柴油机冷试台架控制系统项目设计方案.doc

柴油机冷试台架控制系统项目设计方案1.1 研究的背景与意义柴油机因为其功率大、经济性能好而在各个行业中被广泛的应用，是大量轻重型车辆机械的动力源。柴油机的装配质量的高低将会直接决定其整体性能的优劣。以前，柴油机的生产制造企业在柴油机的总成装配完成以后都会进行数十分钟的柴油机热试试验以检测柴油机的运行工况以及发现潜在的质量问题。通常情况下，热试验的测试时间都会较长，因此在装配线上需要布置多台热试验设备（一般也为台架），并且在测试过程中需消耗燃油、机油和冷却液，而且热试过程中柴油机所产生的废气废物不仅对环境造成污染，而且长期下来员工的身体健康也会受到危害。去年学院组织在安庆中柴实习，我们见到了大型的船用柴油机试验车间，每个试验平台都有排气管道通到车间外面，柴油机周身传感器线路遍布，试验车间机器轰鸣，车间工作环境比较艰苦。下图1-1为中柴柴油机试验车间：图1-1 安庆中柴试验车间在环境保护的观念日益深入人心以及柴油机的制造、装配质量提升的双重需求下，冷试技术便应运而生。冷试技术作为一种比较先进的测试技术，相对于热试，有着下列比较明显的优点：（1） 尽早地发现有缺陷或装配不合格的柴油机而使不合格率降低（大约30%），从而更好的保证产品质量，这也是对成本的一种变相控制；（2） 冷试测试时间相对于热试时间来说比较短暂，热试大约需要柴油机运行15分钟左右，才能得到比较全面的数据，而冷试的测试时间可以缩短至3-5分钟，大大提高了柴油机的检测效率；（3） 冷试由于使用外部电机驱动，无需使用燃油系统、冷却系统、排气系统，对于节约成本、减少废气排放有着重要意义；（4） 可以在柴油机未造成损坏前发现缺陷并及时返修；（5） 柔性产品，可以由用户自定义适合自己产品的测试项目，测试项目并非固定的，测试系统可以根据用户的需求对测试项目进行修改；（6） 可以为维修人员提供更多关于缺陷的信息。但是冷试技术也存在不足，如：（1） 柴油机有些情况冷试时无法检测，比如柴油机实际运转时的振动以及温度的影响造成的泄漏、排放污染的缺陷，因为冷试并没有真正模拟工作状态，不会产生相似的振动、温度状态；（2） 冷试测试时间比较短暂，发动机稳定工作时间过短，可能会出现错误警告；（3） 冷试无法测试发动机输出功率,无法测试未安装部件的质量。正是由于冷试技术相对于热试的这些特点，冷试技术日益应用于柴油机装配线中。但热试因为其独特的作用，在新型号投入生产时的检测中依旧占有一席之地。图1-2 小型发动机热试车间1.2 冷试技术研究的国内外现状与存在的问题1.2.1 冷试技术的国内外现状目前国内外许多著名的汽车企业所生产的汽柴油发动机在总成装配完成后都会采用以冷试试验为主，通常的做法是以热试试验为辅，一般是将其作为抽检产品所采用的方法。对于冷试技术应用的这一做法在国外几乎囊括了所有的知名厂家，包括德国大众、美国通用等，而冷试技术的应用在国内来讲，仍属凤毛麟角，除个别国外独资或中外合资的汽车发动机厂有冷试试验台外，国内自主的汽柴油机生产厂家还很少见到有大量应用冷试技术进行汽车发动机在线检测，我们之前所提到的安庆中柴船用柴油机厂所采用的测试项目便是热试技术。1.2.2 冷试技术的大致流程冷试技术的运用的通常做法是：首先需要设定一台制造、装配合格的柴油机作为参考基准，后期测试的柴油机所得的测试数据（一般为比较直观的数据曲线）与这一基准相比较（在一定的误差允许范围之内）而发现问题的所在。将冷试检测设备（一般为冷试台架）安装在装配线某工位上，当装配完成的发动机到达该工位时，通过外部电机带动柴油机的曲轴运转，并在运转过程中通过大量的高精度的传感器对柴油机进排气压力、曲轴和凸轮轴的相位角、机油系统的压力与温度、轴扭矩等物理量进行测试，通过所得到的数据分析不仅可以检测出柴油机零部件制造、装配质量的优劣，而且还可以发现柴油机潜在的故障，分析其产生根源，从而将缺陷控制在生产线内。比如汽柴油机的进排气压力测试，可以较为准确地发现并识别发动机是否存在漏、阀门密封等问题、活塞垫圈安装问题、汽缸壁制造、装配问题、冲击调节阀调节问题，以及凸轮轴时序配合等潜在的问题。特别是近些年来计算机技术以及噪声震动分析技术的飞速发展，将噪声震动分析技术应用到柴油机冷试台的设计上，使得现代的柴油机冷试台架有可能全面地对柴油机的制造、装配质量进行判定和评估，其精细程度检到零部件一级也不是不可能的。