（车辆工程专业论文）液力传动机车工况齿轮箱不停车换档的测控系统研究.pdf

液力传动机芋工况齿轮箱不停车换档的 _ _ _ _ - _ _ - - _ _ - 一- - - _ - l _ _ l l _ 一 避堕醛研究_ - _ - _ - 。 摘要 摘要 液力传动机车工况齿轮箱进行不停车换档，实现液力换档与工况换 档的结合，能显著地改善液力传动装置的性能，使机车的牵引曲线由原 来的两个高效区变为三个高效区，机车可在起动范围内实嫩高的效率 和较大的起动牵引力及运转范围内实现较高的最终速度。i 不停车换档技 术在国外有较为成熟的应用和发展，国内尚未有人进行这方面的研究。 为了适应国内对发展该项技术的需求，进行了可行性研究和模型试验。 本文主要是进行测控系统的研究。 该系统的测试在由两个异步电动机分别驱动内、外齿轮的试验台上 进行。实现齿轮运转中啮合，要解决的关键问题是调整内、外齿轮同步， 并避开“齿顶齿”的不利位置。由变频器对电动机进行变频调速，使内、 外齿轮达到同步。本系统采用霍尔传感器获得转速及轮齿相对位置的信 息，由8 0 9 8 单片机为主系统进行测控。本文提出齿轮啮合的相差算法和 转速的控制方法，并通过图象采集和闪光观察两种途径进行了验证。文 中最后对测控系统进行了误差分析，指出进步提高系统测控精度的方 法，并为以后的工作提出了一些建议。 主题词：液力传动，试验台，异步电动机，变频调速 ，v、v 垒! ! ! ! ! ! a b s t r a c t t h ew o r k i n gm o d eg e a r b o xo fad i e s e l h y d r a u l i cl o c o m o t i v ec a nc h a n g e g e a rw i t h o u tl o c o m o t i v es t o p p i n gt oi m p r o v et h et r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c e a p p a r e n t l y w i t ht h en o n s t o p p i n gg e a rc h a n g i n gs y s t e m ，t h ed i e s e l h y d r a u l i c l o c o m o t i v ec a nh a v et h r e eh i g h e f f i c i e n c ys p e e dr a n g e sr a t h e rt h a no n l yt w o ，ie t h el o c o m o t i v ec a nw o r ki ns h u n t i n gm o d et og e th i g hp e r f o r m a n c et h a nc h a n g e o v e rt ot h er u n n i n gm o d ew h e nh a u l i n gap a s s e n g e rt r a i nt h et e c h n o l o g yo f s h i f t i n gw i t h o u ts t o p p i n gh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e da n dg r e a t l yd e v e l o p e d a b r o a d ，b u ti no u rc o u n t r yo n l ya f e ws c i e n t i s t sb e g i nt or e s e a r c ho nt h i sd e v i c e h ao r d e rt om e e tt h ed e m a n do ft h i s t e c h n o l o g y , w eh a v ei n v e s t i g a t e d i t s f e a s i b i l i t ya n dt a k e nm o s to f m o d e lt e s t s t h ed i s s e r t a t i o nm o s t l yr e s e a r c h e st h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m t h et e s to f t h i sd e v i c eh a sb e e nc a r r i e do u to nt h et e s tr i gt h a ti sm a d eu po f i n n e ra n do u t e rg e a r st h a ta r ed r i v e nb yt w oa s y n c h r o n o u sm o t o r s t om a k e g e a r sm e s hi no p e r a t i o n ，t h ek e yp o i n t i st o a d j u s t t h ei n n e rg e a rs p e e dt o s y n c h r