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大连理工大学硕士学位论文 摘要 汽车后桥是汽车的关键部件之一，据统计，有2 0 的事故是由于后桥造成的，所以 后桥在出厂前要进行严格的质量检验。因此，设计这套后桥在线检测系统具有很重大的 实用意义。 本系统决定采用振动和噪声诊断方法实现对后桥的质量检测。文中分析了后桥的振 动特征：结合实际工况和实测结果，确定了测点位置；利用本人设计的在线系统实现了 振动和噪声信号采集和分析。 根据长春一汽解放厂检测工人的经验确定如果后桥的振动值超过0 5 9 、噪声值超过 8 6 分贝，就认为后桥具有故障问题，不能出厂。所以本系统就把0 5 9 、8 6 分贝作为报 警值，本在线检测系统首先在自动模式下连续检测，实时检测后桥的振动和噪声值，如 果没有超过报警值，就认为该后桥合格，可以出厂；如果超过报警值，就采用本在线系 统的手动功能，一步一步检测、确定故障所在环节，然后返修。 能否提取到正确反映后桥运行状态的特征参数关系到能否实现后桥在线检测的可 靠性，本系统模型能真实反应后桥运行的状态，使得信号非常逼真；本系统采用了p l c 控制，使得系统运行可靠、稳定。 在致力于提高系统的先进性和可靠性，采用了c a n 总线技术。通信接口完成信号 采集，然后通过c a n 总线将数据传给上位机，完成系统的显示监控功能。 本文主要论述了后桥在线检测系统的总体方案，软硬件设计思路，以及所涉及到的 基本知识，并在此基础上对一些关键部分作了详细的剖析。 关键词：汽车后桥；在线检测系统；p l c ；信号采集；c a n 总线 基于p l c 汽车后桥在线检测系统研究 s t u d i e s o f c o n t r o l l i n g s y s t e m o f a u t o m o b i l e r e a r b r i d g e o n - l i n e d e t e c t b a s e d o n p l c a b s t r a c t n er e a rb r i d g ei so n eo ft h ek e yp a r t so ft h ea u t o m o b i l e ，a c c o r d i n ga ss t a t i s t i c ，2 0 a c c i d e n t sr e s u l tf r o mr e a rb r i d g e s oi ti sn e c e s s a r yt oi n s p e c ti t s t r i c t l yb e f o r er e a rb r i d g e l e a v ef a c t o r y a n dd e s i g no ft h i sc o n t r o l l i n gs y s t e mo ft r u c kr e a rb r i d g eo n - l i n ed e t e c ti so f m a j o rp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i s s y s t e mv i b r a t i o na n dy a w pd i a g n o s i sm e t h o di sa d o p t e dt or e a l i z et h eq u a l i t y i n s p e c t i o no ft h er e a rb r i d g e n ev i b r a t i o nf e a t u r eo ft h er e a rb r i d g ew a sa n a l y z e da n d m e a s u r ep o s i t i o nw a sa s c e r t a i n e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a lo p e r a t i o nm o d ea n dt h es u r v e y i n g r e s u l t t h e nu s i n go n l i n es y s t e mw h i c hid e s i g n e dc o m p l e t e dt h ev i b r a t i o na n dy a w ps i g n a l s a m p l i n ga n dp r o c e s s i n g c h a n g c h u nf a w o fl i b e r a t i o np l a n td e t e r m i n e si ft h ev i b r a t i o nv a l u eo ft h er e a rb r i d g ei s m o r et h a n0 5ga n dn o i s ei sm o r et h a n8 6d bi na c c o r d a n c ew i t ht h ee x p e r i e n c eo fw o r k e r s i f s o ，t