1.2.3 冷试技术的实际运用冷测试技术可以说已经能够满足大多数柴油机测试的要求，但由于热测试所具有的不能替代的功用，因此在现实实际中，在柴油机生产装配完成后，一般进行100%的冷试，而后再进行10-30%的热试抽测作为统计过程控制之用，即所谓的冷试为主，热试为辅的做法，这样测试成本大概可以降低20-30%。因此可采用几台冷测试设备，通过进行全部冷试及部分热试的方法撤销原有的大量热试台架，从而既能有效控制产品质量，也能同时降低生产的成本，广受生产厂家的欢迎。1.2.4 冷试技术存在的问题冷试技术在国外已经较为成熟，并且运用得相当广泛，肯定也会存在问题但可能面临更多的是发展与优化。因此，这里我们主要是探讨冷试技术在国内所存在的问题。冷试技术在国内的研究起步较晚，现在许多大型生产企业仍主要使用热试进行出厂质量检测，而冷试技术作为一个比较先进的检测技术尚未被行业内普遍接受，所以对冷试台架的研究并不充分。在此基础上，作者觉得有机会可以向国外先进的研究成果学习借鉴。国内有些汽车柴油机生产厂家已经开始意识到冷试技术的优越性，并且已经和有关研究单位进行接触，柴油机冷试技术作为一种新型的装配质量在线检测技术，正日趋成熟并被诸多汽车制造厂商引入柴油机装配线中，在市场上拥有广阔的前景。作者在课题开始时进行了大量的资料检索，发现许多院校、研究所都有与这相关的研究，以及一些实用性的例子，比如东风汽车已将冷试技术运用于实际。相信用不了多少时间，冷试技术也会在国内的柴油机生产中大展宏图。1.3 本文的研究内容 基于对冷试技术的研究理解以及现有的运用于实际的台架设计的方案，提出一套行得通的柴油机冷试台架设计方案。主要的研究内容如下：（1）调研收集分析有关资料，了解柴油机的结构及其工作原理，整理有关柴油机测试技术资料（包括热试技术与冷试技术）。（2）在研究柴油机相关资料基础上，提出柴油机冷试台架设计方案，并进行主要参数的设计、计算和分析，包括台架驱动部分伺服电机的计算选型、联轴器轴径的计算、步进电机的计算选型等。（3）用UG建模软件对冷试台架进行简单的三维建模，主要实现工作台X方向的运动、传感器支柱Y方向的运动以及传感器平台Z方向的进给运动。（4）收集分析传感器的相关资料，了解各个所需类型的传感器的工作用途、工作方法，设计出一套柴油机冷试台架的传感器解决方案。（5）基于对已实际运用的台架设计的方案的理解，设计出相应的设备冷试验流程方案。第二章 柴油机冷试台架的设计柴油机冷试台架的设计是冷试技术实现的基础。一台高精度、布局合理的冷试台架不仅可以给出更加准确的缺陷信息，还可以节约检测时间、提高生产效率，也在一定意义上节约了企业成本，即所谓的“技术是第一生产力”。2.1 冷试及台架系统2.1.1冷测试系统的构成冷测试系统主要由三大系统组成，分别为机械控制系统、数据采集系统以及信号分析系统。图2-1 冷试系统的构成机械控制系统：是台架设计的核心，主要是为了后续的各参数的测量而设计的机械定位、装夹、平台移动和封堵等机构组成。数据采集系统：是冷测试项目中至关重要的环节，从测试项目的选择开始进而进行传感器类型的选择、安装与工作方法等等偏硬件方面的环节，以及传感器信号采集以及显示等偏软件方面的环节。信号分析系统：关于传感器采集信号处理以及分析的系统设计。主要是采用不同的数据软件进行数据分析，通过先期的故障映像来自动判定柴油机是否合格，若不合格则根据数据继续分析故障来源等，目前主要在PC端完成。数据的采集、分析是冷试技术的核心。 故障映像，即通过预先设置的柴油机故障模式，通过台架的试验得到相对应的异常数据与波形，预先设置的这些数据与波形组成相应的矩阵，为后期的柴油机故障排查与维修提供依据。简单地说，即将某台已知的合格柴油机作为基准柴油机，其特性参数在一定的范围内，检测的未知的柴油机所采集的数据与其对应的特性参数相对照，符合即为合格，否则根据具体的数据、波形进而判定故障来源等。2.1.2 冷试台架的构成 冷试台架的设计主要与机械控制系统、数据采集系统中的传感器类型选择、安装、工作方法等偏硬件的方面有关。台架的实物如下图2-2所示：图2-2 冷试台架冷试台架一般都是由三个系统构成：（1）驱动系统 此系统中包括 驱动柴油机曲轴的电机、驱动X向工作台的步进电机、驱动Y向支柱的步进电机等，为台架系统提供动力。（2）自动装夹、耦合系统 此系统中包括 被测柴油机的自动定位夹紧装置、被测柴油机的曲轴与驱动轴的自动耦合装置等，提供定位夹紧功用。（3）传感器测试系统 此系统中包括 传感器类型的选择、传感器正确的安装、工作方法等。2.2 冷试台架的驱动系统设计关于作者的冷试台架设计，在查阅了大量相关资料之后，将按照三个系统进行阐述，并对相关的电机进行计算选型、传感器类型的选择等。