o n i z ew i t ht h eo u t e rg e a rw h i l ea v o i d i n g t h eh a z a r d o u sp o s i t i o no f “t o o t h t ot o o t h t h i ss y n c h r o n i z a t i o ni si m p l e m e n t e db yc h a n g i n gt h er o t a t i o ns p e e d o f t h em o t o ru s i n gf r e q u e n c yc o n v e r t e r , a n dt h es y n c h r o n i z i n gs i g n a li sp r o v i d e d b yh a l le f f e c ts e n s o r sm a d t h e nt h ec o m p l e t es y s t e mi sm o n i t o r e da n dc o n t r o l l e d b yam i c r o p r o c e s s o r8 0 9 8 t h ep h a s ed i s c r e p a n c ya l g o r i t h mf o rg e a r sm e s h i n g a n dt h em e t h o df o rr o t a t i o ns p e e dc o n t r o la r ep r o f o u n da n da l s oa f f i r m e db y t h e w a y o f i m a g ea c q u i s i t i o na n d f l a s hl i g h t i n gf i n a l l yw ea n a l y s i st h ee r r o ro f t h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m ，a n dp u tf o r w a r ds o m es u g g e s t i o n sf o rf u r t h e r w o r ki nf u t u r e a b s 虹a n k e yw o r d ：h y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n , t e s tr i g ，a s y n c h r o n o u s m o t o r v a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e d c o n t r o l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 进一步发展液力传动内燃机车的可能性和必要性 近年来，在一些国际性的会议上以及在一些专业刊物的报道中，经 常会遇到这样的意见：液力传动内燃机车将让位于电力传动内燃机车。 然而，在最早发展液力传动内燃机车的德国，v o i t h 公司自从1 9 5 6 年生 产出第一台液力换向传动装置以来，不断推陈出新，近3 0 年来，开发了 5 种不同功率等级的传动装置，并对这些传动装置不断加以改进，以提高 机车在各种场合的牵引能力，所传递的功率现已达到了2 2 0 0 k w 。v o i t h 产品在德国铁路及在欧洲、亚洲和非洲的私营铁路中占有稳定的地位。 这是因为其具有：最优化的使用功能；无可匹敌的可靠性、耐久性和使 用率；极长的使用寿命以及结构简单明了。此外，与其他中高功率的传 动装置相比，还具有购置费较低的优点。因此v o i t h 液力换向传动装置对 机车车辆制造厂来说制造比较简单，对用户来说又非常实用。总之，由 于液力传动装置的不断发展，其结构更简单，运行更可靠，功率和经济 效益也不断提高，因而在未来铁路内燃机车动车传动装置的选型方面， 与其他传动方式相比，确是一种真正经济的选择。 然而，在国内由于种种原因，液力传动机车正处于下马的逆境中。 但是液力传动应用于调车内燃机车在牵引能力、作业效率、油耗、可靠 性和价格等方面都优于同功率等级的电动机车或与之相当。并且目前路 内尚有3 0 0 多台液传调机和7 0 0 多台干线液传机车，运用历史超过3 0 年， 有丰富的运用经验，有些液传机车的生产技术相当于国际同类产品8 0 年 代的水平。现在，在市场经济机制的驱动下，由铁路局自主选购机车的 做法势在必行。由于液传机车维修量小，故障率低，簧下重量小，粘着 里二里堕笙 利用好，会有较好的应用前景，如北京局和郑州局就表示愿用北京型车。 特别是在提速的迫切要求下，双机重联已经成为不可避免的牵引方式， 但是，东风1 1 双机的功率超过了一般的需求，会造成浪费，而北京二七 机车厂生产的北京型机车双机牵引的功率等级合适，所以，有可能继续 生产北京型车。然而这一机遇能否使北京型机车获得广阔的应用前景有 赖于机车性能的进一步改善。对机车来说，要求在粘着范围内具有高的 起动牵引力和宽广的高效区，同时又要有高的最终速度，即能够“多拉 快跑”。