电动千斤顶设计.doc

电动千斤顶设计设计（论文）主要内容：千斤顶是汽车必备的常规维护工具之一。目前汽车用千斤顶,使用时既费力，安全性也较差，特别是不适合女性使用。本毕业设计要求设计汽车用电动千斤顶，利用电机，依托汽车电池电源作为动力来源,通过控制开关,自由均匀平稳升降千斤顶机械部分，在汽车更换轮胎时省时省力，避免传统千斤顶的操作危险，方便安全。要求可调节高度范围广，适用于各种车况。要求完成的主要任务:（1） 电动千斤顶能耗与功率计算；（2） 电动千斤顶电机选型；（3） 机械传动部分设计；（4） 安全保护设计；（5） 样机制做。目 录摘要IABSTRACTII绪论11.1本课题研究的意义11.2国内外千斤顶技术的发展状况31.2.1国外发展情况31.2.2国内发展情况41.3本课题的主要研究任务41.3.1电动千斤顶的概念设计和详细设计51.3.2电动千斤顶的计算机辅助分析51.3.3电动千斤顶试制与试验研究52结构设计52.1概述52.2电动千斤顶的设计方案确定和论证53方案选择63.1蓄电池的放电控制方案的选择63.1.1蓄电池放电特性63.1.2单片机控制恒流放电73.1.3 数据处理83.1.4系统软件设计及实验结果93.2直流电机转速控制方案的选择113.2.1直流电机的介绍113.2.2设计方案比较与分析123.2.3系统分析与设计133.2.4测试结果与分析184.千斤顶关键部件的详细设计184.1电动千斤顶的主要设计参数184.1.1电动千斤顶的主要设计技术指标184.1.2电动千斤顶的主要使用条件184.2电动千斤顶的部件设计194.2.1螺旋传动装置194.2.2减速装置195.电动千斤顶模型的仿真与调试225.1主程序225.2计算机的模型仿真225.2.1关于仿真软件Proteus225.2.2 Proteus软件的调试与仿真225.2.3仿真电路模型23结束语24致谢26参考文献27附录28摘要千斤顶作为一种传统顶举重物的工具，在建筑、铁路、医疗、汽车维修等各领域均得到广泛的应用。本文主要针对汽车用千斤顶的设计与制造技术进行了研究。本论文首先综合分析了国内外汽车用千斤顶的发展现状和结构特点，讨论了开发新型汽车用千斤顶的意义。在综合分析比较各种现有汽车用千斤顶方案特点的基础上，提出了电动千斤顶的设计方案。设计过程中，采用单片机控制电动机转速来对汽车千斤顶进行优化设计。本毕业设计要求设计汽车用电动千斤顶，利用电机，依托汽车电池电源作为动力来源,通过控制开关,自由均匀平稳升降千斤顶机械部分，在汽车更换轮胎时省时省力，避免传统千斤顶的操作危险，方便安全。要求可调节高度范围广，适用于各种车况。最后，根据设计结果制作了新型汽车用千斤顶，应用结果表明该新型千斤顶与现有同类产品比较，降低了生产成本，改善了性能指标。优化后的新型千斤顶在满足性能强度要求的前提下，单台可节省材料约220克。据国家统计局统计信息显示，我国个人汽车保有量 1999年己达534万辆，2002年国内轿车年产销量均突破 100万辆，2003年有继续增长的趋势。我国汽配企业不仅供应国内市场的需求，每年还生产出口约500万台汽车用千斤顶到世界各国。考虑到每年我国生产制造的汽车用千斤顶产量巨大，若能采用本文提出的方法设计制造该产品，则可大量节约材料成本，其经济效益十分可观。同时，优化后的产品在降低生产成本的前提下，其可靠性和稳定性方面也有了一定的提高。关键词：电动千斤顶；蓄电池；单片机控制ABSTRACTAs a traditional tool of lifting heavy, jack is widely used in all kinds of fields such as architecture, railway, medical and garage system. A series of research main for bumper jack were carried through in this paper. The present status, as well as the structures, of bumper jacks in home and overseas is analyzed synthetically in the paper. And then the importance of developing new bumper jack under the current circumstances is also demonstrated. One new project about jack, which can support electric driving mode, is put forward after comparing various current existing projects. One kind of new