4317汽车传动系冲击性能实验台控制系统设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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4317汽车传动系冲击性能实验台控制系统设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,汽车,传动,冲击,性能,机能,实验,试验,控制系统,设计,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩
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长春工业大学学士论文 I 摘 要 汽车传动系作为汽车动力传动系 统 中的关键部件，主要由发动机 、 离合器 、 变速器 、 传动轴 和 驱动桥组成。 为确保汽车的安全行驶， 必须 对汽车传动系零部件的冲击性能指标进行全面检测 。 汽车传动系冲击性能 实验 台的意义，在于全面、准确地测试传动系总成零件的耐冲击性及其相关特性，为驾驶员安全提供保障，为生产厂家提高产品质量。 实验 中首先对汽车传动系的载荷进行分析，确定影响汽车传动系扭转冲击载荷的主要因素 ，结合 突然接合离合器起步和不分离离合器紧急制动两个典型工况 分析传动系冲击载荷情况 。 通过对 实验 台模拟的 典型 工况及传动系的 结构分析，确定 实验 台机械结构， 并设计 实验 台控制系统。 实验 台的控制与监测系统采用 据采集卡 +合控制方式。 为上位机， 为下位机，实现了系统的动作控制、监控和数据处理。 通过分析 实验 台控制系统的各组成环节，建立了控制系统的数学模型并进行了性能分析 。将模糊控制与 制结合起来，提出了一种基于模糊参数自整定 制算法 。仿真分析表明，设计的方法相对于传统 响应速度快，稳态精度和跟随精度高， 有较好的鲁棒性。 基于 术，设计了双闭环汽车传动系冲击性能检测系统，实现了系统的数据采集、数据处理、数据库管理等功能。 实验 结果表明，控制与检测系统的各项性能指标达到了设计要求。 关键词 ： 传动系；冲击性能 实验 台；控制系统； 制； 春工业大学学士论文 is of In to of it is to of is to of In to of of is of of no to of to of to by PC is as LC is as It of of ID t of in to a on a ID is of to ID It to of of is on is by It is of to 长春工业大学学士论文 春工业大学学士论文 录 摘 要 . I . 绪 论 . 1 发汽车传动系冲击性能 实验 台的重要意义 . 1 内外汽车传动系冲击性能 实验 台的开发现状及技术水平 . 1 内的研究现状 . 2 外的研究现状 . 2 论文的主要设计内容 . 2 术指标 . 2 2 汽车传动系冲击性能 实验 台的工作原理及总体设计 . 4 验 台基本结构原理 . 4 验 台的总体设计 . 4 计过程中需要解决的问题 . 4 验 台机械结构部分整体设计 . 4 验 台控制系统部分的整体设计 . 5 3 实验 台机械结构部分的设计 . 6 验 台实验过程 . 6 验 台机械部分使用要求 . 6 验 台机械结构部分的设计 . 6 验 台机械结构部分方案确定及组成 . 7 力部分 . 7 性飞轮组部分 . 9 矩传感器部分 . 11 轴器部分 . 11 动桥支撑和调整结构 . 11 4 汽车传动系冲击性能 实验 台控制系统设计 . 13 验 台过程分析 . 13 验 台控制系统的机构及其功能 . 13 验 台在两种工况下的控制系统过程分析 . 14 然接合离合器工况的控制过程分析 . 14 急制动工况下控制过程分析 . 15 编程控制的概述 . 15 编程控制器的产生与发展 . 15 编程控制器的定义 . 17 长春工业大学学士论文 V 编程控制器的特点 . 17 编程控制器的应用 . 18 编程控制器的组成 . 18 验 台控制系统主要硬件的 选取 . 20 流调速系统的选择 . 20 取及其开关量控制 . 20 业控制计算（ 选择 . 21 据采集卡 . 21 感器 . 22 统软件 . 22 5 实验 台测控系统建模及性能分析 . 24 验 台控制系统建模 . 24 流电动机与惯性飞轮组系统 . 24 控硅整流装置 . 28 度控制器和电流控制器建模 . 29 流、转速 闭环控制系统的动态性能指标分析 . 34 速控制器系统在 境下性能仿真分析 . 36 6 系统软件设计及实验验证 . 40 介 . 40 件开发体系与结构 . 40 作系统的人机界面 . 45 验 结果 . 47 结 论 . 49 致 谢 . 50 参考文献 . 51 长春工业大学学士论文 1 1 绪 论 传动系 作为汽车的动力系统中的一个关键部件，将电动机发出的动力传递给车轮，从而使汽车启动行驶 。 在 驱动的过程中 ，高速旋转的发动机突然接合 离合器起步及 突发的紧急制动等工况 ，都会对传动系产生 很大的冲击扭矩，对其中部件产生巨大影响。另一方面，现代汽车技术的成熟带动 传动 系的结构变得日益复杂，对传动系的冲击性能也有了越来越高的要求。 所以 ，研发出高精度、自动化程度高的汽车传动系冲击性能 实验 台 具有广阔的应用前景 。 发汽车传动系冲击性能 实验 台的重要意义 汽车传动系是将发动机所发出的动力传递到驱动车轮的装置。