液力传动机车的核心是液力传动装置，液力传动装置的牵引经济 性能及可靠性的进一步提高，必将带来液传机车性能的改善。 i 2 液力传动机车齿轮箱不停车换档的意义 液力传动装置总体上可分为两大类：一是只有一个液力元件的单循 环圆液力传动装置，另一是有两个或两个以上液力元件的多循环圆液力 传动装置。 为了满足牵引特性的要求，机车的单循环圆液力传动装置通常由一 个液力元件通过齿轮变速箱的机械换档，使同一液力元件在机车正常速 度范围内重复地在高效区工作，以获得所需要的牵引特性曲线，如图11 ( a ) 。机械换档时牵引力中断，所以现只用于小功率机车。多循环圆液 力传动装置通过液力换档方式，使各个液力元件轮流在高效区工作，每 个液力元件承担机车运行速度范围内的一个区段，以获得所需要的牵引 经济特性曲线，见图11 ( b ) 。换档时机车牵引力虽有下降但不致中断， 因而在大功率内燃机车上广泛应用。有的机车装有在停车时进行换档的 工况齿轮箱，以适应不同的行车需要，分为调车工况和运转工况。特性 曲线如图11 ( c ) 所示。 第一章绪论 图ll ( a ) 图1l ( c ) 图ll ( b ) 图1 1 ( c ) 中： ：调车工况 m 一 ：运转工况 图ll牵引特性曲线图 提高液力传动装置性能的途径如下： 1 拓宽液力元件的高效区 随着液力传动装置的发展，液力 。 元件的最高效率不断提高，高效范围 大大扩宽，己接近极限。现在机车上 普遍采用高效变矩器。 2 利用单循环圆的直接档 图1 2 i 单循环圆效率曲线 兰二兰堑堡 对于只有一个液力元件的纯液力元件传动装置，当转速比达到a 点 时使液力元件的输入轴直接与输出轴相连( 图1 2 所示) ，但是效率的提 高受到转速比的限制，不能超速工作，并且适应能力也较差。 3 采用多个循环圆 增加循环圆的数目，使各个液力元件轮流在高效区工作，但是元件 越多结构越复杂，一般只采用双循环圆。 4 双循环圆液力元件重复在高效区工作 如果能实现机械换档与液力换档的结合，就能使双循环圆传动装置 的液力元件重复在高效区工作，使机车“多拉快跑”。这实质上就是要进 行不停车改变速比，有多种途径，然而考虑到机车功率等级实际的运行 情况及经济性能要求，用带有齿形离合器的变速箱进行工况转换，可以 便捷地改变速比，实现液力元件高效区的复用，国际上不停车换档工况 转换技术的发展和运用显著改变了液力传动装置的性能。 1 3 液力传动机车齿轮箱不停车换档工况转换系统的国内外发展水平 不停车换档工况转换系统的实现基础是工况齿轮箱输出轴转速可调 节，调节手段是正向充油加速、反向充油减速( 液力换向机车) 或液力 制动减速( 带液力制动的机车) 。v o i t h 公司已经开发出可以实现不停车 换档的液力换向传动装置( 如l2 r 4s u 2 型、l4 r 4z s u 2 型等) 。这种传 动装置的样机已经在法国铁路的y 8 0 0 0 型机车上运用了若干年，考核试 验表明，这种传动装置非常出色。它采用感应传感器采集柴油机转速、 涡轮转速和传动装置输出轴转速的数据，通过电子数字控制装置和微机 控制装置，不仅可以利用充、排油实现液力变矩器的换档，而且也可以 在机车运行时使液力变矩器的控制离合器的齿达到同步，实现机械换档， 即会自动地从慢档换到快档，或从快档到慢档。从而可以大大地扩大运 4 第一章绪论 行范围，如图13 牵引特性曲线所示。 ”i ：起动变矩器 i i ：运转变矩器 l ：低速齿轮档2 ：高速齿轮档 一：加速换档一：减速换档 i ，一i i ，： 液力换档 i i 。一1 1 2 ：机械换档 1 2 一i i ：液力换档 1 1 一1 2 ：机械换档 图1 3不停车换档牵引特性曲线 图中增速换档速度k 和减速换档速度”对称分布在理论换档速度k 两侧，使k h k 且当吖k 足够大时，即可避免档位震荡现象，又符合 经济性要求。机车自启动后至加速到最高速度的过程中，共要经过两次 换档，减速过程中同样要经过两次换档，因此，机车在运行过程中可以 在三个高效区持续工作，而不是只能在两个高效区工作。有些装有两级 工况档的液力换向传动装置( 如l4 r 4z f u 2 型) 的机车，既可在低速 ( 2 5 k m h ) 运行时获得高的牵引力，又可实现8 0 l o o k r n h 的高速运行， 输出齿轮换档工作在5 - 6 s 内完成。 我国液力传动内燃机车的生产虽然在某种程度上达到了国际同类产 品年代的水平，但还存在差距，特别是近年来，由于电子产品和微机控 制技术突飞猛进地发展，并成功地用于液力传动装置以提高性能，我国 液力传动的研究水平又明显地落后了。在国外不停车换档液力换向传动 装置已进行出色工作的今天，我国此项技术的研究还尚未起步。因此， 液力传动装置不停车换档工况转换系统的研究具有特殊必要性。 第一章绪论 1 4 不停车换档的过程分析 不停车换档，就是在机车运行中使工况齿轮箱的齿形离合器在实际 的换档点脱开，由一对齿轮的啮合转换到另外一对齿轮的啮合，即进行 机械换档，以实现工况转换。齿轮在啮合过程中，如果“齿顶齿”或者 相对线速度过大，都可能产生很大的冲击，导致损伤甚至断齿。这是非 常恶劣的后果。因此，必须保证齿轮在啮合时同步，并己避开了“齿顶 齿”的不利位置。