optimizing method called Genetic Algorithm (GA) is used to optimize the bumper jack structure. Finally the optimized products are produced, and it shows that the cost of the products after optimizing is reduced; moreover the relative performance is improved. Two hundred and twenty gram material of each bumper jack is saved. According to the data provided by the National Bureau of Statistics of China, there were up to 5,340,000 saloon cars to 1999.The turnout and sale of saloon car in 2002 have already broken through 1,000,000. And it is going up in 2003. Chinese companies provide bumper jacks not only for domestic market, but also for international marketThere are 5,000,000 bumper jacks to export each year. In view of the tremendous output of bumper jacks, a great deal of cost can be saved if adopting the design method put forward in the paper, and then it will bring great benefit to the home companies. At the same time, the reliability and stability of the product are improved Keywords: bumper jack; accumulator cell；SCM controlII绪论1.1本课题研究的意义本课题的主要任务是探讨己有的汽车用千斤顶技术1，设计开发一种新型的电动的汽车用千斤顶，并将现代设计方法运用于汽车用千斤顶设计，提高其使用性能，降低生成成本。千斤顶对于人们来说并不陌生，日常生产实践中经常会遇到这样一些情况:例如需要将重物如车辆、大型设备、井下轨道等在没有起吊设备的情况下移动或抬起它们，而仅靠人工操作是非常困难甚至根本无法实现的，这就需要用到千斤顶。由此可见，千斤顶与人们的生活密切相关。作为一种传统顶举重物的工具，千斤顶在建筑、铁路、医疗、汽车维修等各领域均得到了广泛的应用。目前，在生产实践中使用着以下各种各样的千斤项:(1)在建筑领域中应用的千斤顶主要有钢绞线千斤顶、松卡式千斤顶、穿心式千斤顶、掩护支架平衡千斤顶、预应力前卡式千斤顶、预应力张拉式千斤顶，窄空间小吨位千斤顶等;(2)在汽车运输维修部门应用的千斤顶有螺旋千斤顶、液压千斤顶、充气千斤顶等;(3)在医疗卫生部门应用的有X线刀机械微调千斤顶;(4除此以外还有应用在其他领域的一些千斤顶。由于使用对象的差别和使用场合的不同，在汽车维修领域也有各种各样不同类型的产品出现。汽车用千斤顶的分类方法如下:(1)按汽车用千斤顶的结构特点分类，可分为立式千斤顶、卧式千斤顶和剪式千斤顶。目前开发出的立式千斤顶多为手动方式，它是一种常用的顶举或提升重物的轻小型起重设备，广泛应用于起重、运输、装卸、安装及某些特殊工艺操作。这种立式千斤顶技术成熟，但在送入车下起顶部位和起顶时，由于操作者不能完全在车外部进行操作，因此操作不便。卧式千斤顶由油泵、工作油缸、顶臂、承力盘、手柄、侧板和轮子组成，使用时可以让用户在车外方便地操作。它的起顶高度低，可达高度高，上升速度也较快，但起重吨位较低，本身尺寸较大，目前常用的有以下几种卧式千斤顶:轻型:用于轿车随车工具或自备外出以供急需，由于对象固定，因而可设计得小巧、轻便。用于随车工具或私人车库维修设备，属不定期使用，故并不强调牢固耐用。中型：用于一般汽车维修工具，供修理汽车用，由于对象范围广，使用频度高，故要求操作方便快速，稳定性好，并要求有一定的寿命。重型：用于有较大周转场地的维修或事故抢救。由于使用条件限制，因而要求数量不是很多，从而单价高，使用频度高，因而这种千斤顶一般须有使用寿命的要求（一般不低于200次）。 剪式千斤顶的外型如图1-1所示2。它是一种原理卧式千斤顶。剪式千斤顶有机械式的，也有液压式的。