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重庆大学 硕士学位论文 Windows系统下的新型汽车离合器扭转性能检验机的开发 姓名：张军华 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：蒋和生 20040508 重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 汽车离合器从动盘总成扭转性能检验机是汽车零部件试验的重要试验设备。扭 转性能检验包括扭转刚度检测与扭转耐久试验。研究开发自动化程度较高的此类试 验设备，对于提高产品质量，促进国内汽车零部件工业的发展具有重要意义。 论文较详细地介绍了扭转刚度检测机和扭转耐久试验机的开发过程。两台检测 设备都是以工业控制计算机为核心的机电一体化系统，除机械结构外还涉及计算机 控制技术、传感器技术、信号采集与处理技术等内容。论文分别阐述了以上各部分 的工作原理，并详细介绍了测控系统的自动、手动、调参三大功能。 论文结合W m d o w s 操作系统的特性，分析了在W m d o w s 环境下本课题控制软件 应采用的软件结构模式，通过采用多线程的应用层与实时数据采集的驱动程序层相 结合的策略，较好地解决了W i n d O W S 系统下的多任务与实时性的协调问题。作者采 用C + + 语言具体地实现了这一软件结构模式，并且实现了两台检验机的各项测控功 能。 论文针对扭矩耐久试验机和刚度检测机的不同特点，分别提出了一种基于奇偶 采样周期分工的数据采集策略及基于D M A 方式的实时数据采集方案。较好地解决 了两台设备数据采集的完整性、连续性与多任务的矛盾。论文对以上内容在理论上 也作了较深入的分析讨论。 论文研制的两台扭转性能测量机均已正式通过了验收，并一直正常运行，表明 研制获得成功。 关键词：汽车离合器，从动盘总成，扭转耐久试验机，扭转刚度检测机， 虚拟设备驱动程序 重庆大学硕士学位论文英文摘要 A B S T R A C T An e wt o r s i o nt e s t i n gm a c h i n ef o rd r i v e np l a t e so fa u t o m o b i l ec l u t c h ，w h i c hi s i m p o r t a n tt e s t i n ge q u i p m e n ti na u t o m o b i l ec o m p o n e n ti n d u s t r y , h a sb e e np r e s e n t e di nt h i s p a p e r D e v e l o p m e n to fs u c hm a c h i n ew i l lp r o m o t et h ed r i v e np l a t e s q u a l i t ya n dg i v e i m p e t u st on a t i o n a la u t o m o b i l ei n d u s t r y T h ed e v e l o p i n gp r o c e s so f t h er i g i d i t y - t e s t i n gm a c h i n ea n dd u r a b i l i t y t e s t i n gm a c h i n e a r ed e s c r i b e di nd e t m l si n t h i sp a p e r T w os e t so fc h e c k o u te q u i p m e n ta r eb o t h e l e c l r o m e c h a n i c s i n t e g r a t e ds y s t e m sb a s e do n I P C ( I n d u s t r i a lP e r s o n a lC o m p u t e r ) ， W h i c hi n v o l v et h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e r ，t e c h n o l o g yo ft h es e n s o r ， t e c h n o l o g yo fg a t h e r i n ga n dd i s p o s i n gs i g n a l ，e t c b e s i d e sm e c h a n i c a ls t r u c t u r e T h e s i s e x p l a i ne v e r yo p e r a t i o np r i n c i p l eo fp a r tt h ea b o v es e p a r a t e l y , a n dd e t m lt h i e ef u n c t i o n s o f t h eo b s e r v ea n dc o n t r o ls y s t e m ：a u t o m a t i o n ，h a n