电动式转向机综合性能试验台设计【10张CAD图纸和说明书】
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0目 录1.绪论 .11.1 课题研究的意义 .11.2 设计任务的内容和要求 .31.3 总体方案设计 .42试验台机械部分设计说明 .62.1 输入系统 .62.2 输出系统 .72.3 液压助力系统 .102.4 传感器的选择 .202.5 转向器夹具设计 .202.6 台上部分装配要求 .213试验台控制电路设计说明 .223.1 设计的基本依据 .223.2 试验台系统运动方式的确定 .223.3 控制系统的选择 .233.4 电气原理及接口设计 .233.5 控制电气工作流程 .30结论 .35致谢 .36参考书目 .37附录 .38图 1 .38吉林大学本科生毕业设计说明书11.绪论1.1 课题研究的意义汽车作为现代化的交通工具已经受到大众的接受，个人拥有私人汽车的数量也在每年以迅猛的速度增加。然而随着科学技术的发展，汽车制造业的竞争也是日见激烈。如何掌握先进的汽车制造技术，研发出让大众满意的汽车，成为了众多汽车制造商的当务之急。在汽车行驶中，转向运动是最基本的运动。我们通过方向盘来操纵和控制汽车的行驶方向，从而实现自己的行驶意图。采用动力转向系统的汽车转向所需的能量，在正常情况下，只有小部分是驾驶员提供的体能，而大部分是发动机( 或电机) 驱动的油泵(或空气压缩机) 所提供的液压能(或气压能)。用以将发动机( 或电机) 输出的部分机械能转化为压力能，并在驾驶员控制下，对转向传动装置或转向器中某一传动件施加不同方向的液压或气压作用力，以助驾驶员施力不足的一系列零部件，总称为动力转向器。在现代汽车上，转向系统是必不可少的最基本的系统之一，它也是决定汽车主动安全性的关键总成，如何设计汽车的转向特性，使汽车具有良好的操纵性能，始终是各汽车厂家和科研机构的重要课题。特别是在车辆高速化、驾驶人员非职业化、车流密集化的今天，针对更多不同的驾驶人群，汽车的操纵性设计显得尤为重要。转向机综合性能实验台能够对汽车转向器的各项性能指标进行测试，让研法人员对所测试的转向器的各项指标有个直观的了解。一个功能齐全，效率高的综合实验台无疑能够在对汽车转向器的研发中起到关键的作用。因此这里把转向机性能实验台作为一个项目来研究，其主要目的就是更好的服务于汽车工业的发展。历史上曾出现过许多种形式的转向器，目前较常用的有齿轮齿条式、蜗第一章 绪论2杆曲柄指销式、循环球-齿条齿扇式、循环球曲柄指销式、蜗杆滚轮式等。其中第二、第四种分别是第一、第三种的变形形式，而蜗杆滚轮式则更少见。在这里我们把用于大型车辆的动力式转向机作为研究的的对象。 图 1.1 转向器工作原理图图 1.2 被测转向器结构图吉林大学本科生毕业设计说明书31.2 设计任务的内容和要求1.2.1 原有试验台的不足传统的汽车转向系统是机械系统，汽车的转向运动是由驾驶员操纵方向盘，通过转向器和一系列的杆件传递到转向车轮而实现的。普通的转向系统建立在机械转向的基础上，通常根据机械式转向器形式可以分为：齿轮齿条式、循环球式、蜗杆滚轮式、蜗杆指销式。常用的有两种是齿轮齿条式和循环球式( 用于需要较大的转向力时)。这种转向系统是我们最常见的，目前大部分低端轿车采用的就是齿轮齿条式机械转向系统。虽然传统转向系统工作最可靠，但是也存在很多固有的缺点，传统转向系统由于方向盘和转向车轮之间的机械连接而产生一些自身无法避免的缺陷：汽车的转向特性受驾驶员驾驶技术的影响严重；转向传动比固定，使汽车转向响应特性随车速、侧向加速度等变化而变化，驾驶员必须提前针对汽车转向特性幅值和相位的变化进行一定的操作补偿，从而控制汽车按其意愿行驶。这就变相地增加了驾驶员的操纵负担，使汽车转向行驶存在很大的不安全隐患；液压助力转向系统经济性差，一般轿车每行驶一百公里要多消耗 0.30.4 升的燃料；另外，存在液压油泄漏问题，对环境造成污染，在环保性能被日益强调的今天，无疑是一个明显的劣势。1.2.2 电动式试验台的优势近年来，随着电子技术的不断发展，转向系统中愈来愈多的采用电子器件。相应的就出现了电液助力转向系统。电液助力转向可以分为两大类：电动液压助力转向系统 EHPS(electro-hydraulic power steering)、电控液压助力转向 ECHPS(electronically controlled hydraulic power steering)。EHPS 是在液压助力系统基础上发展起来的，其特点是原来有发动机带动的液压助力泵改由电机驱动，取代了由发动机驱动的方式，节省了燃油消耗。ECHPS第一章 绪论4是在传统的液压助力转向系统的基础上增加了电控装置构成的。