机械剪式千斤顶整个系统一般由上下举臂，丝杆和底座组成。若是电动剪式千斤顶，则还有电机，减速箱和固定板。液压剪式千斤顶则在底座上设有油室及油路连通结构。剪式千斤顶一般有电动和手动两种操作方式。在本设计中我们采用的是电动控制千斤顶正转反转的方式。 图1-1 剪式千斤顶(2)根据汽车用千斤顶动力来源的不同，可以分为手动千斤顶，电动千斤顶和电动手动两用千斤顶。手动千斤顶的动力来源是人力驱动。虽然制造简单，价格低廉，但由于使用时必须用手不断操作才能升降套筒或举臂，所以费时费力，使用极其不方便。如前面提到的立式千斤顶和卧式千斤顶大都是手动方式。电动千斤顶的动力来源是电动机驱动。使用时直接利用汽车自备电源，驱动直流电机，通过适当的控制电路来实现所需要的功能，代替手工操作控制千斤顶的升降。因此相对手动千斤顶来说它提高了工作效率，避免了重复繁重的体力劳动，为司机特别是女性司机创造出一种方便，高效，省力的修车环境和条件。电动手动两用千斤顶集合了以上两者的优点。(3)根据汽车用千斤顶传动类型的不同，可以分为机械传动千斤顶和液压传动千斤顶。机械传动千斤顶是通过机械装置来实现千斤顶的传动功能，如立式螺旋千斤顶。工作时千斤顶的螺母固定，利用手柄直接驱动螺杆作螺旋运动，从而将螺杆端部承力盘上的重物顶起。立式螺旋千斤顶除了采用手柄直接驱动螺杆的传统方式以外，还有以齿轮传动（圆柱直齿或锥齿轮）来驱动螺杆的方式。液压千斤顶则是通过液压装置来实现千斤顶的传动功能。它将密封在油缸中的液体作为介质，把液压能转化为机械能，从而将重物向上顶起。液压千斤顶结构简单，体积小，重量轻，自润滑性好，举升力大，易于维修，但同时造成精度要求较高，效率低，操作不当时支点易滑落，存在不安全因素。若出现泄露现象将引起举升汽车的下降，保险系数降低，使用其举升时易受部位和地方的限制。综上所述，虽然已经有多种汽车用千斤顶，但这些产品大多利用传统设计方法，存在进一步改进设计，提高性能，降低成本的可能。另外一方面，随着社会经济的发展，人们消费水平的提高，用户需求也在发生着巨大的变化。消费者不再仅仅追求产品的结实，耐用，安全，而进一步关注产品的功能，经济，美学等特性。就汽车用千斤顶来说，随着人们生活质量的提高，人们也对产品提出了更高的要求，千斤顶应当在满足功能要求的前提下向轻便化，美观化，经济化发展。传统的千斤顶（如液压式等)，多为手动操作，费时费力，劳动条件差且安全性低;而目前使用的电动千斤顶又大多结构复杂、体积大、重量重、工作稳定性较差且生产成本高，需要加以改进。随着计算机、信息技术的广泛应用，在产品设计中运用计算机辅助设计方法(用计算机完成绘图、模拟、优化和其他数值分析等任务)来进行概念设计、优化设计、有限元分析、计算机仿真、计算机绘图等己成为常用设计方法阴。同时，计算机科学的高速发展也使优化设计过程变得更简单易行。我们可以根据数学模型的特性，选择适当的优化设计计算方法，获得最优设计方案。而对我国当前千斤顶设计制造技术水平比较落后，激烈的市场竞争和巨大的市场潜力同时存在的情形，有必要将现代设计方法应用到传统产品 (如千斤顶)开发过程中，以提高我国千斤顶设计制造技术的水平。1.2国内外千斤顶技术的发展状况1.2.1国外发展情况早在20世纪40年代，卧式千斤顶就已经开始在国外的汽车维修部门使用，但由于当时设计和使用上的原因，其尺寸较大，承载量较低。后来随着社会需求量的增大以及千斤顶本身技术的发展，卧式千斤顶逐渐向小型化发展。在90年代初国外绝大部分用户己以卧式千斤顶替代了立式千斤顶3。在90年代后期国外研制出了充气千斤顶阴和便携式液压千斤顶等新型千斤顶。充气千斤顶是由保加利亚一汽车运输研究所发明的，它用有弹性而又非常坚固的橡胶制成。使用时，用软管将千斤顶连在汽车的排气管上，经过15-20秒，汽车千斤顶鼓起，成为圆柱体。这种千斤顶可以把 1.5t重的汽车项起70cm.Power-Riser型便携式液压千斤顶则可用于所有类型的铁道车辆，包括装运三层汽车的货车、联运车以及高车顶车辆。同时它具有一个将负载定位的机械锁定环、一个三维机械手、一个全封闭构架以及一个用于防止杂质进入液压系统的外置过滤器. Truck Jack型便携式液压千斤顶则可用于对已断裂的货车转向架弹簧进行快速的现场维修。该千斤顶能在现场从侧面对装有70-125t级转向架的大多数卸载货车进行维修，并能完全由转向架侧架支撑住。它适用于车间或轨道上无需使用钢轨、道碴或轨枕作支承的情况.1.2.2国内发展情况我国千斤顶技术起步较晚，由于历史的原因，直到1979年才接触到类似于国外卧式千斤顶这样的产品。经过多年设计与制造的实践，除了卧式千斤顶以外，我国还研制出了新型折叠式液压千斤顶、新型剪式千斤顶、快速升降千斤顶、多用千斤顶、便携式电(手)动汽车用千斤顶、单动式千斤顶、双动式千斤顶、薄型千斤顶、超薄型千斤顶、空心千斤顶、实心千斤顶、柱塞千斤顶、高吨位千斤顶等多种千斤顶.