作为冷试台架的核心设计，驱动系统的选择至关重要，所选择电机的类型与精度对台架最终的精度的影响不言而喻。传动方式的不同选择，甚至会对台架结构布局产生翻天覆地的影响，力求以简单的设计在最大程度上符合台架设计的要求。这涉及了大量机械设计方面的知识，是对大学课程的一次很好的总结与应用。2.2.1 台架主轴传动的设计台架主轴传动，带动柴油机的曲轴模拟正常的工作状况进行运转，进行四冲程工作状态，由此才能进行柴油机各项参数的测试，这是冷试台架的基础传动设计。在作者设计的主轴传动中，首先由外部驱动伺服电机与扭矩传感器通过刚性联轴器（凸缘联轴器）相连接，再通过星形弹性联轴器与柴油机曲轴相连接，最终带动柴油机传动。图2-3主轴传动外部驱动电机的选择，应该要满足以下几个要求：（1）满足测试柴油机的调速要求并且便于调速，柴油机测试时要求柴油机分别在额定转速（即高速）与中低速进行参数的测量，得到不同工况下的柴油机的相关数据；（2）启动扭矩大且能够传递大扭矩使柴油机曲轴正常运转；（3）无级调速，适应自动化设备的要求。由于这外部电机的选择与拟测试的柴油机的参数有着直接的关系，即使实际运用的台架驱动电机选择也是与本企业的产品密不可分的，故查阅了许多资料的前提下，设置待测的柴油机参数：4110型柴油机 尺寸 763664643质量M=400kg 额定转速 1500rpm 输出功率 40kw由功率扭矩公式 （2-1） 其中 P：功率（kw） n：转速（rpm）可得拟设置的柴油机输出扭矩为 T=255 Nm 。鉴于以上几个电机选择要求，调速是其一大特点。作者查阅了些许调速电机的资料，目前主流的电机调速包括：（1）变频调速，效率高，调速范围大、精度高但是技术复杂，造价高且维护检修困难；（2）串级调速、调压调速；（3）电磁调速，装置结构及控制线路简单，维修方便，调速平滑但是效率相对于其他调速电机较低。最终作者选择了电磁调速电机作为台架的外部驱动电机，因其适用于恒转矩的无级调速，并且可适用于长时间的高速运转以及短时间的中低速运转。在启动时，要求传递的扭矩比较大，一般的电机较难满足，而电磁调速电机可以较平滑的启动，当启动转矩过大时，可在起动前先将离合器的励磁电源断开，使鼠笼电动机空载起动，然后再接上励磁电源就可起动了。所选择的电磁调速电机的具体参数如下：YCT315-4B 功率P=45KW 额定转矩T=286Nm 调速范围 150rpm-1500rpm可见所选择的电机参数可以满足带动柴油机曲轴的要求。 电磁调速（滑差）电机实物如下图2-4所示：图2-4 电磁调速（滑差）电机扭矩传感器的选择，主要是根据前面确定的电磁调速电机、柴油机的参数进行选型。动态扭矩传感器是一种测量各种扭矩、转速及机械功率的精密测量仪器，应用范围十分广泛。动态扭矩传感器的基本原理：采用应变片技术 ,弹性轴上组成应变桥,向应变桥供电，当轴受到扭矩时会产生一个相应的电信号。将该信号通过放大电路放大后，通过压/频转换技术，转换成与扭矩成正比的频率信号。 所选择的扭矩传感器量程范围根据主轴所要求的传递扭矩来看，定为Nm。图2-5 扭矩传感器在主轴传动中，电磁调速电机轴与扭矩传感器轴之间依靠刚性联轴器相连接，扭矩传感器轴与柴油机曲轴之间依靠星形弹性联轴器相连接。所选择的联轴器差异性的原因： （1）电机与扭矩传感器俩者经过同轴心校核，通过螺栓螺纹连接固定在冷试台架上，俩者不会产生小幅度的相对位移或振动，刚性联轴器已可以满足连接要求。凸缘联轴器应用得最为广泛，价格也相对低廉。 （2）扭矩传感器与柴油机曲轴的连接，因为柴油机通过自动定位夹紧装置固定在工作台上，但是在冷测试过程中，虽不会出现热试时的大幅振动，但是小幅振动再所难免，因此选用星形弹性联轴器进行连接，可以降低振动对轴的破坏程度。 轴与联轴器直接通过平键相连接，相对应类型的扭矩传感器、电磁调速电机的轴径以及轴上的键参数都已经给定，接下来进行平键的强度校核工作，来确保所选取的键联接可以传递主轴传动所需要的扭矩。扭矩传感器： d=38mm 键 mm 轴上槽深t1=5mm需要传递的扭矩=255Nm 强度校核： 根据公式 （2-2）式中 d-轴的直径；h-键的高度；-键的接触长度；p-许用压强，根据键的材料、负载类型确定,键材料45钢，载荷系数p=125MPa。 可得T=380Nm 255Nm因此扭矩传感器上的键符合要求。电磁调速电机：d=40mm 键 mm 轴上槽深 t1=5mm 需要传递的极限扭矩T2=286Nm强度校核： 根据公式（2-2）可得 T =380Nm 286Nm因此电机上的键符合设计要求。