电液助力转向系统的助力特性可根据转向速率、车速等参数设计为可变助力特性，使驾驶员能够更轻松便捷的操纵汽车。 现代电液动力转向系统主要通过车速传感器将车速传递给电子元件，或微型计算机系统，控制电液转换装置改变动力转向的助力特性，使驾驶员的转向手力根据车速和行驶条件变化而改变，即在低速行驶或转急弯时能以很小的转向手力进行操作，在高速行驶时能以稍重的转向手力进行稳定操作，使操纵轻便性和稳定性达到最合适的平衡状态。为了保证转向轻便性，要求增大转向器的传动比。但是，增大角传动比虽然可以减小转向盘上的手力，但同时也造成汽车对操纵的反应减慢，甚至有可能导致驾驶员没有能力来转动转向盘进行紧急避障等转向操作，即不够“灵”。 机械式转向器的设计目标是保证汽车在各种行驶条件下将转向盘上的手力保持在驾驶员能接受的合理范围内，同时保证适当的转向灵敏度。但是机械式转向器的结构特点注定“轻” 与 “灵”矛盾的存在(包括变传动比机械转向器)， 而电液助力转向系在一定程度上解决了这一矛盾。1.3 总体方案设计1.3.1 硬件部分试验台的硬件组成可分为如下 6 个组成部分： 1主机台架。包括被试转向机总成、被试阀体总成、转向机输入轴手动控制装置、转向机输出齿条电动伺服加载装置、输入轴转矩传感器、输入轴转角传感器、齿条负荷传感器、齿条位移传感器、以及安装这些总成的基础平台和安装夹具。吉林大学本科生毕业设计说明书52伺服电机。包括电机和减速器。3助力泵站。包括油泵电机组、油箱、恒温控制装置、调压调速回路。4电气控制柜。包括测量电路、手动操作面板、仪表显示器、报警器、运行指示灯等。5微机测控装置。包括工控机、控制接口板、测量接口板、17彩显、激光打印机、键盘、鼠标、硬驱、光驱、U 盘等。1.3.2 软件部分软件系统采用模块化编程技术。可分为如下 5 个组成部分：1.试验运行模块：包括控制信号发生器、全数字 PID 调节器、多通道协调模块、数采模块、信号实时跟踪显示模块。2.试验工况设定模块：包括被试件参数输入、试验运行参数设定3.输出模块：试验数据处理与曲线、报表生成。4.数据库：存储历史试验数据。5.帮助文件：故障信息表，维护保养说明，使用说明第二章 实验台机械部分设计说明62试验台机械部分设计说明试验台的机械部分分为台上和台下两个部分。台上部分包括被试转向机总成，转向机输入轴手动控制装置，转向机输出齿条电动伺服加载装置，试验台待测数据检测传感装置。台下部分主要为液压助力泵站系统。2.1 输入系统2.1.1 手动方向盘本实验的输入方式按要求采用手动输入。为了更好的模拟转向机的工作环境，使用一个车用方向盘来手动输入转矩。2.1.2 联轴器在方向盘后采用凸缘联轴器与其后的系统相连。根据最小轴孔，最大轴伸长度的近似值；并且考虑到是手动输入，因而输入转矩不可能很大的特点，选用了凸缘联轴器的普通型号 YL2 型铁制。公称转矩 16Mm，需用转速 7200r/min,轴孔直径 20mm,轴孔长度 52mm,质量 1.5kg,转动惯量 0.0035。2mkg因为有检测输入端转矩，转角大小的要求。所以需要在输入系统和转向机总成之间加入 2 个传感器。因此在传感器和转向机总成之间还需要添加一个同为 YL2 型的联轴器。图 2.1 YL2 型联轴器吉林大学本科生毕业设计说明书72.2 输出系统2.2.1 电机选择按系统设计要求，选用 Y 系列一般用途的三相异步电机，即 Y112M-4型号，额定功率 4KW,满载转速 1440r/min，最大转矩 2.2N.m。2.2.2 减速器设计减速器是通过直径、模数不同的齿轮传动将电动机输出的较高转速变为所需求的低转速的。在本设计中由于电机转速过大，为了适应检测系统工作要求和起到保护系统的作用，需要采用减速器来降低输出转速。设计使用普通圆柱齿轮减速器。根据系统的实际情况计算：由选用电机型号可知：输入转速 1440r/min，输入功率 4.0kW,传动比i=4.5,工况系数 =0.8AK=4kW 0.8=3.2KwWCP1减速器计算输入功率1减速器实际输W1 入功率图 2.2 减速器示意图第二章 实验台机械部分设计说明8根据 ，i 和实际输入转速 1440r/min 接近的公称转速 1500r/min 初CP1选 ZDZ80 型，其额定功率 =3.6kW，相对误差1。不超过 4%，所以对应的额定功率%40541 nw= ,可见 ZDZ80 满足机械强度要求。所以选用减速器型号为 ZDZ80-PC45-I。减速器输出转速 。r/min3205.4r/in10ino2.2.3 齿轮齿条箱设计一技术参数设计计算因为电机通过减速器后输出的力仍然是旋转力，但是根据设计要求，需要的是一个轴向力来检测转向机的输出力。所以设计了一个以齿轮齿条配合机构为主的齿轮齿条箱，用于将减速器输出的旋转力转化为轴向力。