传动系 具有减速、变速、倒车、中断动力、轮间差速和轴间差速等功能，与发动机配合工作，能保证汽车在各种工况条件下的正常行驶，并具有良好的动力性和经济性。但在实际应用中 因为传动系质量不过关而导致的故障 时有发生，比如半轴、驱动桥断裂等。这就为汽车的安全行驶带来了很多隐患，而汽车传动系冲击性能 实验 台就可对这些易于发生损坏的零部件进行检测，并研究其可靠性。 开发汽车传动系冲击性能 实验 台，可以在室内专门进行汽车传动系冲击性能的 实验 ，通过 实验 分析考察大的冲击扭矩对传动系零部件疲劳破坏的“贡献” ，并可以与传动系常规寿命 实验 相结合，全面地分析汽车传动系上的扭转载荷 1。 汽车传动系冲击性能 实验 属于 强化 实验 2。在新产品开发过程中，它可以快速发现传动系的薄弱环节，暴露传动系的早期失效，将 实验 信息及时地反馈给设计等 有关部门，及时更改，减少开发风险，缩短开发周期。 根据国外的使用经验，汽车传动系冲击性能 实验 的时间要比普通寿命 实验 短得多。通过室内 实验 台 实验 ，可以对同一型号的不同供应商的传动系、总成或零部件等的冲击性能进行对比，快速地得出 实验 结果，便于企业做出生产决策。 在国内冲击性能 实验 台的使用也越来越多 ， 但对此项目研究还处于发展阶段，技术水平与国外还有很大的差距。而国外对于我国技术转让存在壁垒，且国外的 实验 台价格十分昂贵 2，所以就急需我们研究出具有自主产权的高水平 实验 台。 内 外汽车传动系冲击性能 实验 台的开发 现状及技术水平 随着科技的日益发展，世界经济的全球化，制造业的竞争也越来越激烈。制造业的发展水平也是一个国家工业现代化和国家经济实力的标杆，而汽车行业又最能体现制造业发展水平。因此汽车行业的发展对于国家经济实力提升有很大的作用。 而汽车传动系冲击性能 实验 台式对汽车性能检测中的一个重要组成部分，在国内外许多企业、科研机构、大专院校都对此展开了深入的研究。 长春工业大学学士论文 2 内的研究现状 我国的汽车行业起步比较晚，而且初期发展缓慢，在改革开放之后才进入飞快的发展阶段 ，大小的汽车企业出现了许多，但真正具有核心自主知识产 权的技术很少，随着国内汽车行业的发展，国内汽车检测技术也有了很大的发展，在传动系零部件检测方面，国内许多大学和企业也相继研制出了一些列离合器测试机，技术领先的单位主要由：重庆大学，东南大学，长春中联离合器 实验 设备研究所，黄石优福利自动化装备有限责任公司等。在汽车传动系冲击耐久性能检测方面，查阅的资料表明，国内对于大的冲击扭矩载荷在汽车传动系冲击耐久性能检测方面研究很少，没有看到有关开发雷斯是烟台的信息，汽车传动系冲击性能 实验 台的开发还是空白。 外的研究现状 世界上一些发达国家的工业相当发达，汽 车产业也相对的发达和成熟，一个重要原因就是拥有相当先进的产品检测手段及控制手段。如日本的 司曾为日产柴开发过该类型的 实验 台，美国福特车桥 实验 方法包含汽车传动系冲击耐久实验项目，该 实验 台已经是常用设备。 在这些发达国家实验台应用已经很普遍，技术水平也相对成熟。而且检测精度也相对较高。 论文的主要设计内容 论文课题需要解决的核心技术问题是：如何解决模拟汽车传动系的实际工况，开发高精度、高可靠性、高效的传动系冲击性能 实验 台控制系统设计。为此，本文在如下几个方面进行研究： （ 1） 对论文课题 的工程背景和国内汽车传动系冲击性能测试设备的研究现状及发展趋势进行资料收集和深入研究，确定论文课题的主要设计工作； （ 2） 对 汽车传动系 实验 台原理的陈诉及 实验 台机械系统和控制系统的初步设计； （ 3） 考虑 实验 台适应不同型号的轻、中、重型汽车传动系的需要，设计 实验 台的台架及机械传动部分，实现对典型工况的模拟。减化、优化 实验 方法，提高了 实验台的检测效率，为高精度、高可靠性、高效的 实验 台控制与检测系统的开发打下了基础； （ 4） 实验 台控制与检测系统的方案设计； （ 5） 通过分析 实验 台控制系统各构成环节，建立了系统 的数学模型，对系统进行控制性能仿真分析 ，研究系统控制存在的主要问题； （ 6） 汽车传动系冲击性能 实验 台的软件设计与 实验 验证。 术指标 长春工业大学学士论文 3 实验 台要能够模拟突然接合离合器起步工况和不分离离合器紧急制动工况。还要具有自动和手动两种运行方式。 实验 台对两种工况可以随意选择，离合器、制动鼓和制动盘等均实现自动控制。 实验 台在 实验 过程中具有安全保护和报警功能。 主要的技术参数 1 变速器输入转速控制范围及精度 0 5000 5 2变速器输入端 扭矩范围及精度 0 10000N m； 1%F S。 3驱动桥输入端扭矩范围及精度 0 50000N m； 1%F S。 4油温测量范围及精度 0 150 ； 5。 长春工业大学学士论文 4 2 汽车传动系冲击性能 实验 台的工作原理及总体设计 验 台基本结构原理 汽车传动系冲击性能 实验 台的工作原理示意图如图 2示，是由代用离合器和代用变速器代替实际的离合器和变速器，由惯性飞轮组模拟所测汽车发动机的转动惯量。这些模拟方式与实际车辆运行方式是有所差异的，所以就需要依靠代用离合器、代用变速器和控制系统适当控制和调整，最后达到理想的模拟状态。 1 2 3 4 56 7 8 9图 2车传动系冲击性能 实验 台的工作原理示意图 验 台的总体设计 计过程中需要解决的问题 于不同类型的汽车的起动力矩差别很大，所以在工艺上很难实现； 合曲线的计算及保证实时判别测试结果； 验 台控制系统各构成环节 ,建立了系统的数学模型 ,采用 系统进行控制性能仿真分析 ； 验 台机械结构部分整体设计 国内此类实验台大部分为机械封闭式 ， 这种 实验 台有以下不足之处 ： 机械 结构复杂 ,易引起各种有害震动。