（机械制造及其自动化专业论文）汽车阻尼器特性试验台与测试系统的研究.pdf

山东理t 大学硕 j 学化论文摘要 1 iiii i o 鼍曼皇曼皇曼皇! 皇詈! ! 暑詈皇皇鼍詈皇皇曼璺曼曼 摘要 汽车阻尼器，即汽车减振器，是汽车减振系统的重要部件。随着我国交通运输和高 速机车的迅速发展，对乘坐的舒适性提出了更高的要求，因此，减振器的性能也应相应 提高。减振器参数的测量对于减振器结构和性能的改进具有重要指导意义。现有的实验 规范以测试示功图( f s ) 为主要目的，而且国内的实验台多为机械式，都存在许多不合理 的实验方法，本文研究汽车阻尼器特性试验台与测试系统，主要做了四部分的工作： ( 1 ) 介绍国内现有的阻尼器试验台的工作过程和实验方法，提出试验台在结构和组 成上的缺陷，并且分析了实验方法不合理的方面； ( 2 ) 针对试验台结构和组成上的缺陷，提出采用高度可调的u 型机架，一方面试验 台结构更加稳固，另一方面使试验台满足更多类型的阻尼器测试的要求；提出交流伺服 电机驱动，并以齿轮结合偏心轮作为传动机构，不但可以实现一定要求下阻尼器的拉伸 和压缩，而且在精简试验台结构的同时减小试验误差； ( 3 ) 针对现有实验方法的不足，引入数字控制方法，将数字计算技术应用于阻尼器 试验台的测试系统，并明确各功能模块的任务：数据采集与信号处理模块采用传感器将 被测物理量转化为电信号，经过信号处理以单片机能够识别的形式发送给控制模块；测 试系统实时控制模块以嵌入式计算机作为核心部件，完成被测物理量的存储、与主机通 信、交流伺服电机的实时控制等任务；测试系统的计算机后台控制模块：开发上位机软 件，主要完成与用户信息的交互、实验数据的计算、阻尼器特性曲线的绘制以及对实时 控制器发送命令等功能； ( 4 ) 介绍了阻尼器的结构与工作原理，并对被测阻尼器在试验中的运动进行分析； 详细介绍阻尼器的阻尼参数等特性，提出判断阻尼器性能的标准，并依据此标准对被测 阻尼器的特性曲线进行分析，掌握被测阻尼器的性能状况，对有缺陷的阻尼器提出维修 意见。 阻尼器特性试验结果证明本实验系统的系统结构和软硬件设计以及测控方法都是十 分有效的。 关键词：阻尼器；试验台；实时控制器；数据采集；示功图；阻尼系数 山东理t 大学硕i ? 学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a u t o m o b i l ed a m p e r , a l s ok n o w na sa u t o m o b i l es h o c ka b s o r b e r , i sa n i m p o r t a n t c o m p o n e n to fa u t os h o c k - a b s o r b e rs y s t e m w ea d v i c eh i g h e rd e m a n do fc o m f o r tf o ro u r s e a t i n ge n v i r o n m e n ta st h er a p i d l yd e v e l o p i n go f o u rt r a n s p o r t a t i o na n dh i g h - s p e e dl o c o m o t i v e s o ，w em u s ti m p r o v ed e o s c i l l a t o r sn a t u r ec o r r e s p o n d i n g t h em e a s u r e m e n to f d a m p i n gf a c t o r s i sg r e a ts i g n i f i c a n c ei ng u i d i n gt h ei m p r o v e m e n to ft h ed e o s c i l l a t o r ss t r u c t u r ea n dn a t u r e t h e e x i s t i n gt e s tc r i t e r i o ni s t od r a wi n d i c a t o rd i a g r a m s ，a n dm o s to fn a t i o n a lt e s t - b e da r e m e c h a n i c a lt e s t - b e d , t h e yh a v eb e e nf o u n dm a n ye x p e r i m e n t a lm e t h o d su n r e a s o n a b l e i nt h i sp a p e r , t h ev e h i c l ed a m p e rc h a r a c t e r i s t i c st e s t - b e da n dt e s ts y s t e ma r es t u d i e d t h e m a i nw o r ki sd i v i d e di n t of o u rp a r t s ： ( 1 ) t h ee x i s t i n gw o r k i n gp r o c e s sa n de x p e r i m e n t