換擋機(jī)械手的設(shè)計(jì)論文

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Ⅰ摘 要21 世紀(jì)是汽車工業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)代，汽車工業(yè)逐步成為許多國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)。為了控制汽車產(chǎn)品質(zhì)量，提高汽車品質(zhì)，勢(shì)必對(duì)其總成及零部件提出更高更嚴(yán)格的要求。變速器是汽車傳動(dòng)系中一個(gè)重要總成。同步器是汽車變速器的重要部件，主要用于汽車行駛中平穩(wěn)變速換檔，操縱輕便靈活，消除沖擊噪音和降低汽車油耗。同時(shí)，防止變速箱齒輪的損壞，直接影響變速器壽命。因此，研制先進(jìn)的同步器試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)提高汽車試驗(yàn)技術(shù)有著重要意義。同時(shí)，汽車是一個(gè)由許多種零部件組成的復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。對(duì)于產(chǎn)品開發(fā)所需的許多技術(shù)資料，目前尚不能通過(guò)理論計(jì)算得到，只能通過(guò)試驗(yàn)，因此有人說(shuō)“汽車是試驗(yàn)出來(lái)的” 。國(guó)外汽車工業(yè)由于發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，且對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)工作十分重視，在資金上給予了巨大的投入，一般都有較為齊全的試驗(yàn)裝備。再加上嚴(yán)格管理和精良的加工設(shè)備，與國(guó)內(nèi)形成了較大的差距。所以，我國(guó)汽車廠必須加大對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備的投入，才能大大縮短同國(guó)外同類廠家在試驗(yàn)手段上的差距，有利于我國(guó)汽車產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外的競(jìng)爭(zhēng)能力。關(guān)鍵詞：同步器 機(jī)械手 控制系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)ⅡAbstractIn the 21st century is the era of rapid development of automobile industry, car industry has become the pillar industry in many countries. In order to control the quality of automobile products improve the quality of the car, is bound to the assembly and parts put forward higher and more stringent requirements.Transmission is an important assembly in the automobile drive train. Synchronizer is one of the important parts, auto transmission is mainly used for the car in gear shift smoothly, flexible manipulation, eliminate the noise impact and lower fuel consumption. At the same time, prevent transmission gear is damaged, directly affecting the service life of the transmission. , therefore, to develop advanced synchronizer test system, to improve the auto test technology has important significance.At the same time, the automobile is a complicated mechanical system is composed of many kinds of spare parts. For many of the technical information needed for product development, at present cannot be obtained by theoretical calculation, can only through the test, so some people say that \“a car is test\“. Foreign automotive industry because of the development for a long time, and to test work very seriously, given the huge investment in the capital, usually has relatively complete test equipment. Coupled with the strict management and excellent processing equipment, with the domestic formed a larger gap. Car factory in China, therefore, must increase investment in test equipment, and can greatly shorten the gap of similar foreign manufacturer on the test method, is conducive to China's auto products in domestic and international competition ability.Keywords: Synchronizer Manipulator Control system Experiment1畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 2目錄1 緒論 .21.1 同步器 .21.2 變速器 .51.2.3 自動(dòng)變速器的分類 .61.2.4 自動(dòng)變速器的發(fā)展?fàn)顩r .71.2.5 自動(dòng)變速器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì) .91.2.6 實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)變速的意義 .101.3 車輛自動(dòng)換擋規(guī)律簡(jiǎn)介 .101.3.1 單參數(shù)換擋規(guī)律 .101.3.2 兩參數(shù)換擋規(guī)律 .111.3.3 三參數(shù)換擋規(guī)律 .121.4 設(shè)計(jì)任務(wù) .131.5 論文主要內(nèi)容 .132 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) .132.1 機(jī)械系統(tǒng)的工作原理 .142.2 換檔機(jī)構(gòu)工作臺(tái)機(jī)械部分設(shè)計(jì) .152.2.1 工作臺(tái)外形尺寸及重量估算 .152.2.2 滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定 .152.3 換檔機(jī)構(gòu)空間運(yùn)動(dòng)模型的簡(jiǎn)化 .172.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理 .192.5 步進(jìn)電機(jī)的選用 .192.5.1 電機(jī)外觀 .192.5.2 技術(shù)參數(shù) .203 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) .243.1 電氣系統(tǒng)的組成 .253.1.2 8255 引腳功能 .263.1.3 A/D 轉(zhuǎn)換器 .263.1.4 力傳感器 273.2 換檔機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 283.2.1 機(jī)械構(gòu)成概況 283.3 換檔機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制程序模塊 .313.4 A/D 轉(zhuǎn)換控制程序模塊 324.結(jié)論 .36參考文獻(xiàn) 3731 緒論1.1 同步器1.1.1 同步器的作用現(xiàn)代汽車上廣泛采用活塞式內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力源，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化范圍較小。而復(fù)雜的使用條件則要求汽車的牽引力和車速能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。為解決這一矛盾，在傳動(dòng)系中設(shè)置了變速器。