仅能做定转速、定扭矩排挡循环 实验 ， 实验结果与实际路试有很大差异。其试件必须有一个主试，而另一个陪试。目前，总成 实验 已经淘汰了这种老式 实验 台。 长春工业大学学士论文 5 而此次所要设计的 实验 台，在检测工件之间，可以任意 模拟工况，可施加多种要求的扭矩，具有一定的修正作用，在通过工业控制计算机控制伺服电机带动惯性轮转动，模拟发动机的转速和转动惯量，传递给离合器和变速器，再经过控制系统的控制满足所需要的工况。 验 台控制系统部分的整体设计 实验 台控制方案的设计是 实验 台开发的重要内容，因为它将直接影响 实验 的精度、结果的可信度以及 实验 时间和成本。 实验 台控制方案设计遵循的原则是：合理简化汽车传动系的复杂使用工况，在确保 实验 精度的同时，降低测控系统的开发成本，具备完善的安全防护功能。 实验 台的 实验 过程是制定 实验 台控制方案的 基础，如何在 实验 台上用尽量简化的办法，模拟汽车传动系的实际使用工况，是 实验 台控制系统开发过程中需要首先解决的问题。 汽车传动系实际使用工况复杂，并存在许多随机因素。例如，在突然接合离合器加速起步工况下， 真实驾驶中，驾驶员会在一档和二档或其他档位上经常变换。要在实验 台上完全模拟真实情况，会使 实验 操作和控制过程变得非常繁琐，影响工作效率。 控制系统式 实验 台开发的关键技术之一， 实验 台的控制方案直接影响 实验 台的精度。如何在 实验 台上用尽量简化的方法，模拟与控制汽车传动系扭转冲击耐久 实验 工况，提出 实验 台控制系统原理，设 计和选取控制系统的主要硬件，分析硬件之间的通讯方式，开发控制系统的软件，直接关系到 实验 台能够实现预定的控制功能。而且，深入探讨 实验 台的控制系统开发，不但可以完成预定的 实验 工况，提高 实验 结果的可信度，还可以节省 实验 时间和成本，提高经济效益。 长春工业大学学士论文 6 3 实验 台机械结构部分的设计 传动系冲击性能 实验 台是一个涉及到机械及动力传输、控制、计算机编程、通信和数据采集与传输的复杂 实验 设备，在室内模拟汽车传动系的前述两个冲击下的使用工况。 实验 台的机械系统式 实验 台的基础， 实验 台的动作最终要由机械系统加到被试的汽车传动系。 验 台实验过程 在此， 选择紧急制动工况 的 实验 过程 进行简要说明 。控制系统发出指令，电动机通电开始工作，由电动机通过带传动，将动力传递到模拟发动机转动惯量和转速的转动惯量部分的惯性轴，惯性轴上安装有惯性盘。 实验 开始之前，已经根据与被试传动系相匹配的发动机的转动惯量，选择好该次 实验 惯性盘的转动惯量。当电动机达到预定的转速时，控制系统使电动机断电， 2秒钟后，控制系统发出指令给制动处的电磁阀、离合器 通电接通制动压缩空气，制动鼓作用，使驱动轮抱死，在惯性飞轮组部分、离合器主动部分及离合器后传动系自身转动惯量的惯性 力的作用下，在被试的汽车传动系中产生一个很大的冲击扭矩。安装在离合器前端的扭矩传感器测量出整个扭矩 别是捕捉到峰值转矩信号，并将扭矩 曲线形式实时地输出 实验 信号（转速、扭矩等）。 验 台机械部分使用要求 从上述的 实验 过程的简单叙述可以看出 ,实验 台机械部分 3是 实验 台的基础需要满足下面的使用要求 ： （ 1） 模拟与被试传动系相匹配的发动机的转动惯量和转速 ， 并直接作用于 被 试的汽车底盘传动系 ， 转动惯量应该能够根据实验要求 ， 在 实验 前进行调节 ， 转速则在每次冲击 实验 中能够调节 ； （ 2）动力部分要提供可靠的动力源，功率要满足 实验 台开发任务书中的要求，使传动系的转速能够在 90 秒内达到规定值，转速能根据 实验 需要进行调节，并有良好的制动控制； （ 3）变速器和驱动桥在 实验 的过程中润滑油的温度要与实际车辆运行时相近，不能出现润滑油温度过高，使变速器和驱动桥内的零部件润滑条件变得恶劣，造成零部件的早期损坏，而不能正确反应实际使用中冲击载荷对传动系造成损伤的现象； （ 4）要适应轻、中、重型车的 实验 要求，保证 实验 精度，使 实验 台平稳可靠运行。 验 台机械结构部分的设计 长春工业大学学士论文 7 验 台机械结构部分方案确定及组成 经过多个方案分析、论证与设计，最终确定了 实验 台机械部分的方案，并且绘制出了机械部分的原理图。 机械部分如图所示，它由以下六部分组成： （ 1） 动力部分：由电动机 1、电动机联轴器 2、电动机皮带 3和电动机皮带 轮 4组成； （ 2）惯性飞轮组部分：由惯性轴的带轮 5 和惯性轴及惯性盘 6 组成； （ 3）扭矩传动器部分：由扭矩传动器 8 和扭矩传感器的联轴器 9 组成； （ 4）联轴器和变速器的支撑结构：由组成联轴器和变速器的支撑机构 10、离合器 11 和变速器 12； （ 5）驱动桥支撑和调节机构：由主减速器外壳 支撑和调整机构 14 和驱动桥支撑机构 15 组成； （ 6）底座及旋转件的安全防护装置：由扭矩传感器防护罩 7 和传动轴及防护罩13 组成。 除此之外， 实验 台的机械系统还有一些辅助装置，不再赘述。 力部分 动力部分 4包括：电动机及其调速装置等相关设备、电动机皮带轮、传送带、联轴器、电动机机座及其位置调节装置等。 从 实验 台对动力的要求可以看出，选择直流电动机比较好，因为直流电动机具有大的启动转矩，调速性能好，符合 实验 台的动力需求。 在选择确定直流电动机后，接下来要确定电动机的功率，根据 实验 台开发任务书中的规 定，在 90 秒内能使 实验 台的转速达到 5000定直流电动机的功率和转速的关键在于两个方面：一是 实验 工况，二是被试汽车传动系的转动惯量及 与其相匹配的发动机转动惯量两者之和的大小。 