h er e a l b r i d g ei sc o n s i d e r e da sf a i l u r e t h e r e f o r e ，t h i ss y s t e mp u t0 5g ，8 6 曲a st h ea l a r m l e v e l ，t h eo n - l i n em e a s u r e m e n ts y s t e md o e st h es e r i e sd e t e c t i o nu n d e rt h ea u t o m a t i cm o d ea t f i r s ta n dt h e nt h er e a l t i m ed e t e c t i o no ft h er e a ra x l ev i b r a t i o na n dn o i s ev a l u e ，i fn o to v e rt h e a i a r ml e v e l ，t h a tt h er e a ra x l eq u a l i f i e d ；i fo v e rt h ea l a r mi c y e lw e i im a k el 啪o ft h eo n l i n e s y s t e mo fm a n u a lf u n c t i o n s 。d ot h es t e p - b y - s t e pt e s t t of i n do u tt h ef a u l t ，a n dt h e nr e p a i ri t w h e t h e rt h ef e a t u r ep a r a m e t e rw h i c hc a nr i g h tr e f l e c tt h em o n i n gc o n d i t i o no ft h er e a r b r i d g ec a nb ee x t r a c t e di sm o s ti m p o r t a n ti np r o d u c ti n s p e c t i o n ，a n dc a na f f e c tt h er e l i a b i l i t y a n dv a l i d i t yo ft h ei n s p e c t i o nr e s u l t s t h cs y s t e mm o d e li sv e r yw e l l s ot h es i g n a li sv e r y f i g h t i nt h i ss y s t e mc o n t r o lp a r ti sd e s i g n e db yp l c , s ot h es y s t e mw o r k i n gi sc r e d i b i l i t ya n d s t d b i l i z a t i o n t op e r f e c tt h ef u n c t i o no ft h es y s t e m ，i m p r o v et h ea d v a n c e s ，a n dg u a r a n t e et h el i a b i l i t y ， c a nb u si sa d o p t e d n ef r o n tp r o c e s s o ri st os a m p l es i g n a l s a n dt h e ns e n dt h e mt ot h e u p p e rc o m p u t e r f i n i s h e dp r o c e s s i n gr e c e i v e dd a t a ，t h eu p p e rc o m p u t e rd i s p l a y st h er e s u l t s t h ed e s i g ni d e a ，t h et o t a ls c h e m ea n dt h ec o r r e l a t i v eb a s i ck n o w l e d g eo ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo ft h er e a rb r i d g eo n i i n cd e t e c t i o ns y s t e m a n ds o m ek e ys e c t i o n sa r ea n a l y z e d i nd e t a i l _ k e yw o r d s ：a u t o m o b i l er e a rb r i d g e ；o n - l i n ed e t e c t i o ns y s t e m ；p l c ：s i g n a lp r o c e s s i n g ； c a n b u s 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：豸曼盘l 日期：j 堑止 