以g k l e 型液力传动机车的工况转换为例，具体说明 如下： g k l e 的工况齿轮箱中与换档有关的部分简单示意如下： 图l4 工况齿轮箱换档部分示意图 图中轴承部分均没画出。为了实现通过机械换档的工况转换，齿轮箱中 设计有两个齿形离合器：调车离合器和运转离合器。如图l4 所示，齿轮 l 或2 中央的内齿与空心轴5 上的外齿结合，组成齿形离合器，齿轮2 相 一兰二兰笙堡 当于调车离合器的内齿，齿轮1 相当于运转离合器的内齿。齿轮箱中齿 轮3 和4 始终同轴同速运转( 假定角速度为聊，) ，齿轮1 与4 ，2 与3 始 终啮合。空心轴5 ( 与车轴相连，假定角速度为，) 上装有拨叉，可以 沿轴向移动( 如图中双向箭头所示) ，以实现齿形离合器的脱开和啮合。 记齿轮1 4 的外齿数分别为z 。、z 2 、z ，、z 4 。机车加速运行时，首先是调 车离合器啮合工作，即齿轮2 上的内齿与空心轴上的外齿相啮合，由小 齿轮带动大齿轮输出功率，此时，堕：垒 。机车运行至 印2：2 实际机械换档点时，拨动拨叉，使调车离合器脱开。由于空心轴与车轴 连接，惯性很大，在换档的几秒时间内可以认为其以离合器脱开之前的 转速珊，恒速旋转，即国，在整个换档过程中为一定值。欲转换为运转离合 器啮合工作，即齿轮1 上的内齿与空心轴上的外齿相啮合，由大齿轮带 动小齿轮输出功率，须满足粤：量，1 ，即： 0 ) 1 。因此需要降低运转 2 z 1 离合器内齿的转速。反之，机车减速到机械换档点时，要升高调车离合 器内齿的转速( 通过变矩器的充、排油实现对离合器内齿转速的调整) 。 调整齿形离合器的内、外齿达到同步后，在适当的时刻控制驱动装置动 作，保证啮合时避开“齿顶齿”的不利位置。这样，机车就顺利实现了 不停车换档，运行在新的工况档下。 1 5 不停车换档的参数条件分析 对g k l e 型液力传动机车的换档过程进行分析和计算，得出机车增 速过程中，实际机械换档点的转速即= 1 0 0 0 转分；机车减速过程中，机 械换档时的转速比增速时低，约为7 5 0 转分( 见参考文献 2 3 ) 。为了避 免齿形离合器啮合时产生过大的冲击，内、外齿的转动必须达到同步， 即限制转速差在一定的范围内，同时还必须满足相位要求，即避开“齿 7 塑二垩堕笙 顶齿”的不利位置。具体分析如下： 相位条件 齿形离合器的轮齿的啮合前端都倒有圆角( 如图1 5 ) ，这大大增加 了齿轮的啮合机会。因此内、外齿轮的啮合并不限制在两齿轮的齿顶与 齿根正好相对应的理想啮合点，而是在一定的范围内都能实现啮合。 图1 5 轮齿俯视图 图16 是内、外齿轮的部分展开图，设内齿轮的某对相邻轮齿对应 的范围为：【0 ，1 】，则根据啮合齿轮自锁条件、强度等计算实际运转中允许 啮合相差范围为2 妒，其中妒= o3 9 ( 见第三章) 。 - 、。，义j 义、。 、5 + 厂 图1 6轮齿位置示意图 转差条件 设离合器外齿的转速为n 。，内齿的转速为以：，满足l 聆一”：i s 时 一塑二童堕笙 认为内、外齿达到了同步，其中g 为根据齿轮的抗冲击性和啮合时间、啮 合相位的要求计算得来的。如果齿轮同步时至换档完成的时间为15 秒( 见 参考文献 2 3 “液力机车不停车换工况档系统的可行性研究”第三章第三 节) ，并且在换档过程中转速差保持不变，则结合啮合相差范围等要求可 得s = 08 转分( 见第三章) 。 1 , 6 不停车换档系统的研究进程和实施计划 为了适应国内对不停车换档技术的需求，我们与北京二七机车厂合 作进行该系统的研究，该不停车换档工况转换系统的研制工作拟分三期 进行： 第一期可行性研究和模型试验 第二期台架试验 第三期装车试验 我们主要进行第一期的模型试验。实验室研究是必不可少的，只有 在实验室取得成功后。才具备上车试验的前提条件，因为无论那种技术， 行车安全是第位的。模型试验是在自行设计的试验台上进行的，主要 进行可行性研究，它是验证检测方法及数据处理算法的可行性和正确性 的最重要手段。模型试验阶段的研究、论证和探索，为后续研究工作的 进展提供了理论依据和系统设计思路，并提出了着重要解决的问题。本 论文主要是对测控系统的研究。 9 第二章试验台的总体设计 第二章试验台的总体设计 2 1 模型试验的试验方法 从上一章的分析知，齿轮箱不停车换档系统研究的关键问题就是调 节齿形离合器内、外齿的转速达到同步，并获得内、外齿的位置信息， 在避开“齿顶齿”的啮合的最佳时机，控制驱动装置动作，实现机械换 档。 为了验证齿轮在高速运转中可以啮合，进行模型试验。该齿轮箱不 停车换档的工况转换系统就是在自行设计的试验台上进行实验的。在满 足不停车换档实验需要的前提下，试验台的设计要求结构尽量简单和易 于加工。试验台上分别以内、外齿轮模拟液力机车工况箱的齿形离合器 的内、外齿。为了更接近于机车上离合器啮合时的实际情况，试验台沿 用了g k l e 型液传机车上齿形离合器齿的几何形状和尺寸，内、外齿轮 都设计为具有3 8 个齿，并采用了相同的材料( 4 5 号钢) 。试验台采用可 以调速的电动机带动内、外齿轮进行旋转。外齿轮相当于机车上离合器 的外齿，由于离合器的外齿在换档过程中可近似地认为以恒定转速旋转， ( 见第一章) ，所以带动外齿轮的电机作为主电机，在一次实验过程中转 速不变。