实验室的目标转速直接影响电动机功率和转速的选取。同时， 实验 时变速器处在不同档位时，变速器输出端后转速不同。如果将 实验 台和被试传动系的转动惯量都换算到电动机转轴上，那么变速器档位越高，换算后的转动惯量就越大，达到同一电动机转速时，对电动机的功率需求就越大。在 实验 台所模拟的两个工况中，突然接合离合器起步工况，被试的传动系除了离合器 主动部分外，被试传动系的其他旋转部分都处于静止状态，显然旋转质量要比紧急制动工况少得多，电动机的输出功率相对也少。 长春工业大学学士论文 8 图 3发动机的转速变化范围很大，就 实验 台所模拟的两个工况中，发动机原 本处于一个高转速范围，根据工程实践，选取电动机的转速为 3000 根据以上分析，最后确定使用由西安西玛机电有限公司提供的 电机主要参数是 ：5U=400V、010r/m、 R=51A、 =22m 、 L=310 。该直流电动机转动惯量小，具有较高的动态性能，并能承受较高的负载变化率。在电动机上还装有测速发动机，用来测量电动机的实时运行速度。与该电机配套使用的直流调速装置，选用 该装置具有性能可靠，操作舒适和运行平稳等优点，关于直流调速等控制部分，将在以后章节中详细说明。 电动机机座调节是靠两个调整螺栓，螺栓的旋入和旋出可以使电动机在机座上沿长春工业大学学士论文 9 着垂直于惯性轴方向来回移动，以调解皮带的张紧力。 性飞轮组部分 惯性飞轮组 5 主要包括：惯性轴皮带轮、惯性轴、惯性轴的两个支架、四个惯性盘、惯性盘安装调整机构、四个惯性轴轴承、制动钳盘机构等，如图 3 122个） 3 4 5 6 8图 3惯性飞轮组主要的功能是模拟发动机的转动惯量，并将动力经由扭矩传感器传递给被试的汽车传动系。由于发动机型号不同，其转动惯量变化较大，为了适应这种变化，在 实验 台的开发过程中，设计了四个惯性盘：惯性盘 A。转动惯量为 性盘 B，转动惯量 性盘 C 转动惯量为 性盘 B，转动惯量为 性盘 D，转动惯量为 从图 3以看出，惯性盘从左到右按照惯性盘 A、惯性盘 B、惯性盘 C 和惯 性盘 性盘 他三个为可移动的惯性盘， 实验 前分别通过螺栓安装在惯性轴的支座上。三个可移动的惯性盘 A、 C、 D，通过螺栓可以与惯性盘 而可以使连接后惯性盘总的 转动惯量 有： 个值（单位 :从最小值 个转动惯量 间隔也比较均匀，便于在 实验 时，可以根据与被使汽车传动系相匹配的发动机的转动惯量，进行适当选取。 为了安装方便可移动的惯性盘 A、 C、 D，设计了专门的安装调整机构。 在 A、 C、长春工业大学学士论文 10 了一个环形槽，使安装调整机构上四个小轮可以讲惯性盘托起，顺利地安装在惯性盘 1 24个） 32个） 43个） 图 3惯性轴的支架固定在 实验 台的底座上，在设计时充分考虑两个支架要稳定和可靠支持其上高速旋转惯性轴的要求。惯性盘的安装调整机构如图 3于 实验 前A、 C、 确定 实验 所需要的转动惯量后，为了将惯性盘平稳顺利的与惯性盘 门设计了这套惯性盘安装调 整机构。该机构由一个半圆形结构支持，上面的四个小轮卡在惯性盘的槽内，以稳定地支撑惯性盘沿着惯性轴来回移动。该机构既可以通过转动丝杠一起前后移动，也可以左右移动，托着惯性盘，使操作者可以很容易地将惯性盘固定在惯性盘 动盘机构由制动盘、制动钳和制动钳支架组成。制动盘安装在惯性轴的末端，与惯性轴通过键连接，在制动盘两侧，各有一个制动钳，制动钳采用某车型的实车制动钳，安装在制动钳支架上。 在一次 实验 的过程中，运转的 实验 台系统出现紧急故障时，如转速严重超过目标转速，是 实验 台的振动传感器测量到振动超过 限定值， 实验 台控制系统就给控制制动钳压缩空气的电磁阀通电，制动钳动作，时高转速的 实验 台快速停下来，避免发生意外。 由于惯性飞轮组在 实验 的过程经常在高转速下工作，转动惯量很大，为了保证 实验 台在工作时运转平稳，提高 实验 台本身的寿命，避免由于惯性飞轮组部分的不平衡质量产生过大的附加力矩，在加工后，要对惯性飞轮组部分做动平衡 实验 。 长春工业大学学士论文 11 矩传感器部分 扭矩传感器部分由扭矩传感器及其支架、传感器两端的联轴器组成。扭矩传感器是测量部分的核心，它的两端，都通过联轴器连接，前端与惯性轴相连接 ，后端与连接轴相连。 12345678图 3轴器部分 图 36和变速器的支撑机构，主要由连接轴、左右连接法兰、变速器支撑架和离合器连接盘组成。 连接轴是 实验 台将动力传递给被试汽车传动系的连接机构。对该部分设计应充分考虑强度的要求。由于各种离合器壳体前段的尺寸不同，前端面与飞轮端面之间的轴向尺寸也不同，在 实验 台设计时，重点解决这个问题。 根据目前最大的离合器 壳体数据设计了变速器支撑架的轮廓尺寸、离合器的连接盘尺寸可以根据具体的离合器 壳的端面螺栓口的尺寸来确定 。连接盘上可以由常见的离合器壳的连接尺寸，做出几组连接螺纹孔。变速器的支撑架可以通过转动丝杠而前后移动，以便使左右法兰连接顺利。 动桥支撑和调整结构 长春工业大学学士论文 12 如图 3动桥支撑和调整结构主要由后桥两端支架 (2个 )、后桥中间 支架（ 2个）、主加速器外壳支架及这 5个支架的调整丝杠组成。 123455个） 6图 3实验 时， 实验 台会产生很大的冲击力。因此，各支撑架应将驱动桥可靠地固定在底座上。同时，由于不同车型的变速器和驱动桥纵向尺寸不同，所选用的传动轴也有差别，为了保证顺利连接，转动每个支架的丝杠可以使支架前后移动，以弥补在选定传动轴后驱动桥和变速器之间尺寸的不足或过大问题。 