汽车转向传动轴扭转疲劳试验系统设计

汽车转向传动轴扭转疲劳试验系统设计

0传动轴性能试验和疲劳寿命试验是汽车转向传动轴性能试验的一个重要内容转向轴是车辆转向操纵机构的核心。它的功能是将驾驶员旋转方向盘的操纵力传递给转向装置，并最终控制车辆车轮的行驶方向。在汽车行驶过程中,驾车者通过方向盘不断地改变行驶方向,会产生大小和方向不断变化的扭矩,因此汽车转向传动轴的性能好坏,对汽车行驶安全至关重要。在国内,汽车行业标准“汽车转向传动轴总成性能要求及试验方法”(QC/T649-2000)中,对传动轴性能有五项试验,其中扭转疲劳寿命试验为其中之一;在国外,象日本的马自达、三菱、丰田,美国德尔福等公司以及欧盟等地区都对汽车转向传动轴性能有类似的要求,但具体标准不一样,试验方法并不相同,针对QC/T649-2000标准,国内也有厂商开发了汽车转向传动轴的疲劳寿命试验台,但大多采用电机结合偏心轮产生交变扭矩,试验过程中,负载变化大,自动化程序低,因此开发一种全自动智能化的汽车转向传动轴疲劳寿命试验台,对产品质量和汽车行驶安全具有重要意义。1疲劳寿命试验①测试对象:汽车转向传动轴,如图1所示。②测试方法:根据汽车行业标准“汽车转向传动轴总成性能要求及试验方法”(QC/T)中扭转疲劳寿命试验的方法,将传动轴与转向器联接的一端固定,从方向盘一端施加正反方向转矩,根据汽车传动轴的类型,正反向扭矩大小为25~35N.m,试验过程中要求扭矩大小恒定不变,记录疲劳寿命试验的次数。③疲劳寿命试验次数:循环试验3×105次,工作节拍:15次/分。④试验3×105次后自动停止试验,并发出报警。⑤具有试验次数记忆功能,允许停止后再继续疲劳寿命试验。⑥具有故障报警功能。2系统硬件的设计和实现2.1试验台和传感器汽车转向传动轴的疲劳寿命试验台,主要有动力装置、负载装置、传感器测量装置和控制装置等四部分组成,结构如图2所示。为模拟汽车行驶时方向盘产生的正反向交变扭矩,试验台采用步进电机带动传动轴转动,转向传动轴另一端由磁粉制动器产生负载,磁粉制动器和转向传动轴之间安装有扭矩传感器,实时监测试验过程中负载大小。试验台的控制计算机,采用美国Microchip公司生产的PIC16F877单片机,PIC16F877具有8kBFlashROM,256BEEPROM,8路10bit的A/D通道,具有USART串行通信模块,能够满足试验台的各项控制要求。2.2转速和角位移脉冲信号试验试验台采用步进电机模拟方向盘正反向交变的扭转动作。电机步距角为1.8度,由电机驱动器控制,PIC16F877单片机的RC1引脚产生电机转向信号,RC2引脚产生转速和角位移脉冲信号。试验过程中,转向传动轴正转1圈,再反转1圈,为一次有效疲劳寿命测试。测试节拍为每分钟15次,即每4秒需完成一次有效的疲劳寿命测试,步进电机需每2秒转动一圈,由于步进电机步距角为1.8度,则控制器需在2秒钟内产生200个脉冲,因此转速脉冲信号周期为10ms,由PIC单片机实现5ms的定时中断,每中断一次,将PIC单片机的转速控制引脚RC2反转一次,实现转速控制。利用软件变量实现脉冲计数,当达到200个脉冲时,反转转动方向控制引脚RC1,实现反向转动。2.3试验数据的采集试验台采用磁粉制动器模拟汽车转向传动轴在工作中的负载。在疲劳寿命试验过程中,转向传动轴由于磨损会造成扭矩不断变化,为提高疲劳寿命试验数据的准确性,采用图3所示的控制系统,实现试验过程中扭矩负载大小的恒定。在磁粉制动器和传动轴之间安装有扭矩传感器,检测试验过程中实际负载的大小,扭矩传感器输出(0~5)V的直流电压信号,PIC16F877单片机具有8路10bit的A/D通道,采用RA0引脚(ADC0通道)进行AD转换,与设定负载进行比较,当误差大于±0.5N.m时,PIC16F877单片机利用RC6、RC7构成串行接口,经MAX232芯片转换成RS232信号,与程控电源进行通信,改变程控电源输出电流大小,直到实际试验扭矩与设定值一致,使疲劳寿命试验过程中负载恒定,保证了试验数据的准确性。