（机械工程专业论文）汽车发动机冷却系统试验台的研制与开发.pdf

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：捌日期：土埠鲥仰 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c ：鄱晰l 翩c ：汹纩醐嘶计豹 摘要 发动机冷却系统的作用是使发动机的温度在所有工况下均保持在适当的范 围内。冷却系统不仅要防止发动机过热，也要防止发动机过冷。而传统汽车的 水泵和散热风扇一般由发动机曲轴通过v 带传动，传动带环绕在曲轴带轮与水 泵带轮之间，因此水泵转速与发动机转速成比例关系。这种水泵轴与风扇轴随 发动机曲轴转速而变化的驱动方式给发动机散热带来了诸多问题。发动机启动 时，发动机温度迟迟上不来，造成发动机过冷。而怠速工作时，又造成了发动 机过热。 控制好发动机的工作温度，不仅有利于延长发动机的寿命，而且发动机的 启动性能，燃油经济性能，排放性能等都会有质的提升。而控制发动机的工作 温度的关键又在于控制冷却液的温度和水泵的转速。所以，搭建一套冷却系统 试验台来探求冷却液温度、水泵转速与发动机工作状况之间的规律的试验台就 显得尤为重要了。 正是基于上述原因，本文应用p l c 控制技术搭建了一套发动机冷却系统试 验台。用高性能的伺服电机独立驱动水泵，采用西门子公司的p l c 和必要的数 字量、模拟量输入模块对各种控制信号包括压力、温度、扭矩信号、流量进行 自动采集处理。并运用p l c 内置的p i d 功能以及相应的模拟量输出模块精确的 控制了冷却液的温度。同时，本文采用w i n c c 软件作为上位机控制软件，实现 了试验过程的可控，可视以及自动化。 本文以p l c 为系统控制核心，给出了系统总体方案设计以及相关的电气原 理图。简要的介绍了机械方案的设计与相关机械设备的选型。重点阐述了试验 台的控制程序包括主程序、自动测试程序、p i d 加热控制程序等的实现过程。本 文的最后还阐述了上位机控制软件的实现过程，通过上位机控制软件与p l c 程 序的无缝结合，实现了实验数据的自动采集、制表、存档等功能。 通过多次调试，本文介绍的发动机冷却系统试验台在p i d 控制冷却液温度 方面具有测温准确、反应灵敏、控制精确的特点，充分的满足了试验的预期效 果。在控制水泵转速的精度上达到了1 转的精确控制。通过简明直观的w i n c c 上位机控制软件，使得试验过程变得简单轻松，试验结果直观明了。 关键词：发动机，冷却系统，冷却液，p l c ，w i n c c a b s t r a c t t h ef u n c t i o no fe n g i n ec o o l i n gs y s t e mi st om a k et h ee n g i n ew o r kw i t h i na n a p p r o p r i a t et e m p e r a t u r er a n g eu n d e ra l lw o r k i n gc o n d i t i o n e n g i n ec o o l i n gs y s t e m m u s tp r e v e n tt h ee n g i n ef r o mb e i n gb o t ho v e r h e a t e da n ds u p e r c o o l e d w a t e rp u m p a n dc o o l i n gf a no ft r a d i t i o n a lc a r sa r eu s u a l l yd r i v e nb yt h ee n g i n et h r o u g hvb e l t ， w h i c hi si n t e r t w i n e db e t w e e nc r a n k s h a f tp u l l e ya n dw a t e rp u m pp u l l e y t h e r e f o r e ，t h e r o t a t i o n a ls p e e do fw a t e rp u m pi si np r o p o r t i o n a lr e l a t i o n s h i p 、航t ht h ee n g i n es p e e d t h i sk i n do fd r i v i n gm e a n s ，n a m e l y , t h er o t a t i o n a ls p e e do fw a t e rp u m ps h a f ta n df a n s h a f tc h a n g e 诚mt h ee n g i n es p e e d ，c a u s e sv a