长春工业大学学士论文 13 4 汽车传动系冲击性能 实验 台控制系统设计 验 台过程分析 实验 台的 实验 过程是实现汽车的两种工况，一类为突然接合离合器工况，表示在坡道起步、加速换挡、在泥泞的道路上满载起步或车轮下陷等情况导致汽车不能用正常方 式起步，而在发动机达到很高转速下，突然接合离合器使汽车起步的工况；另一类是紧急制动工况，表示在紧急情况下，驾驶员来不及踏下离合器踏板而进行制动的工况。 而在整个实验过程中，控制系统需要对 实验 台进行全程控制，对 实验 台器件进行控制，完成一系列模拟工况 7的操作。采集传感器的数据，并进行数据传输，传输到工控机上。 工控机是整个系统数据处理的中心，可以提供良好的人机界面，输入和储存 被试汽车传动系的测试数据，编写和储存 实验 的程序加载谱。每次进行 实验 时，工控机读取程序加载谱，给出每次 实验 的目标扭矩值。工控机还通过 与直流调速系统及 实验 过程进行实时监控。将实验结果（数据 速传感器的转速信号等）显示在工控机人机界面上，并将 实验 结果以曲线形式实时输出。在 实验 的过程中，当工控机收到振动传感器的振动信号超过限定值时，工控机将信息传输给 验 台停止工作，直到排除故障之后继续工作。 验 台进行自动化控制。通过与工控机之间的通信，控制直流调速系统、离合器、鼓式制动鼓和制动盘出的电磁阀，时这些设备按照实验要求实时进行工作。同时，在 实验 台防护罩接合部位的接触式 行程开关没有接触，或者驱动桥和变速器出的油温超过限定值时，就会给 动地停止 实验 ，直到故障得以解决。 实验 台共有三个转速传感器，分别安装在 实验 台的直流电动机前端、离合器的输入端、变速器的输出端。在直流电动机前端的转速传感器是发电式的传感器，是直流调速器、双闭环调速系统的外环中的重要环节。 制直流调速电机、离合器、制动器和制动盘等器件。直流调速器给直流电动机供电，并可以在工控机和 共同控制下实时调节电动机转速。 验 台控制系统的机构及其功能 长春工业大学学士论文 14 图 4控制系统的结构原理图 如上图 4控机（ 和 控制系统的核心。 验 台在两种工况下的控制系统过程分析 然接合离合器工况的控制过程分析 在突然接合离合器 8起步工况， 实验 开始前，将被试汽车传动系相关信息输入到，如变速器的档位和主减速器传动比、发动机的最大转矩。将这些信息作为输入的主要原因是，传感器测量的只是离合器输入端的扭矩 时间历程，变速器处在不同的档位时，输出端扭矩峰值就不同，对变速器后面 的传动系影响就不同，同样，主减速器的传动比直接影响半轴上的扭矩峰值。 实验 过程时，控制系统发出指令，电动机通电开始工作，同时，电动上的转速传感器测量电动机的转速，并将转速信号回馈给直流调速装置。安装在离合器输入端的转速传感器将转速信号传递给计算机， 在计算机内经过换算，认定电动机达到目的转速时，计算机控制程长春工业大学学士论文 I 摘 要 汽车传动系作为汽车动力传动系 统 中的关键部件，主要由发动机 、 离合器 、 变速器 、 传动轴 和 驱动桥组成。 为确保汽车的安全行驶， 必须 对汽车传动系零部件的冲击性能指标进行全面检测 。 汽车传动系冲击性能 实验 台的意义，在于全面、准确地测试传动系总成零件的耐冲击性及其相关特性，为驾驶员安全提供保障，为生产厂家提高产品质量。 实验 中首先对汽车传动系的载荷进行分析，确定影响汽车传动系扭转冲击载荷的主要因素 ，结合 突然接合离合器起步和不分离离合器紧急制动两个典型工况 分析传动系冲击载荷情况 。 通过对 实验 台模拟的 典型 工况及传动系的结构分析，确定 实验 台机械结构， 并设计 实验 台控制系统。 实验 台的控制与监测系统采用 据采集卡 +合控制方式。 为上位机， 为下位机，实现了系统的动作控制、监控和数据处理。 通过分析 实验 台控制系统的各组成环节，建立了控制系统的数学模型并进行了性能分析 。将模糊控制与 制结合起来，提出了一种基于模糊参数自整定 制算法 。仿真分析表明，设计的方法相对于传统 响应速度快，稳态精度和跟随精度高， 有较好的鲁棒性。 基于 术，设计了双闭环汽车传动系冲击性能检测系统，实现了系统的数据采集、数据处理、数据库管理等功能。 实验 结果表明，控制与检测系统的各项性能指标达到了设计要求。 关键词 ： 传动系；冲击性能 实验 台；控制系统； 制； 春工业大学学士论文 is of In to of it is to of is to of In to of of is of of no to of to of to by PC is as LC is as It of of ID t of in to a on a ID is of to ID It to of of is on is by It is of to 长春工业大学学士论文 春工业大学学士论文 录 摘 要 . I . 绪 论 . 1 发汽车传动系冲击性能 实验 台的重要意义 . 1 内外汽车传动系冲击性能 实验 台的开发现状及技术水平 . 1 内的研究现状 . 2 外的研究现状 . 2 论文的主要设计内容 . 2 术指标 . 2 2 汽车传动系冲击性能 实验 台的工作原理及总体设计 . 4 验 台基本结构原理 . 4 验 台的总体设计 . 4 计过程中需要解决的问题 . 4 验 台机械结构部分整体设计 . 4 验 台控制系统部分的整体设计 . 5 3 实验 台机械结构部分的设计 . 6 验 台实验过程 . 6 验 台机械部分使用要求 . 6 验 台机械结构部分的设计 . 6 验 台机械结构部分方案确定及组成 . 7 力部分 . 7 性飞轮组部分 . 9 矩传感器部分 . 11 轴器部分 . 11 动桥支撑和调整结构 . 11 4 汽车传动系冲击性能 实验 台控制系统设计 . 