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连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“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连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，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 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：玄墅垒 勒签名：愚袱 立趾年上月1 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本课题的选题背景、意义 汽车后桥是汽车的关键部件之一，据统计，有2 0 的事故是由后桥造成的， 后桥出现故障有些是由于使用不当造成的，有些则是由于产品质量不合格造成 的，因此，在后桥出厂前，应对其进行严格的质量检测。目前采用的测试方法是 利用简单的台架试验，通过简单的测试仪器或人耳来判断噪声是否超标及有无异 常声响。由于试验环境的背景噪声很大以及人工的主观性，无法有效地进行准确 的判断，导致不合格产品流入市场，给用户和厂家带来不必要的损失。 本课题是基于长春一汽解放厂后桥出厂前进行检测而开发的在线检测系统， 可帮助企业有效检测其产品质量、提高效率、做到立即发现问题以及尽量减少不 合格产品流入市场，一方面可以减少行车事故，另一方面可以减少用户对有关问 题的投诉，树立企业良好形象，提高企业竞争能力。 1 2 相关研究工作的现状 汽车后桥的主要部件是差速器，其齿轮传动系统的零部件如齿轮轴和轴承的 加工工艺复杂、装配精度高，又常常在高速重载下连续工作，因此故障率较高， 是造成汽车不能正常行驶及行车事故的常见原因之一，所以对后桥的检测主要是 针对齿轮和轴承。齿轮和轴承的诊断一直是故障诊断的重要内容。 1 2 1 齿轮故障诊断技术发展现状 齿轮故障诊断是自诊断技术【”l 问世以来一直受到人们普遍重视的课题之 一，无论是国内还是国外关于齿轮故障诊断的理论、方法都有较大发展。2 0 世 纪5 0 年代以前，以啮合冲击作为描述和解释齿轮动态激励，动态响应的基础， 将齿轮系统简化为单自由度系统，以冲击作用下的单自由度系统的动态相应来表 达系统的动力学行为。5 0 年代后，将齿轮系统作为弹性机械振动系统，以振动 理论为基础，分析啮合刚度，传递误差和啮合冲击作用下的动力学行为。这以发 展奠定了现代齿轮动力学的基础【4 】。 齿轮的故障诊断大体壳分为两类：一类是根据摩擦磨损理论，通过研究分析 齿轮箱润滑油的磨屑来诊断齿轮的状况；另一类是通过对齿轮运行中的动态信号 的处理分析来诊断。 目前采用的方法大多是应用振动和噪声信号进行分析处理，有两方面原因： 一方面，在装配后运行中无法对齿轮传动系统的关键零部件直接测试，所以根据 基于p l c 汽车后桥在线检测系统研究 二次效应得到的齿轮系统状态向量就成为故障信息的重要载体；另一方面，箱体 振动信号中包含了每个齿轮的啮合振动以及杌器系统中其它振源的响应，当载荷 不稳定时，齿轮的啮合振动信号基频及其高次谐波、调幅与调频包络等特征中包 含了齿轮的故障信息，是诊断齿轮故障的依据，因此，利用箱体的振动信号作为 判断齿轮系统运行状态的信息来源就成为非常自然的事。 国内外进行齿轮故障诊断振动信号的处理方法很多，主要包括时域、频域、 时一频域特征分析等。近年来，模糊矩阵、时序分析、神经网络、小波理论等新 的处理技术又广泛应用于齿轮振动信号处理中，取得了很好的效果。尤其是小波 理论的发展与应用为齿轮振动信号处理开辟了新天地，应用越来越广泛。英国剑 桥大学的d e ，n e w l a n d 、美国的w j w a n g 和p d m c f d d c n 将小波分析用于单对 齿轮的齿轮箱的故障诊断获得成功。国内有人将小波用于信号的奇异值检测；利 用小波包对齿轮信号进行分析；以及利用小波技术同其他技术相结合形成的综合 分析方法进行信号分析，都取得了成功 4 - 5 1 。 目前存在的问题主要包括：对复杂传动系统的整体研究较少；大部分研究还 局限与试验台，针对实际工况研究较少；所以针对复杂系统，同时利用激励和多 种响应信息进行综合，在特征级和决策级上开展信息融合研究，大幅度提高故障 诊断的精度和可靠性，是工程上迫切需要解决的问题。 1 2 2 轴承故障诊断技术发展现状 轴承故障的检测与诊断也一直是故障诊断技术中的重要内容，由于设计不 当，或零部件的加工安装工艺不好，或轴承工作条件欠佳，或载荷的冲击，使轴 承在承载运转一段时间后会产生各种各样的缺陷，且在继续运行中其缺陷还会进 一步扩展，最后导致轴承完全失效。 从2 0 世纪6 0 年代开始。各国研究人员对轴承诊断技术开始研究，现在轴承 诊断技术也逐渐成熟并走向应用阶段。目前，工业发达的西方国家美、英、日、 俄等国已开发了以微机为主的轴承状态与诊断系统，如俄罗斯的v a s t 公司开 发的滚动轴承自动诊断系统d r e a m 。