a lm e t h o do ft h ed a m p e rt e s t - b e da r e i n t r o d u c e d , a n dd e s e d b et h ed e f e c t so ft e s t - b e d ss t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o n , a n da l s oa n a l y z e u n r e a s o n a b l ea s p e c t so f t h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d ( 2 ) i na l l u s i o nt ot h ed e f e c t so f t e s t - b e d ss t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o n , u s eh i g h l ya d j u s t a b l e u - r a c k o nt h eo n eh a n d , am o l es t a b l et e s t - b e ds t r u c t u r ei sm a d e ，o i lt h eo t h e rh a n d ，m o l e t y p e so fd a m p e rc a nb et e s t e do nt h et e s t - b e d ；p r o p o s et h ee c c e n t r i cw h e e la n dg e a ra st h e t r a n s r n i s s i o nm e c h a n i s m , n o to n l yc o u l dm a k et h ed a m p e re x t e n da n dc o m p r e s su n d e rt h e d e m a n d , b u ta l s os i m p l i f yt h es t r u c t u r eo f t h et e s tb e da n dr e d u c et h et e s te r r o r s ( 3 ) i na l l u s i o nt ot h ed e f e c t so fe x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，t h em e t h o do fn u m e r a lc o n t r o la r e i n t r o d u c e d , d i g i t a lc o m p u t i n gt e c h n o l o g yi su s e di nt h et e s ts y s t e mo ft h ed a m p e rt e s t - b e d , a n d m a k es u r et a s ko ft h ef u n c t i o n a lm o d u l e s d a t ac o l l e c t i o na n ds i g n a lp r o c e s sm o d u l e ：u s e s e n s o rt ot r a n s f e rp h y s i c a lq u a n t i f i e sm e a s u r e dt oe l e c t r i c i t ys i g r l a l ，a n dt h e ni ti ss e n dt ot h e c o n t r o lm o d u l ea ss i n 西e - c h i pc a ni d e n t i f yf o r ma f t e rs i g n a lp r o c e s s ；r e a lt i m ec o n t r o lm o d u l e o ft h et e s ts y s t e m ：u s ee m b e d d e ds y s t e ma sc o l ep a r t ；c o m p l e t et h et a s ko ft h em e a s u r e d p h y s i c a lq u a n t i t y ss t o r a g e ，c o m m u n i c a t i o nt ot h eh o s t ，a n dr e a lt i m ec o n t r o lt ot h ea cs e i v o m o t o r ；t h ec o m p u t e rb a c k g r o u n dc o n t r o lm o d u l eo f t h et e s ts y s t e m ：t h ed e v e l o p m e n to f t h ep c s o f t w a r e ，m a i n l yt oc o m p l e t et h ei n t e r a c t i o nw i t ht h eu s e r 9t h ee x p e r i m