13 验 台过程分析 . 13 验 台控制系统的机构及其功能 . 13 验 台在两种工况下的控制系统过程分析 . 14 然接合离合器工况的控制过程分析 . 14 急制动工况下控制过程分析 . 15 编程控制的概述 . 15 编程控制器的产生与发 展 . 15 编程控制器的定义 . 17 长春工业大学学士论文 V 编程控制器的特点 . 17 编程控制器的应用 . 18 编程控制器的组成 . 18 验 台控制系统主要硬件的选取 . 20 流调速系统的选择 . 20 取及 其开关量控制 . 20 业控制计算（ 选择 . 21 据采集卡 . 21 感器 . 22 统软件 . 22 5 实验 台测控系统建模及性能分析 . 24 验 台控制系统建模 . 24 流电动机与惯性飞轮组系统 . 24 控硅整流装置 . 28 度控制器和电流控制器建模 . 29 流、转速 闭环控制系统的动态性能指标分析 . 34 速控制器系统在 境下性能仿真分析 . 36 6 系统软件设计及实验验证 . 40 介 . 40 件开发体系与结构 . 40 作系统的人机界面 . 45 验 结果 . 47 结 论 . 49 致 谢 . 50 参考文献 . 51 长春工业大学学士论文 1 1 绪 论 传动系 作为汽车的动力系统中的一个关键部件，将电动机发出的动力传递给车轮，从而使汽车启动行驶 。 在 驱动的过程中 ，高速旋转的发动机突然接合 离合器起步 及 突发的紧急制动等工况 ，都会对传动系产生很大的冲击扭矩，对其中部件产生巨大影响。另一方面，现代汽车技术的成熟带动 传动 系的结构变得日益复杂，对传动系的冲击性能也有了越来越高的要求。 所以 ，研发出高精度、自动化程度高的汽车传动系冲击性能 实验 台 具有广阔的应用前景 。 发汽车传动系冲击性能 实验 台的重要意义 汽车传动系是将发动机所发出的动力传递到驱动车轮的装置。传动系 具有减速、变速、倒车、中断动力、轮间差速和轴间差速等功能，与发动机配合工作，能保证汽车在各种工况条件下的正常行驶，并具有良好的动力性和经济性。但在实际应用中 因为传动系质量 不过关而导致的故障时有发生，比如半轴、驱动桥断裂等。这就为汽车的安全行驶带来了很多隐患，而汽车传动系冲击性能 实验 台就可对这些易于发生损坏的零部件进行检测，并研究其可靠性。 开发汽车传动系冲击性能 实验 台，可以在室内专门进行汽车传动系冲击性能的 实验 ，通过 实验 分析考察大的冲击扭矩对传动系零部件疲劳破坏的“贡献” ，并可以与传动系常规寿命 实验 相结合，全面地分析汽车传动系上的扭转载荷 1。 汽车传动系冲击性能 实验 属于 强化 实验 2。在新产品开发过程中，它可以快速发现传动系的薄弱环节，暴露传动系的早期失效，将 实验 信息及时地反馈给设计等有关部门，及时更改，减少开发风险，缩短开发周期。 根据国外的使用经验，汽车传动系冲击性能 实验 的时间要比普通寿命 实验 短得多。通过室内 实验 台 实验 ，可以对同一型号的不同供应商的传动系、总成或零部件等的冲击性能进行对比，快速地得出 实验 结果，便于企业做出生产决策。 在国内冲击性能 实验 台的使用也越来越多 ， 但对此项目研究还处于发展阶段，技术水平与国外还有很大的差距。而国外对于我国技术转让存在壁垒，且国外的 实验 台价格十分昂贵 2，所以就急需我们研究出具有自主产权的高水平 实验 台。 内 外汽车传动系冲击性能 实验 台的开发现状及技术水平 随着科技的日益发展，世界经济的全球化，制造业的竞争也越来越激烈。制造业的发展水平也是一个国家工业现代化和国家经济实力的标杆，而汽车行业又最能体现制造业发展水平。因此汽车行业的发展对于国家经济实力提升有很大的作用。 而汽车传动系冲击性能 实验 台式对汽车性能检测中的一个重要组成部分，在国内外许多企业、科研机构、大专院校都对此展开了深入的研究。 长春工业大学学士论文 2 内的研究现状 我国的汽车行业起步比较晚，而且初期发展缓慢，在改革开放之后才进入飞快的发展阶段 ，大小的汽车企业出现 了许多，但真正具有核心自主知识产权的技术很少，随着国内汽车行业的发展，国内汽车检测技术也有了很大的发展，在传动系零部件检测方面，国内许多大学和企业也相继研制出了一些列离合器测试机，技术领先的单位主要由：重庆大学，东南大学，长春中联离合器 实验 设备研究所，黄石优福利自动化装备有限责任公司等。在汽车传动系冲击耐久性能检测方面，查阅的资料表明，国内对于大的冲击扭矩载荷在汽车传动系冲击耐久性能检测方面研究很少，没有看到有关开发雷斯是烟台的信息，汽车传动系冲击性能 实验 台的开发还是空白。 外的研究现状 世界上一些发达国家的工业相当发达，汽车产业也相对的发达和成熟，一个重要原因就是拥有相当先进的产品检测手段及控制手段。如日本的 司曾为日产柴开发过该类型的 实验 台，美国福特车桥 实验 方法包含汽车传动系冲击耐久实验项目，该 实验 台已经是常用设备。 在这些发达国家实验台应用已经很普遍，技术水平也相对成熟。而且检测精度也相对较高。 论文的主要设计内容 论文课题需要解决的核心技术问题是：如何解决模拟汽车传动系的实际工况，开发高精度、高可靠性、高效的传动系冲击性能 实验 台控制系统设计。为此，本文在如下几 个方面进行研究： （ 1） 对论文课题的工程背景和国内汽车传动系冲击性能测试设备的研究现状及发展趋势进行资料收集和深入研究，确定论文课题的主要设计工作； （ 2） 对 汽车传动系 实验 台原理的陈诉及 实验 台机械系统和控制系统的初步设计； （ 3） 考虑 实验 台适应不同型号的轻、中、重型汽车传动系的需要，设计 实验 台的台架及机械传动部分，实现对典型工况的模拟。