首先是齿轮的设计。设计将齿轮固定在减速器的输出轴上与齿条配合。齿轮的技术参数如下：分度圆直径 齿顶圆直径md24mda26齿根圆直径 模数 m=1f0齿数 z=24 齿距 p齿顶高 齿根高1ahm25.1fhm齿高 25.然后是齿条的设计。因为齿条需要和转向机输出轴同轴并且相向运吉林大学本科生毕业设计说明书9动，才能通过它们之间的力传感器来检测转向机输出力，所以设计将齿条焊接在一根杆上再和齿轮进行配合。杆的下方用一个 U 型槽支撑。齿条的技术参数如下：齿顶高 齿根高12ahmmhf25.1杆长 l70根据齿轮的分度圆直径和转速来计算齿条的移动速度：106dnv106r/min324s/4.齿轮分度园直径（mm）1齿轮转速（r/mm）1n二.箱体结构设计(1)箱体的设计箱体的设计是结构设计中较重要的，形状又比较复杂的零件，它对轴系零件的支承和固定，传动件的啮合精度，齿轮齿条配合之间的润滑和密封等都具有重要的意义。箱体的制造方法有铸造箱体和焊接箱体两种，铸造箱体一般用灰铸铁(HT200 或 HT150)制造，铸造箱体刚性好，加工方便，尤其适合形状较复杂的箱体零件，应用较广。焊接箱体采用钢板焊接而成，重量轻，费时少，但焊接时易变形，适用于单件小批量生产的情况。设计箱体时应考虑以下几个问题：1) 箱体要有足够的刚度第二章 实验台机械部分设计说明10为保证箱体在工作中不至于发生变形，导致轴承座孔中心偏斜，影响正常工作，在设计箱体时，在箱座和箱盖上制出加强筋和内加强筋。当轴承座是剖分式结构时，还应保证其连接刚度。为此，设计时，应使座孔两侧的连接螺栓尽量靠近轴承孔，支承螺栓用的凸台高度和凸台顶部大面积，要保证装螺栓的扳手空间。但应该注意，不要让轴承旁螺栓的螺栓孔与端盖连接螺钉的螺钉孔发生干涉。2) 保证具有良好的铸造工艺性(2) 减速器附件的结构设计1)启盖螺钉用于启盖时顶起机盖，启盖螺钉常装在箱盖两侧边的凸缘上，有 12个，拧紧启盖螺钉可以顶起箱盖。2)定位销定位销的主要作用是用来保证箱体轴承座孔的镗制和装配精度。定位销有两个。需在箱体接合凸缘的对角方向各安装一个圆柱或圆锥销，两销相距尽量远些，以提高定位精度，但不宜对称布置。2.3 液压助力系统在汽车完成的转向运动中，由驾驶员提供的转向力只占很小的一部分，大部分的动力是由液压或者电力系统来提供的。因此为使被测转向机能够正常工作，试验台必须同样使用主力系统来帮助被测转向机来完成转向运动。本设计采用的是被测转向机型号 3411005 配套的液压助力系统。液压助力转向系由机械转向器、液压油泵、油箱、动力缸、溢流阀和限压阀等组成，见下图。油泵为叶片泵，在液吉林大学本科生毕业设计说明书11压泵上装有限压阀和溢流阀，确保系统安全。其分配阀、转向器和动力缸置于一个整体，分配阀和主动齿轮轴装在一起（阀芯与齿轮轴垂直布置） ，阀芯上有控制槽，阀芯通过转向轴上的拨叉拨动。转向轴用销钉与阀中的弹性扭杆相接，该扭杆决定于阀的特性，并起到阀的中心定位作用。在齿条的一端装有活塞，并位于动力缸之中，齿条左端与转向横拉杆相接。汽车处在直行状态时，转向盘在居中位置，阀芯和隔套也在中间位置。所有液流控制口均打开，液压油很通畅地从油泵经控制阀流回油罐。转向盘转动时，转向轴(连主动齿轮轴)带动阀芯相对滑套运动，使油液通道发生变化，液压油从油泵排出，经控制阀流向动力缸的一侧，推动活塞带动齿条运动，通过横拉杆使车轮偏转而转向。图 2.3 液压系统结构图2.3.1 油箱的设计(1) 油箱的特点油箱是用钢板焊接而成，大型的油箱则用型钢作为骨架，再在外表焊上钢板。油箱的形状一般是方形或长方形，为了便于清洗油箱内壁及箱内第二章 实验台机械部分设计说明12滤油器，油箱盖板一般是可拆的。油箱在液压系统中除了储油外，还有散热，分离油液中的气泡，沉淀杂质等作用。油箱中安装有很多辅件，如冷却器，加热器，空气过滤器及安装液位计等。油箱分为开式油箱和闭式油箱两种，开式油箱，箱中液面与大气相通，在油箱盖上装有空气过滤器。开式油箱结构简单，安装维护方便，液压系统普遍采用这种形式。闭式油箱一般用于压力油箱，内充一定压力惰性气体，充气压力可达 0.05MPa。如果按油箱的形状来分，还可以分为矩形油箱和圆罐形油箱。矩形油箱制造容易，箱上易于安放液压器件，所以被广泛采用；圆罐形油箱强度大，重量轻，易于清扫，但制造较难，占地空间较大，在大型冶金设备中经常采用。(2) 油箱设计要点设计油箱时应该考虑如下几点1) 油箱必须有足够大的容积。一方面尽可能地满足散热要求，另一方面在液压系统停止时应能容纳系统的所有工作介质，而工作时又能保证适当的液位。2) 吸油管及回油管应插入最低液面以下，以防止吸空和回油飞溅产生气泡。管口与箱底，箱壁距离一般不小于管径的 3 倍。