内齿轮相当于离合器的内齿，在进行机械换档时，追踪外齿轮 的转动，通过调节与内齿轮同轴的电机的转速使内、外齿轮达到同步， 因此认为带动内齿轮的电机为从电机。齿轮转速从低到高进行实验，在 低速情况下，验证测控系统工作正确、可靠，然后逐渐升高主电机的给 定转速，以验证高速运转的齿轮可以直接实现啮合。本实验最高转速做 到8 0 0 转分。最初的实验过程中，在测控系统认为的啮合的最佳时刻， 暂不真正驱动齿轮啮合，而是采用某种检查方法( 摄象或闪光灯照射， 见第三章) ，观察该对齿轮的齿的相对位置，以便对测控系统进行调整， 不断提高测控系统的可靠性，从而避免在测控系统不完善的情况下，实 1 0 第二章试验台的总体设计 际啮合可能对齿轮产生的破坏性冲击，特别是“齿顶齿”现象的发生。 2 2 传感器的选择 测控系统是整个不停车换档工况转换系统的核心，其能否准确、可 靠、及时地工作将直接影响到整个系统的工作质量。因此检测系统必须 准确可靠地测得离合器内、外齿的转速和轮齿的相对位置( 即相位) ，为 控制系统提供高精度、高可靠性的信息。这些转速和位置信息可由传感 器输出得到。模型试验大大简化了不停车换档的过程，以电动机的调速 代替了变矩器的充、排油。但测控系统必须具有可移植性，必须兼顾机 车的实际情况，否则，模型试验就失去了意义。所以，传感器的选型要 遵守以下原则：工作可靠、便于安装、结构简单、测量精度高，还要经 济耐用。以下是目前用于机车测速的传感器的比较。 1 测速发电机 将车轮的转速变换为与之成正比的电压模拟量输出。其特点是体积 小，电特性线性度好，响应速度快等，缺点是结构复杂，电刷易磨损， 万向联轴节加工困难，且容易发生断轴现象。另外应用于本测控系统中 时，不能得到所需的相位信息，需另外加装测相位的传感器。 2 光电式速度传感器 图2 l 光电式测速原理 l 一转轴 2 一圆盘 3 一光源 4 一光电管 兰三兰苎墼鱼塑璺竺堡茎 输出脉冲数与车轮转速成正比，其原理如图21 ，特点是可以检测零 速度，容易获得较高的测速精度，可以得到轮齿相位信息，缺点是可靠 性差，易受油、雾、灰尘等介质的影响，对使用环境要求较高，轴向尺 寸较长，在结构紧凑的工况齿轮箱内难以安装。 3 电磁感应式速度传感器 输出正弦交变电压，其频率与车轮转速成正比。分为有源型和无源 型。具有测速精度高，结构简单，抗干扰、抗污物能力强的特点。 以无源型为例，说明其基本原理。无源磁电式速度传感器主要由磁 钢、线圈、极靴和传感齿盘组成。用于测机车转速时，与机车轮轴联接， 传感头则装在静止机架上，使其极靴对准齿盘径向，并与齿顶相距一定 气隙。当机车车轮旋转时，齿盘随车轮旋转，齿的凹凸引起磁阻变化， 进而使磁通量发生变化，在线圈中产生出交流电势，即输出信号。齿盘 每转过一个齿距，磁通量交替变化一次，感应信号正好经历一个周期， 因而输出信号的频率等于齿数和转速的乘积。可见，传感器的信号频率 与机车速度成正比。 电磁感应式传感器用于机车测速时，在低速时，感应电势较小，不 能准确地测得机车速度，用于不停车换档系统测速时，由于换档时机车 的转速都比较高( 前己分析，最小为7 5 0 转分左右) ，这一缺点得到了克 服。然而传感器的输出是与整个齿距相关的正弦交变电压，电压的幅值 与转速的大小有关。要获得与转速无关，仅与轮齿位置有关的相位信息 需要较为复杂的调理电路。 4 集成霍尔式速度传感器 输出脉冲数与车轮转速成正比。霍尔传感器的工作是基于霍尔效应 的。 如图2 2 ，在一块长为，宽为b ，厚为1 7 的半导体薄片两侧面通过电 流，在薄片的垂直方向加以磁场，则在半导体另两侧面产生一个与电流 和磁场乘积成正比的电动势，这一现象即为霍尔效应，所产生的电动势 第二章试验台的总体设计 为霍尔电势。 图2 2霍尔效应原理图 现在机车上一般采用开关型集成霍尔式传感器，它由集成传感片和 磁钢片盘组成。图23 表示这种传感器的集成传感片，它的几何尺寸，温 度误差和应力形变都很小。有以下几部分构成： s u p p l y g r o u n d o u t p u t 图2 3 霍尔集成片结构图 电压调节器、方波霍尔电势生成器、 温度补偿电路、信号放大器、施密特 触发器和开路集电极输出电路。用于 测转速时，磁钢片盘随被测物体同轴 同速运转，集成传感片装在静止支架 上( 见图2 4 ) ，与磁钢片盘相距一定 距离( 小于9 m m ) ，安装时注意各个 磁钢片的极性要一致，并保证霍尔传感器正常输出。放大和整形后的霍 尔电势充当三极管的基极偏置电压。集成在片内的调压器使得传感器允 许的供电电压范围为4 5 v - 2 4 v 。配以适当的上拉电阻( 一般取1 - 1 0 k q ) 后，可直接用于双极型或m o s 逻辑电路。 这种集成霍尔式速度传感器输出的是开关信号，当传感片在磁钢片 磁场范围内时，产生霍尔电势，三极管导通，电源电压降在上拉电阻上， 输出低电平；当传感片处于两磁钢片的磁场间隙时，三极管截止，上拉 第二章试验台的总体设计 电阻上基本无压降，传感器输出高电平，所以输出信号含有磁钢片的位 置信息。由于输出为数字信号，供电电压又可高达2 4 v ，所以传感器的 抗干扰能力很强。它还具有以下特点：精度高；机械结构简单；调理电 路简单；不受油、雾、灰尘等介质的影响，能耐受恶劣环境；传感片既 可轴向安装( 见图24 ( a ) 所示轴向视图和径向视图) ，又可径向安装( 图2 4 ( b ) 所示轴向视图) ，这取决于磁钢片的安装方式。