每完成一次有效试验,PIC单片机自动更新LED数码管上显示的试验次数,当完成30万次疲劳寿命试验时,自动停止试验。试验过程中如果程控电源、磁粉制动器、驱动电机、扭矩传感器等装置发生故障,将造成扭矩传感器检测反馈信号发生异常,突然变大或变小,控制程序将自动停止试验,保存已经进行的疲劳寿命次数,LED数码管不断闪烁,提示需要进行检查维修。2.4疲劳寿命试验PIC16F877单片机片内具有256BEEPROM,具有断电存储功能,用于保存疲劳寿命试验中负载大小、试验次数等参数。转向传动轴疲劳寿命试验时间较长,按每分钟15次的试验节拍,需要2周左右的试验时间,如果试验过程中发生电源故障等断电情况,系统没有断电参数存储功能,会造成试验次数的丢失,需要重新测试;PIC单片机内部的EEPROM的擦写次数为100万次左右,传动轴疲劳寿命试验需试验30万次,如果试验过程中,不断将完成的试验次数更新写入单片机的EEPROM中,将影响设备的使用寿命。因此,系统采用图4所示的断电保护电路,芯片MAX808对电源电压进行监控,当电源电压低于MAX808的门限电压4.5V时,芯片MAX808将在LOWLINE引脚产生中断申请,中断申请信号与PIC16F877的外部中断引脚RB0/INT相连,触发中断,在中断服务程序中将试验次数写入PIC16F877单片机的片内EEPROM存储器中,利用2200μf的大电容维持中断操作时的电力供应。再次通电时,只需读取前次的试验次数,继续进行疲劳寿命试验便可,提高了试验效率,同时避免了频繁的对PIC16F877单片机片内的EEPROM进行写操作。间断的进行疲劳寿命试验,会增加零件的疲劳寿命次数,因此试验过程中尽量不要中断疲劳寿命试验。2.5led显示试验试验台的人机界面主要有2×2输入键盘和8个LED数码管组成,如图5所示。在开始试验之前,可用按键“↑”、“↓”设定试验扭矩负载大小,在试验启动后,扭矩设定按键无效,每试验一次,LED数码管上显示的试验次数自动更新。为简化程序结构,系统采用国内周立功公司的ZLG7289A芯片完成键盘和LED数码管的控制,ZLG7289A芯片具有串行接口,可同时驱动8位共阴式数码管,最多64键的键盘矩阵,单片即可完成LED显示﹑键盘接口的全部功能。由PIC16F877单片机的RC3、RC4引脚分别与ZLG7289A芯片的CLK、DATA引脚相连,构成串行接口的时钟和数字信号引脚。3基于mpla的程序简介控制系统软件采用CCSPICCC语言结合Microchip公司的MplabIDE进行开发,CCSPICCC语言对标准C语言进行了扩展,集成了大量单片机内部功能的函数库,如本控制系统中涉及到的EEPROM读写操作、串口发送控制、定时器设定、单片机AD端口采样等功能都有相对应的函数,降低了程序的开发难度和开发周期。利用Mplab能够方便的进行程序调试和在线编程。控制系统软件分为三部分:外中断服务程序、定时中断服务程序和主程序。外中断服务程序实现断电参数存储功能,由芯片MAX808监控电源状态,当电压下降到门限电压时,引发单片机RB0/INT引脚的电平变化,触发外中断服务程序,对负载和试验次数参数进行存储,停止试验。利用定时中断服务程序对步进电机进行控制,由PIC16F877单片机内部的16位定时器TMR1构成5ms的定时中断,实现步进电机的转速和转向脉冲控制。主程序以扫描方式运行,通过访问单片机的ADC0通道,获得扭矩传感器反馈的实际试验负载大小,与设定负载比较后,通过单片机串口与程控电源通信,改变输出电流大小,改变磁粉制动器输出的扭矩大小;访问芯片ZLG7289A完成按键操作和LED数码管显示更新。采用以上中断方式组织软件结构,降低了程序的复杂程序和开发难度。4负载模拟系统检测和调节本文设计了