（电机与电器专业论文）轮胎噪声室内测试系统的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，s o c i e t yd e v e l o p sr a p i d l y , p e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d si m p r o v e ，t h e a u t o m o b i l ei n d u s t r yd e v e l o p su n c e a s i n g l y , a n du r b a nt r a n s p o r t a t i o ni s b e c o m i n g m o r ea n dm o r ew e l l d e v e l o p e d t r a m cn o i s ei sb e c o m i n ga ni n c r e a s i n g l ys e r i o u s p r o b l e ma l o n gw i t ht h e s et h i n g s p e o p l es e tah i g h e rr e q u e s tt oa u t o m o b i l en o i s e b e c a u s eo ft h em o r ea n dm o r es t r i c tr e q u i r e m e n t st ol i r eq u a l i t y a so n eo ft h em a i n f a c t o r so fa u t o m o b i l en o i s e ，t h et i r en o i s ea t t r a c t s s p e c i a la t t e n t i o n t h e r e f o r e ， d o m e s t i ca n df o r e i g nh a v eb e g u nr e s e a r c ho nt h et i r en o i s e ，c a r r i e so nt h e e x p e r i m e n t a lt e s tt ot h et i r et h r o u g hd i f f e r e n tm e t h o d s ，f i n d i n gt h ec a u s e sa n dt h e i n f l u e n c i n gf a c t o ro ft i r en o i s e a n dt a k i n gt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e st or e d u c et h e t i r en o i s e t h i sp a p e rd e s i g n sar o t o rd r u mt e s tb e df o rt h ei n d o o rt i r et r e a dn o i s et e s t s y s t e m o nt h eb a s eo ft h em e c h a n i s mo ft i r en o i s e w 色c a nc o n v e n i e n t l yc a r r yo nt h e e x p e r i m e n t si n d o o r ，i ta l s op r o v i d e sag o o dt e s tp l a t f o r mf o rt h es t u d yo ft i r en o i s e s o fd i f f e r e n tp a r e m s i nt h i st e s tb e d ，t i r e so fd i f f e r e n tt r e a dc a nb er u no nt h es a m e c o n d i t i o n sa n dc o n d u c tn o i s et e s t st oi d e n t i f yl o w - n o i s et i r eu n d e rt h eo p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，t h a tc a np r o v i d et r u ea n da c c u r a t er e f e r e n c e sf o rt h et i r em a n u f a c t u r e r w h e np r o d u c i n gl o w - n o i s et i r e f i r s t l y , t h i st h e s i sa n a l y z e st h et i r en o i s e so r i g i na n dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s a n d c o m p a r e st h ec o m m o n l yu s e dm e t h o