變速器在換擋時(shí)，由于兩齒輪輪齒不同步時(shí)的強(qiáng)制掛擋，使得因兩輪齒間存在的速度差而發(fā)生沖擊和噪音。這樣，不但不易掛擋，而且影響了輪齒壽命，使齒端部磨損加劇，甚至使輪齒折斷。所以在變速器換擋過(guò)程中，必須使所選檔位的一對(duì)待嚙合齒輪輪齒的圓周速度相等（即同步） ，才能使之平順地進(jìn)入嚙合而掛上擋位。因此，產(chǎn)生了同步器。同步器是工業(yè)車輛機(jī)械變速箱的關(guān)鍵部件，直接影響車輛操縱換檔性能。它是在接合套換檔機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。其中包括接合套、花鍵轂、對(duì)應(yīng)齒輪上的接合齒圈，以及使接合套與對(duì)應(yīng)接合齒圈的圓周速度迅速達(dá)到并保持一致的機(jī)構(gòu)，以及阻止兩者在達(dá)到同步之前接合以防止沖擊的結(jié)構(gòu)。目前，同步器的型式主要有常壓式、慣性式和自行增力式三種。其中以慣性式同步器的應(yīng)用最為廣泛。如 CA1091 中型載貨汽車六檔變速器中五、六檔使用的是具有鎖環(huán)裝置的慣性同步器。東風(fēng) EQ1090E 型汽車五檔變速器使用的具有鎖銷裝置的慣性同步器。1.1.2 同步器的工作原理為避免機(jī)械變速箱在換檔時(shí)沖擊噪聲大，一般都采用慣性式同步器（以下簡(jiǎn)稱同步器） 。它與常壓式同步器一樣，都是依靠摩擦作用實(shí)現(xiàn)同步的。但它可以從結(jié)構(gòu)上保證接合套與待接合的花鍵齒圈在達(dá)到同步之前不可能接觸，以避免齒間沖擊和發(fā)生噪聲。按同步器摩擦面的形狀分為錐形同步器，片形同步器和多錐形同步器。圖 1.1 為典型的錐形同步器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。此種類型的同步器也是本課題檢測(cè)中所使用的同步器。在回位彈簧 4 作用下，接合套 2 保持在空擋位置（對(duì)應(yīng)工作原理圖 1.2a） 。掛檔時(shí)接合套移動(dòng)，摩擦面接觸，因接合元件即接合套與空轉(zhuǎn)齒輪的轉(zhuǎn)速不同，在摩擦面上產(chǎn)生摩擦力矩，使同步環(huán)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，鎖止面頂緊（對(duì)應(yīng)工作原理圖 1.2b） 。通過(guò)鎖止面對(duì)摩擦面加壓，在摩擦力矩作用下使接合套與空轉(zhuǎn)齒輪同步。設(shè)計(jì)時(shí)，使鎖止面的拔正力矩小于摩擦力矩，接合套不能進(jìn)入嚙合，只有在接合套與空轉(zhuǎn)齒輪轉(zhuǎn)速相同，摩擦力矩消失，同步環(huán)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，鎖止作用失效，接合套在軸向力作用下，繼續(xù)移動(dòng)才能與空轉(zhuǎn)齒輪的花4鍵嚙合，完成換檔（對(duì)應(yīng)工作原理圖 1.2c）.圖 1.2 同步器工作原理(a) 接合套空檔 (b) 頂住鎖止面(c) 接合套與空轉(zhuǎn)齒輪的花鍵嚙合1.同步環(huán) 2.接合套 3.鎖止面 4.空轉(zhuǎn)齒輪的花鍵由工作原理可知同步器具有 3 種功能：（1）同步：掛檔時(shí)使進(jìn)入結(jié)合的兩個(gè)元件轉(zhuǎn)速逐漸相等；（2）鎖止：只有主從動(dòng)元件同步后才能結(jié)合；（3）定位：空檔時(shí)使接合套保持在中位。1.1.3 國(guó)內(nèi)外的研究狀況圖 1.1 錐形同步器結(jié)構(gòu)示意圖1.同步環(huán) 2.接合套 3.空轉(zhuǎn)齒輪 4.回位彈簧5.鎖止齒 6.嚙合齒 7.錐形摩擦面 8.齒轂5變速箱同步器是汽車中的一個(gè)重要總成。變速箱同步器性能和壽命試驗(yàn)是汽車機(jī)械式變速器臺(tái)架試驗(yàn)的重要項(xiàng)目，是汽車廠底盤試驗(yàn)室的主要試驗(yàn)設(shè)備，在汽車的試驗(yàn)設(shè)備中具有重要的地位。國(guó)外汽車制造商對(duì)其可靠性進(jìn)行了較詳細(xì)的壽命試驗(yàn)研究。由于該試驗(yàn)要求測(cè)量的參數(shù)較多，且與一般變速器進(jìn)行試驗(yàn)的內(nèi)容不同，必須搭建專用的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)同步器可靠性壽命試驗(yàn)的成本高，試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)。我國(guó)在汽車產(chǎn)量相對(duì)小的情況下，對(duì)汽車進(jìn)行同步器可靠性壽命試驗(yàn)的研究還存在著不足。目前我國(guó)一些研究機(jī)構(gòu)開展了汽車變速箱同步器試驗(yàn)系統(tǒng)的理論研究和試驗(yàn)研究。大體上汽車變速箱同步器試驗(yàn)系統(tǒng)主要由機(jī)械、電氣和計(jì)算機(jī)控制三大部分構(gòu)成。其中機(jī)械部分主要為試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架及操作部件。人們針對(duì)不同的試驗(yàn)設(shè)備制造各自的機(jī)械部分。驅(qū)動(dòng)部分主要有液壓或氣壓兩種執(zhí)行方式。采用液壓裝置容易做到無(wú)級(jí)調(diào)速，且調(diào)速的范圍大；工作平穩(wěn)，換向沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)頻繁換向；易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，能很方便的調(diào)節(jié)和控制，并能很容易地同其它傳動(dòng)控制結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)和操作。但是液壓傳動(dòng)容易泄漏、摩擦損失，易造成較多的能量損失；在出現(xiàn)故障時(shí)不易診斷。采用氣壓裝置由于工作介質(zhì)粘度很低，所以流動(dòng)阻力很小，壓力損失小；此種裝置對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性好，在惡劣的工作環(huán)境下，仍能可靠性地運(yùn)行；氣壓傳動(dòng)動(dòng)作速度反應(yīng)快，在一定的超負(fù)載工況下運(yùn)行也能保證系統(tǒng)安全工作，并不易發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象。但是氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的工作壓力低，因此氣壓傳動(dòng)裝置的推力不易過(guò)大；因?yàn)楣ぷ鹘橘|(zhì)空氣的可壓縮性大，穩(wěn)定性差，給系統(tǒng)的位置和速度控制精度帶來(lái)很大影響。關(guān)于電氣部分，有些人利用單片機(jī)的操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高及成本低的特點(diǎn)執(zhí)行電氣控制部分。但是由于變速箱同步器試驗(yàn)系統(tǒng)的要求精確、運(yùn)行復(fù)雜。僅依靠單片機(jī)控制已經(jīng)不能滿足試驗(yàn)的需要。現(xiàn)在越來(lái)越多的采用計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，由主機(jī)、通訊控制器及功能子系統(tǒng)構(gòu)成，可以完成自動(dòng)控制、信號(hào)測(cè)量、信號(hào)發(fā)送、參數(shù)預(yù)置、工況設(shè)定、數(shù)據(jù)錄入、自動(dòng)報(bào)表、繪制曲線等功能。在試驗(yàn)過(guò)程中，有人提出采用濃縮應(yīng)力法定時(shí)截尾試驗(yàn)的方法。濃縮應(yīng)力法將實(shí)際應(yīng)力時(shí)間歷程進(jìn)行處理，將應(yīng)力低于疲勞極限的歷程刪除，而得到快速的應(yīng)力時(shí)間歷程。而后再現(xiàn)濃縮后的應(yīng)力時(shí)間歷程，進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。定時(shí)截尾試驗(yàn)使試驗(yàn)達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間就停止。利用這種方法試驗(yàn)，減少了試驗(yàn)中按實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況模擬并待全部試驗(yàn)樣品都失效所需的冗長(zhǎng)時(shí)間。使得在盡可能保持與實(shí)際運(yùn)行工況故障模式的一致性情況下，縮短了試驗(yàn)時(shí)間。但是試驗(yàn)得到的是一組不完全的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)。只能采用特定的統(tǒng)計(jì)分析方法，大致地了解產(chǎn)品的可靠6性水平，不能用一般的估計(jì)方法來(lái)估計(jì)可靠性參數(shù)。所以這種方案還處在理論研究過(guò)程中。到目前為止，國(guó)內(nèi)外汽車變速箱同步器試驗(yàn)系統(tǒng)有了專用的試驗(yàn)裝置及相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范。但是由于汽車的行駛是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，要在單個(gè)總成試驗(yàn)臺(tái)模擬被試件在實(shí)際行駛時(shí)的工況是十分困難的。