金、电站、轻工等行业。 根据汽车动力转向油泵试验装置的要求，选择一体化热电偶温度传感器的 型号为：w t c j k 2 2 1 a a f ，该传感器分度号k ，固定螺纹规格为m 2 7 2 ，防 水接线盒，保护管外径l6 m m ，保护管材料为1 c r l8 n i 9 t i ，测量温度范围0 8 0 0 ，总长5 0 0 m m ，插入深度3 5 0 m m 。 3 3 液压元件选型 试验装置选择液压阀元件时，最高工作压力大于选用的液压阀元件的额定 压力；系统的额定流量也大于通过阀的最大流量，但要低于所选阀的额定流量 的1 2 0 ，这样可以避免过大的压力损失。按照转向油泵试验大纲的参数要求和 精度要求，本试验装置其它液压元件的选型如表3 2 所示【1 7 】。 表3 2 其它液压元件的选型 名称 编号型号数量 二位四通电磁换向阀 1 0 c y d 0 3 2 8 51o b 1 节流阀 11 s r c l r - 0 31 截止阀 7 n k j 4 1 h ( y ) 1 6 cl 过滤器 1 、1 2 、1 3 、1 6 z u h 4 0 x 5 p4 比例溢流阀1 5b r g a 0 3s 315 8 01 直动式溢流阀 9 d b d s l o p l 0 3 1 52 冷却器1 7 g l c 3 1 0 1 3 4 本章小结 本章根据汽车动力转向油泵试验大纲的测试试验要求，设计了汽车动力转向油泵 试验装置的液压系统，以完成对转向油泵进行压力加载，模拟特定的测试试验工况。 设计并介绍了汽车动力转向油泵试验装置液压系统各组成部分的结构和工作原理，完 成了温度、压力、流量、扭矩、转速等传感器以及相关液压元件的选型设计。 1 4 第四章汽车动力转向油泵试验装置控制系统设计 汽车动力转向油泵试验装置的控制系统设计有三种方案可供选择：一是可 编程序控制器( p l c ) ，它具有体积小、功能强、程序设计简单等优点，缺点是 柔性差，修改程序不方便；二是工业控制计算机，它具有可靠性高、环境适应 能力强、实时性好、计算精度高、运算速度快等优点，缺点是造价高，不经济， 体积大，维修费用高；三是专用微机控制系统，它具有体积小、可靠性高、安 装使用方便、造价低等优点，且系统的柔性好，软件容易更改【1 8 】。 考虑经济成本和功能修改方便等因素，本试验装置的控制系统选用专用微 机控制系统。专用微机控制系统区别于通用微机控制系统的最大特点，就是它 只包含通用系统的部分功能，一般以够用为准