便携式电动汽车用千斤顶是一种多用千斤顶4，配合电动扳手 (便携式电动汽车轮胎专用拆装扳手)使用，即为电动千斤顶;单独使用可作手动千斤项使用。配有专用撬棒，既可做手工拆装螺栓，也可配合千斤顶使用。薄型千斤顶体积小，并具有良好的工作能力。超薄型千斤顶体积进一步减小，并可产生更大的工作能力，特别适合在空间位置狭窄的地方使用。单动式空心柱塞千斤顶，不但具有举升功能，还有拉伸功能。单动式实心柱塞千斤顶是常规通用型，可应用于设备维修、安装及常规工业生产中。经过我国自行研发生产，我国生产的汽车用千斤顶产品在外形、使用、承载力、寿命等方面都得到了很大的改进，有些已经达到甚至超过了国外同类产品。目前我国的汽配企业不仅供应国内市场的需要，每年还出口约500万台汽车用千斤顶到世界各地。虽然如此，仔细分析千斤顶设计制造的技术水平，采用先进技术不足，仍存在较大的改进空间。1.3本课题的主要研究任务鉴于当前汽车用千斤顶技术的现状，本课题主要研制一种结构简单、体积小、重量轻、安全高效且生产成本低的新型电动便携式千斤顶。本课题的主要任务如下:1.3.1电动千斤顶的概念设计和详细设计通过阅读大量国内外相关文献，在对国内外汽车用千斤顶技术的现状和特点进行综合分析的基础上，对新型千斤顶进行概念设计，确定可行的电动千斤顶设计方案;在概念设计基础上对新型千斤顶的关键部件进行详细设计，主要包括对千斤顶顶举结构、传动系统以及控制电路的设计。1.3.2电动千斤顶的计算机辅助分析本文对新型千斤顶进行计算机辅助分析，本系统编程部分工作采用KELI-C51语言完成,采用Protues软件对其进行仿真5。1.3.3电动千斤顶试制与试验研究根据设计结果制造电动千斤顶，与优化前的样机进行比较，作出技术经济分析，并对千斤顶进行了性能试验，主要利用千电动斤顶模型。验证了电动千斤顶能够达到预定的性能指标。2结构设计2.1概述在机械产品开发过程中，概念设计是非常关键和重要的阶段。它首先需要仔细分析所研究的问题，并通过归纳、抽象等方法拟定功能结构，选择或设计合适的工作原理，进行产品的初始方案设计，为产品进一步的详细设计打好基础。对于本文来说，所研究的主要问题就是针对目前汽车用千斤顶市场的实际情况，研究开发出一种新型的便携式汽车随车千斤顶，要求这种千斤顶具有电动控制的功能，同时应尽可能使结构简单、体积小、重量轻且生产成本低。2.2电动千斤顶的设计方案确定和论证随着小轿车的逐渐普及，用户范围也相应扩大.以往多为男士司机，而现在不乏女士驾车，甚至也有一部分年纪较大的人士经常使用车辆。因此过去笨重难看、操作困难的汽车用千斤顶己无法完全满足市场需求。因此所开发设计的新型汽车用电动千斤顶必须要求结构简单、体积小、重量轻、安全高效、电动控制且生产成本低。通过上述分析可知，现有多种方案各有优点，但都存在着一定的不足，为满足本项目的设计要求，拟采用机械剪式电动千斤顶的设计方案6，见图2-1。该千斤顶属于小轿车用顶举装置，整个系统由电动机、减速箱、传动螺杆、上下举臂、固定板,齿轮和底座组成。1-电动机2-上举臂3-传动螺杆4-下举臂5-底座6-减速箱图2-1 剪式电动千斤顶示意图电动时，利用汽车自备电源(直流12V)驱动微型直流电动机，使小齿轮转动。通过一组外啮合直齿圆柱齿轮减速器(由双联齿轮1,双联齿轮2,中间传动齿轮以及主驱动齿轮组成)减速后带动固定在主驱动齿轮上的螺杆转动，使联接螺母沿螺杆往复螺旋移动，从而实现千斤顶的顶起、回落过程(此过程由电动机的正反转实现).该方案操作简单，制造方便，可降低生产成本，且有如下优点:(1)性能良好:起顶高度低，可达高度高;(2)结构简单:重量轻，坚固耐用，成本低;(3)操作方便;3方案选择3.1蓄电池的放电控制方案的选择3.1.1蓄电池放电特性蓄电池放电特性中涉及电解液相对密度、端电压随放电时间的变化规律。蓄电池单格电池端电压随时间的变化规律一般分为三个阶段,值得关注的是第一和第三阶段,在蓄电池开始放电时,首先消耗的是极板空隙内有限的硫酸,极板空隙内电解液密度迅速下降,端电压也迅速下降;在蓄电池放电的第三阶段,极板表面已成大量硫酸铅,堵塞了极板空隙,电解液渗透能力下降,电解液密度及端电压迅速下降,此时应停止放电,否则,端电压在短时间内将急剧下降到零,致使蓄电池过度放电,使用寿命缩短甚至报废。如果在蓄电池接近放电终了切断放电电流,蓄电池电动势还会适当回升。对蓄电池放电的第一阶段控制有助于控制“汽车自燃”现象;对第三阶段的控制则有助于延长蓄电池的使用寿命。蓄电池放电控制装置中,蓄电池放电终了电压的设置,针对不同系统(如启动系、照明系)应选不同的值。环境温度对蓄电池放电特性的影响表现在以下两个方面:蓄电池端电压,随电解液温度的降低而降低,温度越低,蓄电池电压下降越快;电解液温度越低,蓄电池容量越小。可见蓄电池放电控制装置必须考虑环境温度的影响。以前的放电设备主要使用可变电阻、电阻盘、碳棒、水槽等 ,需要人工调节放电电流 ,工作繁重 ,劳动强度大 ,另外电阻放电还很难实现放电电流的连续调节 。