e n t a ld a t ac a l c u l a t e ， d r a wd a m p e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ，a n ds e n di n s t r u c t i o nt ot h er e a lt i m ec o n t r o l l e r ( 4 ) t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ed a m p e ra r ei n t r o d u c e d , a n dt h em o v e m e n t o ft h ed a m p e ri nt h et e s ti sa m i y z e d ；i n t r o d u c et h ed a m p e r sc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sd a m p i n g f a c t o ra n dt h es t a n d a r dt oj u d g et h ed a m p e r sp e r f o r m a n c e ，t h e na n a l y z et h ec u r v eb a s e do nt h i s s t a n d a r da n dm a s t e r yo ft h ep e r f o r m a n c eo fd a m p e rw h i c hi sm e a s u l 帆f i n a l l yp u tf o r w a r d m a i n t a i nm e t h o do f t h ed a m p e rw h i c hi sb l e m i s h i t 山东理t 大学硕 ：学位论文 a b s t r a c t d a m p e rc h a r a c t e r i s t i c st e s tr e s u l t ss h o w st h a t t h ee x p e r i m e n t a l s y s t e m sd e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea l s oa n dm e a s u r e - c o n t r o lm e t h o d sa l ev e r ye f f e c t i v e k e yw o r d s ：d e o s c i l l a t o r , t e s t - b e d ；r e a l - t i m ec o n t r o l l e r , d a t ac o l l e c t i o n ；i n d i c a t o r i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：藤7 宁 时间： 渺多年华月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 晦7 亨 时间：歹罗年石月7 f 1 导师一如t f 卅帆吵嘲7 日 山东理t 大学硕_ 1 7 学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着国民经济的发展和物质产品的丰富，人们对于生活质量和水平有了更高的要求。 工业产品的质量和精度日益提高，不仅要求产品的设计开发合理先进，而且产品的质量 检测也尤为重要。在产品设计初期，检测设备可以帮助修正设计方案，在产品成熟投产 之后，产品的检测可以提高产品的合格率。这就要求产品检测水平也要相应的提高。 汽车阻尼器，即汽车减振器，其作用和弹簧的作用不同，弹簧的作用主要是缓冲， 即缓和来自轨道的冲击和振动干扰，而减振器的作用就是减少振动，能有效的减小由路 面高低不平和周期性冲击引起的自由振动和强迫振动。当车辆在转弯等情况下产生振动 时，减振器就能产生相反的阻抗力，吸收振动能量，使振动衰减。过去，由于车辆运行 的速度比较低，减振器的作用不太明显，因此，人们对其没有给予足够的重视，所应用 的减振器性能比较低。 随着我国交通运输的迅速发展，对乘坐的舒适性和安全性提出了更高的要求。减振 器作为车辆走行机构的重要组成部件之一，其性能的优劣直接影响到车辆运行的安全性 和可靠性。因此，在车辆运行过程中，必须保证减振器能够保持可靠和稳定的性能。目 前，国产减振器与国外先进的减振器相比，在各方面性能上都存在一定差距，为此，不 得不大量采用外国生产的减振器，不但造成车辆生产成本的提高，而且减振器技术的发 展也受到制约【。为加快减振器的国产化，必须吸收国外的先进技术，同时研究先进的 减振器性能检测技术。 阻尼系数作为减振器的重要参数，它的匹配合理与否直接影响车辆的运行质量。减 振器实验的目的在于测试减振器的性能参数，同时按照设计要求调整阻尼系数的大小， 对于新制造的或经过检修的减振器都必须经过测试方能使用。减振器检测系统的技术水 平直接影响着减振器品质的提高，所以研制新一代减振器检测系统具有相当重要的意义。 