因此臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果同汽車實(shí)際行駛試驗(yàn)的結(jié)果有較大的差距?，F(xiàn)有的臺(tái)架試驗(yàn)只能說(shuō)是一種對(duì)比試驗(yàn)，如何解決這一問(wèn)題？許多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行這方面的探索。1989 年德國(guó)大眾汽車公司開始研制一種將整個(gè)汽車傳動(dòng)系聯(lián)接起來(lái)進(jìn)行壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)，稱之為傳動(dòng)系萬(wàn)能試驗(yàn)臺(tái)。1991 年，大眾公司開始研制模擬汽車行駛工況的傳動(dòng)系統(tǒng)綜合試驗(yàn)臺(tái)，這種試驗(yàn)臺(tái)能模擬汽車的各種行駛工況，進(jìn)行試驗(yàn)，并能同時(shí)進(jìn)行變速器、離合器、傳動(dòng)軸、后橋的壽命試驗(yàn)。與此同時(shí)日本有關(guān)學(xué)者也在進(jìn)行傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上用電機(jī)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工況的研究，并申請(qǐng)了專利。另外，法國(guó)、美國(guó)有些汽車公司也在進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)室內(nèi)道路模擬試驗(yàn)的研究。而國(guó)內(nèi)有關(guān)報(bào)道卻很少見到。汽車變速箱同步器試驗(yàn)系統(tǒng)是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中試驗(yàn)內(nèi)容最多、技術(shù)難度最大的試驗(yàn)設(shè)備之一，這一點(diǎn)在汽車行業(yè)已達(dá)成共識(shí)。因而，如何能夠獲得一套合理、可靠的汽車變速箱同步器試驗(yàn)設(shè)備，一直為廣大汽車設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)工作者所追求的目標(biāo)。相信隨著我國(guó)科學(xué)的不斷進(jìn)步，汽車變速箱同步器試驗(yàn)系統(tǒng)也將會(huì)得到更完善的發(fā)展。1.2 變速器1.2.1 變速器的作用由于車輛行駛的環(huán)境復(fù)雜多變，行駛阻力不斷變化，人們需要經(jīng)常地改變車輛的驅(qū)動(dòng)力大小和行駛速度，而一般來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)提供的扭矩、轉(zhuǎn)速范圍不能滿足需要。故此需要由傳動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)改變傳動(dòng)比，調(diào)節(jié)輸出到傳動(dòng)軸的扭矩和轉(zhuǎn)速，適應(yīng)所需驅(qū)動(dòng)力及速度變化的需求。在車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中裝上變速器后，克服了發(fā)動(dòng)機(jī)特性曲線上的缺陷，使車輛具有接近于裝有等功率發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的驅(qū)動(dòng)功率與驅(qū)動(dòng)力，改善了車輛的動(dòng)力性，見圖1.3。通過(guò)進(jìn)一步分析可知，當(dāng)變速器的擋位無(wú)限增加，即采用無(wú)級(jí)變速器，且無(wú)級(jí)變速器的機(jī)械效率等于有級(jí)機(jī)械變速器時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)就可能總在最大功率下工作，即具有與等功率發(fā)動(dòng)機(jī)同樣的動(dòng)力性。這一點(diǎn)對(duì)于作業(yè)工況復(fù)雜多變，負(fù)載變化大，換擋頻繁的工程車輛來(lái)說(shuō)尤其重要。7圖1.3 裝有活塞式內(nèi)燃機(jī)和三擋變速器的車輛與裝有等功率發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的動(dòng)力性1.2.2 自動(dòng)變速技術(shù)的產(chǎn)生采用手動(dòng)變速器的車輛需要通過(guò)駕駛員的操作改變傳動(dòng)比，使車輛適應(yīng)行駛條件。這樣不僅給駕駛員造成較大的操作負(fù)擔(dān)和壓力，而且在很大程度上依賴駕駛員的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)車輛行駛狀態(tài)和發(fā)動(dòng)機(jī)工況的控制難以達(dá)到較為理想的程度。隨著能源的日趨緊張以及大氣環(huán)境遭到的破壞日益加重，提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，節(jié)約能源及改善車輛的排放，減少大氣污染已成為人們急需解決的問(wèn)題。近幾十年來(lái)，自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為自動(dòng)變技術(shù)的發(fā)展完善提供了有利的客觀條件。隨著變速理論的不斷進(jìn)步，在車輛整體綜合性能不斷提高的同時(shí)，換擋策略越來(lái)越復(fù)雜，完全由駕駛員按照換擋策略換擋已經(jīng)不可能。這樣，車輛自動(dòng)變速技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。1.2.3 自動(dòng)變速器的分類目前世界上使用最多的自動(dòng)變速器主要有3 種類型：液力自動(dòng)變速器(Automatic Transmission 簡(jiǎn)稱“AT”)；機(jī)械式自動(dòng)變速器(Automated Mechanical Transmission 簡(jiǎn)稱“ AMT ” ) ； 金屬帶式無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器(Continuously Variable Transmission 簡(jiǎn)稱“CVT”)。(1) 液力自動(dòng)變速器液力自動(dòng)變速器是將柴油機(jī)的機(jī)械能平穩(wěn)地傳給車輪的一種液力機(jī)械裝置，傳8動(dòng)部分主要由液力變矩器和行星齒輪變速器或定軸式變速器組成，是能實(shí)現(xiàn)局部無(wú)級(jí)變速的有級(jí)變速器，它是目前國(guó)外用得最多的自動(dòng)變速器。(2) 電控機(jī)械式自動(dòng)變速器電控機(jī)械式自動(dòng)變速器是在原有機(jī)械變速器基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過(guò)加裝微機(jī)控制的自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)，取代原來(lái)由駕駛員人工完成的離合器分離與接合、摘擋與掛擋以及發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速同步調(diào)節(jié)等操作，最終實(shí)現(xiàn)換擋過(guò)程的操縱自動(dòng)化。(3) 金屬帶無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器金屬帶無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器屬于摩擦式無(wú)級(jí)變速器，其傳動(dòng)與變速的關(guān)鍵是具有Ｖ型槽的主動(dòng)錐輪、從動(dòng)錐輪和金屬帶。每個(gè)Ｖ型輪由一個(gè)固定錐盤和一個(gè)能沿軸向移動(dòng)的可動(dòng)錐盤組成，來(lái)自液壓系統(tǒng)的壓力分別作用到主、從錐輪的可動(dòng)錐盤上，通過(guò)改變作用到主、從錐輪可動(dòng)錐盤上液壓力的大小，便可使主、從動(dòng)錐輪傳遞扭矩的節(jié)圓半徑連續(xù)發(fā)生變化，從而達(dá)到無(wú)級(jí)改變傳動(dòng)比的目的。1.2.4 自動(dòng)變速器的發(fā)展?fàn)顩r(1) 液力自動(dòng)變速器液力自動(dòng)變速器用于現(xiàn)代化的機(jī)器始于本世紀(jì)初，最早用于船舶工業(yè)，作為船舶動(dòng)力裝置與螺旋槳之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在船舶工業(yè)應(yīng)用液力自動(dòng)變速器的過(guò)程中，人們認(rèn)識(shí)到液力變矩器具有的一些特性：如渦輪轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷自動(dòng)變化，緩沖及減振等，這些特點(diǎn)對(duì)于陸地行駛的車輛來(lái)說(shuō)是極為理想和重要的性能。于是在30 年代，瑞典的阿爾夫·里斯豪姆（Alf Lysholm）與英國(guó)里蘭車輛公司的史密斯（Smith）工程師合作，創(chuàng)立了里斯豪姆—史密斯型三級(jí)液力變矩器，應(yīng)用到公共車輛上。