d so ft i r en o i s et e s t ：t h ec o a s t i n gm e t h o d ，t h e t r a i l e rm e t h o da n dl a b o r a t o r yd r u mm e t h o d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t sa n dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et h r e em e t h o d s t h i sd e s i g nc h o o s e si n d o o rd r u m s y s t e m s e c o n d l y , t h ed e s i g no ft h ei n d o o rd r u mt e s tb e di sc o m p l e t e d i n c l u d i n go v e r a l l p r o g r a ma n de a c hc o m p o n e n to ft h es t r u c t u r e ，c o m p o s i t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o fc o n t r o ls y s t e m a n ds e l e c t i o no fp l c a n dt h ei m p l e m e n t i n gp r o c e s so fc o n t r o l p r o g r a mi np l ci sa l s od e s i g n e d t i l i st h e s i sa l s oi n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n d f u n c t i o np r i n c i p l eo fs i e m e n s6 r a 7 0w h i c hi st h em a i nc o m p o n e n t so fd cs p e e d c o n t r o ls y s t e m f i n a l l y , t h eh y d r a u l i cl o a d i n gs y s t e mo ff u z z yp i dc o n t r o la r es t u d i e di nd e t a i l h y d r a u l i cl o a d i n gs y s t e mi sn o n l i n e a r , c a nn o te s t a b l i s hap r e c i s em a t h e m a t i c a l m o d e l t h i st h e s i sc o m b i n e sf u z z yc o n t r o la n de o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o lt h e o r y , d e s i g n saf u z z yp i dc o n t r o l l e r , a n dc o m p l e t e ss i m u l a t i o na n dd e b u g g i n g t h i sd e s i g np r o v i d e sag o o de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rt h et i r et r e a dn o i s e r e s e a r c h ，w h i c hh a saf e a t u r eo fc o n t r o lo fh i g hp r e c i s i o n ，a c c u r a t ed a t ac o l l e c t i o n ， s a f ea n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n ，s t a b l ep e r f o r m a n c ea n ds oo n k e yw o r d s ：t i r en o i s et e s tb e d ，h y d r a u l i cl o a d i n g ，f u z z yp i dc o n t r o l ，p l cc o n t r o l n 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：垄l 聋堑 日期：丝 q ：篁 j j i 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) c 刮膏年驯：构日期埘似引 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题题目及来源 第1 章绪论 课题的题目：轮胎噪声室内测试系统的设计 课题来源：企业委托项目 1 1 2 课题研究的目的及意义 随着社会的进步，汽车工业得到飞速发展，城市道路也在不断扩张，导致 交通噪声污染日益严重，对城市环境和人们的工作生活以及身心健康都有着严 重的影响。