2.2.2 X向工作台的驱动系统的设计X向工作台即柴油机自动定位夹紧的平台，作者采用同步带-导轨传动，以保证工作台在待测柴油机装夹完成后可以到达准确的位置，为接下来的柴油机曲轴与联轴器自动耦合联接提供前提条件。X向工作台的位置由俩个直线位置传感器来确定，在台架上固定一个位置传感器，在运动的工作台上安装有相对应的另一个传感器，当俩个传感器重合时，控制系统会给驱动电机一个停止信号，工作台则停止在指定位置。这要求传感器的精度即响应频率较高。（1）X向工作台的动力源拟采用步进电机，因为其良好的操控性能，满足台架要求的运行高精度要求。接下来将对步进电机根据参数进行相应的计算选型。拟定的工作台参数以及运动要求如下：X向工作台及柴油机等一系列组件的总质量M=500kg； 导轨运行的距离L=2m，步进电机完成驱动工作的运行总时间为t=10s，电机启停时间t1=t2=1s（电机启停时间一般为0.3s1s）； 皮带轮直径d=40mm。 首先进行运动学分析计算： 图2-6 滑块运动示意图根据平均速度公式 （2-3）式中 L-运行距离，t-运行的总时间。根据拟定的数据可得滑块的平均速度。假设电机启停阶段均为匀加速运动，则根据公式： （2-4）式中 -最大速度；t1-启动加速时间；t2-停止减速时间；t-运行的总时间。可得 。根据加速度公式 （2-5）式中 -始末速度差，；t1-加减速时间。可得启动加速阶段的加速度 。同理可得 停止减速阶段的加速度为。接下来进行动力学计算：同步带上需要拉力 F=Ma+f （2-6） 式中 M-质量；a-加速度；f-摩擦力。根据摩擦力公式 f=uMg （2-7） 式中，考虑到导轨摩擦以及各类阻力的存在，设摩擦系数u=0.1；M-质量；g-重力加速度，取10。可得摩擦力。故同步带上要有拉力。选取同步带直径和步进电机的细分数m：设同步带直径d=40mm，脉冲当量 ，则C=94.2mm根据公式 （2-8）式中 C-带轮直径；m-电机细分数；-脉冲当量/重复定位精度，给定。可得 m9.42带轮最大转速根据公式 (2-9)式中 -最大运动速度，m/s；C-带轮周长,mm。可得最大转速。而在正常情况下，步进电机的转速要达到300-600rpm，也就是5r/s-10r/s，并且此时电机的细分数过大，细分数越大虽然精度等越高，但也更加昂贵；故需要采用减速装置，一般采用齿轮减速，设定减速比i=1:3，则电机最大转速n=7.0771r/s,电机细分数m9.42/3=3.14,故取m=4。实际脉冲当量计算电机力矩，选择电机型号：根据力矩公式 （2-10）式中 T-力矩;-带轮直径；F-实现工作台运动所需要的拉力。可得主动轮上的力矩 Nm则步进电机轴上的力矩 Nm由于步进电机要在高速时扭矩要大幅下降，所以电机的安全系数取3较为保险，故电机力矩 根据查阅到的资料显示 57步进电机最大扭矩可达3Nm， 86步进电机最大扭矩可达12Nm。因此86步进电机完全符合驱动要求。（2）接下来进行导轨的选型：依据导轨的工作形式分为：动导轨和支承导轨，与支撑件连接在一起固定不动的导轨称之为支撑导轨，和运动部件连接在一起跟着运动的导轨称之为动导轨。在导引机构的设计中，有固定在地面的支承导轨1和跟随滑块一起运动的动导轨2,3。导轨副的分类： 按运动的轨迹可以分为直线运动和圆周运动，（这里全部选择直线运动导轨）按摩擦性质分离：滑动导轨和滚动导轨。滚动导轨能把摩擦系数降低到滑动的十分之一。由于这里X向工作台自动定位夹紧装置加上测试柴油机的重量达到500kg。所以这里选择使用滚动导轨来减小摩擦系数从而减小电机静力矩的目的。导轨的界面图如下图2-7所示：图2-7 导轨滑块示意图 直线滚动导轨采用的是燕尾结构。其中上图中1为滚珠。2为回转珠。在滑块进行直线运动的时候，通过滚珠的循环运动，从而达到滚动的效果。 滚动导轨的优点主要有： 滚动导轨的静摩擦和动摩擦的摩擦系数接近，所以可以近视看成摩擦系数不变的运动，这样系统更加稳定，轻便，需要的电机功率小。 精度高，即使在低速的时候也能够平稳的运行。这样的话移动精度和定位精度都很高。同步带和丝杠传动的时候都能很高的控制精度速度和位置。对导轨的参数进行计算：根据公式 （2-11）式中 L-导轨的长度；S-滑块的行程;I-封闭高度的调节量; -滑块到上死点时候露出导轨的长度；-滑块到下死点时候漏出导轨的长度。可估计得 导轨1、2的长度为3500mm。