1 2 国内外减振器试验台测试系统的发展现状 1 2 1 国内现有实验方法及其局限性 目前，减振器试验台按照其作用形式分为机械式、液压式、交流伺服式和其他形式； 按照运动控制方式可以分为手动式、开环式、闭环式等方式 2 1 。目前国内常见的减振器 山东理t 人学硕t ：q - 位论文第一章绪论 试验台多为机械式，有曲柄连杆形式( 如图1 1 ) 和上 下曲柄滑块机构形式( 如图1 2 ) 3 1 。曲柄连杆形式由 电动机作为动力源，通过传动系统减速后，带动一 套曲柄滑块机构，对减振器实现正弦波激振。由扭 力杆测出激振力的大小，使减振器的活塞作上下运 动。减振器的下端固定在曲拐上，曲拐装在一根测 一 力扭杆上，利用扭杆变形，测量减振器的阻力大小。 试验时，曲拐上部的记录笔在记录板上画出一个示 功图。记录台的记录笔在左右方向的偏移量，表示 扭杆扭力的大小，也表示减振器阻力的大小，最后 绘出减振力示功图。它存在很多缺点： ( 1 ) 激振频率范围较窄，高低频试验受到限制， 只能采用单一的正弦波激振，不能绘制速度特性曲 线，示功图在理论上也只是一个近似的图形，利用 这种设备测试减振器时，不能真实的反映减振器在 其允许的速度范围内工作的阻力变化规律； ( 2 ) 试验方法不科学，这种试验设备本身的精 度不高，测量误差大，并且需要经常调整，这种试 验方法的数据记录与分析不科学、不严谨； ( 3 _ ) 单一的认为阻尼系数是在线性条件下得 出，未考虑一些非线性的因素； ( 4 ) 示功图的最大位移处，不一定是阻力最大 处，误差的量级无法确定。 上下曲柄滑块机构是第一种结构的变形。使用 上激振源，进行速度特性i f - v ) 和示功图( f s ) 特性试 验。下激振电机不动，构件7 、8 、9 不动，上激 振电机经过减速机构带动3 、4 、5 ( 夹具) 、6 ( 稠e 振器) 运动，电机调速可以产生几种频率。作耐久性 试验时，上激振源不动，由下激振源带动6 、6 运动， 曲柄8 的频率由调速电机进行调整。 若要曲柄滑块实现简谐振动，要求曲柄和连杆 长度比值为1 ，在其他情况下，位移、速度和加速 度均为非简谐的周期运动，此时，无法模仿在线路 上运行时的随机波，速度和力的大小也不好控制， 2 1 ，5 连杆；2 被测减振器；3 测力扭 杆；4 曲拐；6 滑块 图1 1 曲柄连杆式 1 , 9 原动件；2 , 8 曲柄；3 4 ，5 ，6 ，7 夹 具；6 减振器 图l - 2 曲柄滑块式 山东理t 大学硕l j 学位论文第一币绪论 而且现有的国产试验台其曲柄和连杆长度比值为0 2 左右。虽然上下曲柄滑块机构在第 一种方法上做了改善，但是依然存在其局限性。所以现有机械减振器试验存在的种种偏 差，使测定的阻尼系数，不能正确地表征被测减振器真实的阻尼特性。 实践经验表明，油液污染是导致伺服系统不能正常工作的主要原因，由于下述原因 液压伺服系统的油液很容易造成油液污染： ( 1 ) 固有污染物。液压元件在制造、装配、运输过程中不可避免地会造成污染，尽管 这种污染会随着无尘化装配而不断减少，但一些大型液压件如油箱、管件、冷却器、蓄 能器等仍然含有大量的潜在污染物。另外，液压系统组装过程中也将产生大量污染物， 如焊渣、磨屑、氧化铁皮、铁锈、水等； ( 2 ) 内部生成污染物。液压伺服系统运行过程中，油液中的污染颗粒会产生多种磨 损现象。如颗粒夹在相邻两活动面之间会产生磨料磨损，颗粒和高速流冲蚀元件表面会 产生冲蚀磨损； ( 3 ) 外引污染物。液压缸往复运动过程中，戮附在活塞杆上的细微污染物会通过活 塞杆密封而进入系统。 1 2 2 国内外测试方法的现状以及发展趋势 关于减振器的研究，国内外都做了大量的工作，研究方向归纳起来有对减振器高频 特性的研究；对减振器实验方面的研究；对减振器噪声方面的研究；对减振器非线性问 题的研究；对减振器温度特性的研究；对减振器仿真特性的研究。 减振器研究早期，前苏联的车辆动力学及其减振研究走在前面。荷兰k o n i 公司研 究和开发的车辆通用和抗蛇型减振器也已经有几十年的历史，该公司的液压减振器被世 界各地的铁路公司和车辆制造商所采用，处于世界领先地位 4 1 。资料显示表明，k o n i 公司在减振器机器实验研究方面做得最全面，他们的产品几乎面向所有的交通运输行业。 从k o n i 公司提供的产品说明和实验报告来看，k o n i 公司的辅助试验项目非常丰富， 包括减振器出厂试验、减振器仿真、调整等，其中减振器试验台采用液压闭环控制方式， 主要以测试阻尼特性为主，国内的减振器试验台则以机械式为主，以测试示功图为主要 目的。根据行业标准，减振器一般有以下四个方面的内容： ( 1 ) 示功图实验：减振器的阻力与位移实验( f s ) ； 。( 2 ) 速度特性试验：减振器的阻力与活塞速度实验( f - v ) ； ( 3 ) 温度特性试验：减振器的阻力与试件温度实验( f t ) ； ( 4 ) 耐久性试验：工作循环一百万次以后，减振器的阻力与位移实验口s ) 。 目前国内对现有的实验规范以测试示功图为主要目的，国内试验台多为机械式，都 存在许多不合理之处：实验方法不科学，数据记录与分析不严谨；试验设备设计不合理， 可操作性差，且需要经常调整；试验设备本身精度不高，测量误差大。 