为解决上述问题 ,研制了智能型蓄电池恒流放电装置 ,便携式、智能化的设计使放电测试工作变得简捷、轻松 ,大大降低了专业维护人员的劳动强度 ,也提高了放电测试的科学性和智能化。本设计中给出了一种智能化机载蓄电池放电测试系统，实现了恒流放电。3.1.2单片机控制恒流放电3.1.2.1恒流的实现本系统采用 PWM方式实现了对机载蓄电池恒流放电控制7。系统主回路用一个大功率小阻值的电阻和一个高频的开关管 IGBT并联当回路电流与所设定的电流的差值大于一定值时，通过 PID增量式控制算法改变PWM的占空比，从而改变回路电流的大小，这样实现了系统的恒流放电控制。3.1.2.2控制系统的结构整个系统主要由三部分来实现:数据采集、数据处理和恒流控制。(系统)前级信号经过信号调理板进行滤波、放大等处理后送到PCI数据采集卡，由数据采集卡传送到计算机，完成信号的采集，计算机对数据进行处理、界面显示等，然后计算机把对回路电流的调节控制信号传给单片机，由单片机输出相应的PWM波控制开关管 IGBT开断，实现回路的恒流控制。整个系统采用模块化设计，便于设计和调试，并且提高了可靠性，系统整体框图如图3-1所示：PCI数据采集卡计算机单片机控制信号调理电路被测量控制对象驱动电路图3-1系统整体框图3.1.2.3数据采集要采集的信号为所有单体的电压端信号、蓄电池组的总电压信号、主回路的电流信号、恒流负载的温度信号等，这些信号具有类型不一、幅值差别大的特点，并且数据量大，尤其在放电拐点后需要较高的采集速度。设计采用AVR单片机AT89C51作为微处理器实现数据采集8。采集的信号经过滤波、放大等适当调理后，模拟开关选择其中的一路信号进行采样保持和A/D转换，依次对各路信号进行采集。单片机用一个数据存储器将每次采集的数据进行存贮然后通过串口把A/D转换后的缓存数据传逻到计算机，完成对各路信号的采集。数据采集部分与计算机的接口采用数据采集卡 PCI一64AD。PCI总线是高性能局部总线，工作频率 0-33MHz，可同时支持多组外围设备，可以满足本系统数据采集的需要。3.1.3 数据处理3.1.3.1 数字滤波本系统采用IGBT调节，回路电流波动较大，尽管在主回路串联了一个电感进行平波，但仍有一定的干扰存在。为了减少干扰在信号中的比重，提高信号的真实性，使分流器的电压能真实地反映回路中的电流，系统在软件设计时运用平均值滤波法对所采集的分流器的电压信号进行滤波。平均值滤波法是对信号的若干次测量进行算术平均，作为某一时刻的输出值。设在时刻的测量值为，则如式(3-1)所示: (3-1)为时刻的滤波输出。值决定了信号的平滑度和灵敏度。随着的增大，平滑度提高，灵敏度降低。系统所选用的。3.1.3.2 数字PID调节 系统是一个典型的计算机过程控制系统，对回路的电流需要实时采样控制，因此控制算法采用PID增量式控制算法如式(3-2)所示: (3-2) 编程时为节省运算时间将上式改写为如式(3-3)所示: (3-3)其中: 在调节参数选定上，系统有静差，但滞后不大，因此只需用到比例积分环节。考虑到PID稳定性和调节时间，系统可选定,。3.1.3.3 通讯接口电路AVR单片机AT89C51的接口电平为5V的TTL电平，而PC机是RS-232C电平，由于TTL电平和RS-232C电平不兼容，因此用RS-232C总线进行串行通讯时，需要外接电路实现电平转换，否则将损坏PC机的COM口和AVR芯片。这一任务可由MAXIM公司的R-232C收发器MAX202E来完成，工作时使用单电源,需外接5个电容。根据采集到回路电流值与各个单体的电压以及蓄电池组的总电压值来改变PWM波(由单片机产生)空比，对高频开关IGBT进行通断控制改变回路电流，进而达到恒流的目的。 串联到回路中的电阻作为基本电阻，与开关管并联的电阻作为调节电阻，选取基本电阻为，调节电阻根据设定电流大小来选择。为了减小回路的电流波动，选择合适的滤波电感进行滤波。3.1.4系统软件设计及实验结果3.1.4.1单片机控制放电程序 整个系统的正常工作是由PC机和单片机共同配合来完成的。本系统放电控制程序的流程图如图3-2。数据采集子程序显示子程序信号调理是否有错误或温度过高?电流大于定值?电流小于定值?电压为设定值?故障诊断减小PWM占空比增大PWM占空比停止 YYYNNNNY初始化返回图3-2 控制程序流程图PC机的软件采用VC编写，主要用来完成数据存储、界面显示、与单片机的通信等功能，工作界面直观，操作简单，实现了良好的人机对话。单片机的软件采用C语言编写，用来完成与PC机的通信，数据采集，以及通过PID增量式控制算法改变PWM的占空比，进而实现回路的恒流控制。3.1.4.实验结果(1)动态和稳态性能恒流放电装置经实际测试 ,恒流控制误差在稳态时,调节过程中动态超调量,电池容量测量误差,具有良好的动态和稳态性能 ,性能指标完全达到了设计要求。