集成霍尔式传感器比电磁 感应式传感器的探头具有更大的安装自由度，在工况齿轮箱内安装较为 方便。 f a ) 轴向安装( b ) 径向安装 图2 4霍尔传感器结构和安装 传感器不仅要能准确及时地测得各相关齿轮的相位和转速，还要保 证改造后的变速箱工作良好。结合工况齿轮箱的允许安装空间及不停车 换档测控系统的实验和实际运用的需要，初步决定选用霍尔式速度传感 器。 离合器内、外齿的转速要分别测量，由于低速档和高速档的内齿始 终同轴转动( 见图1 4 ) ，有确定的转速和相位关系，因此至少需要两套 霍尔传感器测速装置。为了简化结构，便于引线，传感片相对于箱体静 止安装，磁钢片盘与待测齿轮同轴转动。在同一圆周上均布的磁钢片的 数目越多，测速频率就越高，并且一经安装完毕，磁钢片与齿轮的齿在 空间上有一定的几何对应关系，从而，传感器的输出就包含了齿轮的转 1 4 第= 章试验台的总体设计 速和相位关系。如果磁钢片数与齿轮的齿数相等，那么安装后，两套测 速装置输出脉冲的每一周期对应于齿轮转过一个齿( 包括齿顶和齿根) 。 如果安装时保证输出脉冲的上升沿( 或下降沿) 分别与其所测齿轮轮齿 的齿顶( 或齿根) 相对应，那么在不考虑其它因素的条件下，输出脉冲 的上升沿( 或下降沿) 同时到达时就是齿轮啮合发生“齿顶齿”的最不 利时刻。 2 3 电动机的选择 电机的选取主要从以下方面考虑：实验过程中，电机只是带动安装 在其轴上的齿轮运转，而齿轮的转动惯量很小，所以电机接近于空载运 行；能够实现无级稳定调速：能在低于额定转速的范围内调节，且调速 范围尽量宽，便于由低速到高速进行实验；调速简单、经济；调速精度 满足实验要求( 实验要求主、从电机转速差小于o 8 转分，见第三章) 。 用于调速传动的电动机有直流和交流之分。 2 3 1 直流电动机与交流电动机调速性能的比较 直流调速系统具有较为优良的静、动态性能指标。在很长的一个历 史时期内，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。这是因 为直流电动机具有突出的优点： ( 1 ) 调速范围广，易于平滑调速； ( 2 ) 起动、制动和过载转矩大； ( 3 ) 易于控制，可靠性较高。 因此，直流电动机多用于对调速要求较高的生产机械上。直流电动 机有他励、串励和复励三种，最主要的是他励直流电动机。 以他励电动机为例来分析直流电动机的调速，有三种方法： 电枢回路串电阻调速 这种调速方法所需设备简单，能从基速向下调速，但低速时转速不 塑三童堕竺鱼盟璺竺堡望： 稳定。不能满足低速实验的要求，而低速实验是整个实验的基础，是必 不可少的。 降低电源电压调速 能从基速向下进行无级调速，调速稳定性好。 弱磁调速 弱磁升速是从基速向上的调速方法，因此转速只能在高于额定转速 的范围内调节。 降低电源电压调速虽然满足实验要求，但是直流调速系统设备价格 高，并且也有其固有的难以克服的缺点，这就是换向问题。 交流电动机则克服了直流电机的缺点。交流电动机有一些固有的优 点： ( 1 ) 容量、电压、电流和转速的上限值，不像直流电动机那样受限制； ( 2 ) 结构简单，造价低； ( 3 ) 坚固耐用，事故率低，容易维护。 交流电动机的转速公式为 疗：( 1 - s ) n 。：f 1 一s ) 6 0 f , p 其中p ：极对数； ，l ：供电电源频率( i - i z ) ； s ：转差率( 同步电动机时，s = 0 ) 。 因此，改变电动机的转速有三种方法，即改变电源频率，- ，改变磁 极对数j f ，及改变转差率s 。 交流电动机的最大缺点是调速困难，变极调速、定子调压调速、转 差离合器调速等简单调速方案的性能指标不佳。随着交流电动机调速的 理论问题的突破和调速装置( 主要是变频器) 性能的改善，交流电动机 调速性能差的缺点已经得到了克服。除变频以外的另一些简单的调速方 案性能较差，终将会被变频调速所取代。目前，交流调速系统的性能己 1 6 一 釜三兰堕竺笪塑璺竺堡塑 经可以和直流调速系统相匹敌，甚至可以超过直流系统。 从性能价格比的角度来看，交流调速装置已经优于童流调速装置。 交流电动机的变频调速可以实现从基速向下的无级平稳调速，允许被调 速的电动机空载运行，选择合适的变频器，能满足调速精度的要求。因 此，该试验台上主、从电机都选用7 5 0 w 的三相鼠笼式异步电动机带动 齿轮运转，再以变频器对电动机进行调速。选用变频器对几乎不带负载 的三相鼠笼式电机进行调速，能够实现自动( 通过串口或模拟输入) 无 级稳定调速，且有较高的性能价格比。 所选用电动机的铭牌如下： 三相异步电动机 型号：y s 一8 0 2 4 额定功率：7 5 0 瓦 绝缘等级：e 额定转速：1 4 0 0 转分额定频率：5 0 赫 额定电压：3 8 0 伏额定电流：2 安 前面已经指出，内、外齿轮的转差小于0 8 转分，才认为达到了同 步，因此实验要求对电机转速的调整控制精度很高，有必要进一步分析 异步电动机的工作过程和变频调速手段。 2 3 2 三相鼠笼式异步电动机的工作过程 异步电动机的工作原理；三相异步电动机定子接三相电源后，电机 内便形成圆形旋转磁通势，圆形旋转磁通密，设其方向为逆时针旋转， 如图2 5 所示。