dw o r ka n da d j u s t i n gt h ep a r a m e t e r C o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eW i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m ，i ti sa n a l y s e dt h a ta s o f t w a r es t r u c t u r em o d es h o u l db ea d o p t e du n d e rt h ee n v i r o n m e n to fW i n d o w s T h r o u g h a d o p t i n gat a c t i c st h a tc o m b i n i n gt h ea p p l i c a t i o nl a y e ro fm a n yt h r e a dw i t ht h ed r i v e r l a y e r so fg a t h e r i n gd a t ai nr e a l t i m e ，i th a v es o l v e dc o o r d i n a t i o np r o b l e mo fm a n yt a s k s a n dr e a l t i m ec h a r a c t e ru n d e rW i n d o w ss y s t e m A u t h o rr e a l i z ec o n c r e t e l yt h i ss o f t w a r e s t r u c t u r em o d ec o n c r e t eb ya d o p t i n gC + + l a n g u a g e ，a n dr e a l i z ee v e r yt e s t i n gf u n c t i o n T h r o u g hp o i n t i n go u tt h ec h a r a c t e r i s t i cd i f f e r e n c ef r o mt h er i g i d i t y - t e s t i n gm a c h i n e a n dd u r a b i l i t y t e s t i n gm a c h i n e ，A u t h o rp u tf o r w a r dat a c t i c so nt h eb a s i so fg a t h e r i n g d a t u mb yd i v i d i n go d d e v e ns a m p l i n gc y c l e T h es c h e m ea r ea l s oi n d i c a t e dt h a tg a t h e r i n g d a t u mi nr e a l - t i m eb a s e do nD M A I ts o l v e st h et w oe q u i p m e n t Sc o n t r a d i c t i o nb e t w e e n i n t e g r a l i t y , c o n t i n u i t yi ng a t h e r i n gd a t u mw i t ht h em a n yt a s k I ti sm a d e ad e e p e ra n a l y s i s a n dd i s c u s s e di nt h e o r ya b o u tt h ea b o v ec o n t e n to nt h et h e s i s T h et w on e w t e s t i n gm a c h i n eh a sb e e np a s s e dt h er e c e p t i o nt e s t i n g ，a n dh a sap e r f e c t p e r f o r m a n c ei np r a c t i c e T h ew o r ko fd e v e l o p i n gi sp r o v e dt ob eS U C C E S S K e y w o r d s ：a u t o m o b i l ec l u t c h ，d r i v e np l a t e s ，d u r a b i l i t y t e s t i n gm a c h i n e ， r i g i d i t y - t e s t i n gm a c h i n e ，V x D I I 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景 汽车离合器从动盘总成扭转性能检验机的研制课题是应爱思帝( 重庆) 驱动系统 有限公司的要求而提出的。此公司是一家国内知名的汽车离合器生产企业，其主要 产品是“立足重庆，面向西部，辐射全国，走向世界”的汽车膜片弹簧离合器。