(2)装置主要特点采用新型PTC电热元件,一体化设计,体积小,重量轻,便于携带;采用微处理器控制,液晶显示,中文菜单,人机界面友好;可恒电流,恒功率,恒阻抗放电,也可自定放电过程,并可准确测量蓄电池实际容量;在放电时,对电池组电压进行实时监测,当电池组电压低于整定电压或到整定时间时 ,放电自动停止.也可人工监测每节电池的端电压 ,手动停止放电;在放电过程中 ,液晶显示屏实时显示放电电流、电压、时间及放电曲线 ,并可将上述数据保存在掉电保持数据区中;可通过外部接点进行启动或停机;(3)结束语基于AVR单片机AT89C51的智能型蓄电池恒流放电装置9, AT89C51如附录1所示.充分利用了该芯片强大的控制能力和片内丰富的集成资源 ,使恒流放电装置成本低、结构简单、产品开发周期短、可靠性高、放电过程不需人工干预、智能化程度高 ,满足本毕业设计对于汽车自带电源恒电流放电的需要。3.2直流电机转速控制方案的选择3.2.1直流电机的介绍永磁式换向器直流电机10，是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。永磁式换流器电机的特点：(1)当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。(2)当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。 (3)加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。 本设计以AT89C51单片机为核心，以矩阵键盘做为输入达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。在设计中，采用了PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。3.2.2设计方案比较与分析3.2.2.1电机调速控制模块方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。3.2.2.2PWM调速工作方式方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。3.2.2.3PWM调脉宽方式调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。3.2.2.4PWM软件实现方式方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个。方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围，故采用方案二。3.2.3系统分析与设计总体设计方案的硬件部分详细框图如图3-3所示。LED显示单片机PWM电动机驱动44键盘图3-3 硬件部分框图键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过与其中一口输出与转速相应的脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。电动机的运转状态通过显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时数字向右移动，反转时数字向左移动。移动速度分7档，快慢与电动机所处速度级快慢一一对应。每次电动机启动后开始计时，停止时显示出本次运转所用时间，时间精确到。3.2.3.1系统的硬件设计与分析电动机驱动模块的PWM电路采用的是基于PWM原理的型桥式驱动电路。PWM电路由四个大功率晶体管组成型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用。4个电感在电路中是起防止电动机两端的电流和晶体管上的电流过大的保护作用。在实验中的控制系统电压统一为5V电源，因此若达林顿管基极由控制系统直接控制，则控制电压最高为5V，再加上三极管本身压降，加到电动机两端的电压就只有4V左右，严重减弱了电动机的驱动力。基于上述考虑，我们运用了4N25光耦集成块，将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来。输入端各通过一个三极管增大光耦的驱动电流；电动机驱动部分通过外接12V电源驱动。这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流得到了大大的增强。在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制11。脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带带负载能力差脉冲频率低则反之。