导轨使用寿命的计算 表2-1温度系数工作温度/10015015020020025010.900.730.60查表2-1，得温度系数；表2-2接触系数每根导轨上的滑块数123451.000.810.720.660.61查表2-2，得接触系数；表2-3精度系数工作条件无外部冲击或振动的低速场合，速度小于15m/min11.5无明显冲击或振动的场合，速度为15m60m/min1.52有外部冲击或高速的场合，速度大于60m/min23.5查表2-3，得精度系数；表2-4载荷系数精度等级23451.001.00.90.9查表2-4，得载荷系数；G=Mg=5000N 滑块个数为4个， 滑块重量m=5kg，根据公式 （2-12）式中 M-工作台总质量；m-滑块质量；n-滑块数目；g-重力加速度，取10.可得每个滑块所承受的重力 =1325N 。根据寿命公式 （2-13）式中 -温度系数；-接触系数；-精度系数；-载荷系数；-承受重力；查表可知，当使用滚珠时，K=50Km，Ca=163KN。 经计算，对于这种轻载的平台，选择HGW 65CA型导轨时的寿命达到几万小时，满足使用要求。导轨的精度选择导轨的几何精度主要指的是导轨的直线度和平行度，这里选择精度2级。导轨的材料选择导轨选择GCr15。主要的处理方法有校直，机加，校直,淬火，磨削。导轨和滑块的接触方式导轨和滑块的接触方式有面接触，主要用在滑动导轨中，这里选择的导轨滑动方式都为滚动。所以在滚珠和滚柱中选择。因为承载的平台为500kg左右，不是太重，因此选择滚珠为点接触，滚珠采用的是线接触。（3）同步带的设计计算：同步带要求功率P=0.136KW，带轮转速n=142rpm，传递扭矩为T2=9.167Nm 。根据设计功率公式 （2-14）式中 P-同步带所要求传递的功率；由查阅相关表格。 可得。根据 和，确定同步带带型和节距 L型，节距小带轮齿数根据带型及其转速n1，可查得小齿轮的最小齿数，此处取Z1=12。根据节圆直径公式 （2-15）式中Z1-带轮齿数；-同步带节距；d1-小带轮的节圆直径。可得小带轮的节圆直径 ，查表得外径。传动比i=1，则大带轮的齿数Z2=12，大带轮的节圆直径根据公式（2-15)可得，查表得外径。根据带速公式 （2-16）式中 d1-小带轮的节圆直径；n1-同步带传递的转速。可得同步带转速。根据基本额定功率公式 （2-17）式中 查表得，v-同步带转速。可得同步带基本额定功率 。根据带宽公式 （2-18）可得，查表取75代号的带宽因此 传动选用的同步带为L75；小带轮 Z1=12 ， ；大带轮 Z2=12 ， 。（4）连接俩皮带轮的联轴的计算：要求转速n=142rpm，传递功率则根据轴径设计公式 （2-19） 可得联轴的直径，d取18mm。联轴与皮带轮轴通过联轴器相连接，主要还是依靠平键的连接。根据轴的直径18mm，查阅平键的参数表，可以得到键参数为进行键的强度计算，许用传递的扭矩根据公式（2-1）可得 9.167Nm故满足许用要求。2.2.3 Y向工作台的驱动系统设计 Y向工作台在本文所设计的台架系统中，被用作为进、排气传感器的安装平台，要求能够实现Y方向支柱上滑块的驱动控制。驱动方案的设计：步进电机（动力源）通过俩对锥齿轮传动将动力传递给导轨中的竖直丝杠，由丝杠传动来实现导轨上滑块的上下移动。（1）丝杠的计算选型：拟定的滚珠丝杠的公称直径为32mm，导程为10mm，传感器及平台质量M=100kg，导向面的摩擦系数，假设平台在初始状态下，在2s内需要移动20cm到达指定测量的位置。下面首先进行平台的运动学计算：假设平台的启停阶段各0.2s，保持运行的时间则为1.6s。根据公式（2-3）可得平台的平均速度 假设电机启停阶段均为匀加速运动，则根据公式（2-4）可得最大速度 。根据公式（2-5）可得启停阶段的加速度 根据扭矩公式 （2-20） 其中导程，正效率根据下图2-8得，在竖直丝杠的情况下，压紧力有限，得。图2-8 滚珠丝杠的正反效率图因此，获得所需推力的驱动扭矩T=0.86Nm 平台的最大速度，丝杠的导程，则可得丝杠的最大转速。因此根据公式（2-1）可得丝杠传动所要求的最大功率（2）根据上述的丝杠传动所要求的参数，最终都需要通过俩对锥齿轮来进行传动。接下来进行锥齿轮的设计校核。在设计时，可以先用公式（2-21）进行设计计算，对一些参数先做假设，然后再对之前假设的进行计算修正。 (2-21)具体传动参数如下：传递功率，小齿轮转速n1=660rpm,传动比i=1，长期双向运转，可不考虑寿命等因素。齿轮加工多为刨齿，软齿面。齿轮材料40Cr，调质处理，硬度为241HB-286HB，取平均硬度260HB；取Z1=20，Z2=iZ1=20，估计，由相关资料选取8级精度；查表得使用寿命,动载系数;估计， 齿向载荷分布系数由查表得 因此根据载荷系数公式 （2-22）可得载荷系数 。