由 于公司规模的扩大及对产品质量的进一步提高，要求在原有的离合器试验机的基础 上研制出改进型的新设备。由于汽车离合器扭转试验本身是离合器性能试验的重要 内容，试验对试验设备的测试精度，自动化程度及可靠性等均有较高要求，所以进 一步的研究改进也是完善试验机本身的需要。本项目于2 0 0 2 年9 月立项2 0 0 3 年1 2 月通 过鉴定验收。作者作为该项目主研人员参加了从设计制造到调试验收的全部过程。 此次为其公司共研制了两台设备，即汽车离合器从动盘总成扭转刚度检测机和汽车 离合器从动盘总成扭转耐久试验机。两台设备较旧的试验机相比，无论在机械性能， 控制性能，测量范围，测量精度，使用寿命及安全性等方面都有一定的提高：软件 系统则淘汰了原来D O S 系统而采用了W i n d o w s 操作系统。 1 2 课题研究的意义1 叼 离合器是汽车传动系统中的主要部件，因此发展汽车工业就离不开高可靠性的 离合器部件。重庆如今已形成以微型车，轻型车，重型车为支柱产业的汽车工业体 系。离合器质量的好坏直接影响到汽车实际的运行状况，所以检测及试验设备至关 重要。为了提高汽车整体的制造水品，并发挥重庆大学在西南地区的科研优势，开 发研制能够用于精确检测离合器各项技术指标的试验设备显得十分迫切。 汽车离合器扭转性能检验包括扭转刚度检测与扭转耐久试验。刚度检测可获得 扭转刚度特性曲线。曲线图能反映离合器从动盘转角与扭矩之间的关系，从中能得 到一些很重要的参数。有了刚度曲线，下一步就可以做扭转耐久试验。并由耐久试 验结果对离合器寿命进行评估。试验表明，离合器的整体寿命主要取决于离合器从 动盘内几组弹簧的寿命。 耐久性和可靠性是汽车零部件各项性能中最基本也是最重要的性能之一，离合 器从动盘总成是诸多汽车零部件中的一种，当然也不例外。而鉴于路况和离合器的 工作原理，在汽车行驶中，从动盘本体以及扭转减振器因传递扭矩的波动而反复受 载，工作繁重，产生故障的几率比较高，会造成离台器不平稳和异响等后果，影响 汽车的正常行驶。因此对其耐久性要求较高，有关标准规定从动盘总成经过3 5 x l O 次扭转耐久性试验后，极限转矩不低于初始值的7 5 ，扭转减振器阻尼摩擦转矩应不 重庆大学硕士学位论文1 绪论 低于初始值的6 0 ，各零件不得失效。因此，对从动盘总成进行耐久性试验有助于准确 了解产品的疲劳寿命，对从动盘总成的设计、制造工艺、材料选择以及质量控制等都 具有指导意义。 国外先进工业国家的汽车产业大都相当发达和成熟，一个非常重要的原因是拥 有相当丰富和成熟的产品检测和试验手段。我国的汽车工业从无到有，发展相当迅 速，促进了汽车零部件性能试验技术及设备的发展。许多大中型生产厂家都具备了 一定的对重要零部件进行各项性能试验的能力。但总体而言，在这方面我们与国外 先进水平相比，还是有一定的差距的。单就从动盘总成而言目前国内许多离合器生 产厂家对从动盘总成扭转试验尚处初期阶段，只能完成简单的扭转运动和粗略地记 录运行时间，设备简单，许多试验参数无法调整检测和控制，自动化程度也很低。 通过本课题的研究，可以增强国内研制类似的汽车零部件扭转试验设备的能力，推 动国内试验研究技术及设备的发展。 当今世界先进工业国家正处于由“工业经济”模式向“信息经济”模式转变的 时期，其中技术进步因素起着极为重要的作用，它在经济增长中占7 0 至8 0 。以高 新技术为核心，以信息电子化为手段，提高工业产品附加值，这已经成为现代工业 企业自动化的重要发展目标。从我国经济发展史来看其工业经济增长主要是依靠投 入大量资金和劳动力来实现的，尚未充分发挥技术进步在工业经济增长中的“二次 效益倍增器”的作用。如何加快发展电子信息技术，调整产业结构，适应世界经济 发展需求，是当前我国工业企业自动化界研究的重要课题之一。因此，通过本课题 的研究可以提高国内机电一体化设备普及程度，促进国内机械制造水平的提高。 1 3 课题研究的内容 根据从动盘总成扭转试验的要求以及用户对试验机的操作使用和规格性能等方 面的要求，归纳出本课题应完成的主要研究内容如下。 研制出机电一体化的从动盘总成扭转刚度检测机及扭转耐久试验机各一台， 均采用工业计算机控制。 在W i n d o w s 系统下编制出扭转刚度和扭转耐久试验机系统软件各一套。 解决在W i n d o w s 系统下实时控制与采集的问题。 编写V X D 驱动程序。 2 重庆大学硕士学位论文 2 汽车离合器从动盘总成扭转性能检验机概述 2 汽车离合器从动盘总成扭转性能检验机概述 2 1 汽车离合器从动盘总成的概念p H 列 离合器是汽车底盘的重要部件，它直接与发动机相联系，依靠主从动部分间的摩 擦来传递动力，可切断和接通对传动系的动力传递，并保证在汽车起步时将发动机与 传动系平顺地接合，使汽车平稳起步；在换档时将发动机与传动系分离，减少变速器 中换档齿轮之间的冲击，便于换挡；在受到较大的动载荷时，能限制传动系所承受的 最大转矩，防止传动系各零件因过载而损坏；并可有效地降低传动系中的振动和噪 声。离合器的工作原理图如图2 1 所示。 