r i o u sp r o b l e m si n d e e d w h e nt h ee n g i n e s t a r t st or u n ，t h et e m p e r a t u r er e m a i n sq u i t el o w , r e s u l t i n gi nt h ee n g i n es u p e r c o o l e d ， w h i l et h ee n g i n ei si d l ew o r k i n g ，i tm a yc a u s et h ee n g i n eo v e r h e a t e d a g o o dc o n t r o lo ft h eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r eo ft h ee n g i n ec a nn o to n l yp r o l o n g t h el o n g e v i t yo ft h ee n g i n eb u ta l s oi m p r o v es t a r t i n gp e r f o r m a n c e ，f u e l - e c o n o m i c p e r f o r m a n c ea n de m i s s i o np e r f o r m a n c eo ft h ee n g i n e t h ek e yf a c t o ro ft h ec o n t r o lo f e n g i n et e m p e r a t u r el i e si nt h ec o n t r o lo ft h ec o o l a n tt e m p e r a t u r ea n dr o t a t i o n a ls p e e d o fw a t e rp u m p t h e r e f o r e ，i ti so fs i g n i f i c a n ti m p o r t a n c et ob u i l das e to ft e s t - b e dt o e x p l o r et h ec o n n e c t i o na m o n gt h ec o o l a n tt e m p e r a t u r e ，r o t a t i o n a ls p e e do fw a t e r p u m pa n do p e r a t i n gc o n d i t i o no ft h ee n g i n e b a s e du p o nt h ea b o v er e a s o n s ，i nt h i st h e s i s ，i tb u i l d sas e to fe n g i n ec o o l i n g s y s t e m t e s t - b e d t h r o u g hp l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) i ta p p l i e s h i g h - p o w e r e ds e r v om o t o rt oi n d e p e n d e n t l yd r i v et h ew a t e rp u m pa n du s e st h ep l c o fs i e m e n sa n dn e c e s s a r yd i g i t a lq u a n t i t yi n p u tm o d u l ea n da n a l o gi n p u tm o d u l et o a u t o m a t i c a l l yp r o c e s sv a r i o u sc o n t r o ls i g n a l si n c l u d i n gp r e s s u r es i g n a l s ，t e m p e r a t u r e s i g n a l sa sw e l la st o r q u es i g n a l s i na d d i t i o n ，i tu s e st h ei n - b u i l tp i df u n c t i o no fp l c a n dc o r r e s p o n d i n ga n a l o gi n p u tm o d u l et op r e c i s e l yc o n t r o lt h ec o o l a n tt e m p e r a t u r e i nt h i st h e s i s ，i