减化、优化 实验 方法，提高了 实验台的检测效率，为高精度、高可靠性、高效的 实验 台控制与检测系统的开发打下了基础； （ 4） 实验 台控制与检测系统的方案设计； （ 5） 通过分析 实验 台控制系统各构成环节，建立了系统的数学模型，对系统进行控制性能仿真分析 ，研究系统控制存在的主要问题； （ 6） 汽车传动系冲击性能 实验 台的软件设计与 实验 验证。 术指标 实验 台要能够模拟突然接合离合器起步工况和不分离离合器紧急制动工况。还要长春工业大学学士论文 3 具有自动和手动两种运行方式。 实验 台对两种工况可以随意选择，离合器、制动鼓和制动盘等均实现自动控制。 实验 台在 实验 过程中具有安全保护和报警功能。 主要的技术参数 1 变速器输入转速控制范围及精度 0 5000 5 2变速器输入端 扭矩范围及精度 0 10000N m； 1%F S。 3驱动桥输入端扭矩范围及精度 0 50000N m； 1%F S。 4油温测量范围及精度 0 150 ； 5。 长春工业大学学士论文 4 2 汽车传动系冲击性能 实验 台的工作原理及总体设计 验 台基本结构原理 汽车传动系冲击性能 实验 台的工作原理示意图如图 2示，是由代用离合器和代用变速器代替实际的离合器和变速器，由惯性飞轮组模拟所测汽车发动机的转动惯量。这些模拟方式与实际车辆运行方式是有所差异的，所以就需要依靠代用离合器、代用变速器和控制系统适当控制和调整，最后达到理想的模拟状态。 1 2 3 4 56 7 8 9图 2车传动系冲击性能 实验 台的工作原理示意图 验 台的总体设计 计过程中需要解决的问题 于不同类型的汽车的起动力矩差别很大，所以在工艺上很难实现； 合曲线的计算及保证实时判别测试结果； 验 台控制系统各构成环节 ,建立了系统的数学模型 ,采用 系统进行控制性能仿真分析 ； 验 台机械结构部分整体设计 国内此类实验台大部分为机械封闭式 ， 这种 实验 台有以下不足之处 ： 机械 结构复杂 ,易引起各种有害震动。仅能做定转速、定扭矩排挡循环 实验 ， 实验结果与实际路试有很大差异。其试件必须有一个主试，而另一个陪试。目前，总成 实验 已经淘汰了这种老式 实验 台。 长春工业大学学士论文 5 而此次所要设计的 实验 台，在检测工件之间，可以任意模拟工况，可施加多种要求的扭矩，具有一定的修正作用，在通过工业控制计算机控制伺服电机带动惯性轮转动，模拟发动机的转速和转动惯量，传递给离合器和变速器，再经过控制系统的控制满足所需要的工况。 验 台控制系统部分的整体设计 实验 台控制方案的设计是 实验 台开发的重要内容，因为它将直接影响 实验 的精度、结果的可信度以及 实验 时间和成本。 实验 台控制方案设计遵循的原则是：合理简化汽车传动系的复杂使用工况，在确保 实验 精度的同时，降低测控系统的开发成本，具备完善的安全防护功能。 实验 台的 实验 过程是制定 实验 台控制方案的基础，如何在 实验 台上用尽量简化的办法，模拟汽车传动系的实际使用工况，是 实验 台控制系统开发过程中需要首先解决的问题。 汽车传动系实际使用工况复杂，并存在许多随机因素。例如，在突然接合离合器加速起步工况下， 真实驾驶中，驾驶员会在一档和二档或其他档位上经常变换。 要在实验 台上完全模拟真实情况，会使 实验 操作和控制过程变得非常繁琐，影响工作效率。 控制系统式 实验 台开发的关键技术之一， 实验 台的控制方案直接影响 实验 台的精度。如何在 实验 台上用尽量简化的方法，模拟与控制汽车传动系扭转冲击耐久 实验 工况，提出 实验 台控制系统原理，设计和选取控制系统的主要硬件，分析硬件之间的通讯方式，开发控制系统的软件，直接关系到 实验 台能够实现预定的控制功能。而且，深入探讨 实验 台的控制系统开发，不但可以完成预定的 实验 工况，提高 实验 结果的可信度，还可以节省 实验 时间和成本，提高经济效益。 长春工业大学学士论文 6 3 实验 台机械结构部分的设计 传动系冲击性能 实验 台是一个涉及到机械及动力传输、控制、计算机编程、通信和数据采集与传输的复杂 实验 设备，在室内模拟汽车传动系的前述两个冲击下的使用工况。 实验 台的机械系统式 实验 台的基础， 实验 台的动作最终要由机械系统加到被试的汽车传动系。 验 台实验过程 在此， 选择紧急制动工况 的 实验 过程 进行简要说明 。控制系统发出指令，电动机通电开始工作，由电动机通过带传动，将动力传递到模拟发动机转动惯量和转速的转动惯量部分的惯性轴，惯性轴上安装有惯性盘。 实验 开始之前，已经根据与被试传动系相匹配的发动机的转动惯量，选择好该次 实验 惯性盘的转动惯量。当电动机达到预定的转速时，控制系统使电动机断电， 2秒钟后，控制系统发出指令给制动处的电磁阀、离合器 通电接通制动压缩空气，制动鼓作用，使驱动轮抱死，在惯性飞轮组部分、离合器主动部分及离合器后传动系自身转动惯量的惯性力的作用下，在被试的汽车传动系中产生一个很大的冲击扭矩。安装在离合器前端的扭矩传感器测量出整个扭矩 别是捕捉到峰值转矩信号，并将扭矩 曲线形式实时地输出 实验 信号（ 转速、扭矩等）。 验 台机械部分使用要求 从上述的 实验 过程的简单叙述可以看出 ,实验 台机械部分 3是 实验 台的基础需要满足下面的使用要求 ： （ 1） 模拟与被试传动系相匹配的发动机的转动惯量和转速 ， 并直接作用于 被 试的汽车底盘传动系 ， 转动惯量应该能够根据实验要求 ， 在 实验 前进行调节 ， 转速则在每次冲击 实验 中能够调节 ； （ 2）动力部分要提供可靠的动力源，功率要满足 实验 台开发任务书中的要求，使传动系的转速能够在 90 秒内达到规定值，转速能根据 实验 需要进行调节，并有良好的制动控制； （ 3）变速器和驱动桥在 实验 的过程中润滑油的温度要与实际车辆运行时相近，不能出现润滑油温度过高，使变速器和驱动桥内的零部件润滑条件变得恶劣，造成零部件的早期损坏，而不能正确反应实际使用中冲击载荷对传动系造成损伤的现象； （ 4）要适应轻、中、重型车的 实验 要求，保证 实验 精度，使 实验 台平稳可靠运行。 