l l 飞轮2 从动盘3 踏板4 压缩弹簧5 从动轴6 从动盘毂 图2 1摩擦离合器工作原理图 F i 9 2 1W o r k i n gp r i n c i p l eo f f r i c t i o nc l u t c h 工作过程中，铆装在从动盘本体上的摩擦片被离合器压紧机构压紧在发动机飞 轮端面上，而从动盘毂通过花键与变速器主动轴相连，发动机转矩通过飞轮与从动 盘接触面之间的摩擦作用而传到从动盘本体上，再经过扭转减振器传到从动盘毂， 然后经由变速器等一系列传动部件传给驱动车轮。 在汽车行驶中离合器起着保证汽车平稳起步、保证传动系换档时工作平顺和防 止传动系过载等作用。由于发动机传到汽车传动系的转矩是周期性地变化的，使得 传动系中存在扭转振动。如果这一振动频率与传动系的自振频率相重合，就将发生 共振，对传动系零件寿命有很大影响。此外在不分离离合器的情况下进行紧急制动 或猛烈结合离合器时，瞬时将造成对传动系的极大的冲击载荷，而缩短零件的使用 重庆大学硕士学位论文 2 汽车离合器从动盘总成扭转性能检验机概述 寿命。为了避免汽车传动系的共振，减缓冲击，减少噪音，提高传动系零件的寿命， 改善汽车行驶的舒适性，并使汽车起步平稳，通常在离合器从动盘上都带有扭转减 振器，尤其在轿车上无一例外都采用带扭转减振器的从动盘。扭转减振器实质上是 一个弹性阻尼装置，它主要由减振弹簧、减振摩擦片以及减振盘等组成。无论是否 带有扭转减振器，从动盘都由从动盘本体、摩擦片和从动盘毂三个基本部分组成。 图2 。2 为一种带扭转减震器的从动盘。 1 阻尼弹簧铆钉2 减震器阻尼弹簧3 从动盘铆钉4 摩擦片 5 从动盘本体6 减震器弹簧7 摩擦片铆钉8 阻尼片铆钉 9 ，从动盘铆钉隔套1 0 减震器阻尼片11 从动盘毂1 2 减震器盘 图2 2从动盘总成图 F i g2 2D r a w i n go f d r i v e np l a t ea s s e m b l a g e 从动盘总成的主要工作性能参数包括正、反向极限转角和转矩、预紧转矩、角 刚度和摩擦转矩等。这些参数通常是由图2 3 所示的扭转刚度特性曲线来描述，测出 该刚度曲线图正是扭转刚度检测机的主要任务。由于汽车存在反向运动或制动工况， 扭转减振器的扭转特性具有双向性，而且由于对正向运动和反向运动的要求不一样， 正反向扭转特性不一定是对称的。另外，在设计和使用中扭转减振器还有单级弹簧、 多级弹簧减振器以及非线性减振器之分，因而，扭转减振器扭转特性有单段线性、 多段线性以及非线性等几种形式。 4 重庆大学硕士学位论文 2 汽车离合器从动盘总成扭转性能检验机概述 。! 轴蹦 一知 ， 纩。 袋t T w , t H 图2 3从动盘扭转刚度曲线 F i 9 2 3 T o r s i o n a lr i g i d i t yc u r v e so f d r i v e np l a t e 2 2 扭转性能检验机系统的组成肺H ”1 扭转刚度检测机及扭转耐久试验机的测控系统组成大致相同。图2 4 所示为它们 的一般组成情况，简述如下。 I t 信号采集、劐居处理和分胡- 旷空 旧竽源叫竺博 t1 1 丁 ，。f。 I 试验环境I l 试验过程控制l ! 图2 4试验机系统组成框图 F i 9 2 4 B l o c kd i a g r a mo f t e s t i n gs y s t e m s 试验环境 常见的环境条件有温度、湿度、电场磁场等，有些情况下也对振动、冲击等环 境条件提出专门的试验要求。温度、湿度、电场、磁场等试验环境可用带自动控制 系统的专门试验设备来实现，如温度自动调节系统等，而振动冲击等环境试验则要 在专门试验台上进行。 重庆大学硕士学位论文 2 汽车离合器从动盘总成扭转性能检验机概述 驱动系统 零部件的性能试验往往是在运行的情况下进行的，这时需要可调节的驱动系统。 目前较常使用的驱动装置有直流或交流调速电动机驱动装置等。 加载系统 被试件的加载方式有多种，如定幅加载、周期变幅加载、程序控制载荷谱随机 加载等。方式不同，加载系统复杂程度也不同、为适应不同的试验载荷，加载系统 要求对受控参量可调。加载手段有机械、液压、电磁等多种，而动力的提供大多以 电力为基础。在机械加载方法中，为适应不同的加载频率，目前也多采用交流变频 调速电动机驱动。 参数测量系统 在试验过程中，要使用各种传感器和数据记录、采集设备，以获得被测对象在运 行中的各种参数，经过处理后得到反映其性能的各项指标。对于不同的试验和参数， 所要求的测量精确度各不相同，因此对试验用的传感器必须进行精确度等级的标定， 以确保试验结果的精确性。测试仪器还应定期检定。为确保试验中采集到的数据的 精确度和减少噪声干扰，通常要根据试验要求进行各种处理和变换，以得到可靠的 最终的检测结果。 设备控制系统 在产品试验中通常要对被试对象的驱动、加载、运行过程以及信号适调、处理、 显示等进行各种控制，以确保测量及试验过程的正确进行和数据的准确采集。 扭转刚度检测机和扭转耐久试验机的具体构成还将在后面分别加以论述。 2 3 从动盘总成扭转刚度检测机概述 2 3 1 功能概述 汽车离合器从动盘总成扭转刚度检测机是用于测试模拟实车装配下汽车离合器 从动盘总成扭转刚度特性和在扭矩作用下弹簧压缩和拖曳分离行程。该设备可实现 模拟实际工况下的手动和自动测试。在手动测量方式下，转角及扭矩信号输入x Y 记录仪，由x Y 记录仪绘制从动盘总成的扭矩刚度曲线，根据绘制的曲线及已有的标 定值，人工计算出最大正向扭矩值，最大正向转角，最大负向扭矩值，最大负向转 角及指定角度下的滞后扭矩值。