自此，液力自動(dòng)變速器獲得了快速發(fā)展。迄今為止，液力自動(dòng)變速器是發(fā)展最為成熟的自動(dòng)變速器。其基本形式是液力變矩器與動(dòng)力換擋的旋轉(zhuǎn)軸式機(jī)械變速器串聯(lián)。液力變矩器是通過(guò)液體動(dòng)量矩的變化來(lái)改變轉(zhuǎn)矩的一種傳動(dòng)元件，除了起離合器的作用外,還具有連續(xù)無(wú)級(jí)變速和改變轉(zhuǎn)矩的能力，對(duì)外負(fù)載有良好的適應(yīng)性。液力變矩器除可與旋轉(zhuǎn)軸式變速器串聯(lián)、傳遞全部柴油機(jī)功率外，還可以與旋轉(zhuǎn)軸式變速器有多種并聯(lián)方式，實(shí)現(xiàn)內(nèi)分流、外分流、合分流等多相自動(dòng)變速。從50 年代起，裝備液力自動(dòng)變速器的轎車開始增多，但當(dāng)時(shí)自動(dòng)變速器的效率明顯低于機(jī)械變速器，使得裝備自動(dòng)變速器的車輛存在燃油經(jīng)濟(jì)性較差的問(wèn)題；同時(shí)，自動(dòng)變速器的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本高，從而限制了它的發(fā)展。為解決液力自動(dòng)變速器效率低的問(wèn)題,有關(guān)工程技術(shù)人員做了大量的工作。60年代的研究重點(diǎn)是采用多元件工作輪,提高液力變矩器的效率。70 年代是使用閉鎖離合器,提高液力自動(dòng)變速器在高速時(shí)的效率。80 年代則采取增加行星齒輪變速器擋位的方法以及使用電子控制。90 年代,大量電子技術(shù)的應(yīng)用,使液力自動(dòng)變速器的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)9新的時(shí)期，為其注入了新的活力。其燃油經(jīng)濟(jì)性大體上與手動(dòng)機(jī)械式變速器相當(dāng)，綜合經(jīng)濟(jì)性能也得到了提高。液力自動(dòng)變速器是目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，裝車率逐年增加，以轎車為例：在美國(guó)液力自動(dòng)變速器的裝車率已達(dá)95%左右，日本現(xiàn)在大、中型轎車已達(dá)80%以上，歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家大體也達(dá)到50%左右。城市大客車的裝車率，在美國(guó)大體上是100%，西歐是95%。工程車輛的裝車率，在美國(guó)是70%，西歐是30%。由于液力自動(dòng)變速器具有自動(dòng)適應(yīng)負(fù)載以及減振的特點(diǎn)，所以工程車輛一般都采用液力自動(dòng)變速器。（2）機(jī)械式自動(dòng)變速器電控機(jī)械式自動(dòng)變速器是一種由普通齒輪式機(jī)械變速器組成的有級(jí)式機(jī)械自動(dòng)變速器。它以其傳動(dòng)效率高、成本低和易于制造等優(yōu)點(diǎn)在自動(dòng)變速器家族中占有重要的位置。它是在傳統(tǒng)固定軸式變速器和干式離合器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用電子技術(shù)和自動(dòng)變速理論，以電子控制單元（ECU）為核心，通過(guò)液壓執(zhí)行系統(tǒng)控制離合器的分離與結(jié)合、選換擋操作以及柴油機(jī)節(jié)氣門的調(diào)節(jié)，來(lái)實(shí)現(xiàn)起步、換擋的自動(dòng)操縱。這種自動(dòng)變速器主要包括三個(gè)部分：自動(dòng)離合器、齒輪式機(jī)械變速器和電子控制系統(tǒng)。AMT 的發(fā)展可分為兩個(gè)階段。首先是半自動(dòng)的SAMT 階段。機(jī)械式變速器的電控自動(dòng)化始于70 年代中期，瑞典的Scania 的CAC 系統(tǒng)和德國(guó)Damler Benz的EPS 系統(tǒng)均采用了半自動(dòng)操作方式（SAMT），使得換擋動(dòng)作實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。由電子控制的氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)換擋，而換擋時(shí)刻由駕駛員-踩離合器踏板來(lái)確定，電子顯示器可提示駕駛員何時(shí)為最佳換擋時(shí)刻。第2 階段是全自動(dòng)階段。世界上第一種全自動(dòng)電控機(jī)械式自動(dòng)變速器是1984年五十鈴公司投放市場(chǎng)的NAVI-5，同時(shí)期出現(xiàn)的還有日本Nissan、Hino 和美國(guó)Eaton 的全自動(dòng)變速系統(tǒng)。1988 年德國(guó)ZF 公司將其Autoshift 系統(tǒng)裝車使用。在此領(lǐng)域開展研究的還有美國(guó)Ford、意大利Fiat、法國(guó)Renault 和瑞典的申寶等其他大型車輛企業(yè)，使全自動(dòng)AMT 逐步進(jìn)入實(shí)用階段。這種電控機(jī)械式自動(dòng)變速器既具有液力自動(dòng)變速器自動(dòng)變速的優(yōu)點(diǎn)，又保留了原手動(dòng)變速器齒輪傳動(dòng)的效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制造的長(zhǎng)處。在幾種自動(dòng)變速器中，AMT 的性能價(jià)格比最高。在中低擋轎車、載貨車等方面應(yīng)用前景較廣闊。（3）金屬帶無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器金屬帶無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器克服了前面兩種自動(dòng)變速器固有的齒輪傳動(dòng)比不連續(xù)和零件數(shù)量過(guò)多的缺點(diǎn)，具有速比光滑變化，無(wú)級(jí)傳遞扭矩，乘坐舒適，加速性好，燃料經(jīng)濟(jì)性高等特點(diǎn)，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)變速。但它的啟動(dòng)性能差，故需另加啟動(dòng)裝置，現(xiàn)在較多的CVT 選擇液力變矩器作為啟動(dòng)裝置，又稱雙無(wú)級(jí)自動(dòng)變速器。早期的機(jī)械無(wú)級(jí)變速器是通過(guò)兩個(gè)錐體改變接觸半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比連續(xù)變化的，但由于接觸部分?jǐn)D壓應(yīng)力太高，難以進(jìn)入實(shí)用化。1955 年，荷蘭DAF公司在車輛上10試裝采用“V”形橡膠帶的CVT，但因該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的體積過(guò)大，傳動(dòng)比太小，又受皮帶壽命的影響，無(wú)法滿足車輛行駛的要求。德國(guó)PIV 公司從1956 年起，開始研究鏈傳動(dòng)的CVT，德國(guó)大眾車輛公司也曾在轎車上裝用過(guò)這種變速器。到80 年代，出現(xiàn)了技術(shù)上的突破，橡膠皮帶被由許多薄鋼片穿成的鋼帶代替，使其與兩個(gè)錐輪的槽在不同的半徑上嚙合來(lái)改變傳動(dòng)比。這種結(jié)構(gòu)使變速器的傳動(dòng)比得到了明顯的提高，從而具備了在車輛上廣泛使用的前提條件。1987 年，VDT 公司的金屬帶式無(wú)級(jí)變速器進(jìn)入商品化階段，這年，福特車輛公司首次在市場(chǎng)上推出裝有這種金屬帶的CVT。日本富士重工也于同年研制成功裝備于Juste 車上（排量1～1.2L）電子控制CVT。之后，菲亞特、福特、日產(chǎn)等車輛公司都在公司生產(chǎn)的一些1.2～1.6L 排量轎車上裝備這種變速器。九十年代，VDT 公司研制成功了傳動(dòng)力矩大、性能更佳的第二代CVT變速器。到1995 年，裝有CVT 的車輛產(chǎn)量已達(dá)100 多萬(wàn)輛。目前主要有以下的CVT 生產(chǎn)廠商FHI Subaru Justy、Ford、Fiat、Nissan 等。其中歐洲Ford公司CVT 產(chǎn)量為15 萬(wàn)/年，F(xiàn)HI CVT 產(chǎn)量為20/年。特別指出的是：美國(guó)福特公司在1997 年有了歷史性的突破，生產(chǎn)出可用于大扭矩、排量高達(dá)3．8L（扭矩為365N.m）V6 柴油機(jī)的CVT，并成功安裝于Winstar minivan 車輛上。這就結(jié)束了CVT 只能應(yīng)用于中型車輛上的歷史，為大規(guī)模應(yīng)用CVT 于車輛開辟了道路。1.2.5 自動(dòng)變速器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)（1）有級(jí)自動(dòng)變速器多擋位化對(duì)于有級(jí)變速器，只有增加其擋位，才能使其在性能上接近無(wú)級(jí)變速的理想狀態(tài)，從而提高動(dòng)力性并節(jié)約燃油。目前，已經(jīng)有液力變矩器+6 擋位的產(chǎn)品化AT 出現(xiàn)。但是，從成本、制造的可行性等方面考慮，過(guò)多的擋位反而會(huì)使這種自動(dòng)變速器的性能/價(jià)格比下降。所以，在目前的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)水平下，液力變矩器 + 5/6 擋位的AT 是比較適合的。