国内如航空航天部6 0 8 研究所的唐德尧等 人开发德j k 8 2 4 1 齿轮轴承故障分析仪和南京航空航天大学振动所的赵淳生等人 开发的m d s 系列故障诊断系统，大连理工大学振动所的马孝江等人开发的 p d m 2 0 0 0 故障诊断系统等。 轴承的诊断方法大多是建立在振动理论基础上，不可避免采用振动和噪声信 号，所以对轴承实现诊断也要通过分析振动和噪声。具体方法与齿轮相似。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 可以预见，随着新的信息处理工具的出现及应用，齿轮、轴承诊断技术将有 更大发展，其精确度和可靠性也将有更大提高、将更加实用 1 3 课题的目标、任务及功能 1 3 1 课题的目标 本课题的主要目标是为长春一汽解放厂的后桥检测开发一套在线检测系统。 系统图如1 1 所示。 圈1 1 系统总图 f i g i is y s t e md i a g r a m 在线检测系统硬件主要由p - u ：、变频器、三相异步电机，工控机、转速传感 器、和直流加载电机组成。在线系统框图如图1 2 。 p l c 采用日本三菱公司2 n 系列产品，电机的功率是3 0 k w ，变频器采用 的是日本安川公司产品，工控机采用台湾研华公司d 6 1 0 ，转速传感器和直流加 载电机采用天津湖湘产品。 系统机械部分主要由主传动机构、加载机构、夹紧装置等组成。 ( 1 ) 主传动装置：起连接电机和检测车桥的作用，由联轴器和双向作用气缸组 成。 ( 2 ) 加载装置：与后桥的两轮相联，分左右两个部分，两端可同时加载也可单 端加载，由法兰和双向气缸等组成。 ( 3 ) 夹紧装置：作用是使车桥在检测时被牢牢固定。 一3 一 基于p i c 汽车后桥在线检测系统研究 控制系统主要分为上位机和下位机两部分，上位机部分主要用来完成数据的 接受、数据的发布、数据的传输、数据的分析、数据的入库、参数的设置、交频 器控制以及左右加载控制等等，包括客户端和服务器端两大部分程序，而下位机 部分主要来完成数据的前端处理，数据的采集控制，数据的网络上传以及设备的 驱动等几大部分。本文主要阐述后桥在线检测控制系统设计，包括设备驱动、数 据采集、网络上传三个部分。 图1 2 在线系统框图 一4 一 本 课 题 任 务 大连理工大学硕士学位论文 f i g 1 2 f r a m ed i a 毋 a mo f o n - l i n ed e t e c ts y s t e m 1 3 2 课题的任务及功能 本课题的设计任务主要有以下三个部分 ( 1 ) p l c 控制部分系统设计 ( 2 ) 数据采集系统前端软、硬件设计 ( 3 ) 数据上传部分系统设计 本课题的主要功能： ( 1 ) 检测后桥总成的振动和噪声情况； ( 2 ) 差速器总成的差速情况： ( 3 ) 正反转试验。 1 4 论文的主要内容及结构 本论文主要内容是围绕后桥振动和噪声在线检测控制系统展开的： 第一章：简要说明了汽车后桥在线检测的重要意义，以及本文的主要工作内 容。 第二章：简单介绍了汽车后桥的基本组成并分析其振动特征，主要包括齿轮 传动的振动特征分析和轴承的振动特征分析并计算了其特征频率。 第三章：简单介绍了p u 0 ( 可编程逻辑控制器) ，并给出了本在线检铡系统 的输入输出点以及控制程序。 第四章：详细介绍了本在线检测系统中数据采集系统的硬件电路设计，从数 据采集系统的两个部分分别进行各模块的硬件电路设计。 第五章：介绍了c a n 总线的基本知识以及本系统中运用的基于c a n 的信 号上传系统的设计 一5 一 基于p l c 汽车后桥在线检测系统研究 2 汽车后桥的振动特征分析 2 1 汽车后桥的基本组成 汽车后桥主要由差速器、半轴及后桥壳等组成【1 1 。如图2 1 所示。 轮 图2 1 汽车后桥简图 f i g 2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo fa u t o m o b i l ed e 缸b r i d g e 1 、3 _ 半轴齿轮；纠亍星齿轮；4 、5 - 齿轮：6 、8 - 半轴 7 、蚶由承；1 0 系耔：1 1 传动轴 如图2 1 所示，差速器主要是由半轴齿轮1 和3 及行星齿轮2 组成的差动轮 系。其工作过程为：汽车发动机通过传动轴驱动齿轮5 带动齿轮4 ，齿轮4 上固 连行星架h ，其上安装的行星齿轮2 将动力分配给齿轮1 和齿轮3 ，当汽车沿不 同弯道行驶时，在车轮与地面不打滑的情况下，差速轮系可自动改变两后轮的转 速。所以，差速器既可将一个主动构件的转动按所需的可变比例分解为两个从动 件不同的转动，又可将两个独立的转动合为个转动。要求差速器具备反应灵敏、 运动平稳、噪声低、效率高等传动特性。 桥壳是一件带有从每一侧延伸出的两个管子的壳，这些管子内装有半轴并提 供与半轴轴承的连接。桥壳的功用是支承差速器合半轴等，是左右驱动轮的轴向 相对位置固定：同从动轮一起支承车架及其上的各总成重量；汽车行驶时，承受 由车轮传来的路面反作用力合力矩，并经悬架传给车架：此外，壳还可罩住零件， 防止脏物进入并保持差速器的润滑。桥壳应有足够的强度和刚度，质量小，并便 于拆装和调整。 大连理工大学硕士学位论文 半轴的作用是把驱动力从差速器半轴齿轮传递到驱动轮上。