传动转矩根据公式（2-1）可得 T1=854Nmm弹性系数 节点区域系数 接触疲劳极限 , 接触最小安全系数 接触寿命系数 许用接触应力 小轮大端分度圆直径 d1 取 根据公式（2-21）可得 验算 满足转速要求 10mm （与原估计相仿）确定传动主要尺寸大端模数m 根据标准模数表 取m=1.5mm实际大端分度圆直径d 锥距 R 齿宽 b （3）驱动步进电机的选择：因为传递过程中，传动比i=1，因此转速同步，皆为n=660rpm，功率因摩擦等损耗，略有损失，忽略不计，则功率为p=0.059kW，根据公式（2-1）可得，步进电机需要的扭矩为T=0.86Nm。电机安全系数取3较为合理，因此电机轴输出扭矩，转速n=660rpm 满足步进电机的正常转速，因此可以不使用减速装置。57系列步进电机的最大扭矩可以达到3Nm 符合驱动要求。故选用57步进电机。第三章 冷试台架的结构与建模随着测控技术以及计算机技术的不断发展，柴油机的在线检测技术也得到了空前的发展。借鉴前辈运用于实际的关于柴油机冷试台架的经验与总结，本章节尝试以上一章所进行的台架系统分类、计算为基础，用NX 8.0三维建模平台对台架的机械结构以及之间的装配关系进行建模。结合收集的国内外参考资料，并且参考了冷试台架的结构功能以及传感器解决方案，现设计的冷试台架模型如图 所示，其主要的结构包括框架基座、同步带-导轨传动系统、锥齿轮-丝杠传动系统、驱动伺服电机、扭矩测试系统、机油压力温度探头总成、进排气压力探头总成、驱动接口总成、位置传感器系统等结构。3.1柴油机冷试台架总体简介冷试台架的组成如下：管道状的底座和支撑主轴驱动系统的支座，以及安装机油压力温度传感器、进排气压力传感器的立柱和X向平台驱动系统的支撑底座。待测柴油机安装在工作台上，由同步带传送系统（模型绘出但导轨长度被缩减）输送到测试台架指定位置（由安装在台架、工作台上的位置传感器确定）。柴油机进入时会有一个RF测试系统会读取其标志号信息，并由PC端存储，然后将柴油机定位夹紧，传感器密封和对接，接着冷测试开始，结束后由同步带系统释放回原位，PC端的所得测试数据会被写入硬盘中，以供后期查验。图3-1 柴油机冷试台架模型所搭建的柴油机冷试台架如上图3-1所示，其部分组成列举如下：表3- 1 发动机冷试台架主要结构表Item项目Description描述Item项目Description描述1电磁驱动电机6进排气压力传感器2扭矩传感器7机油压力温度传感器3Y向平台驱动系统8框架底座4位置传感器系统9导轨-丝杠传动系统5X向工作台10导轨-同步带传动系统3.2测试台架的具体组成3.2.1 主轴传动系统在所设计的冷试台架中，主轴传动系统主要包括电磁驱动电机、刚性联轴器、扭矩传感器、驱动接口总成等。 (1)电磁驱动（滑差）电机在此冷试台架中，用电磁调速电机来驱动柴油机，满足150-1500rpm转速以及大扭矩启动的要求，在柴油机不点火的情况下进行冷试，使得检测结果更为精确，与热测试相比，测试过程无燃油消耗，高效环保。参考电磁调速电机的外形，所建电机模型如下3-2所示。图3-2 电磁调速电机（2） 刚性联轴器 主轴传动系统中的联轴器用于连接驱动电机轴与扭矩传感器轴，用于传递主轴扭矩。选用刚性联轴器的原因主要是电机与扭矩传感器在安装前都需要严格对中，不会产生轴心偏移等问题。刚性联轴器实物图如图3-3所示，利用UG建模如图3-4所示。图3-3 刚性联轴器实物图图3-4 刚性联轴器模型（3） 扭矩传感器 扭矩传感器用于测量主轴传动系统中的扭矩，通过所测量的扭矩以及转速数据可以得到柴油机的实时扭矩、曲轴转速以及根据公式（2-1）可得其有效功率。主轴驱动系统中还设计一个扭矩过大保护，当所得扭矩过大时，系统会自动停机以起保护作用。所建的动态扭矩传感器模型如下图3-5所示：图3-5 动态扭矩传感器（4） 星形弹性联轴器该联轴器用于扭矩传感器轴与柴油机曲轴的连接，可以降低柴油机运转时的振动给测试台主轴系统带来的损坏程度，参考实物外观，所搭建的模型如下图3-6所示：图3-6 星形弹性联轴器3.2.2 导轨-同步带传动系统该传动系统用于将待测柴油机输送到指定位置，由一步进电机带动皮带轮来驱动同步带工作，输送工作台到达指定位置（由位置传感器来确定），以保证后续冷测试的进行，所构建模型如下图3-7所示（同步带未在模型中绘出）：图3-7 导轨-同步带传动系统（1） 步进电机 由上章的计算可得，步进电机选用86步进电机用来驱动导轨-同步带传动系统，可以满足所要求的传动要求。