（2）自動(dòng)變速器控制單元的電子化、計(jì)算機(jī)化、智能化自動(dòng)變速技術(shù)的不斷發(fā)展完善，在使車輛整體綜合性能不斷提高的同時(shí)，也促進(jìn)了自動(dòng)變速器的自動(dòng)化、智能化。以機(jī)械無(wú)級(jí)變速器（CVT）為例，根據(jù)車輛工況，它需要隨時(shí)調(diào)整液壓系統(tǒng)壓力，控制帶輪兩部分的相對(duì)滑移程度，從而改變變速器傳動(dòng)比。在這種情況下，人工手動(dòng)以及機(jī)械式的自動(dòng)是不能勝任的，控制單元的電子化、計(jì)算機(jī)化是十分必要的。（3）換擋過(guò)渡過(guò)程的高品質(zhì)化待分離和待結(jié)合換擋的離合器壓緊油壓配合是否合理，對(duì)換擋品質(zhì)具有顯著的影響。 AT 的換擋品質(zhì)控制的研究一直是一個(gè)熱點(diǎn)。換擋品質(zhì)反映在換擋過(guò)渡過(guò)程的舒適性和零部件負(fù)載兩個(gè)方面，其中過(guò)渡過(guò)程的平穩(wěn)性和結(jié)合元件熱負(fù)荷是兩項(xiàng)最主要的指標(biāo)。目前，壓緊油壓通常采用響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)精度高的電液比例閥或11高速電磁閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。換擋品質(zhì)控制的智能化也是一個(gè)發(fā)展方向。換擋過(guò)渡過(guò)程受柴油機(jī)工況、車況和道路狀況等行駛工況的影響。通過(guò)對(duì)車輛行駛工況的識(shí)別，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等現(xiàn)代控制手段來(lái)實(shí)現(xiàn)換擋過(guò)渡過(guò)程的高品質(zhì)化。1.2.6 實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)變速的意義（1）自動(dòng)變速器消除了駕駛員換擋技術(shù)的差異性車輛性能的優(yōu)勢(shì)除與其自身的結(jié)構(gòu)有關(guān)外,還取決于正確的控制和操縱。例如，有資料表明：熟練駕駛員與非熟練駕駛員之間的平均油耗相差達(dá)10％以上。自動(dòng)變速是按某種預(yù)先設(shè)定的換擋策略自動(dòng)完成換擋,以使整車獲得最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和低的污染排放。只要換擋策略設(shè)定正確就會(huì)取得好效果，而與駕駛員的技術(shù)水平無(wú)關(guān)。（2）自動(dòng)變速提供了良好的傳動(dòng)比轉(zhuǎn)換性能無(wú)級(jí)自動(dòng)變速可以消除或減弱動(dòng)力傳動(dòng)中的動(dòng)載；而有級(jí)自動(dòng)變速，由于它能自動(dòng)同步換擋、離合器可按最佳結(jié)合規(guī)律結(jié)合，也避免了手動(dòng)換擋粗暴所產(chǎn)生的沖擊與動(dòng)載，這對(duì)于地形復(fù)雜、路面惡劣的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)或越野行駛時(shí)的工程車輛、自卸車輛以及軍用車輛都特別重要。試驗(yàn)表明：在最壞的路段行駛時(shí)，自動(dòng)變速的車輛傳動(dòng)軸上，最大力矩峰值只相當(dāng)于手動(dòng)換擋的20％～40％，原地起步時(shí)力矩峰值只相當(dāng)于50％～70％。因此，可使柴油機(jī)壽命提高1.5 倍，變速器壽命提高2～3 倍，其它傳動(dòng)系統(tǒng)零部件壽命也將提高1.5～2.5 倍。（3）自動(dòng)變速可減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)率操縱車輛的任務(wù)在于：根據(jù)不斷變化的道路、交通情況，對(duì)車輛的行駛方向和速度進(jìn)行靈活的控制。據(jù)統(tǒng)計(jì)：城市大客車平均每分鐘換擋3～5 次，駕駛員就要連續(xù)完成20～30 個(gè)手腳協(xié)調(diào)動(dòng)作。而采用自動(dòng)變速后，則從根本上簡(jiǎn)化了操縱，離合器踏板、變速桿都取消了，駕駛員只要控制油門，即控制了自動(dòng)變速，極大地改善了駕駛員的勞動(dòng)條件，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。對(duì)于工程車輛，由于其作業(yè)條件與作業(yè)工礦復(fù)雜、多變，負(fù)載變化的范圍大、隨機(jī)性強(qiáng)，導(dǎo)致其換擋也十分頻繁，所以自動(dòng)變速對(duì)與工程車輛減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)率意義尤其重大。1.3 車輛自動(dòng)換擋規(guī)律簡(jiǎn)介所謂換擋規(guī)律是指變速器的換擋時(shí)刻隨控制參數(shù)而變化的關(guān)系。自動(dòng)換擋規(guī)律是自動(dòng)變速系統(tǒng)判斷當(dāng)前應(yīng)處擋位或升、降擋的依據(jù)。根據(jù)換擋規(guī)律控制參數(shù)的不同可分為：?jiǎn)螀?shù)換擋規(guī)律、兩參數(shù)換擋規(guī)律和動(dòng)態(tài)三參數(shù)換擋規(guī)律。1.3.1 單參數(shù)換擋規(guī)律單參數(shù)換擋規(guī)律的控制參數(shù)一般為車速，見圖1.4 ，當(dāng)車速達(dá)到V2 時(shí)，換入12Ⅱ擋。當(dāng)車速小于V1 時(shí)，換回Ⅰ擋。其特點(diǎn)是：換擋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，但是不論油門開度如何，換擋點(diǎn)、換擋延遲的大小都不變，不能實(shí)現(xiàn)駕駛員可干預(yù)的換擋控制，也難于兼顧動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的要求。這種換擋規(guī)律應(yīng)用范圍比較有限，只有少數(shù)城市公共車輛、軍用越野車有所應(yīng)用，目的是減少換擋次數(shù)。圖 1.4 單參數(shù)換檔規(guī)律1.3.2 兩參數(shù)換擋規(guī)律如圖1.5 所示，兩參數(shù)換擋規(guī)律的換擋參數(shù)一般為車速Va 和油門開度 。與應(yīng)?用單參數(shù)換擋規(guī)律相比，應(yīng)用兩參數(shù)換擋規(guī)律能使車輛得到更好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。因此，目前世界上的自動(dòng)換擋操縱系統(tǒng)幾乎都是采用兩參數(shù)換擋規(guī)律。兩參數(shù)換擋規(guī)律根據(jù)換擋延遲的變化規(guī)律又可分為以下幾種：（1）等延遲型：如圖1.5(a)所示，其換擋延遲的大小不隨油門開度而改變，但可實(shí)現(xiàn)駕駛員干預(yù)換擋，在小油門時(shí)可提前換高擋，既減小柴油機(jī)噪聲，又可延遲換回低擋，改善了燃料經(jīng)濟(jì)性。（2）發(fā)散型：如圖1.5(b)所示，其換擋延遲隨油門增大而增大，主要特點(diǎn)是大油門升擋時(shí)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速高，接近最大功率點(diǎn)，動(dòng)力性好，換擋延遲大，減少了換擋次數(shù)，提高了舒適性。駕駛員可以干預(yù)換擋，快松油門時(shí)可提前換入高擋，不僅降低噪聲，而且改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。大油門降擋時(shí)的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速必須降得很低，功率利用差。13圖 1.5 兩參數(shù)換檔規(guī)律（3）收斂型：如圖1.5(c)所示，其換擋延遲隨油門的增大而減小，其特點(diǎn)是由于大油門時(shí)換擋延遲最小，因而在大油門升擋時(shí)能保證較好的功率利用，動(dòng)力性好。小油門時(shí)換擋延遲大，可減少換擋次數(shù)，而且柴油機(jī)可以在較低的轉(zhuǎn)速下工作，燃料經(jīng)濟(jì)性好，噪音小，行駛平穩(wěn)舒適。（4）組合型：如圖1.5(d)所示，它由兩段或多段不同變化規(guī)律組成。其特點(diǎn)是便于在不同油門下獲得不同的車輛性能，小油門時(shí)舒適、穩(wěn)定、污染??；中油門時(shí)經(jīng)濟(jì)性好；大油門時(shí)動(dòng)力性好。組合型換擋規(guī)律適應(yīng)性好，應(yīng)用范圍很廣。1.3.3 三參數(shù)換擋規(guī)律上述換擋規(guī)律是以車輛穩(wěn)定行駛為前提的，但實(shí)際上，車輛在起步、換擋過(guò)14程中，均處于加速或減速的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。因此，有人提出了動(dòng)態(tài)三參數(shù)（車速Va、油門開度、和加速度dV/dt）換擋規(guī)律，并且根據(jù)優(yōu)化計(jì)算時(shí)所選取的目標(biāo)函數(shù)不同又可分成最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律和最佳經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律兩種類型。