吸油管可安装 100um左右的网式或线隙过滤器，安装位置要便于装卸和清洗过滤器。回油管口要斜切 45角并面向箱壁，以防止回油冲击油箱底部的沉积物，同时也要有利于散热。3) 吸油管和回油管之间的距离要尽可能远点，之间应设置隔板，以加大液流循环的途径，这样就能提高散热，分离空气及沉淀杂质的效果。隔板高度为液面高度的 2/33/4。吉林大学本科生毕业设计说明书134）为了保持油液清洁，油箱应有周边密封的盖板，盖板上装有空气过滤器，注油及通气一般都由一个空气过滤器来完成。为便于放油和清理，箱底要有一定的斜度，并在最低处设置放油阀。对于不易开盖的油箱，要设置清洗孔，以便于油箱内部的清理。5) 油箱底部应距离地面 150mm 以上，以便于搬运，放油和散热。在油箱的适当位置要设吊耳，以便吊运，还要设置液位计，以监视液位。6) 对油箱内表面的防腐处理要给予充分的注意。常用的方法有： 酸洗后磷化。适用于所有介质，但受酸洗磷化槽限制，油箱不能太大。 喷丸后直接涂防锈油。适用于一般矿物油和合成液压油，不适合含水液压油，因不受处理条件限制，大型油箱较多采用此方法。 喷沙后热喷涂氧化铝。使用于除水-乙二醇外所有介质。 喷沙后进行喷塑。适用于所于介质。但受烘干设备限制，油箱不能过大。考虑油箱内表面的防锈处理，不但要顾及与介质的相容性，还要考虑处理后的可加工性，制造到投入使用之间的时间间隔以及经济性，条件允许时采用不锈钢制油箱无疑是最理想的选择。(3) 油箱容量计算油箱容量与系统的流量有关，一般油箱容量为最大流量的 35 倍。故为保守起见油箱容量是流量的 5 倍。根据叶片泵 YBX-16 的型号来确定油箱容量。 310nqQO式中 n额定转速；容积效率；第二章 实验台机械部分设计说明14q理论排量； Q O流量。所以： min/4.2106430 L故油箱的容量为 QV1.50按液压站的油箱公称容量系列(JB/T7938-1999)取 V=120L,根据设计的需要分别取长为 800mm;宽为 5mm；高为 600mm。2.3.2 管路部分一、管路管路是液压系统中液压元件之间传递液体的各种油管的总称，管接头用于油管与油管之间的连接以及油管与元件之间的连接。为保证液压系统工作可靠，管路及管接头应有足够的强度，良好的密封，其压力损失要小，拆装要方便。(1) 管路的种类及材料1) 种类管路按其在液压系统中的作用可分为：主管路，包括吸油管路，压油管路，和回油管路，用来实现压力能的传送。泄油管路：将液压元件的泄漏油导入回油管或油箱的管路。控制管路：用来实现液压元件的控制和调节以及与检测仪表连接的管路。旁路管路：将通入压力油管路的部分或全部压力油旁路直接引回油箱的管路。吉林大学本科生毕业设计说明书152) 材料根据系统要求，用户常采用的管路材料有：无缝钢管，有缝钢管，耐油橡胶软管，紫铜管，耐油塑料管及尼龙管。(2) 油管的尺寸油管的尺寸主要指内径，外径和壁厚。油管的内径大小取决于管路的种类及管内的流速值。在流量一定的条件下：内径小则流速高，压力损失大，而且可能产生噪声；内径大时虽可避免上述缺点，但难于安装，管路所占空间大，机器的重量增加，因此要选择合理的油管内径 d,一般由下式子来确定d= 式中 Q 为流经油管的流量； 为油在管内的允许速度。040一般来说，对于压油管路：当压力 p2.5MPa 时，管内油速 v=2m/s；当p=2.56MPas 时，v5m/s。金属油管的壁厚 金属油管按公式计算并圆整确定内径后，再按受拉伸薄壁公式计算壁厚，即公式中 p 为油管内液体的最大工作压力；d 为油管直径；2pd 为许用拉伸应力，当 p17.5 MPa 时，取 n=4。无缝钢管的通径钢管的通径代表它的通流能力的大小，一般以 mm 为单位表示。通径第二章 实验台机械部分设计说明16仅表示管道的名义尺寸。例如，32 通径的油管的外径为 42 mm。二、管接头在液压系统中，金属管之间以及金属管与元件之间的连接，可以采用直接焊接，法兰连接和管接头连接。直接焊接时，焊接工作要在安装现场进行，需经过试装，焊接，除渣，酸洗等一系列工序，安装后拆卸不便，焊接质量不易检查，因此很少采用。法兰连接工作可靠，装拆方便，但外形尺寸较大，而且要在油管上焊接或铸造法兰，因此多用于外径大于 50mm的油管连接。当油管外径小于 50mm 时，普通采用管接头连接。管接头的形式包括焊接管接头，卡套式管接头，扩口薄管接头以及快速管接头。软管与金属管或软管与元件之间的连接均采用软管连接，常用的形式有可拆式和扣压式。1. 焊接式管接头焊接式管接头主要由接头体，螺母和接管组成。接头体拧入机体。螺纹为细牙圆柱螺纹，接合面加密封圈防漏，接头体与接管之间用 O 型密封圈密封，接管与管路系统中的钢管通过焊接相连。焊接管接头具有结构简单，制造方便，耐高压，密封性能好等优点。