而在自动测量方式时，检测机由计算机控制，实现 自动启动、正向加、卸载及碰销识别( 此时达到最大扭矩) ，反向加、卸载及碰销识 别、回零点，自动停止运转等功能。其间可自动完成扭矩值及角度值采集，经处理 后绘制出刚度曲线，并可根据用户要求自动计算出任意指定角度处的滞后扭矩值。 图形及数据可由打印机输出。 根据试验机的要求，整个系统可分为三大功能： 6 重庆大学硕士学位论文2 汽车离合器从动盘总成扭转性能检验机概述 参数调整功能 调参功能包括输入原始产品参数、主轴转速的设置及对扭矩传感器进行标定。 手动调整功能 在手动状态下可实现主轴正传、主轴反转控制以及夹具夹紧放松及调零操作。 在主轴正反转的过程中可外接x Y 记录仪进行刚度曲线绘制。 自动测试功能 当离合器从动盘安装到位后，按下启动键，在微机控制下夹紧机构自动夹紧工 件，然后开始正向加卸载、反向加卸载的测试。当测试完成后，可自动显示和打印 刚度曲线及测试数据。 2 3 2 从动盘总成扭转刚度检测机的试验方法 根据国内汽车行业标准和厂方提出的要求，扭转刚度检测机的测量装置简图如 图2 5 所示，测试过程如下： 1 拉压力传感器2 支撑板3 夹紧盘4 花键轴5 转角轴 6 角位移传感器7 ，x Y 记录仪8 扭转力臂 图2 5从动盘刚度检测机装置参考图 F j 9 2 5 R e f e r e n c ed r a w i n go f r i g i d i t y - t e s t i n g 魄f o rd r i v e np l a t e s 将从动盘总成试件装在与主轴相连的花键轴上，通过夹紧机构将摩擦衬片部 分夹紧。 由变频电机驱动主轴正向转动，对从动盘总成的轮毂施加正向扭转力矩，通 过安装在主轴上的扭矩传感器以及安装在试件上的转角传感器测出的试件的转角值 及转角信号值经转换后送入计算机。 当摆动到正向极限位置( 与限位销接触) 后，计算机自动控制主轴反转；当摆 重庆大学硕士学位论文2 汽车离合器从动盘总成扭转性能检验机概述 动到负向极限位置后，计算机自动控制主轴再正转；最后回到起始位置。 运动结束后，绘制打印出扭转刚度曲线和所需的数据表。 2 3 3 从动盘总成扭转刚度检测机的主要性畿参数 根据从动盘总成刚度测量的要求以及用户对试验机的操作使用和规格性能等方 面的要求，归纳出检测机系统的功能及性能等指标如下： 测试项目 汽车离合器从动盘总成扭转刚度特性曲线图。 主要性能参数 1 ) 施加扭转载荷 三2 0 0 0 N m ； 2 ) 摆动角度范围3 0 。： 3 1扭转检测主轴转速O 15 O 5 转分； 4 ) 变频电机输入功率0 3 7 K W ： 5 )从动盘总成直径范围中2 0 0 中4 3 0 m m ： 6 ) 摩擦表面工作压力 3 0 K N ； 7 ) 扭转角系统测量误差 1 0 ( 分)； 8 )扭转力矩系统测量误差6 ( N m ) ： 9 ) 输入电压 3 8 0 V 1 0 ； 1 0 ) 工作环境温度 一5 + 4 0 ； 1 1 ) 工作环境相对湿度 三8 5 。 2 4 从动盘总成扭转耐久试验机概述 2 4 1 试验机功能概述 汽车离合器从动盘总成扭转耐久试验机是用于测试离合器从动盘在高速往复运 动下其内部弹簧疲劳极限的试验设备。该设备能由程序控制，可根据预先设定的循 环次数及扭转频率来控制离合器的往复运动。当达到设定的循环次数后，试验机能 自动停机，并打印出测试报告。在试验过程中可动态检测当时的扭矩载荷，还可以 根据扭矩变化自动识别弹簧是否发生断裂，若发生，可自动停机。耐久试验机是模 拟实际工况下进行测试的，所得出的试验数据对研究离合器的寿命具有重要意义。 根据试验机的要求，整个系统可分为三大功能： 参数调整功能 调参功能包括输入产品参数( 如产品型号，理论正反向最大扭矩等) 、运行参数 ( 如扭转频率及寿命次数等) 以及对扭矩传感器进行标定。 手动调整功能 手动调整功能用于根据从动盘总成耐久试验设定的扭矩进行试件的安装调整。 重庆大学硕士学位论文 2 汽车离合器从动盘总成扭转性能检验机概述 为此，操作面板上特别设计了手动按钮。试件安装夹紧后，按动按钮，电机将运行 若干转，其后在显示屏幕上自动显示当前正向和反向的安装扭矩值。操作者可根据 当前扭矩值调整试件的摆角及扭摆零位。 自动测试功能 自动测试时，除从动盘总成的安装夹紧和卸下外，其余过程均能按要求自动完 成，并记录和显示当前扭矩值和累计循环次数，还可以给出运转期间的扭矩趋势状 况。对所测的各项目可打印成测试报告。具有多种过载保护功能及试验结束后自动 关断设备电源的功能。 自动测试功能和手动调整功能主要由操作面板上各种按钮操作控制，而参数调 整功能需要输入数据，所以采用键盘予以实现。另外除了三大功能外还在其功能下 面实现了某些子功能，如扭矩标定等。 2 4 2 从动盘总成扭转耐久试验机的试验方法 根据从动盘总成的工作原理和国内汽车行业标准，离合器从动盘总成扭转耐久 试验方法如下：压紧从动盘总成摩擦衬片，由执行机构带动从动盘毂相对从动盘本 体按一定的正反向摆角作循环往复转动，从动盘由于弹簧和阻尼摩擦片的作用而产 生扭矩载荷，记录下试件扭摆次数以及扭矩载荷，以一定的标准和规则判定试件扭 转耐久寿命合格与否。 