ta p p l i e sw i n c cs o f t w a r ea st h eu p p e rc o m p u t e rc o n t r o ls o f t w a r ea n d r e a l i z e st h ec o n t r o l l a b i l i t y , v i s i b i l i t ya n da u t o m a t i o no ft h ew h o l e e x p e r i m e n tp r o c e s s i nt h i st h e s i s ，晰mt h ec o n t r o l l i n gc o r eo ft h es y s t e m ，n a m e l y , p l c ，i tp r o p o s e s a no v e r a l l p r o j e c td e s i g na n d r e l e v a n te l e c t r i cs c h e m a t i cd i a g r a ma n db r i e f l y i n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h em e c h a n i c a lp l a na n dr e l e v a n tm e c h a n i c a le q u i p m e n t s e l e c t i o n 。i ta t t a c h e sg r e a ti m p o r t a n c et oe x p o u n dt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e d u r eo f i i c o n t r o lp r o g r a m so ft h et e s t b e d ，i n c l u d i n gm a i np r o g r a m ，a u t o m a t i ct e s tp r o g r a ma n d p i dh e a t i n gc o n t r o lp r o g r a m a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，i ta l s os h e d sl i g h t so nt h e i m p l e m e n t a t i o np r o c e d u r eo ft h eu p p e rc o m p u t e rc o n t r o ls o f t w a r e t h r o u g ht h e s e a m l e s si n t e g r a t i o no fu p p e rc o m p u t e rc o n t r o ls o f t w a r ea n dp l cp r o g r a m ，i tr e a l i z e s t h ef u n c t i o no fa u t o m a t i ca c q u i s i t i o n ，t a b u l a t i o na n df i l i n go fe x p e r i m e n td a t a t h r o u g hr e p e a t e dd e b u g g i n g ，i tc o n c l u d e st h a tt h ee n g i n ec o o l i n gs y s t e mi s a c c u r a t ei nt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，r e s p o n s i v e l ys e n s i t i v ea n dp r e c i s ei nc o n t r 0 1 i t f u l l ym e e t st h ee x p e c t e de x p e d m e n te f f e c t i tc a nb ea c c u r a t et o 士1r o u n do ft h e c o n t r o lo fr o t a t i o n a ls p e e do fw a t e rp u m p t h r o u g ht h ec o n c i s ea n dv i s u a lw i n c c u p p e rc o m p u t e rc o n t r o ls o f t w a r e ，i tm a k e st h ee x p e r i m e n te a s ya n dt h er e s u l t sc l e a r a n de x p l i c i t k e yw o r d s ：e n g i n e ，c o o l i n gs y s t e m ，c o o l a n t ，p l c ，w i n c c i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 汽车发动机冷却系统简介1 1 2 国内外研究状况3 1 3 研究目标和意义4 1 4 课题主要工作5 第2 章发动机冷却系统试验台综合方案设计6 2 1 水泵旋转系统7 2 2 加热系统9 2 2 1 热电偶温度传感器。