工作压力可达到 31.5MPa,是目前应用较广的一种接头形式。焊接管接头的缺点是对焊接质量要求高，特别是高压时焊缝往往成为它的薄弱环节。此外，焊缝处可能会残留少量焊渣或其他金属屑，它们在受到冲击或振动脱落后会影响系统的正常工作。2.卡套式管接头卡套式管接头主要由接头体，卡套和螺母等三个基本零件组成。其中卡套是接头的中的关键零件，它的质量好坏直接影响接头的密封性能，连接强度和重复使用性能。吉林大学本科生毕业设计说明书17卡套是一个在内圆端部带有刃口的金属环，具有良好的刚度，硬度和韧性，卡套式接头连接性能的好坏，除与材料，制造精度和热处理质量等有关外，与装配质量的关系也较大。2.3.3 柱塞泵的工作原理柱塞和柱塞套是一对精密偶件，经配对研磨后不能互换，要求有高的精度和光洁度和好的耐磨性，其径向间隙为 0.0020.003mm 柱塞头部圆柱面上切有斜槽，并通过径向孔、轴向孔与顶部相通，其目的是改变循环供油量；柱塞套上制有进、回油孔，均与泵上体内低压油腔相通，柱塞套装入泵上体后，应用定位螺钉定位。 柱塞头部斜槽的位置不同，改变供油量的方法也不同。 出油阀和出油阀座也是一对精密偶件，配对研磨后不能互换，其配合间隙为 0.01 。出油阀是一个单向阀，在弹簧压力作用下，阀上部圆锥面与阀座严密配合，其作用是在停供时，将高压油管与柱塞上端空腔隔绝，防止高压油管内的油倒流入喷油泵内。 出油阀的下部呈十字断面，既能导向，又能通过柴油。 出油阀的锥面下有一个小的圆柱面，称为减压环带，其作用是在供油终了时，使高压油管内的油压迅速下降，避免喷孔处产生滴油现象。当环带落入阀座内时则使上方容积很快增大，压力迅速减小，停喷迅速。 泵油原理 工作时，在喷油泵凸轮轴上的凸轮与柱塞弹簧的作用下，迫使柱塞作上、下往复运动，从而完成泵油任务，泵油过程可分为以下三个阶段。 进油过程 第二章 实验台机械部分设计说明18当凸轮的凸起部分转过去后，在弹簧力的作用下，柱塞向下运动，柱塞上部空间（称为泵油室）产生真空度，当柱塞上端面把柱塞套上的进油孔打开后，充满在油泵上体油道内的柴油经油孔进入泵油室，柱塞运动到下止点，进油结束。 供油过程当凸轮轴转到凸轮的凸起部分顶起滚轮体时，柱塞弹簧被压缩，柱塞向上运动，燃油受压，一部分燃油经油孔流回喷油泵上体油腔。当柱塞顶面遮住套筒上进油孔的上缘时，由于柱塞和套筒的配合间隙很小（0.0015-0.0025mm）使柱塞顶部的泵油室成为一个密封油腔，柱塞继续上升，泵油室内的油压迅速升高，泵油压力出油阀弹簧力+高压油管剩余压力时，推开出油阀，高压柴油经出油阀进入高压油管，通过喷油器喷入燃烧室。 回油过程 柱塞向上供油，当上行到柱塞上的斜槽（停供边）与套筒上的回油孔相通时，泵油室低压油路便与柱塞头部的中孔和径向孔及斜槽沟通，油压骤然下降，出油阀在弹簧力的作用下迅速关闭，停止供油。此后柱塞还要上行，当凸轮的凸起部分转过去后，在弹簧的作用下，柱塞又下行。此时便开始了下一个循环。 吉林大学本科生毕业设计说明书19图 2.4 柱塞泵进，出油口图2.3.4 溢流阀的工作原理为保证系统的安全运行，在叶片泵和转向机总成之间需要接入一个溢流阀来防止压力过大，损坏被测转向机。本设计中采用先导试溢流阀。先导试溢流阀由主阀和先导阀两部分组成。先导阀类似于直动型溢流阀，但一般多为锥阀（或球阀）形阀座式结构。主阀可分为一节同心结构、二节同心结构和三节同心结构。图 2.5、先导型溢流阀第二章 实验台机械部分设计说明20图 2.5 为先导型溢流阀。由于主阀芯 6 与阀盖 3、阀体 4 与主阀座 7 等三处有同心配合要求，故属于三节同心结构。压力油自阀体 4 中部的进油口 P 进入，并通过主阀芯 6 上的阻尼孔 5 进入主阀芯上腔，在油阀盖 3 上的通道 a 和锥阀座 2 上的小孔作用与锥阀 1 上。当进油口的压力 p1小于先导阀调压弹簧 9 的调定值时，先导阀关闭，而且由于主阀芯上、下两侧有效面积比（A 2/A1）为 1.031.05，上侧稍大，作用与主阀芯上的压力差和主阀弹簧力均使主阀口闭紧，不溢流。当进油压力超过先导阀的调定压力时，先导阀被打开，造成资金油口 P 井主阀芯阻尼孔 5、先导阀口、主阀芯中心孔至阀体 4 下部出油口（溢流口）O 的流动。阻尼孔处的流动损失使主阀芯上、下腔中的油液产生一个随先导阀流量增加而增加的压力差，当它在主阀芯上、下作用面上产生的总压力差足以克服主阀弹簧力、主阀自重G 和摩擦力 Ff时，主阀芯开启。此时进油口 P 与出油口（溢流口）O 直接相通，造成溢流以保持系统压力。溢流阀进出口压力为 式中，A c为先导阀座孔的面积（m 2）；K y、K x分别为主阀和先导阀弹簧的刚度（N/m）；y 0、x 0分别为主阀和先导阀的预压缩量（m）；y、x 分别为主阀和先导阀阀口的开度（m）；F f为主阀与阀体间的摩擦力（N）；G 为主阀芯自重（N）。 