由上述试验方法可知，从动盘总成扭转耐久试验属定幅角位移激振加载，在试 验过程中加载角位移保持不变，扭矩载荷由试件内部机制产生，因此对于试验受控 参量即角位移，可以采用开环定值控制，这样在试验机加载机构处理上较为简单， 即采用机械方式人工调整就可以实现。 图2 6 所示为试验装置参考简图。 1 从动盘试件2 花键轴3 垫板4 夹紧盘5 摇杆6 琏杆7 偏心轴 图2 6从动盘耐久试验机装置参考图 F i 9 2 6 R e f e r e n c ed r a w i n go f d u r a b i l i t y - t e s t i n gr i gf o rd d v e np l a t e s 9 重庆大学硕士学位论文2 汽车离合器从动盘总成扭转性能检验机概述 试验步骤如下： 在刚度检测机上测从动盘总成减振器扭转特性曲线，确定试验前的扭转刚度 c d 、摩擦阻力矩M b 、极限转角0m a x 、极限力矩M m a x 。 将样品装于试验机的花键轴上，将摩擦衬片部分固定。然后调整试验机，测 量安装状态下的加载扭矩及转角，直至符合规定的要求。 启动试验机，以规定的载荷、频率运行规定的试验次数。其间应完成指定参 数的测试，并检查试件的损坏情况。 2 4 3 从动盘总成扭转耐久试验机的主要性能参数 根据从动盘总成耐久试验的要求以及用户对试验机的操作使用和规格性能等方 面的要求，下面归纳出试验机系统的功能及性能等指标。 测试项目 汽车离合器从动盘总成耐久试验循环加载次数及加载扭矩。 试验机功能要求 1 ) 能方便地根据从动盘总成扭转耐久试验设定的扭矩进行零件的安装调整。 2 1 测量过程，除从动盘总成的安装夹紧和最后卸下被测试件外，其余过程均能 按要求自动完成，并记录和显示当前扭矩和累计循环次数以及试验的起、停时间( 年、 月、日、时、分) 。 3 ) 试验机具有过载保护功能及故障报警功能。 4 ) 试验结束后，可自动停机并自动切断主机电源。 试验机主要性能参数 1 )施加扭转载荷兰2 0 0 0 N m ； 2 )摆动角度3 0 。( 可手动连续调节) ； 3 )扭摆频率1 0 0 7 0 0 次分( 连续可调) ； 4 )变频电机输入功率7 5 K W ； 5 )从动盘总成直径范围q b l 6 0 q b 3 8 0 m m ； 6 ) 试验次数 ( 5 0 5 0 0 ) 万次( 可任意设定) ； 7 )扭转循环测量误差 2 2 0 0 0 = 9 x o 。一丁一。 故选用1 2 位的A D 板较为合理。 采样频率的选择 A D 采样频率指每秒钟可完成的A D 转换次数。 设从动盘试件在最大扭矩段的扭转刚度为K ( N m 。) ，运动到最大扭矩附近的转 速为m ( 。s ) ，扭矩测量分辨率为6 ( N m ) ，A D 采样频率为f ，每次扭矩采样需经过N 次平均，则应有 f 耋N e K e o J 占 耐久试验机转速能达N 5 0 0 次分，经过计算A D 采样频率f 应大于6 0 K H z ，因此我 们选了采样频率为1 0 0 酬z 的A D 卡P C L 8 1 8 H D 。刚度检测机是在准静态下运行( 主轴 转速n = 0 1 5 0 5 转分) ，转速很慢，但它要求连续地采样扭矩和扭角两个值，且精度 要求高。经过计算我们选择T P C L 8 1 8 L 采集卡，它的A D 采样频率为4 0 K H z 。 A D 转换输入方式的选择 A D 转换的信号输入有两种方式即单端输入和差分输入。如图4 4 所示，单端输 入方式每个通道使用一根信号线( 信号正极) ，参考电压均接入A D 板的公共地。差分 输入方式每个通道使用两根信号线，A D 转换器的输出为两根信号线之间的电压差 值。由于差分输入方式在信号进入A D 板后进行的是差动放大，信号受外界干扰及放 大器零漂等影响较小，其A D 转换的数据稳定性及精度比单端输入方式好。考虑到本 系统变频器的干扰及扭矩检测的精度，因此宜采用具有差分输入方式的A D 接口卡。 在差分输入方式中，根据信号源端的接地与否，A o 板的公共地的连线又有所不同。 由于本系统扭矩信号源端采用“浮地”方式。因此只需将输入信号线的低端直接引 入A D 板的公共地端作为输入信号的参考点，如图4 4 ( b ) 所示。 ( a ) 单端输入 图4 4A D f 言号输入方式 F i 9 4 4 I n p u tm o d eo f A Ds i n g n a l s 重庆大学硕士学位论文4 检测机测控系统的硬件设计 4 2 2 开关信号输入输出接口 对于试验机测控系统各种开关信号的输入与输出，两台机器都选用了P C L 7 3 0 I O 板来完成接E I T 作。P C L 7 3 0I O 板提供了3 2 路光隔输入输出通道( 1 6 路输入和 1 6 路输出) 以及3 2 路T 1 乙电平输入输出通道( 1 6 路输入和1 6 路输出) ，还可以通 过板上跳线设置一路输入为微机中断源。P C L 7 3 0 板实际使用4 个端口地址，每个 地址对应输入和输出两个寄存器，由读写指令区分，每路输入输出通道对应个端 口地址的一位，编程较简单。 a 。H L 电警输入b 。