半轴为高强度钢 棒，在内端花键与差速器中的半轴齿轮联结，而外端与驱动轮的轮毂相连，驱动 车轮旋转使汽车前进和倒退。 2 2 汽车后桥的振动特征分析 2 2 1 齿轮的振动特征分析 ( 1 ) 齿轮振动特征分析 齿轮可看作以轮齿为弹簧以其本身为质量的弹性振动系统，由于齿轮刚度周 期性的变化及齿轮装配误差和扭距变化等外界因素引起的激振力的作用，齿轮会 产生圆周方向的扭转振动。此外，轴、轴承和轴承座的变形及齿轮齿向误差等原 因，将使圆周方向的扭转振动产生径向和轴向振动，后桥在运转状态下，这些振 动可通过轴承和轴承座传到后桥壳的箱体上，使箱体侧壁产生振动，并激发周围 的空气振动产生噪声，此即后桥齿轮产生振动、噪声的机理，振动和噪声总是相 伴而生的。 齿轮的振动属于自激振动，即使“理想”情况下振动也会存在，振源来自两 个部分：一是由正常的交变载荷引起的振动，包括齿轮的固有振动和啮合振动； 二是与齿轮的误差和故障有关的振动。常见的齿轮振动类型有如下几种： 固有振动 齿轮在啮合过程中受周期性冲击载荷的作用，产生的高频分量是齿轮的固有 振动频率。计算公式为： 厶毛后 式中，k 和m 为齿轮副的等效刚度和等效质量，其值可根据经验或有关手 册确定。固有振动无论在正常还是异常状态时都会发生。它的固有频率一般比轴 承的固有频率低，大约为1 k h z i o k h z 。齿轮共振往往使齿轮振动水平很高，最 终导致齿轮发生疲劳断裂，所以，准确测出固有频率，可为齿轮的故障诊断提供 重要参数。 啮合频率及其各次谐波 齿轮在啮合过程中，载荷的分配是变化的，载荷的变化还会引起齿轮刚度发 生周期性变化，刚度的变化使齿轮的弯曲量随之变化，便造成齿轮在进行啮合区 时发生相互碰撞，从而引起齿轮的振动，该振动在频谱上会出现啮合频率及其各 次谐波成分。啮合频率及其诣频为 一，一 基于p l c 汽车后桥在线检测系统研究 - 峨z l - 峨乞- 裔。气- 裔+ z ：，( j r l 2 ) 式中，n 为谐波次数；n l 为齿轮副主动轮转速；z l 为齿轮副主动轮齿数；f 1 为齿轮副主动轮转频。f 2 ，n 2 和z 2 为相应从动轮参数。 转频计算公式为 f - n r 6 0 式中，m 为轴转速 啮合频率是齿轮振动中较突出的成分，是齿轮轮廓磨损的一个灵敏指标。对 于一对新齿轮来说，其频谱的整个振动能量水平较低，啮合频率的基波幅值依次 减小 调制效应产生的边频带 啮合振动还可能激发齿轮箱各元件的固有振动并产生相应的调制，啮合频率 及其各次谐波可看作载波，那些在每周呈现一次或二次的振动信号可视为调制信 号。一般来说，齿轮振动信号既有幅值调制又有频率调制，从频域上看，这两种 调制的结果均表现为在啮合频率及其谐频的两侧各形成一组边频带。调制边频带 含有非常重要的故障信息，频谱图中的两频线间的间隔即为其调制信号的频率， 找出调制信号的频率即可判断其相应的故障。对调制成份进行分析是故障诊断重 要的方法，调制特征频率见表2 1 所示。 鬼频线 新齿轮传动时，如同啮合频率一样，会在其频谱上出现某一频率的基波及其 低次谐波成分，称为鬼频线，亦称隐含成分，它是制作齿轮时所用的加工机床的 分度齿轮的啮合频率。 此频率有两个特点：一是它不受载荷的影响；二是当齿轮运转一段时间后， 齿轮会均匀磨损，啮合频率各次谐波的振动分量逐渐增加。而鬼频线各次谐波会 逐渐下降。 鬼频线对齿轮故障诊断没有直接的观察效果。 一b 一 大连理工大学硕士学位论文 表2 1 齿轮振动的常见类型及其特征 摄功腺调撵向特征顿睾说明 j i 三带闰向 l a - l 口、l 哇1 嚏 齿轮在正常、故障状砉下 厶、， j 。厶 j 耋几个频率总是存在的 偏心水平1 i 、l r f ，l 、| n 、j l ，。l 。严亚时i 暂波增加一股与齿 径向 f ( 曦几) 斫，( 轨：，厶厶) 轮信心有关的边额帝常常是 卜边带 松动前直 ，：，、厶、 ，( 瓤：厶厶) 车孛短压其i 皆渡，顿宰较低 对中不晓上f 斫【或厂，：。厶，厶) 平衡不健 不同轴堆向 l n - f ，： n 1 。 住牲l b 现高额噪声h 啮合 i ( 或f 7 f ，c 。) 土，旷( 或f ：厶，厶j 颤萼：i 现地带 剃侉谢差闱向f 、 、l 往往有毒高的边带z 馋轮网4 。q 匐：1 i ：1 f 。3 度4 、时调频明强谘波多 附加脉冲 齿轮信号的调制所产生的信号基本上对称于零电平，但实际所测的信号不一 定对成于零线，这是由附加脉冲引起的，附加脉冲不以调制形式出现，而是直接 叠加在齿轮的常规振动上，所以在时域上较易区分。在频域上，调制部分信号在 频域上形成一系列边频成分，这些边频以啮合频率及其谐频为中心，而附加脉冲 是转频的低次谐波，也较易区分。 上叙的两项不表现齿轮故障，但为了能够有效的识别齿轮故障，必要时 需要对这些成分加以识别区分。 ( 2 ) 齿轮特征频率计算 表2 1 中各特征频率根据图2 1 计算，各参数：n 1 ，n 2 分别为测得的传 动轴和半轴6 的转速：z 1 ，z 2 ，z 3 ，z 4 ，z 5 分别为齿轮1 、2 、3 、4 、5 的齿数， 各特征频率如下： 传动轴转频： 1 一 6 0 半轴6 转频： f 2 - 2 6 0 9 - 基于p i c 汽车后桥在线检测系统研究 半轴8 转频： 厶一( 弛z 5 - n z 。