交通噪声主要是汽车噪声，而轮胎噪声是汽车噪声的主要来源之一， 尤其在汽车高速行驶的时候，车速越快，载荷越大，轮胎噪声越大，对行车的 舒适性和平稳性都有直接的影响，对驾驶员的行车安全也构成了极大的威胁。 随着生活质量的不断提高，人们对噪声控制的要求越来越严格，对汽车的舒适 性和安全性能都提出了更高的要求。因此，国内外各大汽车公司纷纷开展轮胎 噪声方面的研究，开发低噪声的轮胎以改善汽车的性能。基于以上现实和背景， 提出了本课题，开展对轮胎噪声的研究。本课题在研究轮胎噪声的产生机理和 影响因素的基础上，针对轮胎花纹噪声室内测试系统设计室内轮胎噪声试验台， 能够方便地在室内对轮胎进行试验。对不同花纹的轮胎进行试验，分析比较不 同轮胎花纹在相同运行条件下产生的噪声，找出对应运行条件下的低噪声轮胎 花纹，为轮胎不同花纹噪声的研究提供了良好的试验平台，为轮胎生产厂家生 产低噪声轮胎提供真实准确的参考依据。 1 2 课题研究现状及发展趋势 在2 0 世纪初，对轮胎噪声的研究还只是进行单纯的测试，而缺少对轮胎噪 武汉理工大学硕士学位论文 声的产生机理进行理论分析。直到2 0 世纪7 0 年代后，人们才开始对轮胎噪声 进行理论研究，并提出模拟计算的理念。 1 9 7 1 年，h a y d e njre 首先提出轮胎噪声的最初发声模型【l 】，他认为轮胎 主要噪声机理是空气泵浦原理，并将简单轮胎花纹沟槽看作一个单极子源，得 出花纹沟声压级的半经验公式，但利用该公式进行轮胎花纹的噪声预测仍然十 分困难【2 j 。1 9 8 5 年，通用汽车研究实验室的l a w r e n c ej 等人在横向花纹沟槽研 究的基础上得出横向花纹沟槽噪声的产生机理是气柱共鸣与泵浦作用，当花纹 间距的频率与气柱的固有频率相同时，就会产生气柱共鸣现象，使轮胎噪声加 剧【3 1 。 2 0 世纪8 0 年代后，在物理学和振动理论的研究基础上，人们开始了对轮 胎进行试验测试与模拟研究相结合的研究，逐渐建立了轮胎的动态特性模型， 并根据流体一结构相互作用原理得出结论：若已知轮胎的振动方式，结合辐射 边界条件，可以用克希霍夫一亥姆霍兹积分公式计算出轮胎振动噪声。轮胎噪 声研究进入了轮胎的动态特性的理论研究阶段【4 j 。 1 9 9 2 年，n a k a j i m ay 等人【5 j 用有限元、边界元和模态分析相结合的方法对 轮胎的振动和噪声进行了预测，可以较准确地预测中低频段的轮胎噪声；在高 频段，开始用统计能量法对轮胎噪声进行分析计算，避免由于计算量增大而带 来的大误差。h i r o s h iy 等人研究了轮胎内部空腔的共鸣声，认为汽车内部噪声 在2 5 0 h z 左右的峰值主要是轮胎内部空腔的共振噪声引起的，并提出通过改变 轮胎结构而改变轮胎固有频率的方法控制轮胎内部空腔共振噪声1 6 】。 2 0 世纪末，人们开始把轮胎和路面看成一个系统加以研究。日本学者经研 究得出结论，产生轮胎噪声的主要因素之一是路面不平导致的胎面振动，并提 出轮胎一路面接触模型，计算路面不平度对轮胎振动的影响。 同国外相比，国内的轮胎噪声研究开始得比较晚，多数为理论分析和应用 研究，对轮胎的试验研究技术缺乏经验和有效的数据支持。随着国内外对汽车 轮胎噪声研究的重视，投入的技术力量以及研究经费的加大，我国的轮胎噪声 研究已经取得多项研究成果。 目前轮胎噪声研究从最初的单纯测试发展到建立了泵浦噪声、气柱共鸣、 共振、模态分析等噪声研究理论；轮胎噪声测试方法也多种多样，有通过噪声 法、拖车法和实验室转鼓法等等，并通过轮胎声学模型和软件系统来对不同花 纹轮胎的噪声进行试验模拟和预测。目前正倾向于车速较高的汽车按照高速公 2 武汉理工大学硕士学位论文 路限定的最高车速行驶以评价轮胎噪声为目的的高速行驶噪声试验。 1 3 本课题主要研究工作 依据项目要求，本文在前期的研究成果基础上设计了轮胎噪声试验台的总 体方案，并进行了仪器设备软硬件的设计，为轮胎花纹噪声的研究提供了良好 的实验平台，主要工作如下： ( 1 ) 分析轮胎噪声来源及其影响因素。 ( 2 ) 比较几种常用轮胎噪声测试方法确定适合本课题要求的测试方法。 ( 3 ) 完成轮胎噪声室内测试系统的结构设计，包括控制系统、传动系统、 液压加载系统以及相应的防护设备的设计。 ( 4 ) 完成控制系统的硬件设计。 ( 5 ) 完成液压加载系统模糊p i d 控制器的设计 ( 6 ) 完成p l c 的选型和控制方案在p l c 中的实现。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 轮胎噪声 第2 章轮胎噪声与噪声试验 2 1 1 轮胎噪声来源 轮胎噪声产生的原因很多，主要是由轮胎与路面摩擦所引起的，是构成底 盘噪声的主要因素。一般的轮胎噪声按性质不同主要可分为三种：空气噪声、 振动噪声和振鸣噪声 7 1 。 空气噪声主要是指轮胎花纹间隙的空气流动和轮胎四周空气扰动构成的噪 声，分为空气泵吸噪声、空气共鸣噪声和空气振动噪声三种【8 】。