经实验发现，脉冲频率在40Hz以上，电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在10Hz以下，电动机转动有明显跳动现象。实验证明，脉冲频率在15-30Hz时效果最佳。而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过N1输入信号，N2输入低电平与N1输入低电平，N2输入信号分别实现电动机的正转与反转功能。通过对信号占空比的调整来对车速进行调节。速度分7档控制，从高电平（第6档）到低电平（第0档）中间占空比以逐极递减。速度微调方面，可以通过对占空比以的跨度逐增或逐减分别实现对速度的逐加或逐减。3.2.3.2系统的软件设计本系统编程部分工作采用KEIL-C51语言完成，采用模块化的设计方法，与各子程序做为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别和功能、PWM脉宽控制和LED显示等部分的设计。单片机资源分配如下表3-1所示：表3-1单片机资源分配表P0显示模块接口外部中断0(P3.2)键盘中断P1键盘模块接口P2.0/P2.1PWM电机驱动接口内部定时器0系统时钟 系统主函数流程如图3-4所示：开始初始化中断,变量启动标志PWM脉冲产生子程序循环移位产生子程序P2.0=0P2.1=1NY图3-4系统主函数流程图脉宽控制：本设计中采用软件延时方式对脉冲宽度进行控制，延时程序函数如下：void delay(unsigned char dlylevel) int i=50*dlylevel; while(-i);此函数为带参数DIYLEVEL，约产生的延时，因此一个脉冲周期可以由高电平持续时间系数hlt和低电平持续时间系数llt组成，本设计中采用的脉冲频率为25Hz，可得hlt+llt=100，占空比为hlt/(hlt+llt)，因此要实现定频调宽的调速方式，只需通过程序改变全局变量hlt，llt的值，该子程序流程图如图3-5所示:开始是否正转=?P2.0=0P2.1=1P2.0=1P2.1=0延时(高电平持续时间)延时(低电平持续时间)P2.1=0P2.0=0延时(低电平持续时间)延时(高电平持续时间)返回YN图3-5 延时子程序流程图键盘中断处理子程序：采用中断方式，按下键，单片机P3.2脚产生一负跳沿，响应该中断处理程序，完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。调速档、持续加/减速：调速档通过（0-6）共七档固定占空比，即相应档位相应改变hlt，llt的值，以实现调速档位的实现。而要实现按住加/减速键不放时恒加或恒减速直到放开停止显示子程序：利用数组方式定义显示缓存区，缓存区有8位，分别存放各个LED管要显示的值。显示子程序为一带参子程序，参数为显示缓存的数组名，通过for(i=0;i8;i+)方式对每位加上位选码，送到P0口并进行一两毫秒延时。该显示子程序只对各个LED管分别点亮一次，因此在运行过程中，每秒执行的次数不应低于每秒24次。定时中断处理程序：采用定时方式1，因为单片机使用12M晶振，可产生最高约为65.5ms的延时。对定时器置初值3CB0H可定时50ms，即系统时钟精度可达0.05s。当50ms定时时间到，定时器溢出则响应该定时中断处理程序，完成对定时器的再次赋值，并对全局变量time加1，这样，通过变量time可计算出系统的运行时间。对于一个数的显示，先应转成BCD码，即取出每一个位，分别送入显示缓存区，对于转BCD的算法，应对一个数循环除10取模，直至为0，程序如下：dodispbuffbcd_p=bechange%10;/dispbuff为显示缓冲区数组 bcd_p+;while(be change/=10) /disp_p为数组指针3.2.3.3软件设计中的特点对于电机的启停，在PWM控制上使用渐变的脉宽调整12，即开启后由停止匀加速到默认速度，停止则由于当前速度逐渐降至零。这样有利于保护电机，如电机运用于小车上，在启动上采用此方式也可加大启动速度，防止打滑。对于运行时间的计算、显示。配合传感器技术可用于计算距离，速度等重要的运行数据。键盘处理上采用中断方式，不必使程序对键盘反复扫描，提高了程序的效率。3.2.4测试结果与分析本设计在硬件上采用了基于PWM技术的H型桥式驱动电路，解决了电机马驱动的效率问题，在软件上也采用较为合理的系统结构及算法，提高了单片机的使用效率，且具有一定的防飞能力。但该设计也有不足之处，主要是在关于速度的反馈上，无法提供较为直观的速度表示方式，因此，有必要引入传感器技术对速度进行反馈，以rpm或rps表达当前的转速进行显示。关于单片机控制电机的电路如附录2所示。4.