3 山东理t 大学珂! l j 学位论文第一帚绪论 - - ii i i 曼曼皇曼曼曼曼曼曼量曼皇曼曼皇皇曼曼曼皇 液压减振器的实验驱动系统为液压伺服系统，它本身的油液容易由自身和外界引起 污染，这种污染可以堵塞液压系统导致故障产生，污染物进缸也会侵蚀液压缸而缩短其 寿命：同时液压伺服系统在运行速度较慢时会出现爬行现象，也需要较高的维护费用。 近年来，针对国内落后的试验现状和试验方法，我国也开始了先进测控技术和试验 方法的研究，并将其应用于减振器参数测量实验台，从而加快减振器及其试验技术的国 产化进程。 1 3 本文研究的主要内容 本文通过对现有的减振器实验台工作原理和实验方法的研究，在参考相关资料的基 础上，充分利用现有的实验条件，重点从以下几个方面展开工作： ( 1 ) 提出汽车阻尼器特性试验台的总体设计方案，主要介绍试验台布局和加载方案： ( 2 ) 对试验台驱动装置进行设计，将交流伺服技术应用于本试验台的驱动系统中； ( 3 ) 对试验台的测试控制系统进行设计，将数控技术应用于本次试验台的测控系统 中，其主要包括信号的采集和处理、嵌入式实时控制器和上位机软件的设计； ( 4 ) 分析阻尼器阻尼特性和试验台阻尼器运动方程，通过被测阻尼器的示功图和速 度特性曲线分析阻尼器的性能。 4 山东理下大学硕十学位论文第二章试验台结构和系统设计 曼曼曼皇鼍 i l l - - i 皇曼蔓曼曼曼曼曼皇曼曼量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼曼曼曼 第二章试验台结构和系统设计 传统的减振器试验台采用液压伺服系统作为执行机构，液压伺服系统比较复杂，需 要油源和管路，这样不可避免地出现油污染和维护维护的问题。随着数字计算技术和交 流伺服技术的发展，数字控制系统和交流伺服系统更多的应用于工业测试与控制领域， 比如机械手的关节驱动，精密数控机床等。本文设计的减振器试验台采用交流伺服驱动 器控制的电机调速方案，可以对不同类型阻尼器的性能进行检测，与传统的以液压伺服 系统为执行机构的减振器试验台相比，具有结构简单、低速性能好、无污染、无需经常 维修等优点。 2 1 试验台系统的总体结构设计 图2 - 1 试验台系统结构 如图2 1 所示，管理计算机控制实时控制器，实时控制器处理所采集的数据和管理 计算机的指令控制交流伺服系统，交流伺服系统内部的交流伺服驱动器驱动交流伺服电 机转动，交流伺服电机驱动传动机构作用于被测对象，数据采集系统对传感器测得的力 和角位移数据进行采集和数据转换，并把处理过的数据传送给管理计算机和实时控制器， 随后管理计算机的数据处理程序对采集的数据进行处理，并计算出阻尼器的相关参数， 绘制出示功图。同时，实时控制器处理反馈的电机转速值，配合伺服驱动器，从而更精 确的控制电机的转速。 5 山东理t 大学硕1 j 学位论文 第二章试验台结构和系统设计 2 2 试验台设计布局和加载方案 从试验台的基本性能出发，试验台测试阻尼力范围为o k n 2 0 k n ，而且要实现阻尼 器按照一定频率和速度运动，试验台的结构和布局十分重要。本次实验设计的试验台结 构如图2 - 2 所示，测力传感器l 一端固定在机架 4 的顶部，另一端连接被测阻尼器2 ，被测阻尼器 的另一端连接到偏心轮3 上，偏心轮轴固定在机 架底部。机架呈u 型，可以沿竖直方向或水平方 向放置，为了减少试验中的振动干扰，可以将u 型机架固定在墙壁的夹角处。 本次试验设计的试验台在结构上的优点是： u 型机架的设计，既能够在试验过程中起到固定 的目的，因为机架可以拆卸和安装固定，使实验 台可以纵向和横向的放置，实现在多个方面测量 阻尼器的目的；如图2 - 3 所示机架的横梁可以调 整高度，使试验台适应不同型号的阻尼器的测量。 确定了阻尼器特性试验台的框架结构以后， 分析匹配试验台加载方案。实验台装置最常用的 结构形式有以下几种【5 - 0 3 ： ( 1 ) 曲柄滑块机构，即用滑块机构将旋转运动 转化为往复直线运动。该机构的优点是价格便宜， 缺点已经做过讨论，而且易磨损，速度难以控制 和测量，因此不适用于自动测量的系统中。 1 测力传感器；2 被测阻尼器；3 偏心 轮机构；4 机架 图2 2 试验台结构示意图 ( 2 ) 液压缸加载采用液压加载，工作性能可靠，价格适中，可以实现无级调速，且 惯性小、动作反映快、启动迅速，能快速实现制动和频繁的换向。存在的问题是液压传 动对于油温变化非常敏感，如果用来进行减振器寿命试验，则对油温的监测和控制要求 十分高，同时，液压缸活塞杆的运动为直线运动，线性速度的测量不方便，特别是需要 解决好行程末端的瞬时速度测量问题，针对此问题将进行专门的研究。 ( 3 ) 齿轮齿条机构采用齿轮齿条传动，具有传动效率高，结构紧凑，工作可靠，寿 命长及传动平稳等特点。 ( 4 ) 用凸轮机构实现直线往复运动，采用凸轮机构可精确的实现预定的运动规律， 因而对速度的测量和控制也较简单。但同时，凸轮机构不能传递动力。而且，凸轮滚子 的磨损较厉害，故凸轮机构一般只用于受力不大的需要精密传动的场合，多用于精密机 械。 6 当盏墨三銮茎耋：耋兰童蚤晋三盖薹兰盆兰窖：耄誊誊： ( 5 ) 偏心轮机构传动，其结构简单，偏心轮 轴颈的强度和刚度大，广泛用于曲柄长度要求较 短，冲击载荷较大的机械中。 ( 6 ) 链传动可以在两轴中心距较远的情况下 传递运动和动力。能在低速，重载和高温条件下 及尘土大的情况下工作。传递功辜较大，传动效 率高，但是链传动瞬时速度不均匀，不宜在载荷 变化很大和急促反向的传动中应用。 ( 7 ) 用液压马达配合螺旋机构实现直线往复 运动，该方案包括了液压传动的优点，对于速度 的测量和转换也非常容易。但是螺旋传动存在着 效率低、磨损大等方面的缺点。但通过增加螺纹 头数提高螺纹的加工精度及选材等途径可改善 传动情况。该方案还可根据现场的实际情况和用 户的经济情况来进行匹配调整。螺旋机构在传动 运动的同时，还可以传递很大的轴向力，因而要 求机构传递运动要准确，并且在往复运动时摩擦 阻力要小，故可采用梯形螺纹，且不能有自锁性。 采用螺旋机构只能用在水平方向上，不能用于垂 图2 - 3 阻尼器特性试验台 直方向，以防止停机时，螺母下滑而造成碰撞，损坏机械， 结合各机构的优点和本次试验台的具体要求，采用机电控制的执行机构，偏心轮和 齿轮相结合的加载方案，具有承载能力强、运动精度好、传动效率高等优点。 2 3 试验台的优势 试验台首先要具备向减振器施加推拉力并作直线往复运动的功能，偏心轮工作速度 的范围是在0l r s 一5 0 r s 之间连续可调，同时还能对往复运动的行程和频率进行控制，也 可以对作用力的大小进行测试。现有技术提出的汽车阻尼器特性试验台，如采用电机经 皮带传动驱动曲柄连丰t 机构，并以曲柄连杆机构作为推拉往复运动的执行机构。被测减 振器垂直安装，其下端与曲柄连杆机构的连杆上的滑块连接上端与一个框架式结构的 横粱连接。用改变上部横粱高度的方式来适应不同长度的被测减振器。该试验台所用皮 带传动为柔性传动，而且是靠摩擦传递动力，故动态性能较差、控制精度较低、效率不 高，横粱的操作不方便，且没有设置减振器其他方位的试验工况。 本实验为改善上述实验方法中皮带柔性传动带来的精度较低的问题，采用齿轮传动， 这种方法的传动比较精确。齿轮传动瞬时传动比恒定且稳定性高，结构稳定可靠，使用 7 山东理t 大学硕i ：学位论文第二帝试验台结构和系统设计 寿命长、噪音低、传动功率大、效率高、结构紧凑。但是应用环境要求高，润滑条件要 好，不适合灰尘较多以及距离较远的两轴之间的传动，制造和安装精度高。综合两种传 动方式的优缺点，结合试验台的工作环境和成本，选择齿轮传动作为阻尼器特性试验台 传动方式。 同时该试验台横梁的操作不方便，作为改 进，本次试验采用u 型机座，用于固定从动件 和测试对象，这样横梁不但可调，而且加强了 机构的稳固性和可靠性，可使被测阻尼器在试 验条件下稳定工作。拉厂压力传感器使用螺栓连 接固定在u 型机座上，传感器与被测阻尼器采 用铰链连接，阻尼器的另一端固定在偏心轮上， 由偏心轮带动实现旋转运动。用这种方法，可 测阻尼器量程范围较大，而且调整方便快捷， 从而使本减振器试验台能适应多种尺寸的阻尼 器试验的需要。 以往的实验都是检测阻尼器在相对机座静 止的反复伸缩状态下的参数，这与阻尼器实际 工作是不相符的。车辆在行进中的颠簸，阻尼 器有瞬间的振动，为模拟这个状态，由上所述 把阻尼器一端固定在偏心轮上，随偏心轮作旋 转运动，在一定程度上模拟了实际阻尼器的工 作状况，对于阻尼器性能的检测更加全面合理。 双向油压减振器试验台执行机构为两套油缸活 塞，油压驱动，为实现纵向和横向两个方向的 试验工况，采用了两套油缸活塞执行机构，除 i 1 拉压力传感器；2 ，3 被测阻尼器； 4 偏心轮；5 机架 图2 _ 4 试验台工作原理示意图 机械、电气装置外还有一套液压油供给系统，整个系统复杂，往复运动的速度范围较难 满足实际需要，难免存在噪声污染和油液泄漏造成的油液污染，该减振器试验台的往复 运动的频率不能无级调节。本次实验不但可以实现其所述的功能，而且阻尼器往复运动 速度范围广，没有油液污染，易于维护，适应多种工作环境，可以满足工业实际需求。 由于在机座结构和阻尼器工作状态上的改进，与以往的阻尼器固定伸缩运动情况下 的参数测量方式不同，本次实验采用绝对式光电编码器来测量偏心轮转过的角度和偏心 轮的转速( 具体计算方法6 3 1 ) ，结合角度值和其他初始设置参数计算出阻尼器拉伸的长 度；采用拉压力传感器来测量阻尼器在一定状态下的拉压力，从而完成对阻尼器特定 情况下的参数测量。 如图2 _ 4 所示，阻尼器的上端固定，下端通过连接轴与偏心轮上一点连接。当偏心 r 山东理t 火学硕l ：学何论文第二章试验台结构和系统设计 轮以一定的速度带动阻尼器运动，系统就采集两处传感器相对应的数值，作为被测阻尼 器的实验参数进行分析。 从阻尼器特性实验台的结构布局和加载方案分析，本试验台由于采用机电作动器作 为执行机构，齿轮作为传动机构，偏心轮作为执行机构，其动态性能好、工作稳定、测 试范围宽、测试方式多样且精度高、适应性强、噪声低、无污染、操作方便，是一种较 为合理的设计方案。 2 4 本章小结 本章主要介绍了阻尼器特性试验台的系统结构，着重叙述了阻尼器特性试验台布局 与加载方案。通过与传统试验台进行比较，体现了本试验台结构设计上的优点。本实验 从成本与工作环境出发，确定了一个从试验台结构到功能上的较优方案，既能实现在工 业环境下的正常工作，又能实现对阻尼器在多种情况下的检测。结合本试验台的检测方 法精确高效、操作便捷。 9 山东理t 大学硕f ：学位论文第三章试验台驱动装冒与组成设计 第三章试验台驱动装置与组成设计 交流伺服系统目前在机器人与操作机械手的关节驱动，以及精密数控机床等方面得 到越来越广泛的应用。