空气泵吸噪声 是由于轮胎滚动时，轮胎花纹块与路面之间形成若干个小空腔，当轮胎接触地 面时，小空腔中的空气受到压缩并突然向外喷射，当轮胎滚离地面时，受压缩 的花纹块舒展并使小空腔容积增大而形成一定的真空度，空气被吸入，空气的 不连续造成了压力波动，从而产生噪声。 空气共鸣噪声主要是指轮胎振动使胎面花纹沟槽中的空气流动，并在一定 频率下激励空气共振而形成的噪声。 空气扰动噪声主要是指轮胎旋转时造成其周边空气压力变动而形成的噪 声，这种噪声不是轮胎噪声的主要声源，只有车速超过2 0 0 k m h 时才对轮胎噪 声级有影响，在车速较低时可以忽略不计。 振动噪声是指胎体和花纹部分振动引起的轮胎振动噪声。当运动的轮胎与 路面接触时，不连续的胎面花纹块撞击路面和不规则的路面撞击胎面均会引起 胎体的振动噪声；另一方面，当胎面离开地面时，轮胎相对于路面滑移导致轮 胎表面的振动，从而产生噪纠w 。 振鸣噪声是由于路面不平造成的路面噪声。汽车在路面上起步、急刹车或 者急转向时，轮胎与地面的接触面发生局部自激振动而产生的噪声。 2 1 2 轮胎噪声的影响因素 根据轮胎噪声的产生机理可分析出对轮胎噪声的影响因素主要分为两方 面：设计因素和使用因素。 4 武汉理工大学硕士学位论文 设计因素主要包括轮胎的结构、胎面花纹和胎面材料等因素。不同种类的 花纹以及花纹块的大小、花纹沟槽的深度和数目等造成的泵吸效应强度不同， 因此产生的噪声也不同。一般来说，在同种花纹情况下，花纹高度减少，花纹 与轮胎轴线夹角增大，轮胎噪声减小【l o 】；相同花纹的子午线轮胎比斜交轮胎的 噪声低，但差别不大；同等条件下，钢线绳轮胎比人造纤维绳轮胎噪声低，而 人造纤维绳噪声又比尼龙丝轮胎噪声略低。 使用因素主要包括汽车的行驶速度、轮胎载荷、轮胎气压、路面状况、轮 胎磨损状况等等。汽车行驶速度对轮胎噪声影响较大，轮胎噪声会随着行驶速 度的提高而增大。载荷不同时，随着载荷的增加，胎面花纹的变形增大，会使 横向花纹轮胎噪声增大，而对纵向花纹轮胎的噪声影响较小【i 。对于齿形花纹 轮胎来说，轮胎气压高时，轮胎形变小，噪声小，而轮胎气压低时，噪声大。 不同类型路面对轮胎噪声的影响也是不同的，一般磨损程度大、粗糙的路面会 产生较大噪声，柏油路面比混凝土路面噪声大。轮胎磨损对轮胎噪声也有一定 的影响，一般情况下，轮胎花纹磨损程度增强，轮胎噪声增大，但是一定程度 后，当花纹逐渐磨平时，噪声降低。 2 1 3 轮胎噪声的危害 轮胎噪声作为汽车噪声的主要来源之一不仅能引起人体的生理改变和损 伤，而且对人的心理、生活和工作同样具有极大的危害。 生理方面的危害表现在：损害听力，有关资料表明，当人连续听摩托车声 8 小时以后听力就会受损，若在8 0 分贝以上的噪音环境中生活，造成耳聋的可 能性可达5 0 t 1 2 1 ；损害视力，耳朵与眼睛之间有着微妙的内在联系，当噪音作 用于听觉器官时，也会通过神经系统的作用而影响视觉器官，使人的视力减弱； 有害于人的心血管系统，噪声会引起人体紧张的反应，使。肾上腺素增加，引起 心律改变和血压升高，从而可能导致心脏病的发展和恶化，我国对城市噪音与 居民健康的调查表明1 1 3 j ：地区的噪音每上升一分贝。高血压发病率就增加3 ； 在神经系统方面，神经衰弱症候群是最明显的，噪声能引起失眠、疲劳、头晕、 头痛、记忆力衰退。 从心理方面来说，噪音首先会引起注意力不能集中，记忆力下降等症状， 然后导致心情烦乱，情绪不稳，乃至忍耐性降低，脾气暴躁，工作效率下降， 武汉理工大学硕士学位论文 干扰语言交流和通信联络，使人反应时间加长。 另一方面，对于汽车驾驶员，若受到以上噪声影响则容易引起交通事故， 对社会造成极大的危害。 2 2 轮胎噪声试验 轮胎的产生机理比较复杂，要对轮胎噪声进行研究并找出降低噪声的措施， 首先要对轮胎进行试验以便于对轮胎噪声进行测量研究。因此，一个良好的轮 胎噪声试验台是必不可少的。由于对轮胎噪声的测量方法和评价方法不同，其 试验方法也多种多样。目前常用的轮胎试验分为室内试验和室外试验，室内试 验主要用转鼓法，而室外试验则有滑行法和拖车法。这些试验方法各有优缺点， 在进行实际试验中通常根据具体需要进行方案的选取。 2 2 1 滑行法 滑行试验法，将试验轮胎装在试验车上，让试验车加速到某预定车速后行 驶到测试指定路段，摘挡脱开发动机并关掉其他所有与安全无关的辅助系统， 只靠汽车的动能继续滑行直至停车的试验过程【1 4 1 。该试验通常在汽车试验场的 高速直线道上进行，且对同一状态的不同型号轮胎的试验应用同一试验车进行 试验。 滑行法的优点是试验所得结果能够很好地表征轮胎路面噪声向外部远场 辐射的实际情况，测量精度较高。 缺点是费用高，需要有符合一定标准的测试路段；测试耗时长且受外部环 境，尤其是气候条件( 风、雨等) 影响很大；必须远离交通区域；不能对单个轮 胎进行测试。 2 2 2 拖车法 拖车法是测量轮胎近场噪声的方法。测定时将单个或多个被测轮胎安装在 拖车上，由另一辆汽车拖动拖车进行试验【1 5 l 。其中，试验轮胎不能作为驱动轮 胎。 拖车法的优点在于可以对轮胎与路面之间产生的噪声进行近场测试，对外 6 武汉理t 大学硕士学位论文 界噪声的干扰有较好的屏蔽作用，能够较精确地反映轮胎路面噪声的真实情 况，有利于分析轮胎在路面上产生噪声的机理：且与滑行法相比，需要的试验 轮胎较少。 