2.4 传感器的选择根据设计要求，需要检测被测转向器的输入端转矩和转角；输出端压力和位移。所以现在选用扭矩传感器型号：ACK-205；角位移传感器型号：DR-25;线位移传感器型号：ST-1-25;压力传感器型号：JYB-T0-PVG-T2Z。他们的工作电压均为+5V。吉林大学本科生毕业设计说明书212.5 转向器夹具设计根据设计要求被测转向器的型号为 3411005，它的外形图如下：图 2.6 3411005 外形根据上图在设计卡具时，设计两个带有 U 型槽的小托架，和一个带有压板的大 U 型槽托架。这样就可以控制住转向器的六个自由度，使转向器在测试时能够保持不动。三个 U 型槽托架都用六角头螺栓按照设计位置固定在转向器卡具底板上，以便于更换相同型号的其他转向器。2.6 台上部分装配要求根据设计要求并且考虑到实际工作中的合理性，在装配台上部分的配件时需要设计一个输入端支架和一个输出端支架，并且根据输入端的方向盘，转向器，输出端的电机和减速器的轴高的不同，通过调整各个支架的高度来使三个部分的轴高统一在一条直线上。这样才能顺利地装配台上部分的各个配件。考虑到需要更换的被测转向器的细微差别，两个支架的底板和卡具底板应该在边缘位置设计出足够的通孔，以便于使用螺栓紧固时能够根据实际情况来调整三个部分之间的相对位置。由于这个设计的要求，在设计台上部分的底板时，需要在上面设计出可以供螺栓紧固件滑动的 T 型槽。第二章 实验台机械部分设计说明22吉林大学本科生毕业设计说明书233试验台控制电路设计说明3.1 设计的基本依据试验台系统总体方案设计内容包括：对试验台的机械结构进行设计，包括系统运动的方式，使用器件的型号和彼此之间的转动关系；对试验台控制电气部分的设计，包括芯片的选用和连线，运行程序的设计。然后对设计的方案进行优化。最后确定总体方案。3.2 试验台系统运动方式的确定试验台要求模拟真实大型汽车上转向器的工作环境来组成。该转向机为小型汽车的电动式转向机，对输入端的输入力的要求较小，采用手动输入。输出端（测量检测）为电动系统，则应选用电机输入产生驱动力，再连接相关传感器。在输出端设计连接一个伺服电机。伺服电机也称为执行电动机，在控制系统中用作执行元件，将电信号转换为轴上的转交或转速，以带动控制对象。为了在测量输出力的大小时便于改变测量电机输出力的大小，所以选用易于控制的伺服电机。为保护被测转向机，在伺服电动机之后连接一个减速器。第三章 实验台控制电路设计说明24图 3.1 系统总体图3.3 控制系统的选择控制系统由单片机部分.键盘及显示器.A/D 接口等组成。系统的测试和控制命令通过键盘操作实现。3.4 电气原理及接口设计3.4.1 Mcs-51 系列单片机的引脚及其功能本设计采用 MCS-51 系列中的 8031 单片机扩展控制系统。MCS-51 单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，具有很高的性能价格比。8031 与 Mcs-51 的其他型号单片机最大的区别在于它没有片内ROM。所以我认为采用 8031 单片机扩展控制系统能够很大的提高系统运行速度，准确率高，并且具有很强的性价比。以下是 8031 的引脚功能：Mcs-51 系列单片机有 40 个引脚，采用双列直插（DIP）封装形式，使用很方便。8031 各引脚攻能分类如下：Vcc:+5V 电源电压。Vss:电路接地端。P0.0P0.7:通道 0，它是 8 位漏极开路的双向 I/O 通道，当扩展外部存贮器时，这也是低八位地址和数据总线，在编程校验期间，它输入和输出字节代码，通道 0 吸收/发出二个 TTL 负载。P1.0P1.7:通道 1 是 8 位拟双向 I/O 通道，在编程和校验时，它发出低 8 位地址。通道 1 吸收/发出一个 TTL 负载。P2.0P2.7:通道 2 是 8 位拟双向 I/O 通道，当访问外部存贮器时，用作高 8 位地址总线。通道 2 能吸收/发出一个 TTL 负载。吉林大学本科生毕业设计说明书25P3.0P3.7:通道 3 准双向 I/O 通道。图 3.2 8031 引脚图3.4.2 地址锁存器由于 MCS-51 单片机的 口所连接的是地址/数据总线，其中既有数据0P信号又有地址信号。因此在进行程序存储器扩展时，必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。在这个设计中采用 74LS373 地址锁存器。因为 74LS373 和同类芯片相比，它的连线比较简单，也不用更多的硬件并且价格便宜。74LS373 是透明的带有三态门的八 D 锁存器，当三态门的使能信号 为低电平时，三态门处于导通状态，允许 1Q8Q 输出到OEOUT ,处于浮空状态。