千斤顶关键部件的详细设计4.1电动千斤顶的主要设计参数4.1.1电动千斤顶的主要设计技术指标汽车用千斤顶作为汽车的举升工具，其主要功能是承受汽车车身重量。由汽车用千斤顶通常使用情况可知其实际承载一般不超过车身重量的一半，由于通常的小轿车车身重量在2000kg以下，因此为了使设计的产品具有普遍适用性，将其最大承受载荷设计为1000kg13。其具体技术指标如下：(1)最大承受载荷:1000kg(2)最低高度:165mm(3)起升高度:220mm(4)最大高度:385mm(5)驱动方式:电动(6)净 重:5kg(7)外型尺寸:457 X 248 X 1664.1.2电动千斤顶的主要使用条件(1)承载载荷不能长时间超过1000kg(2)驱动电压不能超过直流12V(3)注意防锈(4)顶车时选好承重点(5)千斤顶应安放在平整的可以承重的路面4.2电动千斤顶的部件设计4.2.1螺旋传动装置螺旋传动平稳，选择适当的导程角可以使机构具有自锁性，能获得很大的减速比和力的增益。但同时其机械效率低，具有自锁性的螺旋机构的效率一般低于50%。由于汽车千斤顶的主要用途是在汽车维修时使用，要求将汽车顶起并稳定在某一位置，因此需要千斤顶的螺旋传动具有传递动力和自锁功能。根据千斤顶自身的使用场合和螺旋传动的特点，选用滑动螺旋，单头梯形螺纹，螺纹具有较小的导程及导程角。所设计的千斤顶结构中的螺旋机构部分由螺杆、螺母和底座组成。螺杆为主动件，作回转运动;螺母为从动件，作轴向移动。整个螺旋传动将旋转运动变成直线运动，同时进行能量和力的传递.对于一般的传力螺纹，其主要失效形式是螺纹表面的磨损，螺杆的拉断(或受压时丧失稳定)或剪断以及螺纹根部的剪断及弯断。设计时通常以耐磨性计算和强度计算确定螺旋传动的主要尺寸。根据实际需要，汽车用千斤顶作为汽车的举升工具，必须承受汽车车身很大的重量。根据一般的小轿车车身重量和汽车用千斤顶通常使用情况可知，汽车用千斤顶额定承受载荷设计为1000kg具有普遍的适应性。以额定承载1000kg计算，螺杆最大轴向载荷为2.10X 104N。这需要螺杆材料具有较高的强度和良好的加工性，螺杆材料选45号钢，调质处理，材料屈服极限为360MPa，材料许用应力为。对螺杆主要从耐磨性、自锁性和稳定性三方面来计算和校验。计算结果如下:公称直径: 螺杆中径: 螺距: 螺纹升角: 螺杆效率: 4.2.2减速装置对于减速系统，由前述已确定的传动方案可知，本设计中的传动部分由一系列轴线相对于机架位置均固定的外啮合标准直齿圆柱齿轮组成，属于定轴轮系(普通轮系) 15。本减速装置设计的主要任务包括：传动系统设计、电动机选择和控制电路设计。4.2.2.1传动系统设计齿轮传动是机械传动中最主要的一类传动，应用非常广泛。就装置型式来说，齿轮传动有开式、半开式及闭式之分。针对汽车用千斤顶的使用场合及实际情况，选择闭式齿轮传动装置。根据千斤顶的运动特点，螺杆的转速相对于直流电动机的转速低很多，因此必须在直流电动机和螺杆之间用减速机构连接。为满足千斤顶性能要求，且工作可靠，结构简单，尺寸紧凑，加工方便，成本低廉，效率高，必须选用合理的传动方案。本设计中拟采用四级齿轮传动。直流电动机自带一减速比为40的行星齿轮系减速器，减速后通过电机一行星输出轴上的小齿轮输出，再经过多级齿轮传动减速，由最终输出轴输出所要求的扭矩和转速。根据传动比分配的原则:各级传动比应在合理的范围内，以符合传动型式的特点，使结构紧凑、合理。传动装置中各级传动间应尺寸协调，结构均匀，各传动件不发生千涉碰撞.结合千斤顶的结构特点，近似取：第一级传动比为:3.6第二级传动比为:2.0第三级传动比为:1.8第四级传动比为:2.3由于齿轮的失效形式主要有轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合和塑性变形等，因此在设计齿轮时必须保证齿轮传动在具体的工作情况下有足够的、相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。对于闭式齿轮传动，通常以保证齿面接触疲劳强度为主。由于汽车用千斤顶并不要求传动精度非常高，考虑到成本、体积等综合因素，所有齿轮均选用渐开线直齿圆柱齿轮，9级精度，材料选用45号钢。4.2.2.2电动机选择(1)电动机类型的选择在产品中选用合适的电动机非常重要。电动机的选择主要是容量的选择。容量选择不当将会直接影响到系统的性能好坏。容量过小，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使系统效率降低，另一方面电动机经常在过载下运行，会使它过早损坏，同时还可能出现启动困难、经受不起冲击负载等故障:容量过大，则不仅使系统成本增加，而且由于电动机经常在轻载下运行，运行效率和功率因数(对异步电动机而言)都会下降。因此必须根据实际需要选用合适的容量。当然除了容量的选择外，还需要根据产品系统的要求、技术经济指标和工作环境等条