z , ) ( 6 0 乙) 系杆转频： 厶- 瓴z , ) ( 6 0 ) 齿轮3 、2 啮合频率： 易- l 2 。z 5 - 1 2 毛6 0 齿轮1 、2 啮合频率； 丘1 - f 3 z t 一五( 2 一。，b 一 2 z , ) ( 6 0 毛) 齿轮2 与齿轮1 、3 啮合频率： e 2 - ( 2 ，l l z 3 毛) ( 3 0 z ) 齿轮5 、4 啮合频率： 巳- l z j - n a 毛6 0 2 2 2 轴承的振动特征分析 滚动轴承是由内圈、外圈、滚动体和保持架等元件组成，轴承滚道与滚动 体间的弹性接触构成弹性振动系统，产生结构振动；此外，轴承零件制造误差引 起的强迫振动系统和轴承零件间的运动时的滑动引起的自激振动系统也会导致 轴承的振动；若振动体表面发生损伤时，滚动体在这些表面上的转动就会产生交 变的激振力，滚动表面的损伤是无规则的，则其产生的振动将是由多种频率成份 组成的随机振动。当它的振动能量传递到空气中时就会形成轴承噪声。不论轴承 制造技术如何先进，轴承在运转过程中总会出现振动和噪声。常见的轴承振动包 括以下几种。 ( 1 ) 轴承的固有振动频率 轴承运转时，其振动包括两部分：一是由于轴承滚动体的不圆度、凹凸不 平的粗糙度和波纹度引起的随机振动，振纹较小；二是由于外力的激励而引起的 轴承某个元件在其固有频率上的振动。轴承元件的固有频率与轴承的外形、材料 和质量有关，而与轴的转速无关。各轴承元件的固有频率可按如下公式计算。 滚动体钢球的固有频率为： 大连理工大学硕士学位论文 ，0 4 2 4fe 厶。_ 石 式中，：钢球半径( m ) ；p ：材料密度( 磁m 2 ) ；e ：材料弹性模量 ( n r a 2 ) 滚动体的公转频率正和自转频率兀的计算方法如下： 正- 丽1 矿n t - 乞删 五- 丽1 n 瓦d p d d 。d c o s 2 a ) 式中，一：内圈转速( r r a i n ) ；d ：滚动体直径；d ：轴承节径i 口： 接触角。 轴承套圈在圈平面内的固有频率为： ，_ - 新n ( 厕n 2 - i ) 层 式中，靠：节点数：a ：回转轴线到中性轴的半径( 肼) ；e ：材料弹性模量( n m 2 ) ； ，：套圈截面绕中性轴的惯性矩( m ) ；m ：套圈单位长度的质量( 姆m ) 。 轴承的内、外圈的固有频率可用下式计算： l - 9 加妒伊h 。舒 式e e ，h ：圆环的厚度( r t t t n ) ，d ：圆环中性轴的直径( r a t a ) 厅：节点数。 轴承的加工性、使用性振动、滚动运动均将瞬间激励外圈的各阶固有频率， 最低阶为对应于刚性状态，其它高阶对应于外圈的弹性振动状态，尤其是一阶、 二阶、三阶弯曲固有振动常在振动频谱中出现 ( 2 ) 轴承构造引起的振动 轴承加上一定载荷时，载荷使用内、外环和滚动体产生弹性变形，使得旋转 轴的轴心随滚动体的位置变动，同时产生振动，此时的振动称为滚动体的传输振 一1 l 一 基于i r t r 汽车后桥在线检测系统研究 动，由滚动体的公转产生。此振动的主要频率成分为矾( z 表示滚动体数量) 。其 振幅则与轴承类型、径向载荷、径向游隙及滚动体数目有关 旋转轴弯曲或轴承与轴承装歪时，产生具有矾+ f ( f 为转频) 频率成分 的振动。 当滚动体直径不一致时，轴心会随滚动体的频率正变动，正因轴向刚性不同 而产生差别，会发生包括正及，哌土( 甩- - - - 1 ，2 ) 两种频率成分的振动，一 般在一千赫兹以下。 ( 3 ) 滚动体的非线性伴生振动 滚动轴承靠滚道与滚动体的弹性接触来承受载荷，具有“弹簧”的特性， 当轴承的润滑状态不良时，会出现非线性弹簧的特性，因丽发生振动。轴向非线 1 性伴生振动频率为轴的转频( f ) 、高次谐波( 2 f ，3 f ) 及分谐波( 主 1 f ，专f ) 。径向非线性伴生振动频率是玩的各次谐波及其分谐波成分 ( 4 ) 装配不良引起的振动 1 轴承支架的装配部分松动、轴承本身装配不良会发生毒f 振动 ( 5 ) 轴承偏心引起的振动 当轴承有偏心时，轴的中心( 内环中心) 便以外环中心为中心作振动，其频 率为，l ，c ( 以= 1 ，2 ) 。 汽车后桥中的齿轮和轴承，由于安装不当或故障会产生振动，清楚后桥齿轮 和轴承运行状态的振动特征是本在线检测控制系统的基础 一1 2 - 大连理工大学硕士学位论文 3p l c 控制部分系统设计 3 1p l c 概述 3 1 1p l c 的基本概念 p l c ( 可编程控制器) 是一种在继电器基础上发展起来的数字运算操作的电 子系统，专为在工业环境应用而设计：它采用一类可编程的存储器，用于其内部 存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令； 并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。p i c 及其有 关外部设备。都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设 计【6 】。 