（1）最佳動(dòng)力性換擋規(guī)律：所謂最佳動(dòng)力性換擋是指在同一油門開度下兩擋加速度曲線的交點(diǎn)處換擋。這樣可以獲得良好的換擋平順性，減小換擋沖擊。（2）最佳經(jīng)濟(jì)性換擋規(guī)律：它的目標(biāo)函數(shù)是在某一油門開度下，車輛從原地起步連續(xù)升擋加速至某一要求車速Va 時(shí)，總的油耗Q 應(yīng)最小。經(jīng)濟(jì)性或動(dòng)力性的換擋規(guī)律解決的是車輛行駛中一般性的、基本的問(wèn)題。其優(yōu)點(diǎn)是如果當(dāng)車輛的實(shí)際行駛環(huán)境和車輛行駛狀態(tài)與求解最優(yōu)換擋規(guī)律的實(shí)驗(yàn)條件相近時(shí)，傳統(tǒng)的換擋規(guī)律給出的是某一指標(biāo)最優(yōu)的擋位，如最佳燃料經(jīng)濟(jì)性、最佳動(dòng)力性等。1.4 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)變速器總成中同步器壽命試驗(yàn)臺(tái)。通過(guò)操作該試驗(yàn)臺(tái),可自動(dòng)完成汽車變速器壽命及性能試驗(yàn)。具體要求如下：(1）試驗(yàn)臺(tái)可對(duì)變速器試驗(yàn)樣品進(jìn)行壽命及性能試驗(yàn)。(2）針對(duì)力及扭矩、轉(zhuǎn)速、位移、等參數(shù)，試驗(yàn)臺(tái)可分別對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。(3）換檔行程: 0～±200mm。(4）選檔行程：0～±200mm。(5）換檔力測(cè)量范圍及精度：0～±250N(6）選檔力測(cè)量范圍及精度：0～±250N1.5 論文主要內(nèi)容針對(duì)以上課題研究的任務(wù)，本文在查閱大量資料的基礎(chǔ)上，在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行了重點(diǎn)研究。（1）機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)其中包括機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)及其它部分設(shè)計(jì)的制定。（2）電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)、A/D 轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)、換擋力及位移檢測(cè)。15。2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)課題研究的系統(tǒng)要求可以對(duì)同步器進(jìn)行性能和可靠性兩種方式的試驗(yàn)。通過(guò)手動(dòng)操作可實(shí)現(xiàn)同步器的換檔過(guò)程；也可利用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)換擋，模擬人手對(duì)同步器進(jìn)行的換檔過(guò)程。同時(shí)利用計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，采集各種傳感器發(fā)來(lái)的信號(hào)，對(duì)其處理分析后，來(lái)檢測(cè)被試驗(yàn)同步器的性能與可靠性。本系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)。其機(jī)械系統(tǒng)總體布局如圖 2.1 所示圖 2.1 機(jī)械系統(tǒng)總體布局2.1 機(jī)械系統(tǒng)的工作原理 該系統(tǒng)分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種工作方式。在進(jìn)行同步器性能試驗(yàn)，測(cè)量試驗(yàn)中的各項(xiàng)參數(shù)時(shí)，一般采用手動(dòng)方式操作試驗(yàn)臺(tái)。在進(jìn)行同步器可靠性試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定要執(zhí)行的工況和工況數(shù)后，一般采用自動(dòng)方式操作試驗(yàn)臺(tái)。自動(dòng)方式利用具有位置控制功能的換檔機(jī)構(gòu)來(lái)模擬人手的換檔過(guò)程。換檔機(jī)構(gòu)功能的實(shí)現(xiàn)利用一個(gè)滑動(dòng)副及一個(gè)萬(wàn)向節(jié)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)，滑動(dòng)副由在一套筒內(nèi)嵌入的直線軸承和滑桿構(gòu)成。如圖 2.2 換檔機(jī)構(gòu)基本構(gòu)成所示。16圖 2.2 換檔機(jī)構(gòu)基本構(gòu)成2.2 換檔機(jī)構(gòu)工作臺(tái)機(jī)械部分設(shè)計(jì)2.2.1 工作臺(tái)外形尺寸及重量估算取 X 向?qū)к壷С袖撉虻闹行木酁?100mm，Y 向?qū)к壷С袖撉虻闹行木酁?50mm，設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡(jiǎn)圖見圖X 向拖板(上拖板)尺寸：長(zhǎng) 寬 高 140 100 50??重量：按重量=體積 材料比重估算?140 100 50 10 7.8 10 ≈55 (N)3?2?Y 向拖板(下拖板)尺寸：170 150 50?重量：約 99N上導(dǎo)軌座(連電機(jī))重量：(658 100 10+2 558 35 40) 7.8 10 10 ≈173 (N)??2?3連桿重：10N電機(jī)重約：6NXY 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量：約 343N變速箱操縱桿萬(wàn)向節(jié)滑動(dòng)副驅(qū)動(dòng)桿172.2.2 滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定(1) 導(dǎo)軌型式：雙 V 型滾珠導(dǎo)軌(2) 導(dǎo)軌長(zhǎng)度1) 上導(dǎo)軌(X 向)取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度 l =158B動(dòng)導(dǎo)軌行程 l=400支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度 L=l +l=558保持器長(zhǎng)度 l = l + =358GB22) 下導(dǎo)軌(Y 向)l =188 l=400BL=l +l=588 l = l + =388GB2(3) 滾動(dòng)體尺寸與數(shù)目的確定滾珠直徑取 d=6mm,數(shù)目根據(jù) Z≤G/30 決定d1) 上導(dǎo)軌G =55+10=65 (N)x所以 Z ≤ =2.86.035X 向動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度 l =158，取 Z =3，兩滾珠之間的間距 t=52mmBx2) 下導(dǎo)軌G=343 (N)所以 Z ≤ =14.8y6.034因?yàn)閘 =158，取t=11, Z =15By（4）最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算及主要尺寸初選滾珠絲杠最大動(dòng)載荷C 可用下式計(jì)算：mFfL3?式中：L為工作壽命， ；n 為絲杠轉(zhuǎn)速， ；v 為最大負(fù)610/t?01Ln?載條件下的進(jìn)給速度，可取最高速度的1/2～1/3； 為絲杠基本導(dǎo)程；t 為額定0L使用壽命，可取t=15000h； 為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，一般情況取1.2～1.5； 為mf mF滾珠絲杠工作載荷。18根據(jù) =51153.8N。根據(jù)額定動(dòng)載荷Ca不小于C的原則： mFfLC3?初選絲杠螺距： =10mm 0L額定動(dòng)載荷： Ca=51600N（5）滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)：如表 1表 1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計(jì)算名稱 符號(hào) 計(jì)算公式和結(jié)果公稱直徑 d025mm螺距 L10mm接觸角 ?450鋼球直徑 WD6.0mm圈數(shù)×列數(shù) 3.5×1螺紋滾道螺紋升角 ?4520?螺桿直徑 1d23.8mm???WD).(0螺桿內(nèi)徑面積A ??2.83mdw?螺桿螺桿接觸直徑dz m.0cos0????zm(4) 許用負(fù)荷驗(yàn)算平均每個(gè)滾珠上最大負(fù)載 P =P /Z ，而maxGP = (P + )G2H1ZP?式中: P —導(dǎo)軌的預(yù)加負(fù)荷,按最大工作負(fù)荷的 計(jì)算.H 2X 向?qū)ё畲筘?fù)荷P x =0.707 =0.707 =15.3 (N)maZPx1?3065?Y 向?qū)ё畲筘?fù)荷P y =0.707 =0.707 =16.2 (N)aGyZ154許用負(fù)荷 [ P ]=kd ζ2查表得 k=60N/cm ,考慮制造精度高,且導(dǎo)軌短,k 可提高 50%,即 k 取 90 N/cm 。