10 2 2 2 三相调压调功器和三相电加热棒1 1 2 3 压力、流量、扭矩检测传感器1 2 2 3 1 压力检测传感器1 2 2 3 2 流量检测传感器一1 2 2 3 3 扭矩检测传感器1 4 2 4p l c 控制系统。15 2 5 系统总方案设计18 2 6 本章小节19 第3 章试验台电气连接及p l c 硬件组态2 0 3 1 信号模块的电气配线2 0 3 2p l c 模块的硬件与软件组态2 3 3 3p l c 与工业计算机的连接一2 8 3 4 本章小节2 8 第4 章系统p l c 控制程序的设计与编写2 9 4 1p l c 程序的总体架构3 0 i v 4 2p i d 加热程序设计31 4 3 自动测试程序及其附属功能的设计3 5 4 4 主程序设计4 l 4 5 本章小节4 6 第5 章晰n c c 上位机控制与监视软件的设计4 7 5 1s i m a t i cw i n c c 软件介绍4 7 5 2w i n c c 上位机控制与监视软件的设计4 9 5 2 1 通信与过程变量的建立4 9 5 2 2 图形界面的设计5l 5 3w i n c c 的综合性配置及运行5 6 5 4 本章小节5 7 第6 章结论一5 8 致 射5 9 参考文献6 0 附录发动机冷却系统试验台全貌图6 3 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车发动机冷却系统简介 发动机冷却系统的功用主要从防止发动机过冷和过热两方面来维持发动机 的温度始终处于合适的范围之内，保证发动机的正常工作。发动机的过冷现象 主要出现在发动机从冷态下启动时，尤其容易发生在寒冷的环境中。而发动机 的过热现象大多出现在发动机低速或者怠速工作时。在其它工况下，传统的发 动机冷却系统一般能满足散去多余热量的需求n 1 。 发动机无论出现过冷或过热现象，都将造成发动机燃油性能变差、发动机 功率下降、排放恶化等现象。出现过冷现象意味着冷却系统散去了不该被散去 的热量，致使发动机温度低于正常工作温度。此时，润滑油在过低的温度下， 粘度急剧上升，发动机各零件之间就无法形成良好的油膜润滑，导致零件的磨 损加剧。同时，过低的温度还导致燃油燃烧不充分，发动机启动将变得困难。 而过热现象与过冷现象恰好相反，冷却系统无法散去发动机工作时产生的大量 的多余热量，这些热量积聚在气缸、缸体周围造成了发动机的过热。在过高的 温度下，润滑油粘度急剧下降，发动机机零件之间同样无法形成良好的润滑， 也导致了零件的磨损。过高的温度还会导致零件膨胀而破坏零件之间的间隙配 合，各零件的力学性能在高温下发生改变，严重情况下甚至导致活塞卡死及破 损。上述两种现象的出现还会严重的缩短发动机的寿命。 发动机冷却系统采用以水为主要成分的冷却介质的水冷系统，即强制循环 水冷却系统。强制循环水冷系统主要由水泵、节温器、散热器、散热风扇、水 套等部件构成。从图1 - 1 中可以看出，水泵7 和散热风扇9 安装在同一根轴上 通过带传动的形式由发动机曲轴驱动。水泵的旋转使得冷却液压力提高，从而 在发动机冷却系统里循环流动，冷却液流过热的发动机机体吸收热量，最终返 回散热器中，在散热器中，热的冷却液由于散热风扇的旋转或者车辆的迎风行 驶温度降低后流回水泵中。这一循环过程被称为发动机冷却系统的大循环，此 时节温器3 处于开启状态。 武汉理工大学硕士学位论文 9 1 0 l 8 24 0 图1 - 1 发动机冷却系统 卜散热器2 一散热器盖3 一节温器4 一水温表5 一水套6 一分水管7 一水泵8 一放水阀9 一风扇 1 0 - 百叶窗 与大循环所对应的是小循环，小循环主要用于发动机启动时或启动后的一 段时间之内。发动机处于小循环工作状态时，节温器3 是关闭的。从图卜l 中 可以看出，此时，从发动机各水套流出的冷却液将无法流入散热器中，而是直 接流回了水泵中。这样，发动机启动时就能保证发动机温度的迅速升高。当发 动机温度升高到正常的工作温度范围之后，节温器自动打开，冷却系统进入大 循环，散去发动机正常工作时产生的多余热量。 从图卜1 中可以看出，水泵和散热风扇安装在同一根轴上通过带传动由发 动机曲轴驱动，传动汽车的冷却系统大多采用此驱动方式。