本试验台采用交流伺服闭环驱动方式，具有体积小、过载能力强、 输出转矩大、无需经常维修等优点。 3 1 交流伺服系统工作原理分析 在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量变化的系统称为随动系 统，亦称为伺服系统川。 3 1 1 交流伺服系统简介 伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或位置的运动，它的根 本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、 连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。典型的伺服系统由三个基本部分组成，即 控制器、功率放大器、执行机构( 如图3 - 1 所示) 。 图3 1 典型伺服系统结构 控制器接收来自主机或者p l c 的指令，经过分析和处理，对指令进行执行，将控制 信号发送给驱动器，驱动器收到电压或者电流信号，将信号进行放大或者进行其他处理 之后，输出给执行机构，由此来驱动执行机构动作。 从系统组成元件的性质来看，有电气伺服系统、液压伺服系统、电气液压伺服系统 和电气气动伺服系统等；从系统输出量的物理性质来看，有速度或加速度伺服系统和位 置伺服系统等：从系统中所包含的元件特性和信号作用特点来看，有模拟式伺服系统和 数字式伺服系统；从系统结构特点来看，有单回路伺服系统、多回路伺服系统、开环伺 服系统和闭环伺服系统 g l 。 伺服系统的基本要求有稳定性、精度和快速响应性。稳定性是指作用在系统上的扰 动消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行或者在输入指令信号作用下，系统能 够达到新的稳定运行状态的能力。精度是伺服系统的一项重要的性能要求。它是指其输 1 0 山东理t 大学砀! 十学位论文第三币试验台驱动裴胃弓组成设计 出量复现输入指令信号的精确程度。快速响应性是衡量伺服系统动态性能的另一项重要 指标。快速响应性有两方面含义：一是指动态响应过程中，输出量跟随输入指令信号变 化的迅速程度；二是指动态响应过程结束的迅速程度。对于交流伺服系统的性能要求， 从动态和静态特性品质来看主要有两个优点：一是快速跟踪性能好，即系统对输入信号 的响应快，跟踪误差小，过渡过程时间短，且无超调( 或超调量小) ，振荡次数少；二是 稳态精度高，即系统输出与给定值间稳态偏差小，定位精度高，且有相当大的定位( 制动) 力矩。 3 1 2 交流伺服系统的工作原理与组成 交流伺服系统分为开环、半闭环、闭环三种。其的基本工作原理是：首先输入与需 要到达的目标位置相对应的给定信号，由此信号与位置检测元件测量到的实际位置信号 占相比较，计算出偏差，通过控制器的算法运算，求出为消除该偏差所需施加于功率变 换器输入端的控制量，经过信号转换与功率放大，驱动伺服机构，使得误差逐渐减少， 直至达到目标位置或者速度1 9 - 1 0 1 。如图3 - 2 所示： 指令 图3 - 2 简单闭环交流伺服系统 ( 1 ) 位置控制器，它通常是由微处理芯片，如微处理器和数字信号处理器构成。随 着微电子技术的进展和众多高级控制策略的研究成果的出现，使其可以做到体积小，功 能强，成本低，控制性能好。 ( 2 ) 位置和速度检测元件，是伺服系统的主要组成部件，位置检测传感器的合理选 择及其精度，对于一个伺服系统的静态及动态性能能否达到要求，起着重要作用；目前 常用的位置测量传感器有感应同步器、光栅、磁尺、光电脉冲发生器与编码盘等。 ( 3 ) 速度控制器，它是伺服系统中实现高性能伺服电动机调速的关键设备。通常除 了具有一定输出功率和调频调压精度以外，还要求频带宽，热能稳定性好，抗干扰能力 强，有过流保护和限流功能。由于目前高性能伺服系统均采用交流伺服电动机作为执行 机构，因此，功率变换器也大多采用p w m 矢量控制交流变频装置。 ( 4 ) 伺服电动机，它是构成伺服系统的主要部件。系统要具有高的伺服精度和定位 精度，则伺服电动机必须要有良好的低速特性，伺服系统的快速性还要求伺服电动机必 1 1 山东理t 大学硕1 学位论文第_ ；三章试验台驱动装胃| 了组成设计 曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼i iii i 量曼鼍曼曼曼皇曼皇曼鼍璺曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇蔓曼曼曼 须具有转子转动惯量小、加速转矩大( 即大的过载转矩) 、工作稳定性好等性能。目前广 泛采用的有感应式交流异步电机、永磁交流伺服电动机等。 3 2 试验台交流伺服系统设计 交流伺服系统是本实验台系统中的重要组成部分。交流伺服系统的设计应考虑以下 几个方面：系统闭环与否的确定；执行元件与反馈元件的选择；传动机构方案的选择【l l 】。 3 2 1 试验台交流伺服系统闭环设计方案 一般情况下的数字式交流伺服系统大多工作在半闭环的控制方式，即伺服电机上的 编码器反馈既作速度环，也作位置环。这种控制方式对于传动链上的间隙及误差不能克 服或补偿。为了获得更高的控制精度，应在最终的运动部分安装高精度的检测元件如光 栅尺、光电编码器等，来实现全闭环控制。