若转子不转，转子鼠笼导条与旋转磁密有相对运动，导条 中有感应电动势e ，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路， 于是导条中有电流j ，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向同电动 势方向。这样，导条就在磁场中受力，用左手定则确定受力方向，如 图所示。转子受力，产生转矩l 便为电磁转矩，方向与旋转磁通势同方 向，转子便在该方向上旋转起来。 1 7 第二章试验台的总体设计 转子旋转后，转速为”，只要 疗小于”，( 啊为旋转磁通势同步转 速) ，转子导条与磁场仍有相对运 动，产生与转子不转时相同方向的 电动势、电流及受力，电磁转矩7 1 仍旧为逆时针方向，转子继续旋 转，稳定运行在产五情况下( 正 为作用在电机转轴上的负载转矩， 还包括由电机本身摩擦及附加损耗 引起的转矩) 。因此异步电动机稳 图25 异步电动机工作原理 定工作时转子的转速n 不能也不会恰恰等于同步转速 ，。只有两者之间有 转差( n 咒) ，异步电动机才能工作。此时转差率5 = 型， ”， 正常运行的异步电动机的转子转速开接近于同步转速n ，转差率s 很小， 一般j = o 0 1 o 0 5 。本测控实验过程中，主、从电动机负载转矩都很小 又几乎保持不变，所以可以认为转差率为接近于0 的定值。 2 4 变频调速器的选择 2 4 1 变频器的控制方法 变频器输出频率的控制方法一般有以下几种： 1 前面板频率给定：调整频率设定旋钮或按键 ( 电动电位器) 进行设定。 2 模拟量给定值( 电压或电流输入) ：能通过0 - 5 v d c ，0 - 1 0 v d c ， 4 2 0 m a d c 电信号进行设定。 3 外部电位器控制电机转速：能由3 端子的可调电位器进行设定，相当 于模拟量输入控制。 4 8 个固定频率设定：根据外部信号( 接点信号或开路集电极信号) 的 1 8 第二章试验台的总体设计 开、合，进行8 级的选择运转，属于数字量输入。 5 串行接口：通过串口传输数据进行控制，相当于数字量控制。 其中数字量输入比模拟量输入的频率设定精度设定精度高。 2 4 2 变频器的选择 实验过程中，主电机转速保持恒定，即在电机运转过程中不进行调 速，同时又因为电机几乎没有负载，所以对变频器要求不高。选用了现 有的“普传p 1 8 9 系列”微电脑调频器，频率由前面板上主速设定旋钮控 制给定。从电机在运转过程中要根据主电机的转速进行调速，以便使内、 外齿轮转速达到同步。所以应选用能对变频器进行自动控制的电信号输 入，实现对输出频率( 即电机转速) 的调整，并能实现无级调速。由以 上变频器输出频率的控制方法分析知，可选的只有方法2 ：模拟量给定值 ( 电压或电流输入) 或方法5 ：串行接口。考虑到系统抗干扰和频率设定 精度问题，选用带有通讯口的变频器，由单片机通过串口对变频器进行 数字量输入频率设定。实验所需变频器只简单用于调节电机的转速，与 变频器般的应用目的和应用场合不同( 应用于较大功率的生产机械或 设备上，以节能、提高生产率等) ，在进行了广泛的市场调查后，选用了 s i e m e n sm m v ( m i c r o m a s t e rv e c t o r ) 系列的通用型变频器。它基 本满足实验要求，它自带r s 一4 8 5 串口，频率分辨率较高( o0 1 h z ) ，性 能优越，另外它对变频器和电机提供了多种保护。对变频器的保护功能 有：过电压欠电压保护；一般的故障保护；短路保护；过热保护等。对 电机的保护有：1 2 t 电机过热保护；具有电机热敏电阻p t c 的接口；电机 锁死保护；缺相保护。这样更有利于实验的进行，因为实验中所运用的 变频器的功能，或对变频器的控制方法和手段，有可能是以前从未有人 采用过的，没有经验可以借鉴，需要不断进行实验。在实验过程中，难 免会有一些误操作，可能会发生各种难以预料的情况，因此，希望变频 第二章试验台的总体设计 器自身能提供足够的保护功能以保证变频器和电机维持正常的性能。 西门子变频器的部分技术数据如下： 输出频率：0 - 6 5 0 h z ；频率分辨率：0 0 1 h z ； 工作环境温度：o 5 0 。c ；保护等级：i p 2 0 过载能力：2 0 0 ，3 秒；1 5 0 ，6 0 秒。 2 5 试验台的总体结构 结合以上的分析和要求，设计出的试验台的总体结构如下： 1 从电机2 内齿轮测速磁钢片盘 3 内齿轮4 外齿轮 5 外齿轮测速磁钢片盘 6 主电机 7 底座8 拨叉 9 霍尔传感器支架( 仅画出一个) 图2 6 试验台总体结构 第二章试验台的总体设计 内、外齿轮分别由电机驱动，内齿轮直接套在从电机轴上，没有横 向运动，外齿轮上装有一拨叉，保证齿轮除了随主电机轴一起旋转外， 还有横向运动，以实现啮合。图中2 、5 分别为与内、外齿轮同轴同速转 动的磁钢片盘，磁钢片数与齿轮的齿数相等，均为3 8 个，霍尔传感器的 传感片沿与磁钢片盘轴平行的方向固定。 2 l 第三章不停车换档的测控系统 第三章不停车换档的测控系统 3 1 测控系统的总体方案设计 不停车换档的测控系统是整个换档系统的核心。