2 2查表得 ζ=1,則19[ P ]=90 0.6 1=32.4 (N)?2P x=15.3[ P ] P y =16.2[ P ]maxmax故導(dǎo)軌可用。2.3 換檔機(jī)構(gòu)空間運(yùn)動(dòng)模型的簡(jiǎn)化被測(cè)的變速箱為三菱公司的 MAE 型。含有六個(gè)檔位,結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示。圖 2.3 變速箱檔位圖通過(guò)空間模型，將操作桿的實(shí)際位移同傳感器測(cè)量的位移建立聯(lián)系。如圖 2.4。圖 2.4 操縱桿的空間模型如圖 2.4 所示，操作桿 BD 可進(jìn)行 AD、CD 兩檔位的變換。當(dāng)操縱桿從中間位置BD 掛到檔位 AD 時(shí)，位移傳感器測(cè)量到位移值 ，操縱桿移動(dòng)弦長(zhǎng) 。利用空間測(cè)mAB模型，建立測(cè)量值 同弦長(zhǎng) 的關(guān)系。測(cè)mABX YZ(X0,Y0,Z0)(X1,0,0)(X1,Y1,0)R?A BCDE FM 位移傳感器測(cè)mB0圖2-4 操縱桿的空間模型圖 2-4 操縱桿的空間模型20計(jì)算后得到：BE= 2021210 )()()( ???ZYRXAE= 0cossin( ）??RX??利用角度 換算 與弦長(zhǎng) 的關(guān)系：測(cè)mABBEA?測(cè) 20212102021210 )()()()()cs()si( ????ZYRXZY AB= ?coR以此建立了測(cè)量值 同操作桿換檔移動(dòng)弦長(zhǎng) 的轉(zhuǎn)換關(guān)系。同理，可建立測(cè) AB測(cè)量值 同操作桿換檔移動(dòng)弦長(zhǎng) 的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及選檔方向上操作桿移動(dòng)的測(cè)mBC實(shí)際位移同傳感器測(cè)量值的轉(zhuǎn)換關(guān)系。以此為計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理提供了依據(jù)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)，任意檔位之間的運(yùn)動(dòng)都可以簡(jiǎn)化為換檔機(jī)構(gòu)在換檔方向和選檔方向的移動(dòng)。最后，可以將換檔機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)化為圖 2.5 所示的兩種運(yùn)動(dòng)形式。位移傳感器測(cè)量出換檔機(jī)構(gòu)在空間中的位移，通過(guò)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換成操作桿的實(shí)際位移，然后根據(jù)杠桿比可以換算出變速箱撥叉的位移。圖 2.5 換檔機(jī)構(gòu)的基本運(yùn)動(dòng)2.4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理同氣動(dòng)系統(tǒng)比較，采用電氣系統(tǒng)具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)械強(qiáng)度高，傳動(dòng)平穩(wěn)，易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，驅(qū)動(dòng)力大等特點(diǎn)。因此，本項(xiàng)目最終采用了電氣方式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。兩個(gè)電機(jī)通過(guò)機(jī)械滑臺(tái)結(jié)構(gòu)十字交叉的連接在一起，裝置中的伺服系統(tǒng)提供反饋，用來(lái)控制操作桿的選檔運(yùn)動(dòng)和換檔運(yùn)動(dòng)。同時(shí)工作臺(tái)上固定的位移傳感器在工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)實(shí)時(shí)的采集位移信號(hào)，傳送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。該系統(tǒng)采用位置閉環(huán)控制，由微機(jī)給定脈沖數(shù)值，經(jīng) D/A 變換、伺服放大后，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)不斷的與位移傳感器測(cè)到的電壓值相比較，若不相等則有電壓輸出，該電壓經(jīng)調(diào)制、放大解調(diào)后驅(qū)動(dòng)電機(jī)。2.5 步進(jìn)電機(jī)的選用①直線運(yùn)動(dòng) ②曲線運(yùn)動(dòng)212.5.1 電機(jī)外觀 所選電機(jī)外觀如圖 2.6 所示圖 2.6 電機(jī)外觀2.5.2 技術(shù)參數(shù)查表得步進(jìn)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表 2 所示。表 2 電機(jī)主要參數(shù)電機(jī)型號(hào)相數(shù)步 距 角 /（°）電壓/V最高空載啟動(dòng)頻率 /Hz分配方式質(zhì)量/Kg外徑mm長(zhǎng)度軸徑36BF003 3 1.5/3 27 3100 三相六拍0.22 36 42 445BF005 3 1.5/3 27 3000 三相六拍0.4 45 58 42255BF001 3 7.5/15 24 750 三相六拍0.8 45 70 655BF002 3 7.5/15 24 850 三相六拍0.65 55 60 655BF003 3 1.5/3 27 1800 三相六拍0.83 55 70 62.5.3 安裝尺寸安裝尺寸如圖 2.7 所示圖 2.7 安裝尺寸2.5.4 接線方式三相、四相等的接線如圖 2.8 所示。三相 四相（兩相） 五相 圖 2.8 接線方式2.5.5 重要參數(shù)的確定23（1）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算：根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與載力作的功有如下關(guān)系：(N) ?????????bzspqFGT236??式中： ——脈沖當(dāng)量(mm/step)；P——運(yùn)動(dòng)方向的力（N） ； sF——摩擦系數(shù)；?——垂直方向的力（ N） ； ZG ——工作臺(tái)重量（N） ；——總機(jī)械效率。?=0N，G=343N， =500N，取淬火鋼滾珠導(dǎo)軌， =0.03 ，取淬火 =0.85，ZFsF??則 85.45.0714.32]3[06?????qT（2）步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載計(jì)算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式 21021)]([ZJJJSD????其中 ： 為 整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載（kg.cm ）2:步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.cm ） 0J 2: 齒輪 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.cm ）;11Z2:齒輪 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.cm ）;22:滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg.cm );sJ2對(duì)材料為鋼的實(shí)心軸，齒輪，絲杠等圓柱零件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按下式計(jì)算: 341078.???LDJ其中： D=m×ZL為齒寬，為6～10倍的m。則 =2×8.5=17mm=1.7cm1= ×m=40mm=4cmDZ=0.14 （kg.cm ） 1J2=2×8=16mm=1.6cm2L24= ×m=100mm=10cm2DZ=12.5 （ kg.cm ） J2而絲杠長(zhǎng)L為588mm =0.78× ×58.8× =31.69（kg.cm ）s45310?2M:工作臺(tái)質(zhì)量（包括工件夾具在內(nèi)）(kg);M =343N = =15 kg.cm0JML2???????2則 2121)]([ZJSD????=9.8+0.14+[12.5+31.69+15]×250??????= 17.93 kg.cm 2由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可忽略17.93/18.00=0.996??MJ慣性匹配驗(yàn)算： 1/4≤0.986≤1 所以慣性匹配比較合理。253 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)換檔機(jī)構(gòu)，要求換檔過(guò)程中檢測(cè)選檔位移、換檔位移、選檔力、換檔力。如圖 3.1是機(jī)械手的電器原理圖。