比较传统的全闭环控制方法是：伺服系统只接 受速度指令，完成速度环的控制，位置环的控制由上位控制器来完成i 。这样大大增加 了上位控制器的难度，也限制了伺服系统的推广。本次实验全闭环控制方法是通过单片 机嵌入式系统设计的伺服控制器接受来自上位机的信号和位置检测设备的数值，经过运 算处理后控制伺服系统运行。 本次实验所设计的交流伺服系统的原理图如图3 3 所示。伺服控制器接收来自上位 机软件的控制命令皖和位于偏心轮轴的绝对式光电编码器反馈的角位移信号万，由控制 部件发送的控制信号皖，经过计算偏差谚= 疋- 8 ，再将偏差点经由位置控制环，计算 出为抵消谚需要施加于功率变换器的控制量，通过功率变换器控制交流伺服电机的旋 转，从而控制传动机构运动，使误差逐步减少直至消除u j 。 该系统克服了上述半闭环控制系统的缺陷，伺服驱动器可以直接采样装在最后一级 机械运动部件上的位置反馈元件( 如光栅尺、磁栅尺、旋转编码器等) 作为位置环，而电 机上的编码器反馈此时仅作为速度环。这样伺服系统就可以消除机械传动上存在的间隙 ( 如齿轮间隙、丝杠间隙等) ，补偿机械传动件的制造误差( 如丝杠螺距误差等) ，实现真正 的全闭环位置控制功能，获得较高的定位精度。而且这种全闭环控制速度和电流反馈由 伺服驱动器来完成，减少了上位控制器的负担。 1 2 山东理t 大学硕i ：学位论文第三审试验台驱动装冒j 纽成设计 图3 3 减振器特性试验台伺服系统 3 2 2 交流伺服系统主要部件及其选择 ( 1 ) 交流伺服电动机 目前，除去一小部分小功率伺服驱动系统采用两相交流伺服电机外，其它用于交流 伺服驱动的电机一般可分为两大类：永磁交流同步电机( p m s m ) 和鼠笼型交流异步电机。 绝大多数用于数控机床进给驱动控制、工业机器人关节驱动控制以及其它很多要求高品 质运动和位置控制的场合，采用的一般都是永磁同步型交流伺服电机。这主要是由于永 磁交流伺服系统在转矩愤量比、单位电流转矩、功率密度转矩波动、调速范围、损耗、 热容量和效率等方面都具有明显的优势。鼠笼型异步电动机也具有其特有的优点：消耗 原材料少、制造成本低、结构简单坚固、运行方便可靠、环境适应性强，以及容易向高 压、高转速和大容量力向发展等。目前鼠笼型异步交流伺服系统还只是主要用于机床主 轴的伺服驱动。妨碍鼠笼型交流异步机应用于机床进给驱动的主要原因是其调速系统过 于复杂f 1 4 1 。 在电机的选择上，应按照系统的要求和电动机的特点来做决定。需要考虑的因素包 括机械负载特性、电动机控制特性( 稳定性、快速响应性、机械特性以及调节特性的直线 性等) 、系统控制要求、使用环境、价格以及维护等。用于位置伺服系统中的电动机，应 着重考虑位置控制的要求、位置精度、快速响应能力、可靠性、易维护性、系统价格等； 用于速度伺服系统的电动机，应着重考虑速度控制的要求、速度控制精度、伺服刚度、 可靠性以及系统的价格等。其它还包括伺服电动机的体积小、重量轻、控制功率小、将 来的发展升级方便等等。具体来讲，在选择和评价用于伺服驱动用的电动机时，需要综 合考虑如下这些因烈1 5 l ： 1 ) 选择伺服电动机时，既要考虑电动机本身的价格( 异步机在这一方面无疑最具优 势) ，也要考虑其相应的控制装置以及整个伺服驱动系统的调整、维护费用等。在易维护 性方面，交流电动机比直流电动机具有显著的优越性。 1 3 山东理t 大学硕 j 学位论文第三章试验台驱动装冒。j 射l 成设计 量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼璺曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼量皇量曼曼曼舅曼量ii 鼍曼鼍曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼量皇曼! 皇曼曼曼曼曼曼曼蔓量 2 ) 功率密度和转矩惯量比是用来衡量电动机体积和尺寸大小的两个主要参数。在 这一方面最具优势的是永磁同步电动机。功率密度越大，伺服驱动的电动机尺寸和体积 就越小。这点在机器人、空间执行器等应用领域中是非常重要。而转矩广陨量比大，将更 适合并满足快速进给的伺服驱动要求。 3 ) 速度控制范围是指伺服电机能根据控制指令实现对转速的很宽范围的平滑可调。 只有这样，才能使伺服系统高质量的完成各种运动跟踪。高性能的伺服系统的调速范围 一般都在1 ：1 0 0 0 0 以上。而电机的速度控制范围包括恒转矩速度控制范围和恒功率速度 控制范围，前者的主要注意点是在低速( 在这一方面，异步机由于低速时铜损较大，因此 不适宜于长期在低速下运行) ，而后者则是弱磁升速带来的问题( 在这一方面，弱磁升速 工作对永磁同步机并不有利，但对异步机来说，弱磁是其固有特性) 。 4 ) 损耗和热容量。热容量是选择伺服电动机的最重要依据之一，其大小可根据电动 机运行中的损耗来估算。这主要是指铁心损耗( 包括磁滞损耗和涡流损耗) 。极对数的多 少是影响铁心损耗大小的重要因数，在这一方面由于永磁同步机为了取得最大的功率密 度和最小的铜耗，极对数往往比异步机多，因而铁损较大。 5 ) 齿槽效应和脉动转矩。永磁电动机因采用永久磁铁励磁，定子又有齿槽，所以这 种电动机有可能存在齿槽效应转矩。该转矩的存在将影响位置伺服的精度。然而异步机 由于使用斜槽，齿槽效应