光龋输入 J 图4 5面板开关信号输入接口电路 F i 9 4 5 B l o c kd i a g r a mo f t o r s i o nm e a s u r i n gc i r c u i tf o r n p u t 开关信号输入接口 控制系统的开关量输入信号除了操作面板上各种旋钮和按钮外，还有耐久试验 机的两个用于飞轮手摇和锁紧装置位置检测的由霍尔传感器产生的开关信号以及刚 度试验机中的左极限、右极限信号。由于操作面板与微机之间连线距离较短，且处 于控制柜，所以将一部分开关信号采用丁r L 电平方式输入是可行的。这里我们将产 品选择旋钮的8 路输入通道采用T T L 电平方式，其它采用光隔方式。接口电路如图 4 5 所示。 光隔输入通道需要外接5 V 2 4 V 电源，以驱动光电隔离器，而1 v r L 电平输入 通道则只能采用板上的+ 5 V 电源，以免将外部电源干扰引入。 开关信号输出接口 控制系统的开关量输出信号用于对两台机器的驱动电机的变频器进行控制，以 及对刚度检测机夹紧液压系统的换向电磁阀进行控制。变频器本身是由微电脑控制 的电气设备，接点输入信号对变频器来说相当于开关信号，在变频器内部开关信号 的输入是通过光电隔离的，其自带有2 4 V 直流电源对光电隔离器进行驱动。当采用 微机对变频器进行控制时，其实质是通过模拟开关产生开关信号，而微机则通过指 重庆大学硕士学位论文4 检测机测控系统的硬件设计 令控制模拟开关的通断来控制变频器。模拟开关种类很多，P C L 7 3 0 板光隔输出通 道中的光电隔离器就可以实现模拟开关的功能，而且具有隔离抗干扰作用。 图4 6 为开关信号输出接口图。 P 吼一7 3 0 V c c = 图4 6面板开关信号输出接口电路 F i 9 4 6 B l o c kd i a g r a mo f t o r s i o nm e a s u r i n gc i r c u i tf o rO u t p u t 4 3 强电控制电路 图4 7 为刚度检测机的强电控制原理图，耐久试验机强电控制原理图原理基本 一样。主要是对微机系统、变频驱动装置及检测系统供电，并提供过载保护及电控 柜的通风冷却。 图4 7强电控制原理图 F i 酣7p r i n c i p l ed i a g r a mo f p o w e rc o n t r o l = | ；I 轭 显示器 扭矩地丈器 直流电谭 重庆大学硕士学位论文 5W i n d o w s 系统F 的系统软件结构设计 5Win d o w s 系统下的测控软件结构设计 5 1 检验机软件系统的特点口4 H ”1 刚度检测机与耐久试验机都具有对数据的实时采集、对控制信号的及时识别以 及对执行机构进行实时控制等方面的任务，所以它们都是实时控制系统。这些任务 可看成一个个功能模块，模块之间存在着耦合关系；从时间上来讲，各模块之间存 在一个时序配合问题；各模块之间的实时性强弱也存在差别。因此，两台试验机系 统软件结构都具有如下特点： 多任务性与并行处理 任务可理解为能并行执行的程序在一个数据集合上的运行过程。试验机的任务 可以分为两大类：管理任务和控制任务。管理任务主要承担系统资源管理和系统各 子任务的调度，包括系统程序管理、输入、显示、诊断等内容：控制任务则主要完 成数据的采集以及根据操作指令对执行机构进行控制。在完成以上任务时往往不是 顺序执行的，而往往需要多任务并行处理。 并行处理需试验机系统软件在同时刻或同一时间间隔内完成两个或两个以上 的任务的处理，例如实时地采集数据并对数据进行分析；更新显示界面：随时监控 面板的信号并能作出相应。并行处理的实现方式与试验机系统的硬件结构密切相关， 在通常情况下对于单C P U 的系统采用“分时”来实现多任务的并行处理；对于多C P U 的系统则根据各个任务之间的关联程度，可以采用不同策略来提高系统的处理速度， 常用的有“并发处理”，和“流水处理”方式等。 实时性和优先抢占调度机制 实对性是指完成某项任务有严格的时间要求，即必须在系统规定的时间完成， 否则将导致执行结果错误和系统故障。 1 ) 实时任务的类型 各个任务从实时性角度来看，基本可以分为强实时陛任务和弱实时性任务，强 实时性任务中间又存在突发性强实时任务和周期性强实时任务。 a 、突发性实时任务：这类任务的特点是任务的发生有随机性和突发性，它们是 一种异步中断事件。有很强的实时性要求。如系统故障。 b 、周期性强实时性任务：这类任务精确地按一定的时间间隔发生，本试验机主 要是指数据采集任务。这类任务一般除了系统故障外，不允许被别的任务中断。 C 、弱实时性任务：这类任务的实时性要求相对的来讲比较弱，它们只需要保证 在某一段时间内运彳亍即可。这类任务在系统设计时可被安排在背景程序中，或根据 它们的重要性将其设置成不同的优先级( 级别较低) ，再由系统调度程序对它们在进 重庆大学硕士学位论文 5W i n d o w s 系统下的系统软件结构设计 行合理的调度。对于本试验机，这类任务主要有面板扫描和界面的动态显示。 2 ) 优先抢占调度机制 为了满足实时任务的要求，系统的调度机制必须能根据外界的实时信息以足够 快的速度( 在系统给定的时间内) 进行任务的调度。优先抢占调度机制就是种能 满足这种要求的调度技术，它是一秘基于实时中断技术的任务调度机制。