3 1 2p l c 的特点 ( 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强 ( 2 ) 编程方便，易于使用 ( 3 ) 控制能力极强 ( 4 ) 扩展及与外部联接极为方便 3 1 3p l c 硬件 一体化的p l c 在硬件结构上通常可分为三大部分：c p u 板、加板和电源， 此外还有系统软件和外围接口 ( 1 ) c p u 板有一台基本计算机必需的部件：中央处理器c p u 、存储器r a m 、 e p r o m 、并行接口p i o ，串行接口s i o 、时钟c t c 。其作用是对整个p l c 的工 业进行控制。它的工作分为两部分：一部分是对系统进行管理，如自诊断、查错、 信息传送、时钟屙4 新等；另一部分是根据用户程序执行输入 俞出操作、程序解 释操作等 c p u 板中的存储器主要用于存储系统软件及用户环境，其容量的大小，应 与p l c 所控制系统的规模相适应。 串行接口和并行接口是c p u 与外围设备信息的通道，可为用户提供极大的 方便。 c p u 板上的定时器、计数器是用来产生系统时钟及用户时钟基信号的。 存储器包括r a m 和e p r o m 两种。r a m 的耗电极微，在可编程控制器中 通常用锂电池或超级电容作后备，保证在失电时保存程序和必要的参数。 ( 2 ) 输入接口电路 基于p l c 汽车后桥在线硷测系统研究 输入输出信号分为开关量、模拟量。 p l c 的一个重要特点就是所有输入输出信号与内部电路之间都隔离。输入 输出方式会有变化，但必须经过光电耦合或继电器将信号传入传出。 ( 3 ) 输出接口电路 输出通常有三种形式：第一种是继电器输出型，c p u 驱动继电器线圈，令 触点闭合，而外部电源通过闭合的触点驱动外部负载；第二种是晶体管输出型， c p u 通过光耦使晶体管通断，以控制外部直流负载；第三种是可控硅输出型， c p u 通过光耦使三端双向可控硅通断，以控制外部交流负载。 “) 电源 小型一体化p l c 内部有一个稳压电源。这电源一方面是为c p u 板、i o 提 供工作电源( 5 v d c ) ；另一方面也为外部输入元件提供2 4 v d c 电源。电源容 量取决于c p u 型号。 ( 5 ) 通讯接口 用与连接编程器、人机接口设备或其它p l c ，通过通信方式，实现编程、监 控、联网等功能。 ) 编程器 p l c 在正式运行时，不需要编程器。编程器用作用户程序编制、存储、管理， 并把用户程序送入p l c 中。在p l c 调试时，编程器还可用作监控及故障检测 3 1 4p l c 软件 p l c 的软件分两部分：系统软件与用户程序。系统软件由p l c 制造商固化 在机内，用于p l c 本身的运作。用户程序由p l c 控制器的使用者编制并输入， 用于控制外部被控对象的运行【n - 1 2 1 。 ( 1 ) 系统软件分为系统管理程序、用户指令解释程序及标准程序模块和系统调 用。 系统管理程序是系统软件中最重要的部分，主管控制p l c 的运作。其作用 包括三方面：一方面是运行管理，对p l c 何时输入、何对输出、何时计算，何 时自检、何时通信等作时间上的分配管理。另一方面是存储空间管理。即生成用 户环境，由它规定各种参数、程序的存放地址。将用户使用的数据参数、存储地 址转化为实际的数据格式及物理存放地址，将有限的资源变为用户可很方便地直 接使用地元件。再一方面是系统自检程序。它包括各种系统出错检验，用户程序 语法检验，句法检验，警戒时钟运行等。 大连理工大学硕士学位论文 用户指令解释程序，p i g 可用梯形图语言编程，把使用者直观易懂地梯形图 变成机器懂得地机器语言，由c p u 执行这些任务。 标准程序模块和系统调用，由许多独立的程序组成，各程序块完成不同的功 能，p i c 的各种具体工作都是这部分程序来完成的。 ( 2 ) 用户程序 用户程序是p l c 的使用者编制的针对具体控制对象的程序。有三种形式一一 指令表( s t l ) 、梯形图( l a d ) 和顺序图( s f c ) 。用户程序存放在系统管理 程序的存储区内，其容量的大小也为系统管理程序所限制。 ( 3 ) 用户环境 用户环境是由系统监控程序生成的，它包括用户数据结构、用户元件区分配、 用户程序存储区、用户系统参数等 3 2 p l c 的选取 随着工业自动化程度的日益提高，p l c 的使用越来越普通。p i c 以其高可 靠性、适应工业过程现场、强大的联网功能等特点，广泛应用于生产工艺过程 目前应用中常见的p l c 有欧姆龙o m r o n 系列，西门子s 7 2 0 0 、s 7 3 0 0 、 s 7 - 4 0 0 系列，三菱f x 2 系列。由于本系统的输入输出点数比较多，因此采用了 三菱公司f x 2 n 1 2 8 m r 系列【埘。 f x 2 n 1 2 8 m r 系列出色表现一下几个方面： ( 1 ) 极高的可靠性 ( 2 ) 极丰富的指令集 ( 3 ) 易于掌握 ( 4 ) 便捷的操作 ( 5 ) 丰富的内置集成功能 ( 6 ) 强劲的通讯能力 3 3 p l c 控制系统综合设计 3 2 1p l c 输入点 1 变频器报警复位 2 自动手动 3 后滑台进 4 后滑台退 5 左滑台进 2 4 自动循环启停 2 5 自动循环暂停继续 2 6 第一循环检测 2 7 第二循环检测 2 8 装夹确认 基于p l c 汽车后桥在线检测系统研究 6 左滑台退 7 右滑台迸 8 右滑台退 9 夹紧松开 1 0 。