G 称为数据打入线，当 74LS373 用作地址锁存器时，81首先应使三态门的使能信号 为低电平，这时，当 G 端输入为高电平时，锁存器输出状态和输入端状态相同；当 G 端从高电平返回到低电平时，输入端的数据锁入 1Q8Q 的位锁存器中。3.4.3 扩展存储器本系统需要实时显示测量数据，而 8031 单片机是不具备片内存储器的，P1.01 .2P1.23 .34P1.45 .56P1.67.78RST/VPD9 XD 3.010T P.1IN0 3.212IT1 P.30 3.414T1 P.55WR 3.616 D P.77XTAL218 19VS20 P2.021.1P2. 23.34P2.425.56P2.627.78PSEN29ALE/ROG30A/VP 10.732P.60.534P.450.336P.270.138P. 9VC408031 8051 8751第三章 实验台控制电路设计说明26因此对存储器进行扩展必不可少。考虑到系统的复杂性，从满足系统需要的角度出发，本系统选用 27256 和 62256 两种芯片作为扩展存储器。存储器是能够存储大量二进制信息的半导体器件，如可以存放各种程序、数据和资料等。存储器是数字系统和计算机中不可缺少的组成部分，半导体存储器因具有容量大、体积小、功耗低、存取速度快、使用寿命长等特点，在数字系统中应用很广泛。半导体存储器的种类很多，按照存取功能的不同，存储器分为只读存储器（Read-Only Memory，简称 ROM） 、随机存取存储器（Read Access Memory，简称 RAM）和可编程逻辑阵列（PLD）三大类；按照制造工艺分类，存储器可以分为双极型和 MOS 型两种；按照应用类型分为通用型和专用型两种。MOS 型存储器以功耗低及集成度高等优势在大容量存储器中应用广泛。数据存储器 62256： 62256 是一个静态随机读写存储器芯片，其引脚包含地址线 13 条，数据线 8 条，2 个片选端，CS1=0，CS2=1 才能选通芯片。一个写允许 WE 端和一个输出允许 OE 端。该芯片功耗极低，在未选中时仅10w，工作时也仅 15mw，很适合于用电池供电的 RAM 电路。程序存储器 27256：这是一种可以擦去重写的只读存贮器。通常用紫外线对其窗口进行照射，即可把它所存贮的内容擦去。之后，又可以用电的方法对其重新进行编程，写入新的内容。一旦写入，其存贮的内容可以长期（几十年）地保存，即使去掉电源电压，也不会影响它所存贮的内容。图示为 2764 的引脚图.28 脚双列直插式封装。吉林大学本科生毕业设计说明书27图 3.3 27256 引脚图3.4.4 8155 可编程并行 I/O 扩展接口51 系列单片机共有 4 个 8 位并行 I/O 口，这些 I/O 口一般不能完全供用户使用。只有在不使用外部扩展时才允许这 4 个 I/O 口全部作为用户 I/O口使用，但是在有些情况下，即使 4 个 I/O 口全部外用，也不能满足要求。此时，需要对单片机应用系统进行 I/O 口的扩展，扩展的 I/O 口采取与数据存储器相同的寻址方法，所有扩展 I/O 口或相当于 I/O 口外设以及通过I/O 口连接的外设均与片外数据存储器统一编址。本试验中需要连接控制系统的矩阵键盘，因此采用 8155I/O 扩展接口。选用的原因是 8155 芯片可直接与 51 单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。具有 3 个可编程序 I/O 端口，1 个 14 位可编程序的定时器/计数器和 256 字节的静态 RAM，能方便地进行 I/O 扩展和 RAM 扩展。本系统采用 8155 作为外部 I/O 口扩展。8155 采用 40 脚双列直插式封装，单一电源。RESET:复位信号线，高电平有效，在该输入端加一脉冲宽度为 600ns 的高电平信号，就可使 8155 可靠复位，复位时三个输入/输出口预置为输入方式。CE:片选端，8155 为低电平有效，8156 为高电平有效，当 8155 上加上一个低电平时，芯片被选中，可以与单片机交换信息。AD0AD7:三态地址/数据总线，在 ALE 的下降沿把位地址锁存于内部地址锁存器，地址可代 RAM 或输入/输出用，由 IO/M 信号的极性而定，位数据的流向取决于 RD 或 WR 信号的状态。ALE:地址锁存器启用信号线，高电平有效，其下降沿把 AD0AD7 上的地址，片选信号、IO/M 信号锁存起来。IO/M:IO 和 RAM 选择信号线，高电平造反输入/输出，该线低电平选择存储第三章 实验台控制电路设计说明28器。