因此，水泵以及散 热风扇的转速和发动机曲轴的转速是成正相关的，这种水泵轴与风扇轴随发动 机曲轴转速而变化的驱动方式给发动机散热带来了诸多问题。 例如，在寒冷的环境中，发动机往往变得启动困难，即使启动成功后也无 法在很短的时间内迅速升高到正常的工作温度范围。这是因为，水泵和风扇直 接由发动机曲轴驱动。在发动机启动的初始阶段，水泵即开始工作，冷却液开 始循环，本不应该被带走的气缸周围的热量由于冷却液的循环而被带走。另一 方面，在车辆迎风行驶的过程中，冷却液与大量低温空气接触其温度义迅速降 低，使得发动机始终升温变得缓慢。 2 武汉理工大学硕士学位论文 又如，在城市公共交通中，由于交通情况不理想，公共巴士的发动机经常 工作在怠速或低速状态，此时发动机的温度会过热。而同样受限于驱动方式， 水泵和风扇的转速却依然很慢，过多的热量无法散去，使得发动机工况恶化， 甚至可能造成水箱开锅。 散热风扇和冷却水泵是汽车冷却系统中的关键散热设备，传统的驱动方式 两者均由发动机曲轴通过v 带传动。显然，其调节效果不能适用于所有工况， 冷却效率极其低下。 1 2 国内外研究状况 目前，国产小汽车中风扇大多已采用单独的电动机驱动，可以通过电子调 节系统根据不同的工况调整转速。但是，有一部分汽车的冷却水泵却依然采用 由曲轴驱动的方式。由于采用此方式，发动机在工作时，依然会存在过冷和过 热现象的出现。但是近几年来，随着汽车电子技术的发展，水泵和散热风扇的 独立驱动和精确控制变得现实可行。目前的研究方向已然转向如何优化汽车电 子控制系统，通过各类传感器精确反馈发动机的工作状况，实现对冷却系统的 智能和精确控制。 独立驱动的思想最早诞生于1 9 8 1 年的一份美国专利文件中乜，3 | ，它首次提出 了用单独的电动机驱动散热风扇，也同时为以后水泵的独立驱动奠定了基础。 1 9 9 4 年台湾裕隆公司正式提出了水泵独立驱动的思想，并成功申请了专利。配 合汽车电子技术以及传感器技术，实现了水泵的转速根据发动机的工况调整。 经过多年的发展，水泵以及散热风扇独立驱动已经成为发动机冷却系统的标准 配置，研究方向也转向电子控制系统的研究，即根据发动机的工况精确的调整 水泵以及风扇的转速。 法雷奥公司研发出了一种名为t h e m i s ( 智能热调节系统) 的电子调节系统， 山东农业大学运用单片机技术实现了冷却系统的智能控制，电子科技大学将模 糊控制理论运用在发动机冷却系统控制的设计上，并取得了良好的效果。另外， 除了对控制系统的智能化研究外，国外还提出了一种高温冷却系统的设计思想， 它的本质思想是提高冷却液的温度设定点。由于预先提高了冷却液的温度，发 动机可以很快的进入正常工作状态，同时还降低了发动机功率损耗和水泵的额 定功率。 虽然冷却系统的智能研究已经获得了大量成果并成功的运用在了生产中， 3 武汉理工大学硕士学位论文 但是评价冷却系统散热性能的方法或者装置依然处于起步阶段。而研究智能化 冷却系统的前提条件是提供评价冷却系统性能的试验设备。目前，国内外大多 通过实地试验的方法评价冷却系统的散热性能。主要使用的试验方法有：爬长 坡行驶试验法、负荷牵引试验法以及底盘测功机试验法。下面简要的介绍这三 种试验方法。 爬长坡行驶试验法的场地条件为一段坡度在5 、长度至少在l o k m 的平整道 路。试验车辆的行驶状态为合适的低挡位并且节气门处于全开状态，行驶速度 接近2 0 k m h 。在车辆的行驶过程中以3 0 s 为采集间隔时间全程采集发动机冷却 系统的出水温度、机油温度、环境温度以及发动机转速。若3 分钟内机油温度 和出水温度的变化均不超过1 摄氏度，则认为发动机冷却系统达到热平衡状态。 负荷牵引试验法在水平道路上进行，试验车辆刚性牵引负荷车辆，低挡位 节气门全开以1 5 k m h 的速度牵引负荷车辆在道路上行驶。采集数据的方式和判 断冷却系统状态的条件与爬长坡试验法一样。 底盘测功机试验法采用模拟整车行驶工况的试验方法。试验时，试验车辆 在底盘测功机加载的额定负荷下以规定的发动机转速行驶，并在车头处放置鼓 风机模拟车辆行驶的迎风状态。相应的冷却系统的评价指标可以直接在底盘测 功机的软件上读出。 前两者试验方法需要较大的场地且需要较长的时间来完成，并且试验结果 具有不确定性。而底盘测功机试验法可以在室内实验室里进行，试验方便且周 期短。 1 3 研究目标和意义 前面介绍的三种试验方法都有其局限性。爬长坡试验法和负荷牵引法需要 苛刻的道路条件和天气条件，并且试验的周期较长，试验结果也具备不确定性。 而底盘测功机试验法虽然优于前两者，但是其建设成本颇高且国内科研机构及 汽车厂家并没有大规模的采用。因此，研发测试功能强大的发动机冷却系统试 验台具有非常重要的应用价值和研究意义。 本课题的研究任务便是设计一套切实可行的发动机冷却系统试验台，它能 够在实验室里直接测试发动机冷却系统的性能。