缺点为：同滑行法一样需要有专门的测试路段；需要有专门设计的拖车； 存在拖车与牵引车的整体振动噪声干扰；会受到风等气候条件的影响；测量结 果为近场噪声，与轮胎噪声向外部远场辐射的噪声情况不太一致。 2 2 3 转鼓法 转鼓法为室内试验方法。将转鼓设备放在消音室或半消音室中，试验时将 试验轮胎与转鼓靠在一起，由电机驱动转鼓转动从而带动试验轮胎以一定速度 旋转来进行试验【1 6 1 。 作为室内试验方法，转鼓法有以下突出优点： 测试在室内进行，受气候及环境的影响小； 测量时间短，测试结果的重复性好； 室内测试可进行长时间平均，可减少随机误差，提高信噪比； 如果整个转鼓表面的模拟路面结构一致，则测试结果的可比性较好，适 用于对比同种轮胎、不同花纹的噪声： 由于无多普勒效应，故此方法特别适用于通过窄带频谱分析进行轮胎噪 声机理的研究； 测试方法简单、方便快捷，仅需一条试验轮胎。 转鼓法缺点主要有：需要昂贵的转鼓设备以及消音室或半消音室：难以模 拟不同的道路路面情况。 本课题要求能对轮胎噪声进行室内试验，且要操作简便，精确度高，故采 用转鼓法进行试验。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章简单介绍了轮胎噪声的产生机理、影响因素及危害。轮胎噪声主要是 由轮胎与路面摩擦所引起的，一般按性质不同主要分为空气噪声、振动噪声和 振鸣噪声三种。而轮胎噪声的影响因素根据轮胎噪声产生机理的不同主要分为 设计因素和使用因素两方面。另外，本章还介绍了轮胎试验的三种常用方法： 滑行法，拖车法和转鼓法。分别介绍了三种方法的试验原理，及各自的优缺点。 并根据试验要求选取转鼓法作为本设计的试验法。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章轮胎噪声室内测试台的设计 3 1 系统总体结构 本测试台为轮胎噪声室内测试系统的专用实验台，模拟不同花纹的轮胎在 高速公路上的行驶状况，对同种条件下不同花纹的轮胎进行噪声试验，找出该 运行条件下的低噪声轮胎。 测试台总体结构框图如图3 1 ： 图3 - 1 测试台总体结构框图 ( 1 ) 转鼓系统 转鼓系统是以转鼓为主的路面驱动系统，主要由驱动电机、转鼓、主轴和 皮带轮组成。电机固定在专用电机板上，电机轴端和转鼓主轴端分别与小皮带 轮和大皮带轮联结。工作时，由驱动直流电机通过皮带降速传动带动转鼓旋转， 从而使转鼓外周表面上的轮胎以一定速度旋转。转鼓表面光滑可模拟高速公路 9 武汉理工大学硕士学位论文 路面。转鼓速度控制由西门子直流调速系统实现。 ( 2 ) 液压加载系统 液压加载系统通过加载油缸给旋转着的车轮施加一定的作用力模拟汽车载 重。主要由液压站、伺服阀块、加载油缸、直线导轨、滑台总成、压力传感器 和轮辋总成等组成。 液压站部分是一个整体组装件，其中包括：电机、油泵、精密滤油器、冷 却器、油箱、调压阀块和压力表等。加载滑台是由钢板制成的坚固的箱体结构， 滑台底板安装在高精度的直线导轨上，可以平稳轻快地滑动。 工作时，电动机驱动油泵经过伺服阀向油缸输送压力，使油缸活塞杆伸出推动 滑台沿直线导轨做往复直线运动，将安装在主轴端部的试验轮胎压向转鼓或离 开转鼓。 ( 3 ) 制动系统 制动系统为一套气动刹车装置，无论轮胎在试验中是正常退回还是异常报 警退回，制动系统都会立即工作，在极短的时间内将轮胎制动。制动系统主要 由气动三联件、气动电磁换向阀、气缸及刹车片等组成。 当轮辋总成需要制动时，控制柜向气动电磁阀发出指令，将来自气源的压 缩空气经过三联件送入电磁换向阀，最后进入气缸，电磁阀得电后换向可使气 缸活塞伸出，将刹车片推向刹车盘，起到刹车作用；电磁阀失电后，换向可使 活塞缩进缸筒内，刹车片将离开刹车盘，恢复至起始位置。 ( 4 ) 控制系统 测试台的控制系统主要包括直流调速闭环控制系统和主控制系统两部分。 直流调速闭环控制系统由s i e m e n s6 r a 7 0 直流调速装置完成，其使能的建立 和撤销由主控制台控制。主控制系统由西门子s 7 2 0 0 系列p l c 及功能模块、 工控机、人机界面和打印机等组成。控制系统除能够实现对试验机所要求的各 种控制功能外，还能够通过人机界面实现试验程序的输入和编辑功能，以及试 验过程的状态打印、报警状态的打印、试验报告及试验结果的打印。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 防护装置 在系统的各部位都有不同的防护装置，包括防爆装置、保护开关、防护挡 铁等等。 轮胎防爆装置可根据轮胎外直径大小调节支臂位置，一般使防爆叉与胎冠 保持5 8 m m 的距离。轮胎在即将爆胎前，胎面、胎冠、胎肩等处会异常起鼓， 鼓出的部分在旋转t p 会打掉防爆叉，触动隐藏在防爆支臂后面的行程开关，开 关发出讯号，油缸迅速缩回，使轮胎迅速退回，起到防爆作用。 保护开关主要包括轮胎失压保护开关和退回到位保护开关。轮胎失压保护 开关用于试验过程中，如因内胎漏气等原因造成胎压降低，轮胎压向转鼓碰块 触动行程开关即失压保护开关，使轮胎迅速退回。失压保护开关的碰块根据轮 胎规格大小确定位置。退回到位保护开关用于当轮胎后退时，碰块触动行程开 关使轮胎停止后退。 防护挡铁在靠近转鼓的地方作为最后保护，以防止电气控制失效后出现撞 车。