在模型试验台上进 行的实验，主要是验证不停车换档的可行性。它是验证信号检测方法的 可行性，啮合条件及数据处理算法的正确性的最重要手段。 本试验台的电动机通过变频器供以三相交流电。试验台的系统结构 如图31 。 ii ll 上#兰 由保险丝 i i 开关 变 i 尚 i 器i 萝 霾7 剀 应 圈；1 试验台系统结构 电网 第三章不停车换档的测控系统 本测控系统由8 0 9 8 单片机为主系统，主要利用其高速输入( h s i ) 等功能。在测控系统程序的调试阶段，采用了启东计算机厂的i c e 一5 9 2 8 h 型开发系统和北京市华路机电新技术公司的h l 一9 8 单片机教学试验板。 在试验板原有系统的基础上进行了扩展，组成了不停车换档测控系统。 系统的硬件原理图见附录。 3 2 测控硬件 3 2 1 测控系统硬件总体结构设计 由于对运转中的齿轮施加一定的力，克服齿轮的自锁，就能使齿轮 脱开，所以，这里的测控系统只实现脱开后旋转齿轮的啮合这一过程。 测控系统总体硬件框图如下。 主电机 外齿轮 内齿轮 从电机 传感器 传感器 信号调理 信号调理 显示内、外齿轮转速 8 0 9 8 单片机 西门子 变频器 隔离驱 动风缸 等驱动 装置 图3 2 测控系统总体硬件框图 实验过程中，在测控系统还不完善的情况下，直接驱动齿轮啮合是 比较危险的，所以，在啮合的最佳时刻，暂不驱动齿轮啮合，而是进行 箜三垩i 翌兰堡堡塑望! 垄至竺 观察。并且由于加装风缸等自动控制驱动装置会使第一阶段试验装置变 得复杂，因此考虑在测控系统完善、可靠地运行后，人工驱动拨叉，实 现齿轮的不停车换档( 见第六章) 。 主电机 普传 变频器 人工设定 刻茜m 巫 钉叵亘h 三 从电机 显示内、外齿轮转速ll 继电器 8 0 9 8p 剖隔离放大 广- 1 隔离放太 鞘机陆碡ik 机il 串口通信i ”l 目口通信i 亦西师1 q 巽- f - il 图象采集卡 变频器ii 竺苎! 篓二 图3 3 测控系统硬件框图 不停车换档测控系统采用了两种实验方案，主要是啮合时刻观察手 段的不同。图3 3 是测控系统硬件框图，整个测控系统采用主从结构，8 0 9 8 单片机为主机，变频器为从机，采用摄象观察时p c 机亦为从机。 测控实验过程是这样的：人工调节普传变频器，设定一输出频率， 使主电机以固定的转速运转，西门子变频器驱动从电机以低于或高于主 电机的转速运转或从电机初始静止。起动测控系统，通过串口调整西门 子的输出频率，进而调整从电机( 即内齿轮) 的转速，使内、外齿轮达 到同步，在避开“齿顶齿”的齿轮啮合的最佳时刻，通过串口通信，控 制图象采集卡开始采集摄象机摄到的内、外齿轮的状态( 图中虚线所示 的途径) ；或者，在最佳时刻控制继电器动作，使闪光灯闪光( 图中实线 所示的途径) 。 第三章不停车换档的测控系统 对实验结果的观察有多种方案：图象采集、闪光灯照射、摄影、频 闪仪观察等。这几种方法各有利弊。 图象采集法可以按3 0 帧秒的速率连续采集，以a v i 文件格式记录 在硬盘中，这样在回放时既可观察到内、外齿轮轮齿的位置，又能观察 到齿轮的相对运动，能同时得知在啮合最佳时刻齿轮是否同步，相位是 否合适。要清晰地观察到轮齿的相对位置，最好在日光灯照射下进行采 集，因为荧光灯具有工频频率决定的5 0 次，秒的闪动，而日光灯是利用灯 丝的热致发光效应进行工作的，是比较稳定的光源。另外还必须保证在 齿轮转过一个齿的过程中最多采集一帧图象。但是图象采集卡的采集速 度有限，最快为3 0 帧吵。按极限情况计算，假定霍尔传感器输出脉冲的 频率厂为3 0 i - i z ，又齿轮齿数为：z = 3 8 ，则齿轮的转速”为： ”：6 0 ：翌生旦：4 7 转分 ：3 8 根据机车实际换档时的转速，实验要求最高做到8 0 0 转分。显然，图象 采集的方法只适于齿轮低速运转时的观察。实验也验证了这一点。采用 这种方法时，在运行单片机测控程序以前，先使p c 机运行进行串口通信 和调用图象采集的应用程序，处于查询等待接收串口缓冲区数据的状态， p c 一旦接收到单片机发送来的数据，便继续往下执行该应用程序，调用 图象采集程序，进行连续图象采集。 图象采集法也可进行单帧图象采集，以b m p 文件格式记录在硬盘中， 这样只能观察到内、外齿轮轮齿的相对位置。 闪光灯照射观察，就是在黑暗的环境下，在啮合的最佳时刻使闪光 灯闪光，利用人的视觉暂留，观看轮齿的相对位置。先给闪光灯充电至 闪光指示灯亮，再运行测控程序。如果闪光灯的闪光持续时间足够短， 则单次闪光时将清晰地看到齿轮静止的图象。闪光灯的闪光时间都很短， 基本上都能达到千分之一秒，或万分之一秒，甚至更短。如果选用闪光 第三章不停车换档的测控系统 时间为千分之一秒的普通闪光灯，那末当齿轮转速为n = 8 0 0 转分时，在 闪光时间内齿轮转过的齿数m 为： 埘：旦z f ：8 0 _ 2 0 3 8 三一。o5 6 06 01 0 0 0 当m = 0 1 时，可得一“1 5 8 转分。在齿轮转速由低到高进行实验时，闪光 灯照射观察到的图象将逐渐变得模糊，但这种闪光灯能基本上能满足实 验要求，只是闪光灯的单次闪光只能观察到轮齿的位置，不能获得两齿 轮的相对转动情况。 以上的闪光灯照射观察方法完全依赖人的视觉，而人与人之间的差 异又很大