测试对象为发动机以及其冷却 系统，而不需要像底盘测功机那样使用整车进行测试，也无需苛刻的使用环境。 测试的结果将能直观的展示在计算机界面上，并且实现对各种数据的存档和分 4 武汉理工大学硕士学位论文 析功能。研究的重点是发动机冷却系统试验台控制系统的实现。 发动机冷却系统试验台的研究意义在于它能准确的提供发动机在不同负荷 下发动机冷却系统的散热性能。散热性能的评价指标将及时的反映在计算机软 件上，这样改进发动机冷却系统，指导发动机冷却系统的控制思想设计就变得 简单。 1 4 课题主要工作 本课题来源于上汽通用五菱公司技术中心的发动机冷却系统试验台，主要 工作有如下两方面： 1 ) 系统总体方案的建立，即机械系统的设计与选型以及电气原理图的设计。 2 ) 运用西门子$ 7 - 3 0 0p l c 技术以及w i n c c 组态软件技术建立一套自动控制且试 验过程可控、可视、结果可存档自动分析的自动化程序和控制软件。 主要的研究内容有如下几点： 1 ) 运用p l c 技术实现对加热器的p i d 控制，实现对冷却液温度的精确控制； 2 ) 编写发动机冷却系统测试程序以及相应的控制程序； 3 ) 运用w i n c c 技术编写人机交互界面实现和p l c 通信，实现对试验台的监控以及 数据采集、存档等工作； 4 ) 研究发动机在各种不同负荷下，合适的水泵转速及冷却液温度，并从中发现 它们之间的规律； 5 ) 运用4 ) 中的规律进行再试验，观察冷却系统的散热表现是否有所改进。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章发动机冷却系统试验台综合方案设计 发动机冷却系统试验台主要由水泵旋转系统、冷却液加热控制系统、温度， 压力，扭矩检测装置、p l c ( 可编程逻辑控制器) 、上位机控制系统等组成。设 计思路为：试验开始时，由上位机控制软件设定加热温度、水泵转速、温度反 馈点。水泵以特定的转速旋转，使冷却液在发动机机体内强制循环，p l c 程序根 据温度反馈点传来的温度信号与设定温度进行比较，采用p i d 控制方式，控制加 热器的加热功率使反馈点温度无限接近设定温度。反馈温度接近设定温度的某 一范围后，水泵开始以设定转速旋转，上位机软件开始记录发动机水泵进、出 口、各缸体温度以及各缸体内的压力。试验台的初步布局如图2 1 所示。 图2 - 1 发动机冷却系统试验台总体布局 发动机冷却系统试验台采用了高速交流伺服电机，扭矩测量仪，自动控制 和数据采集，标准的地基铁板允许客户安装不同型号的发动机及支撑。地基铁 板为t 型槽铸铁底板，尺寸为3 0 0 0 x 1 5 0 0 m m ，由2 4 d s 时自适应空气弹簧支撑，振 动频率小于3 h z 。发动机采用四个安装在标准地基铁板上的移动支撑实现了水平 安装。移动顶尖支撑可自由调节高度，根据发动机的安装高度调节四个支撑的 高度使其高度一样。试验发动机安装在一块钢板上，然后将水平钢板置于四个 顶尖上，采用螺栓连接使其固定。伺服电机安装在电机座上，电机座根据伺服 电机的尺寸精确设计，电机座上同时预置了安装扭矩传感器的位置。因为采用 了标准地基铁板，固定了电机安装高度及位置后，发动机的位置可以根据需要 调整。具体要求是，务必保证发动机水泵轴与伺服电机轴两者轴线平行并尽量 重合，然后采用弹性联轴器连接伺服电机轴与水泵轴。地基铁板的后方为试验 6 武汉理工大学硕士学位论文 台的强电控制电柜，右方为三相加热器，冷却液同时也存贮在加热器的罐体内。 采用软管连接水泵的进口与罐体的出口、水泵的出口与罐体的进口。这样，便 构成了一个封闭的冷却液循环通道。水泵旋转后，冷却液便强制在冷却系统内 循环流动了。 按图2 1 的布局，操作台置于地基铁板的正前方，操作员可以从正面观察试 验台的全部状况。但这样的布置使得人和操作设备处于伺服电机旋转方向的切 线方向上，若伺服电机轴与发动机水泵轴在安装过程中没有保证其同轴度，有 可能造成联轴器或水泵的损毁，而一旦发生损毁事故，破损的零件由于离心力 的作用可能甩向操作人员，对周围设备和操作人员都构成了极大的安全隐患。 故而，实际布置时，操作台并没有被布置地基铁板的正前方，而是布置在地基 铁板的侧面( 左侧) ，避开了地基铁板正面这一危险区域。 操作台是整个系统的控制核心，工控机、p l c 系统、u p s 不间断电源以及蜂 鸣器等均置于操作台中。 2 1 水泵旋转系统 水泵在冷却系统中的作用是对冷却液进行加压，保证其在冷却系统中循环 流动。汽车发动机冷却系统中大多采用离心式水泵，其工作原理如图2 2 所示。 当水泵叶轮逆时针旋转时，水泵中的冷却液被叶轮带动旋转的同时因离心力的 作用被甩向叶片的顶端，冷却液即以一定的压力从出水管流出。在靠近叶轮中 心处，因冷却液被甩出压力小于进水管处的压力，进水管处的冷却液被吸入。 