步进电机安装在导轨一侧，通过轴与皮带轮连接。当平台到达指定位置时，控制端会发出停止信号，以保证位置准确。（2） 皮带轮皮带轮安装在导轨中，带动同步带运转，俩皮带轮之间通过联轴器、轴来连接，以保证工作台实现同步直线运动。皮带轮所建模型如下图3-8所示：图3-8 皮带轮模型3.2.3 导轨-滚珠丝杠传动系统该传动系统主要是实现传感器平台的Y向运动，以使安装的机油压力温度探头到达指定位置，来实现对机油压力、温度数据的采集。同样由一步进电机来作为动力源，通过俩对锥齿轮来实现丝杠传动。滚珠丝杠俩端固定在导轨内，具体的计算与选型已在上章中给出，传动系统所建模型如下图3-9所示，锥齿轮模型如下图3-10所示：图3-9 导轨-滚珠丝杠传动系统图3-10 锥齿轮模型3.2.4 传感器部分 (1)机油压力温度探头总成机油压力、温度探头总成安装在上图3-8所示的导轨-滚珠丝杠传动系统的平台上，以实现对待测柴油机机油压力、温度的测量。该探头包括一个压力传感器和一个温度传感器，数据采集后送入PC端进行分析，所见模型如下图3-10所示：图3-10 机油压力温度探头总成（2） 进排气压力探头总成进排气压力探头总成中包括4个压力传感器，利用四个密封来对柴油机的缸盖侧面进行密封，并将所测量的数据传送至PC端进行分析。对某一型号的柴油机来说，进排气口间隔都是相同的。缸盖上的排气路径及其之间都没有开放的端口。所安装的压力探头由单一的直线气动方式推进并锁定在指定的位置上。所建的模型如下图3-11所示。图3-11 进排气压力探头总成（3） 位置传感器位置传感器由俩个直线位置传感器构成，一个安装在运动的工作台侧面，另一个则安装在台架上。当工作台运动到指定位置时，即俩位置传感器接触时，发送一脉冲信号给控制端，以使驱动步进电机立即停机。3.2.5 框架底座框架底座主要用来安放电机以及安装各类传感器，以此来实现所设计的冷试台架的各种功能。3.3 本章小结本章主要详细介绍了冷试台架的主要组成部分，以及各部分的功能，根据上一章所进行的设计计算，用NX8.0三维建模平台完成了对冷试台架的基本建模,并且进行了一些简单的运动仿真（本章中未给出）。建模过程中也参考了所搜集资料中的冷试台架的外形以及功能简述，并最终完成了结构模型。第四章 测试系统及传感器解决方案传感器是一种检测装置，能感受到需要被测量的信息，并能将所检测到的信息，按一定的方式转化成为电信号或其他所需要的形式的信息来输出，这样以来满足信息的识别、传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节和前提条件。在冷试台架上传感器将柴油机的进排气压力、机油压力温度、曲轴转角等信息传递给PC端，并通过一定的数据分析软件来显示出来，进而可以让工作人员分析数据得到关于测试柴油机的各项指标，以确定测试的柴油机是否符合要求。传感器是冷试台架的关键部件。传感器类型的选择是否合理、安装位置是否正确、乃至设计的传感器工作方式都将对台架冷测试的结果产生直接的影响。台架测试的精度即为传感器的精度。4.1台架测试项目的选择根据台架的最初设计，测试项目的选择如下表4-1所示：表4-1 所选择的测试项目序号测量项目单位备注1环境参数大气温度、压力、湿度等2进气压力KPa3排气压力KPa4转速r/min5扭矩Nm根据转速、扭矩可得有效功率6机油压力KPa7机油温度8发动机曲轴转角CA本测试的柴油机不点火工作，使用前文中所叙述的电磁调速电机进行驱动。4.2 柴油机的测试过程零时状态：拟测试的柴油机停止运作，通过采集的压力传感器的数据来判断是否处于标准正常的停机状态，若传感器的数据不在在规定允许的范围内，那么柴油机停止一切动作并产生错误信号。当冷测试启动以后，由控制的PC端给出相应的驱动指令，然后各类的传感器开始工作并且采集各类有关参数，最终传递给PC端。测试的过程分为三个阶段，分别为：第一阶段柴油机的测试准备阶段，控制转速约为150rpm，30s左右，首先是扭矩传感器工作，测试柴油机的最大启动扭矩，若超过规定的最大数值，则测试系统停止工作并报警。与此同时，其他传感器则采集周围环境的大气压力、温度、湿度等一系列参数；第二阶段柴油机转速稳定在1500rpm，约60s左右，对高速运转下的机油的压力温度进行数据测量，PC端观测其在指定的时间内是否达到相应的正常压力值；第三阶段柴油机转速控制在600rpm，约60s左右，由扭矩传感器对柴油机进行扭矩的测量，对柴油机进行中低转速下的机油压力温度测量以及进排气压力测量分析。