众所周知， 中断技术是计算机系统响应外部事件的一种处理技术，其特点就是能按任务的重要 程度、轻重缓急对其进行实时响应，而C P U 也不必为其开销过多的时间。优先抢占 调度机制有两个主要的功能：其一是优先调度，在C P U 空闲时，当有多过任务请求 时，优先级高的任务优先得到满足：其二是抢占，即在C P U 执行某个任务时，若有 另外一个优先级更高的任务请求执行，C P U 会立即中断当前的任务，转而响应高优 先级任务的请求。对于我们的刚度检测机来说，当程序在执行显示任务时，如果象 碰销识别这类优先级较高的任务出现时，就要求中断当前的显示任务，转而去执行 高优先级的任务，当这些高优先级任务执行完成后，再返回到原来的任务执行处， 执行先前未完成的显示任务。 5 2 检验机系统软件的结构模式分析与选用噜3 1 软件结构模式是指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式、任务的 调度机制、任务间的信息交换机制，以及系统的集成方法等。对于不同的硬件系统、 操作系统，结构模式是不一样的。一般实时控制系统软件主要有以下三种软件结构 模式。 前后台型结构模式 这种模式是软件划分为两部分：前台程序和后台程序。前台程序程序主要完成 如数据采集那样实时性强的任务，它是一个实时中断服务程序。后台程序( 常称为 背景程序) 则完成一些弱实时性任务，如显示、面板监控的管理等，它是一个循环 运行的程序，其在运行的过程中，可以不断地被前台的任务中断程序打断。这样， 前后台程序相互配合来完成任务。 这种模式采用任务的调度机制是优先抢占调度加顺序调度。其中前台程序的调 度是优先抢占式的；前后台程序的内部各个子系统任务则是采用顺序调度。前台任 务和后台任务之间各子任务的信息交换通过缓冲区来实现。由于这种结构方式在前 后台内部子任务间并无抢占机制的调度策略，因而实时性较差。例如，当系统前台 程序的一个子任务在执行的时候出又现了前台子任务的另外一个任务的请求时，就 只有等待正在执行子任务的完成后才能响应执行。 中断型结构模式 这种结构模式除了初始化程序外，整个系统软件的各个任务模块分别安排在不 重庆大学硕士学位论文5 q n d o w s 系统下的系统软件结构设计 同级别的中断服务程序中，然后由中断管理系统来完成对各级中断服务程序的调度 管理，整个软件看起来就是一个大的中断管理系统。 从某种意义上讲，这种软件结构模式是前后台软件结构模式的扩充，即在操作 系统和硬件系统分别扩充了对多中断的管理和提供多个中断源。在这种结构模式下， 所有的任务都是采用优先抢占调度策略，系统根据对时间紧迫性要求的不同，将各 子任务设定在不同优先级别的中断下，以实现合理地调度任务和并满足测控系统对 不同任务请求响应快慢的要求。这类系统的实时性好，易于实现模块化，但软件的 可读性差，且模块问的耦合度较大。 基于实时操作系统的结构模式 实时操作系统( R e a lT i m eO p e r a t i o nS y s t e m ，R T O S ) 是操作系统的一个分支， 它除了具有普通操作系统的功能外，最重要的特点是它提供的了多种实时任务调度 机制( 如优先级抢占调度、时间片轮转调度等) 。在这种操作系统上开发测控系统有 如下的优点： 1 ) 弱化了功能模块间的耦合关系，系统的开放性和可维护性较好 由于试验机系统各个功能模块之问存在逻辑上的耦合关系，在时间上存在配合 关系。为了使各子任务协调工作，在前面提及到的两种软件结构模式中需要采用较 多的全局变量和标记，因而各个子任务问的耦合太强，不利于系统的维护；而在实 时操作系统下，程序设计只要考虑任务的本身功能实现，并按操作系统的规定对任 务进行调度即可。这样就使数控系统中各任务模块之间的耦合减小，从而提高了系 统的可维护性和可重用性。 2 ) 减少了系统开发的工作量 在系统软件的开发工程中，系统内核( 任务的管理、调度、通信机制) 的设计 是很复杂的，同时设计工作量也很大。采用实时系统能充分利用其提供的内核，从 而大大地减少开发工作量。 采用此种结构模式的方式有两种：一是直接在商品化的实时操作系统下面开发 系统软件。二是在通用P c 机操作系统( D O S 、W i n d o w s ) 下，通过扩充扩展，使其成 为实时操作系统，并在此基础上完成整个系统的开发。 综上所述，开发基于P c 操作系统下的实时控制系统，就可以利用原系统软件的 内核，大大的减少系统软件设计工作量，缩短开发周期，而且成本低并易于行成自 主的知识产权。 5 3Win d o w s 系统下软件结构的实现模式4 4 H 4 7 3 在D O S 操作系统环境下，允许修改中断向量和直接与硬件打交道，实时性好； 但是它是单任务操作系统，并且程序的长度受限于6 4 0 K 的内存。随着计算机软件技 重庆大学硕士学位论文 5W i n d o w s 系统下的系统软件结构设计 术的发展，特别是W i n d o w s 的出现与流行，为解决在D O S 操作系统下所面临的问题 提供了优良的解决方法。W i n d o w s 操作系统具有抢占式、多任务性，操作界面友好， 程序的长度不易受限制以及具有强大的网络通信功能等优点。所以，在W i