旋转部件均有防护门，防护门打开时无法进行试验，正在进行的试验也会 立即停车。 3 2 系统功能及技术指标 本系统可实现的功能和技术指标有： 1 ) 工作电压：3 8 0 v a c ，5 0 h z ；控制电压：2 2 0 v a c ，5 0 h z ； 2 ) 试验轮胎外直径：4 5 0 , - , 1 0 5 0 m m ：试验速度范围：2 0 - , 3 2 0 k m h ，精度 2 k m h ；可无级调速，具备加速、减速运行能力； 3 ) 试验载荷范围：3 0 0 , - , 3 0 0 0 k g ，精度1 ；载荷可以调节，载荷作用方 向应垂直于轮胎与转鼓的接触中心平面； 4 ) 可自动控制轮胎的加载负荷和转鼓速度，实时显示转鼓速度和轮胎的载 荷等数据； 5 ) 具有轮胎超载、脱层、欠压、爆破等自动报警功能，且可自动退出。 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 本章小结 本章介绍了轮胎噪声室内测试台的总体结构设计，并简单介绍了各主要组 成部分，包括转鼓系统、液压加载系统、制动系统、控制系统、防护装置等的 结构、功能及工作原理。同时说明了系统所能完成的功能与主要技术参数。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章轮胎噪声室内测试台控制系统硬件设计 4 1 主控制系统 4 1 1 主控制系统的组成 主控制系统主控制台由西门子s 7 2 0 0 系列p l c 及功能模块、工控机、人 机界面和打印机等组成。为了便于操作，系统显示器定制安装了触摸屏系统。 主控制系统用于轮胎室内噪声试验台的各个部分的控制，包括对试验载荷、速 度的闭环控制及各分系统的使能控制，还能实现对试验数据的设定、修改、储 存及打印等功能。系统硬件结构图如图4 1 。 r s 4 8 5 i 压力传感器l - 工控机1 i 位移传感器 r s 4 8 5 l 一一卜 触摸屏 p l c 厂 l 温度传感器 - 八 直流调速柜 l 开关量信号l v 图4 - 1 控制系统硬件结构图 系统中使用的p l c 采用西门子s 7 2 0 0 、c p u 2 2 6 ，通过串口与工控机和触 摸屏进行串行通讯。p l c 与西门子6 r a 7 0 直流调速系统采用专用的u s s 通讯 协议进行串行通讯，与触摸屏和工控机则采用m p i 协议组成一从两主的网络。 工控机系统能够实现试验数据的储存和打印。轮胎加载系统采用液压伺服系统， 轮胎载荷的测量采用德国h b m 公司的压力传感器c 2 5 t ，通过液压伺服系统实 现载荷闭环，载荷信号通过7 6 5 0 进行放大，增强抗干扰能力，提高测量精度。 武汉理工大学硕士学位论文 动力系统则采用上海南洋的z 4 直流电机；速度闭环通过西门子公司的6 r a 7 0 直流调速系统实现，通过调速系统模拟量输出实现速度测量。 工作前，需先开启液压加载系统的液压站，建立直流调速柜的使能，否则 系统不能工作。此过程可在工控机上完成。工作时，试验台上的滑台前进，将 轮胎压在静止的转鼓表面上，在工控机上设定试验载荷和试验速度，启动液压 加载系统调节轮胎载荷，同时启动直流调速系统调节转鼓的速度，使转鼓带动 轮胎旋转，以达到模拟轮胎在高速公路上滚动的工作状态。系统需要现场采集 的模拟测量信号有轮胎载荷压力、转速、位移、温度等。各传感器将检测到的 数据通过p l c 送入工控机。系统的参数修改与设定在工控上进行，而载荷与速 度的标定则既可在p l c 系统实现也可以在工控机上实现。 4 1 2 西门子s 7 2 0 0 系列p l c ( 1 ) 西门子s 7 2 0 0 系列p l c 的功能特点 s 7 2 0 0 是西门子公司的一种小型的可编程序控制器，适用于各种场合中的 检测、监测及控制的自动化。s 7 2 0 0 系列的强大功能使其无论独立运行，还是 连成网络都能实现复杂的控制功能。该系列p l c 有以下突出优点： 1 ) 可靠性高，操作便捷，易于掌握 2 ) 极丰富的指令集 3 ) 丰富的内置集成功能 4 ) 有强劲的通讯能力和丰富的扩展模块 5 ) 实时特性 s 7 2 0 0c p u 的中央处理芯片数据长度为3 2 位，c p u 模块提供5 v 和2 4 v d c 电源，当有扩展模块时，c p u 通过i o 总线为其提供5 v 电源，且所有扩展模 块的电源消耗总和不能超过该c p u 提供的电源定额，如果电源不够用不能外接 5 v 电源。每个c p u 都有一个2 4 v d c 传感器电源，为本机输入点和扩展模块 的输入点以及扩展模块继电器线圈提供2 4 v d c 电源。如果对电源的要求超出了 c p u 模块的电源定额，可以增加一个外部2 4 v d c 电源给扩展模块。 s 7 2 0 0 在c p u 单元上设有芯片等硬件电路，用来处理高速计数器输入、高 速脉冲输出等高速数字量i o 。这些硬件电路在用户程序的控制下工作。 s 7 2 0 0c p u 按照以下机制循环工作：读取输入点的状态到输入映像区；执行用 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 户程序，进行逻辑运算，得到输出信号的新状态；将输出信号写入到输出映像 区。