主电机低速 1 1 主电机中速 1 2 主电机高速 1 3 主电机正向 1 4 主电机反向 1 5 左加载 1 6 右加载 1 7 加油电机 1 8 抽油电机 1 9 自动变速箱i 档 2 0 自动变速箱i i 档 2 1 自动变速箱档 2 2 自动变速箱档 2 3 自动变速箱档 3 2 2p l c 的输出点 1 三色机床灯红k a l 2 三色机床灯绿k a 2 3 三色机床灯黄k a 3 4 主电机 5 加油电机 6 抽油电机 7 夹紧 8 松开 9 后滑台进 1 0 后滑台退 1 1 左滑台进 1 2 左滑台退 1 3 右滑台进 2 9 卸载确认 3 0 灯试 3 1 气压报警 3 2 左夹紧原位 3 3 左夹紧到位 3 4 右夹紧原位 3 5 右夹紧到位 3 6 后滑台原位 3 7 后滑台到位 3 8 左滑台原位 3 9 左滑台到位 4 0 右滑台原位 4 1 右滑台到位 4 2 左计数 4 3 右计数 4 4 加油电机停 4 5 抽油电机停 4 6 主电机停 2 3 右滑台进 2 4 右滑台退 2 5 主电机低速 2 6 主电机中速 2 7 主电机高速 2 8 主电机正向 2 9 主电机反向 3 0 左加载 3 1 右加载 3 2 加油电机 3 3 抽油电机 3 4 自动变速箱i 档 3 5 自动变速箱档 大连理工大学硕士学位论文 1 4 右滑台退 1 5 左直流控制报警复位 1 6 ，右直流控制报警复位 1 7 气压报警 1 8 变频器报警，复位 1 9 。后滑台进 2 0 后滑台退 2 1 左滑台进 2 2 左滑台退 3 6 自动变速箱档 3 7 自动变速箱【v 挡 3 8 启动变速箱v 档 3 9 自动循环启停 加自动循环暂停，继续 4 1 装夹确认 4 2 第一循环检测 4 3 第二循环检测 4 4 拆卸确认 基于p l c 汽车后桥在线检测系统研究 3 2 3p l c 控制流程图 大连理工大学硕士学位论文 一1 9 - 基于p l c 汽车后桥在线检测系统研究 大连理工大学硕士学位论文 3 2 4p l c 接线图见附录a 、b 、c 、0 、e 、f 、g 、 3 2 5p l c 控制程序见附录h 一2 1 基于p l c 汽车后桥在线检测系统研究 4 数据采集系统的硬件设计 4 1 数据采集系统硬件电路的总体设计 整个数据采集系统的硬件电路共有两块电路板组成；前端模拟信号调理板和数据采 集上传板。前端模拟电路板主要负责对噪声传感器和振动传感器的模拟信号进行调理， 使之转换为数据采集板可以接受的信号；数据采集上传板由w 7 7 e 5 8 单片机和c a n 总线 模块芯片s j a l 0 0 0 组成，a d 转换器在w 7 7 e 5 8 单片机的控制下对前端模拟信号调理电路 板调理后的信号进行a d 转换，然后将转换后的数据通过现场c a n 总线上传给上位机。 4 2 前端模拟信号调理电路 4 2 1 模拟信号的调理和转换 在旋转机械的振动和噪声测量中，由于所测量的信号不同以及信号分析方法的不 同，因而对所测的现场信号调理方法也不同，通常有一下几种： ( i ) 轴径向振动测量信号的调理 一般而言，轴径向振动测量在旋转机械振动测量中最为重要，因为它能反应转子 的工作状态，能对旋转机械设备的各种机械故障，如转子不平衡、不对中、油膜涡动等 的判断提供重要信息。 轴径向振动一般用电涡流传感器来测量，它的输出信号代表传感器探头端到轴表面 的间隙。传感器测得的振动信号由一个与静态间隙成正比的静态分量和一个与轴振动成 正比的动态分量叠加而成。该静态分量是一个直流分量，它反应的是间隙电压，而动态 分量是一个交流分量，它反应了振动幅值的动态变化，也就是轴振动。由于研究的是轴 振动信号，因此必须通过电路将直流分量和交流分量相分离，交流分量中包含各种谐波 信号，必须进行滤波处理，从所测的信号中提取出有用信号，最后通过a d 转换器进行 a d 转换。 ( 2 ) 振动噪声信号的调理 振动噪声也是衡量机器运转的一个重要指标，通过测量振动的噪声可知设备是否工 作正常。振动的噪声通过声传感器经过a d 转换后可以直接换算出噪声的分贝值，从而 来确定汽车后桥工作时的噪声值是否达到指标。 大连理工大学硕士学位论文 4 2 2 模拟量输入模块的设计 在工业测控领域里，数据采集系统的输入信号来自测量现场的传感器，对于传感器 本身来说，由于其运用环境应用目的的差异，输出信号的类型也多种多样，这些信号一 般不能直接输入到系统内部需要进行适当的变换，如电流量需要经过标准取样电阻变 成电压量。 通常从传感器输出的信号一般为o 5 v 的电压信号和4 2 0 m a 的电流信号，由于电 流型的信号传输距离比较远，抗干扰能力相对电压型信号传输要强一些，所以本系统选 择的传感器输出的是4 2 0 m a 的电流信号，而a d 转换器的输入信号要求是电压信号， 因而需要将4 2 0 m a 的电流信号转换为0 5 v