验 台机械结构部分的设计 长春工业大学学士论文 7 验 台机械结构部分方案确定及组成 经过多个方案分析、论证与设计，最终确定了 实验 台机械部分的方案，并且绘制出了机械部分的原理图。 机械部分如图所示，它由以下六部分组成： （ 1） 动力部分：由电动机 1、电动机联轴器 2、电动机皮带 3和电动机皮带 轮 4组成； （ 2）惯性飞轮组部分：由惯性轴的带轮 5 和惯性轴及惯性盘 6 组成； （ 3）扭矩传动器部分：由扭矩传动器 8 和扭矩传感器的联轴器 9 组成； （ 4）联轴器和变速器的支撑结构：由组成联轴器和变速器的支撑机构 10、离合器 11 和变速器 12； （ 5）驱动桥支撑和调节机构：由主减速器外壳支撑和调整机构 14 和驱动桥支撑机构 15 组成； （ 6）底座及旋转件的安全防护装置：由扭矩传感器防护罩 7 和传动轴及防护罩13 组成。 除此之外， 实验 台的机械系统还有一些辅助装置，不再赘述。 力部分 动力部分 4包括：电动机及其调速装置等相关设备、电动机皮带轮、传送带、联轴器、电动机机座及其位置调节装置等。 从 实验 台对动力的要求可以看出，选择直流电动机比较好，因为直流电动机具有大的启动转矩，调速性能好，符合 实验 台的动力需求。 在选择确定直流电动机后，接下来要确定电动机的功率，根据 实验 台开发任务书中的规定，在 90 秒内能使 实验 台的转速达到 5000定直流电动机的功率和转速的关键在于两个方面：一是 实验 工况，二是被试汽车传动系的转动惯量及 与其相匹配的发动机转动惯量两者之和的大小。 实验室的目标转速直接影响电动机功率和转速的选取。同时， 实验 时变速器处在不同档位时，变速器输出端后转速不同。如果将 实验 台和被试传动系的转动惯量都换算到电动机转轴上，那么变速器档位越高，换算后的转动惯量就越大，达到同一电动机转速时，对电动机的功率需求就越大。在 实验 台所模拟的两个工况中，突然接合离合器起步工况，被试的传动系除了离合器主动部分外，被试传动系的其他旋转部分都处于静止状态，显然旋转质量要比紧急制动工况少得多，电动机的输出功率相对也少。 长春工业大学学士论文 8 图 3 发动机的转速变化范围很大，就 实验 台所模拟的两个工况中，发动机原 本处于一个高转速范围，根据工程实践，选取电动机的转速为 3000 根据以上分析，最后确定使用由西安西玛机电有限公司提供的 电机主要参数是 ：5U=400V、010r/m、 R=51A、 =22m 、 L=310 。该直流电动机转动惯量小，具有较高的动态性能，并能承受较高的负载变化率。在电动机上还装有测速发动机，用来测量电动机的实时运行速度。与该电机配套使用的直流调速装置，选用 装置具有性能可靠，操作舒适和运行平稳等优点，关于直流调速等控制部分，将在以后章节中详细说明。 电动机机座调节是靠两个调整螺栓，螺栓的旋入和旋出可以使电动机在机座上沿长春工业大学学士论文 9 着垂直于惯性轴方向来回移动，以调解皮带的张紧力。 性飞轮组部分 惯性飞轮组 5 主要包括：惯性轴皮带轮、惯性轴、惯性轴的两个支架、四个惯性盘、惯性盘安装调整机构、四个惯性轴轴承、制动钳盘机构等，如图 3 122个） 3 4 5 678图 3惯性飞轮组主要的功能是模拟发动机的转动惯量，并将动力经由扭矩传感器传递给被试的汽车传动系。由于发动机型号不同，其转动惯量变化较大，为了适应这种变化，在 实验 台的开发过程中，设计了四个惯性盘：惯性盘 A。转动惯量为 性盘 B，转动惯量 性盘 C 转动惯量为 性盘 B，转动惯量为 性盘 D，转动惯量为 从图 3以看出，惯性盘从左到右按照惯性盘 A、惯性盘 B、惯性盘 C 和惯性盘 性盘 他三个为 可移动的惯性盘， 实验 前分别通过螺栓安装在惯性轴的支座上。三个可移动的惯性盘 A、 C、 D，通过螺栓可以与惯性盘 而可以使连接后惯性盘总的 转动惯量 有： 个值（单位 :从最小值 个转动惯量 间隔也比较均匀，便于在 实验 时，可以根据与被使汽车传动系相匹配的发动机的转动惯量，进行适当选取。 为了安装方便可移动的惯性盘 A、 C、 D，设计了专门的安装调整机构。在 A、 C、长春工业大学学士论文 10 了一个环形槽，使安装调整机构上四个小轮可以讲惯性盘托起，顺利地安装在惯性盘 1 24个） 32个） 43个） 图 3惯性轴的支架固定在 实验 台的底座上，在设计时充分考虑两个支架要稳定和可靠支持其上高速旋转惯性轴的要求。惯性盘的安装调整机构如图 3于 实验 前A、 C、 确定 实验 所需要的转动惯量后，为了将惯性盘平稳顺利的与惯性盘 门设计了这套惯性盘安装调整机构。该 机构由一个半圆形结构支持，上面的四个小轮卡在惯性盘的槽内，以稳定地支撑惯性盘沿着惯性轴来回移动。该机构既可以通过转动丝杠一起前后移动，也可以左右移动，托着惯性盘，使操作者可以很容易地将惯性盘固定在惯性盘 动盘机构由制动盘、制动钳和制动钳支架组成。制动盘安装在惯性轴的末端，与惯性轴通过键连接，在制动盘两侧，各有一个制动钳，制动钳采用某车型的实车制动钳，安装在制动钳支架上。 在一次 实验 的过程中，运转的 实验 台系统出现紧急
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