这样就保证了冷却液在冷却系统中的循环流动。 滋水管叶轮 水泵壳体 迸水管 一 一。j 图2 - 2 水泵工作原理示意 7 武汉理工大学硕士学位论文 传统的驱动方式是水泵由发动机曲轴通过带轮传动，受此驱动方式的限制， 水泵转速随发动机曲轴转速的变化而变化，发动机在某些工况下的散热情况是 极其不理想的。在发动机启动的初始阶段，本不该工作的水泵工作导致冷却液 循环流动，再加之车辆迎风行驶，发动机缸体周围的热量被迅速释放到空气中， 造成发动机温度迟迟升不上来，造成发动机过冷现象。而当发动机工作在怠速 或低速状态，发动机温度会过热，同样受限于驱动方式，水泵和风扇的转速却 依然很慢，结果导致热量大量积聚无法散去，使得发动机工况恶化，甚至出现 水箱开锅。 本课题中，水泵由单独的伺服电机驱动，水泵转速精确可调，并可以根据 发动机的工作状况实时调整转速，这样就可以实现在发动机的不同工况下采取 不同的水泵转速。传动顺序为：伺服电机专扭矩传感器专联轴器专水泵输入轴。 本试验台中，水泵的最大旋转速度达到了9 0 0 0 r p m ，本着高要求，高质量的设计 原则，选择了德国博士力士乐公司的m a d 高性能异步伺服电机。 m a d 电机系列的大功率密度特点使其在机床行业，印刷行业或者金属成型行 业的伺服与主轴应用上有着极大的优势。高分辨率的单圈或多圈编码器系统以 及极佳的回转质量保证了加工精度。本课题所采用的伺服电机的技术参数如表 2 1 所示。 表2 - 1 伺服电机技术参数 电机型号额定最大额定最大额定额定转动质量 速度速度扭矩扭矩功率电流惯量 r p m r p m n m n m k w a k g m 2 k g m a d l 0 0 d 一0 2 5 02 5 0 01 1 0 0 05 01 1 8 71 3 13 2 40 0 3 9 27 2 在已有伺服电机技术参数的基础上，必须选择合适的伺服电机驱动器，伺 服电机才能正常的工作。这里，同样选择了德国博士力士乐公司的i n d r a d r i v ec 系列紧凑型驱动器h s c 0 3 ，该驱动器功率范围从1 5 k w 至l j 7 5 k w ，最大电流从1 2 a 至u 2 1 0 a 。拥有高过载能力，具有单轴应用的紧凑式结构，可直接连接2 0 0 v 至u 5 0 0 v 的电源。该驱动器的控制单元还具备p r o f i b u s 现场总线，通过这种总线，总线 设备之间可以周期性的交换所有的指令值和实际值，包括状态信息和故障信息。 该总线可以使伺服驱动器作为普通i o 设备与p l c 的c p u 进行通信，为编写上位机 控制软件以及p l c 程序提供了良好的可操作性和易用性。伺服驱动器的技术参数 如表2 2 所示。 8 武汉理工大学硕士学位论文 表2 2 驱动器的技术参数 驱动器连续最大电源电压连续最大宽高深质量 型号电流电流制动制动 姗 蚴 m m l m m l a 功率功率 h s c 0 3 17 3 1 0 0 三相交流 1 8 9 6 3 2 2 54 4 03 0 92 0 e - w 0 1 0 0 4 0 0 5 0 0 ( + 1 0 - 1 5 ) 另外，该伺服驱动器还配有制动电阻器，它的作用是：将伺服电机减速或 快速停车制动时产生的再生电能转换成热能消耗掉。参考表2 - 2 ，驱动器的连续 制动功率为1 8 9 k w ，最大制动功率为6 3 k w ，选择的制动电阻器技术参数如表2 - 3 所示。 表2 3 制动电阻器参数 制动电阻器连续制动最大制动宽 m m 高 咖深 i n t o 质量 k g 型号功率功率 h l r 0 1 1 n 一2 42 48 37 9 57 1 04 9 0 8 k o n 0 7 r 2 2 2 加热系统 加热系统主要用来加热冷却液，使之达到设定的温度并保持，温度偏差控 制在i c 内。从图2 3 可以看出，该系统主要由工业计算机、p l c 模块、模拟量 输出模块、三相调功调压器、三相加热器、热电偶温度检测等组成。 图2 3 加热系统的构成 加热系统的控制原理是：由工业计算机上位机软件设定温度，发送给p l c 的 c p u ，c p u 根据设定温度与检测温度之间的偏差进行p i d 运算，然后通过模拟量输 9 武汉理工大学硕士学位论文 出模块输出4 - 2 0 m a 电流信号控制三相调功调压器的输出电压，三相电加热棒随 着该电压的变化或提升加热速度或减慢加热速度，最终使检测温度控制在设定 温度的1 内。加热器罐体内的温度还可以通过p l c 回传给工业计算机，在上位 机软件上进行显示、存储。从图2 - 3 中可以看出，该加热系统为典型的闭环控制 系统，加热器罐体内的温度信号为系统的负反馈信号，p l c 的c p u 运用p i d 算法使 系统输出与系统目标的误差不断减小，最后趋于稳定。 