RD:读信号线，低电平有效，当片选信号与 RD 有效时，开启 AD0AD7 缓冲器， 如果 IO/M 为低电平，则 RAM 的内容读至 AD0AD7，如果 IO/M 为高电平，则选中的输入/输出口的内容读到 AD0AD7。WR:写信号线，低电平有效，当片选信号和 WR 信号有效时，AD0AD7 上的数据将根据 IO/M 极性写入 RAM 或 I/O 口。PA0PA7:输入/输出口 A 的信号线，通用位输入/输出口，输入/ 输出的方向通过对命令/状态寄存器的编程来选择。PB0PB7:输入/输出口 B 的信号线，通用位输入/输出口，输入/ 输出的方向通过对命令/状态寄存器的编程来选择。PC0PC5:输入/输出口 C 的信号线，位可编程输入/输出口，也可用作 A和 B 口的控制信号线，通过对命令/状态寄存器编程来选择。INT:定时/计数器输入信号线，定时/计数器的时钟由此线输入。TOUT:定时/计数器的输出信号线，输出信号为方波还是脉冲则由定时/ 计数器的工作方式而定。VCC:电源线，接V 直流电源。VSS:接地线，接到公用地线上8155 可作为通用 I/O 口，也可作为片外 256 字节 RAM 及定时/计数器使用。8155 的 A 口、B 口可工作于基本 I/O 方式或选通方式。C 口可作为输入输出口线，也可作为 A 口或 B 口选通方式工作时的状态控制信号线。3.4.5 A/D 转换器计算机只能接受数字量，但是计算机构成的控制系统中，许多输入量都是非数字信号。A/D 转换器就是把模量变换为计算机能接受的数字量。我选用了 ADC0809 转换器。ADC0809 主要特性：1）8 路 8 位 AD 转换器，即分辨率 8 位。 吉林大学本科生毕业设计说明书292）具有转换起停控制端。 3）转换时间为 100s4）单个5V 电源供电 5）模拟输入电压范围 05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085 摄氏度 7）低功耗，约 15mW。 2内部结构 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 AD 转换器，内部结构如图1322 所示，它由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8 位开关树型 DA 转换器、逐次逼近 图 3.3 ADC0809 内部结构框图寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809 可处理 8 路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与 TTL 容。第三章 实验台控制电路设计说明30图 3.4 ADC0809 引脚图3外部特性（引脚功能） ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图 1323 所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8 路模拟量输入端。2 -12 -8：8 位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。如表 132 所示。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD 转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： AD 转换结束信号，输出，当 AD 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 AD 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。 ADC0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入吉林大学本科生毕业设计说明书31地址锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 AD 转换完成，EOC 变为高电平，指示 AD 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。3.4.6 矩阵键盘工作本试验中由于需要控制的量较多，所以需要的键盘数也多，为了减少I/O 口的占用，所以采用矩阵键盘。因为在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如
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