整个测试过程大约持续3分钟，不包括柴油机的输送和装夹等工作。4.3传感器的具体测试方案台架上连接着许多传感器，通过其所采集到的数据来分析待测柴油机的装配性能等。以排气压力传感器作一个简单的工作过程介绍：将传感器安装在柴油机的冷试台架的立柱上，当柴油机输送平台进入所指定工位后（由位置传感器来实现），由于柴油机的活塞做四冲程运动，排气压力传感器会与柴油机的排气口紧密相接；当主轴驱动电机拖动柴油机曲轴旋转后，进、排气压力传感器会根据相应的指令自动采集排气口的压力数值，并传递给数据采集分析系统进行分析，一般都由软件生成相应的波形图后再自动与PC端事先设定的故障映像曲线进行比较分析，判定柴油机的排气压力是否处于正常的范围之内。具体的测试流程如下图4-1所示：图4-1 排气压力测试过程4.3.1 扭矩传感器方案柴油机的扭矩测试在冷试整个过程的都占有比较重要的地位。在上文中的主轴传动设计中，安置一个扭矩传感器的目的是能将扭矩数据更准确、快速地传递到控制端。扭矩测试贯穿整个冷试过程，一旦检测到不在规定允许的范围内，整个台架系统便会立即停机，保证台架以及柴油机安全。冷试技术要求快响应性以及高精确性，动态扭矩传感器则可以满足测量要求。由于台架所处的环境可能存在干扰，所选的扭矩传感器要有较强的抗干扰能力，稳定、可靠性能高，使用寿命也是不能忽视的一个方面，并且所选的扭矩传感器要满足待测柴油机曲轴的正反方向的扭矩测量。本台架设计拟采用XLN-标准型扭矩传感器，外观如图4-2所示，尺寸如表4-2所示。XLN-标准型扭矩传感器的特点：快响应性，抗干扰能力强，高稳定性、高精确度，寿命长，可测正反方向的扭矩，采用配套仪表可显示功率（扭矩与功率关系可根据公式3-2得出）。频率信号以0-5V TTL电平方波信号形式输出，输出频率范围为5-20kHz，转速输出频率范围0-5kHz。图4-2 XLN-标准型扭矩传感器表4-2 XLN-标准动态扭矩传感器结构尺寸表型号XLNABC量程/Nm50,100200,300,5001000外形尺寸/mmD1193848D2587888D384104114L1182232292L2285587B61014W16.53342.5H64.574.579.5该动态扭矩传感器其余主要技术指标如表4-3所示：表4-3 XLN-标准型扭矩传感器主要技术指标技术参数重复性线性滞后过载能力绝缘电阻技术指标0.30.30.31201000单位%FS%FS%FS%FSM4.3.2 曲轴转角传感器方案曲轴转角的测试主要是通过一个光电编码器。光电编码器本质上是一种通过光电转换，将输出轴上的机械几何位移量转换为脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。通过光电编码器，将曲轴转角数据直接转换成一个个电脉冲信号在PC端图形上显示出来，同时可以利用光电编码器对曲轴转角和其他参数的测试实现同步。鉴于本文所介绍的冷试的特点，光电编码器要抗振，并且能直接能够安装在驱动轴上，选择OMRON E6B2-CWZ6C光电编码器，具备良好的抗机械损伤性，同时能够承受一定的径向、轴向载荷，稳定性、精度高。参数如下表4-4所示：表4-4 OMRON E6B2-CWZ6C光电编码器主要技术指标技术参数技术指标技术参数技术指标分辨率（脉冲-转）10-2000最高响应频率100kHz启动转矩0.9允许最高转速6000rpm4.3.3 进排气压力传感器方案当柴油机由同步带传送到相应的位置时，所设计的联接平台按控制端指令进给，将安装一套装有进排气压力传感器的进排气管，并且利用光电编码器来控制曲轴转角，配合测试。进排气压力的测试和热试的活塞运动做功情况基本一致。当进气阀门打开后，活塞被带动向下运动，空气由于内外压力差被吸进汽缸，当活塞到达下止点时，进气阀门关闭，使汽缸内气压保持恒定。进排气过程相类似，可以将整个工作循环划分为吸气、压缩、做功和排气四个冲程，所谓的进排气压力测试数主要用来测量柴油机的进排气真空度。当待测柴油未完全装配时，需要在柴油机缸盖进气口处放置压力传感器，同样在柴油机缸盖排气口处也放置压力传感器。当为整柴油机冷试，则在进气歧管节气门处放置压力传感器，同样在排气管排气口放置压力传感器。鉴于冷试的特点，要求压力传感器具备强抗干扰能力，良好的稳定性。本文拟选取NS-B型压力传感器，小巧，易拆装，全密封结构，可保证测试的可靠性及动静态性能。尺寸如图-3所示，参考了该种传感器的主要技术指标，台架条件也满足其选用要求，主要技术指标如表4-5所示：图4-3 NS-B型压力传感器、结构尺寸表4-5