2 2 1 热电偶温度传感器 温度传感器是温度控制系统中最重要的检测元件，是实现加热控制系统中 最重要的硬件之一。工业上常用热电偶传感器来检测温度，相比其它温度传感 器，热电偶温度传感器有如下优点： 1 测量精度可达0 1 ； 2 测量范围极广，从一2 7 0 到2 3 1 5 的宽广温度范围均可进行连续测量； 3 使用方便可直接与被测对象接触，安装简单，响应速度快，耐压性能好。 热电偶由一对热探针以及所有必要的安装和连接部件构成。热电偶对由两 根以不同金属或金属合成制成的导线组成，两根导线的末端焊接在一起。不同 类型的热电偶( 例如k 、j 和n 型) 由不同材料的金属构成，无论何种类型的热电 偶，其工作原理都相同。 t 1 图2 4 热电偶的构成原理 卜测量点2 一具有正负热敏元件的热电偶3 一端子4 一补偿线路5 一参比节点 6 一电源线7 一热电压采集点 测量点和热电偶的空闲端( 连接点) 间的任何温度差都会产生热电势。热 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 电势是测量点和连接点间温差的函数，并由热敏元件的材料构成决定。测量点 与空闲端的温差会唯一的对应一个电势，通过测定不同温差所对应的电势就 可以制成热电偶分度表。分度表是空闲端温度为0 时的条件下得到的，显 然，不同类型的热电偶具有不同的分度表。 本课题中，由于对试验台的测量结果有严格的要求，故而选择了德国 r o e s s e l 公司的k 型( 镍铬一镍) 热电偶，测量范围最大允差l ，能满足测量 要求。热电偶的导线嵌在密实绝缘高纯度氧化镁块里面，然后密封在一个 镍铬合金不锈钢保护套内。有了密实绝缘块的固定作用，导线就不会被震 动或弯曲所破坏，也不会发生导线之间，导线和金属套之间的短路。 2 2 2 三相调压调功器和三相电加热棒 三相调压调功器为三相电加热棒的控制端，它用来控制电加热棒的加 热能力。三相调压调功器可接收标准4 - 2 0 m a 的电流控制信号，对应于4 m a 电 流，三相调压调功器加载到电加热棒上的电压为零，三相电加热棒停止加 热。对应于2 0 m a 时，三相调压调功器将输出最大功率加载在加热棒上，实 现迅速加热。即三相电加热棒的加热能力与4 - 2 0 m a 电流成正比关系。三相 调压调功器4 2 0 m a 控制信号来源于p l c 模拟量输出模块。为此选用三相调功 调压器s h 3 0 a ，具体型号为s h 3 0 a 一4 一b 1 2 5 5 0 a 一0 ，电流容量为5 0 a ，三相电加热 棒纯电阻负载，采用三角形接法，即三根加热棒首尾相接构成三角形连接。 l 1 l 2 l 3 图2 - 5 加热棒电气原理 图2 5 中，l 1 、l 2 、l 3 两两之间最大电压为3 8 0 v ，每一根加热棒的电阻为6 q 。 由公式i = u 瓜可算出电阻丝上的允许通过的最大电流为6 3 3 a 。此电流值己大于 武汉理工大学硕士学位论文 三相调功调压器的电流容量，一般来说，三相调功调压器不会以满电流容量工 作，故而三相调功调压器与三相电加热棒是匹配的。 2 3 压力、流量、扭矩检测传感器 压力、流量、扭矩传感器分别采集发动机气缸套内水套的压力、冷却系统 管道内的瞬时流量、伺服电机负载轴上的扭矩，是试验中重要的采集数据。 2 3 1 压力检测传感器 冷却液在强制循环水冷中的循环系统其中一段流动路径为：冷却液由发动 机机体水套分别流入各气缸盖水套，热后流入节温器完成余下的循环。 冷却液在每个气缸盖水套内的流动情况的好坏直接会影响其冷却效果，判 断其流动情况好坏的指标之一就是各气缸盖水套内的压力大小。因此必须选择 合适的压力传感器，用来检测气缸盖水套内的压力大小。另外，压力传感器还 需具备4 - 2 0 m a 标准电流信号输出功能，以满足p l c 的采集以及上位机软件的显示 功能。 压力传感器选用g e 公司的u n i k5 0 0 0 系列高性能压力传感器。德鲁克硅技术 和模拟电路的优势使其在稳定性、低功率和频率响应方面具有良好的表现性能。 表2 4 压力传感器参数 名称数量测量范围工作温度响应时间 表压传感器 2o 6 0 0 k p a+ 1 2 5 _ 2 m s 表压传感器 20 - 3 0 0 k p a+ 1 2 5 撼 赫船 。一 z 一 - j 1 1 7m & ：! ： 一 8m 7 十 x 。 芦 一 奠 i 辅7 譬 ：一) 2 0髓 一 善 一 c h 4 c h 5 c h 6 c h 7 图3 - 4 热电偶接入模拟量输入模块 导轨机架上从左至右的第一个模拟量输入模块a 1 8 1 3 b i t 为压力传感器采 集模块，该模块无量程卡设置，每个通道的测量类型需要在s t e p 7 里进行组态设 置。所接压力传感器均为2 线制传感器，输出信号为4 - 2 0 m a 的电流信号。以通