只要c p u 处于运行状态，上述步骤就周而复始地执行。在第二步中，c p u 也执行通讯、自检等工作。 ( 2 ) 西门子s 7 2 0 0 系列p l c 的通讯协议 s 7 2 0 0c p u 上的通讯口可以支持如下通讯协议1 1 7 j ： 1 ) p p i 协议：西门子专门为s 7 2 0 0 开发的通讯协议 2 ) m p i 协议：不完全支持，只能作从站 3 ) 自由口模式：由用户自定义的通讯协议，用于与串行打印机等其他串行 通讯设备通讯。 s 7 2 0 0 编程软件m i c r o w i n 提供了通过自由口模式实现的通讯功能： 1 ) u s s 指令库：用于s 7 2 0 0 与西门子变频器 2 ) m o d b u sr t u 指令库：用于与支持m o d b l l sr t u 主站协议的设备通讯 s 7 2 0 0c p u 上的两个通讯口基本一样，可以各自在不同的模式、通讯速率 下工作。它们的口地址也可以相同，分别连接到c p u 上两个通讯口上的设备， 不属于同一个网络。s 7 2 0 0c p u 上的通讯口可以完成如下工作： 1 ) 安装了编程软件m i c m 聊i n 的电脑可以对p l c 编程 2 ) 连接其他s 7 2 0 0 c p u 的通讯口组成网络 3 ) 与s 7 3 0 0 膳0 0 的m p i 通讯口通讯 4 ) 连接西门子的h m i 设备( 如t d 2 0 0 、t p l 7 0 m i c r o 、t p l 7 0 、t p 2 7 0 等) 5 ) 可以通过o p cs e r v e r ( p c a c c e s s v l 0 ) 进行数据发布 6 ) 可以连接其他串行通讯设备 7 ) 可以与第三方h m i 通讯 s 7 2 0 0 系列p l c 可提供4 个不同的基本型号的8 种c p u ，本系统采用 c p u 2 2 6 型p l c ，有集成2 4 输1 6 输出共4 0 个数字量i o 点，可连接7 个扩 展模块，最大扩展至2 4 8 路数字量i o 点或3 5 路模拟量i o 点，1 3 k 字节程序 和数据存储空间，6 个独立的3 0 k h z 高速计数器，2 路独立的2 0 k h z 高速脉冲 输出，具有p i d 控制器，2 个r s 4 8 5 通讯编程口，具有p p i 通讯协议、m p i 通 讯协议和自由方式通讯能力。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 本课题p l c 的i o 点设计 本测试系统中采用e m 2 3 5 扩展模块对信号的采集和输出进行控制。现场需 要测量的模拟信号有液压压力、转速、位移、轮胎温度、油温和室温等，模拟 信号输出控制对象是伺服放大器。轮胎噪声室内测试台p l c 系统模拟信号图如 图4 2 所示。本设计中所涉及的开关量信号主要分为液压缸的操作、直流调速 系统的操作、信号指示和报警等，p l c 开关量信号图如图4 3 所示。 图4 2 轮胎噪声室内测试台p l c 系统模拟量信号图 1 6 1 7 匝妒妲嘲枨长螺帐31山 姐堰器翟删救凿蛰辩喜匝 武汉理 二大学硕士学位论文 4 2 液压加载控制系统 液压加载控制系统能实现轮胎载荷大、精度高、动作可靠、使用简单等要 求。主要完成加载滑台的前进、后退，轮胎载荷的调节等功能。液压加载系统 控制框图如图4 4 所示。 图锱液压加载系统控制框图 整个液压加载系统的动力来自于液压油泵，系统的工作压力由溢流阀设定， 载荷的大小通过伺服放大器控制伺服阀门的开度来调节，液压油缸是按照伺服 放大器的信号来执行相应的动作，滑台的前进和后退以及轮胎的载荷调节都可 以独立操作。轮胎载荷的自动调节由p l c 来控制，p l c 通过滑台上的压力传感 器实时测量的液压压力值，对比轮胎载荷的设定值而得到偏差，再根据偏差来 调节伺服阀的开度，使油缸活塞杆伸出推动滑台沿直线导轨做往复直线运动。 工作时，工控机上设定的载荷数据通过串口送给p l c ，p l c 根据设定值与 压力传感器测得的实时压力值的偏差，对伺服阀发出相应指令调节其开度，液 压油流量变化使得油缸活塞杆伸出或缩回，推动滑台使轮胎载荷作出相应调节 至偏差为零。 4 3 直流调速系统 直流调速闭环控制系统由s i e m e n s6 r a 7 0 全数字式直流调速装黄完成。 6 r a 7 0 向驱动电机的电枢和励磁系统供电，调节电机转速，驱动转鼓以表面线 速度为0 - 2 0 0 k m h 运转，并实现无级调速，具备加速、减速运行能力。在总送 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 电开关开启后，直流调速闭环控制系统的使能的建立和撤销由主控制台控制。 调速系统使能的建立是启动转鼓的必要条件，为保证系统安全，一般情况下转 鼓不能启动。使能建立以后，直流调速系统才能工作。直流调速系统电气原理 图如图4 5 ： i 3 4v 2 l ij2w 2 l ( 佗 l ? 3 q 3 l l l ： 1 1 3q 2 r j 5 i 串阿l i 舢 血上。 p l4 ；。 