圖 3.1 電氣原理圖263.1 電氣系統(tǒng)的組成3.1.1 8031 芯片8031 與 2764 程序塊合用擴(kuò)展為 8K 程序存儲(chǔ)系統(tǒng)，其線路圖如圖 3.2 ：圖 3.2 8031 擴(kuò)展線路圖因 8031 芯片內(nèi)沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，因此它在應(yīng)用中與程序塊 2764 連用。8031P0口外接一個(gè)地址鎖存器 ，8031 訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，低 8 位地址由 P0 輸出，并由 ALE 信號(hào)（-П-）鎖存到地址鎖存器中，地址鎖存器輸出地址信息 AB 0～7 接到2764 的地址線 A0～A7 上，P2 口輸出地址信息高 8 位，P2.0～4 輸 A21～25，接到2764 的 A22～25，P24～27，AB12～15 接址直譯碼器，譯出選擇線 0～N 分別連續(xù)接到 2764 的 CE（0） 、 CE（N）8031 的外部程序存儲(chǔ)器 ；選通信號(hào)線 PSEN 接2764（0）2764（N）的數(shù)據(jù)允許輸出端 OF。8031 的 P0 連接到址鎖存器的輸入端和 2764 的數(shù)據(jù)線 D0D7 上，8031 通過(guò)十六位的地址線能對(duì)外部 64K 字節(jié)程序存儲(chǔ)器 和 64K 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址，因?yàn)槌绦虼鎯?chǔ)器 EPROM 用 8031 的 PSEN 信號(hào)選通，而數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 用 8031 的讀信號(hào) RD 和寫信號(hào) WR 選通的，在 CPU 取指令周期，P2 口和 P0 口輸出的是程序計(jì)數(shù)器 PC 的值，8031 的外部程序選通信號(hào) PSEN，在 ALE 返回電平后發(fā)生負(fù)跳變，選通外部程序存儲(chǔ)器，由地址線 AB015 確定外部 EPROM 中指令字節(jié)傳送到 P0 口供 CPU 讀取，讀寫信號(hào)線 WR、RO 始終為高電平，即 RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器不會(huì)被 選通，而在 8031 訪問(wèn)外部 RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的周期內(nèi)，認(rèn)得（或 WR）發(fā)生負(fù)跳變，程序選通信號(hào)，PSEN 始終為高電平，CPU 只和外部 RAM 傳送數(shù)據(jù)，EPROM 沒(méi)有被選通。273.1.2 8255 引腳功能8255 采用 40 腳雙列直插式封裝，單一＋5Ｖ電源，其引腳如表 3 所示。（1）RESET:復(fù)位信號(hào)線，高電平有效，在該輸入端加一脈沖寬度為 600ns 的高電平信號(hào)，就可使 8255 可靠復(fù)位，復(fù)位時(shí)三個(gè)輸入/輸出口預(yù)置為輸入方式。（2）CE:片選端，8255 為低電平有效，8156 為高電平有效，當(dāng) 8255 上加上一個(gè)低電平時(shí)，芯片被選中，可以與單片機(jī)交換信息。AD0～AD7:三態(tài)地址/數(shù)據(jù)總線，在 ALE 的下降沿把 8 位地址鎖存于內(nèi)部地址鎖存器，地址可代 RAM 或輸入/輸出用，由 IO/M 信號(hào)的極性而定，8 位數(shù)據(jù)的流向取決于 RD 或 WR 信號(hào)的狀態(tài)。（3）ALE:地址鎖存器啟用信號(hào)線，高電平有效，其下降沿把 AD0～AD7 上的地址，片選信號(hào)、IO/M 信號(hào)鎖存起來(lái)。（4）IO/M:IO 和 RAM 選擇信號(hào)線，高電平造反輸入/輸出，該線低電平存儲(chǔ)器。（5）RD:讀信號(hào)線，低電平有效，當(dāng)片選信號(hào)與 RD 有效時(shí)，開啟 AD0～AD7緩沖器， 如果 IO/M 為低電平，則 RAM 的內(nèi)容讀至 AD0～AD7，如果 IO/M 為高電平，則選中的輸入/輸出口的內(nèi)容讀到 AD0～AD7。（6）WR:寫信號(hào)線，低電平有效，當(dāng)片選信號(hào)和 WR 信號(hào)有效時(shí)，AD0～AD7 上的數(shù)據(jù)將根據(jù) IO/M 極性寫入 RAM 或 I/O 口。（7）PA0～PA7:輸入/輸出口 A 的信號(hào)線，通用 8 位輸入/輸出口，輸入/ 輸出的方向通過(guò)對(duì)命令/狀態(tài)寄存器的編程來(lái)選擇。（8）PB0～PB7:輸入/輸出口 B 的信號(hào)線，通用 8 位輸入/輸出口，輸入/ 輸出的方向通過(guò)對(duì)命令/狀態(tài)寄存器的編程來(lái)選擇。（9）PC0～PC5:輸入/輸出口 C 的信號(hào)線，6 位可編程輸入/輸出口，也可用作 A 和 B 口的控制信號(hào)線，通過(guò)對(duì)命令/狀態(tài)寄存器編程來(lái)選擇。（10）INT:定時(shí)/計(jì)數(shù)器輸入信號(hào)線，定時(shí)/計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘由此線輸入。（11）TOUT:定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)線，輸出信號(hào)為方波還是脈沖則由定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器的工作方式而定。（12）VCC:電源線，接＋5V 直流電源。（13）VSS:接地線，接到公用地線上。3.1.3 A/D 轉(zhuǎn)換器選用 AD574 型號(hào)的轉(zhuǎn)換器。AD574 是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的 12 位逐次逼近型快速 A/D 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速度最大為 ，轉(zhuǎn)換精度 。片內(nèi)配有三態(tài)輸s?35%05.?出緩沖電路，因而可直接與各種典型的 8 位或 16 位的微處理器相連，而無(wú)須附28加邏輯接口電路，且能與 CMOS 及 TTL 電平兼容。由于 AD574 片內(nèi)包含高精度的參考電壓源和時(shí)鐘電路，使它在不需要任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào)的情況下完成一切 A/D 轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。因此，AD574 是目前我國(guó)市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛、價(jià)格適中的 A/D 轉(zhuǎn)換器。AD574 由模擬芯片和數(shù)字芯片二片混合集成。 （其中模擬芯片就是該公司生產(chǎn)的 AD565 型快速 12 位單片集成 D/A 轉(zhuǎn)換芯片。數(shù)字芯片則包括高性能比較器、逐次比較邏輯寄存器、時(shí)鐘電路、邏輯控制電路以及三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器等。AD574 的主要特性如下：(1).非線性誤差：AD574AJ 為 ；AD574AK 為 。LSB1?LSB2/1?(2).轉(zhuǎn)換速度：最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 。s?35(3).輸入模擬信號(hào)范圍可為 ， ，也可為雙極性 或 。V0~?V5?10(4).AD574 有兩個(gè)模擬輸入端，分別用于不同的電壓范圍。(5).利用不同的控制信號(hào)，既可實(shí)現(xiàn)高精度的 12 位變換，又可作快速的 8 位轉(zhuǎn)換。(6).需三組電源：+5V， ， 。)15~2(VVC?)15~2(VE?(7).內(nèi)設(shè)高精度的參考電壓 ，只需外接一個(gè)適當(dāng)阻值的電阻，便可向0.DAC 部分的解碼網(wǎng)絡(luò)提供 ，轉(zhuǎn)換操作所需的時(shí)鐘信號(hào)有內(nèi)部提供，不需外接任REFI何元器件。(8).低功耗：典型功耗為 。mW393.1.4 力傳感器在對(duì)變速器同步器進(jìn)行性能和壽命試驗(yàn)中，當(dāng)操縱桿進(jìn)行檔位操作時(shí)，采用電阻應(yīng)變片式壓力傳感器，將它裝置在操縱桿內(nèi)，利用應(yīng)變片的變形測(cè)量選檔力和換檔力。（1）電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片一般由敏感柵（金屬絲或箔） 、基底、覆蓋層、粘合劑、引出線組成。敏感柵是轉(zhuǎn)換元件，它把感受到的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化；基底是用來(lái)將彈性體表面應(yīng)變準(zhǔn)確地傳送到敏感柵上，并起到敏感柵與彈性體之間的絕緣作用；覆蓋層起著保護(hù)敏感柵的作用；粘合劑是把敏感柵與基底粘貼在一起；引出線是作為連接測(cè)量導(dǎo)線之用。（2）電阻應(yīng)變片的工作原理工作時(shí)，將應(yīng)變片用粘合劑粘貼在彈性體上，彈性體受外力作用變形所產(chǎn)生的應(yīng)變就會(huì)傳遞到應(yīng)變片上，從而使應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量阻值的變化，就能得知外界被測(cè)量的大小。