l 叶 x 2 3 f i 一l f l 鼍 k m l 、 一 j j l 一一 p pk 4 k 2 ：三兰毫三至暮 k l 5 1 5 1 5 1 5 1 5o _ + 2 4 v 、 0 9 、1 9 也h3 。9 7 塞嫠o 三 1 删僦x l ： x p 2 , ) 5 厂，- 叶3 8 使能皇瞧 高匕x 2 , x p )2 l 譬暑旦旦焉嚣昌譬瓮荨葛：叶 o 一 台，碉礓僻 3 恸x l jl dl5l i 1 7 k x p 3l3x l 1 9 x 02 怼1 6 ，24 x p 4 7x 31 4 x 4 地 2 硼盔 、吖r l l 捎n 盯 i i x i l l 珥5 勉 l 如 总开芙、 递轾 x 2 1 6 x l4 2 操作 图4 5 直流调速系统电气原理图 西门子6 r a 7 0 全数字式直流调速装置，为三相交流电源直接供电的全数字 控制装置，用于可调速直流电机电枢和励磁供电，该系统为逻辑无环流可逆方 式，可实现频繁的正、反转操作和电能的逆变换，具有可在四个象限运行的机 械特性。装置额定电枢电流范围为1 5 至2 0 0 0 a ，额定励磁3 到8 5 a ，并可通过 并联s i m o r e g 整流装置进行扩展，并联后输出额定电枢电流可达到1 2 0 0 0 a 。 具有结构紧凑、功能强大、操作简便、安全可靠等突出特点。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 4 3 16 r a 7 0 直流调速装置的结构 电枢回路为三相桥式电路：单象限工作装置的功率部分电路为三相全控桥 b 6 c 。四象限工作装置的功率部分为两个三相全控桥( b 6 ) a ，( b 6 ) c 。励磁 回路采用单相半控桥b 2 h z 。额定电流1 5 - - 8 5 0 a 的装置( 交流输入电压4 0 0 v 时，电流至1 2 0 0 a ) ，电枢和励磁回路的功率部分为电绝缘晶闸管模块。更大电 流或输入电压高的装置，电枢回路的功率部分为平板式晶闸管【l s l 。 6 r a 7 0 直流调速装置为1 2 相整流电路，需要两个整流装置，分别为主动 装置和从动装置。主动装置为闭环速度和电流控制并提供励磁电流。从动装置 为电流控制工作模式，并从主动装置接收电流设定值，以便两个装置工作在同 一转矩方向并平均承担电机电流。由于两个整流装置供电电源相角的差别，导 致输出电压的瞬时值不同，因此，在整流装置的直流侧必须通过平波电抗器进 行耦合隔离。整流变压器的配置，采用三相三绕组变压器，即一个一次绕组和 两个二次绕组。一次侧可接成三角形或者星形，二次侧之一接成星形，另一个 接成三角形，用于提供两个相位差为3 0 。的工作电源1 1 9 1 。 4 3 2 功能原理 6 r a 7 0 直流调速装置的控制部分由一个1 6 位微处理器构成，由微处理器 及其软件实现了一个双闭环调速装置所要求的全部功能，有斜坡函数发生器、 速度调节器、电流调节器和移相控制等，其中调节器的控制规律为p i 特性。图 4 6 为6 r a 7 0 直流调速装置原理框图1 2 0 l 。 图中虚线框内为外部设备。电枢桥为一个或两个三相全控桥，电枢电流反 馈通过交流侧的互感器得到。磁场桥为单相半控桥，励磁电流反馈通过直流侧 的分流器得到。磁场的控制部分具有由软件实现的电势调节器和励磁电流调节 器，转速在额定转速以下时，只有励磁电流环起作用，系统为恒磁调压调节。 当电机转速大于额定转速时，电势调节环起作用，可实现弱磁调速。 武汉理工大学硕士学位论文 图6 r a 7 0 直流调速装置原理框图 ( 1 ) 电枢回路的调节功能 转速设定值通过斜坡函数发生器变为一个随时间连续变化的给定信号，先 由转速调节器将转速给定值与实际值进行比较，根据它们之间的差值输出相应 的电流给定值送电流调节器。电流实际值通过三相交流侧的电流互感器检测， 经负载电阻，整流，再经模拟数字变换后送电流调节器。电流调节器的输出形 成触发装置的控制角，同时作用于触发装置的还有预控制器。触发装置形成与 电源电压同步的功率部分晶闸管控制脉冲。触发脉冲在时间上由电流调节器和 预控制器的输出值决定。所以，归根结底，直流调速装置是通过调整装置的触 发角( 或导通角) ，来控制装置的输出电压( 或输出电流) ，从而达到控制电机 的实际转速的最终目的。 转速调节器是带有可选择的d 部分的p l 调节器，所有识别量都可分别设 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 定，放大系数值同一个连接器信号相适配，转速调节器的p 放大系数要与转速 实际值、电流实际值、给定值实际值的差值或卷径相匹配。电流调节器是具有 相互独立设定的p 放大值和积分时间的p i 调节器。 转速实际值由以下四种反馈方式：模拟测速机、脉冲编码器、具有反电势 控制的无测速机系统、自由选择转速实际值信号。 ( 2 ) 励磁回路的调节功能 e m f 调节器比较反电势的给定值和实际值，产生励磁电流调节器的给定 值，从而进行与反电势有关的弱磁调节。e m f 调节器为p i 调节器，p 和i 部分 可分别设定，或作为纯粹的p 调节器或i 调节器作用。与e m f 调节器并联工作 的还有预控制器，该控制器根据转速和自动测取的励磁特征曲线产生励磁电流 预给定值。励磁电流调节器是一个p