一种车用射流发射器阀座设计

一种车用射流发射器阀座设计摘要据统计，我国每年死于交通事故人数以超过十万人。其中，高速公路上发生的重大交通事故，有70%是由于爆胎引起的。因此导致的车毁人亡，占高速公路意外事故死亡人数的49.81%，被公认为高速行车安全的头号杀手。如何高效的防护轮胎也成为了一个正待解决的问题。在传统的被动防护的基础上，车用射流发射器采用了主动防护的方法，在汽车上加装高压水射流装置，能够有效清除道路上的微小尖锐物，从而有效的保证了行车安全。在轮胎主动防护装置这一系统中，射流器阀座的设计起着至关重要的作用。在本文中，重点探讨了车载射流发射器这一轮胎主动防护装置中发射器阀座的设计，完善了射流器的设计可以使喷头准确对准目标物，提高装置对微小尖锐物的清除效率，有效保护了轮胎。其中包括阀座动力源的选择及设计，及阀座伺服系统的选择使其满足一定的随动性及自适应性。本设计选用了伺服系统的模块化来设计阀座，通过对伺服系统的受控体、制动器、控制器的分别设计来构成了整个阀座模块的设计，本设计使车用射流发射器更加完善，研究结果为汽车轮胎主动防护装置的工业设计提供可靠的理论基础。关键词：伺服系统，阀座，自适应性AvehiclejetemittervalveseatdesignABSTRACTAccordingtostatistics,thenumberofaccidentsinChinaeveryyeartomorethanonehundredthousandpeople.Amongthem,theserioustrafficaccidentontheexpressway,70%isduetocauseatireblowout,soleadtocarcrash,49.81%accountedforExpresswayaccidentdeaths,isrecognizedasthenumberonekillerofhigh-speedtrafficsafety.Howtoprotectthetirealsobecomesaproblemtobesolved..Onthebasisoftraditionalpassiveprotection,carjettransmitterfortheactiveprotection,installationofhighpressurewaterjetdeviceinthecar,caneffectivelyremoveonthewaytothesmallsharpobjects,soastoeffectivelyguaranteethesafetyofdriving.Thedesignofthetransmittervalveseatisthefocusofthewholevehiclejetlauncher.Includingdesignofpowersourceofthehydraulicpump;improveenergystoragecomponents,hydrauliccylinder,reliefvalve,anelectromagneticvalve,arelaydesign;completetheseatdesign;thejettransmittermeetcertainadaptive,vehiclespeed,andtheemissionintensityofrequirements.Thedesignofthecarwiththejetemittervalveseatismoreperfect,theresultsofthecartireactiveprotectiondeviceforindustrialdesign.Keywords:servosystem,valveseat,adaptivity目录TOC\o"1-3"\h\u55461绪论 页共31页1绪论1.1本课题研究背景汽车是人们现代出行的主要交通工具之一，它具有高速，舒适，灵活多用等特点，在国内外交通中得到了广泛的应用。自1953年7月第一汽车制造厂动工兴建，1956年7月投产，1957年7月13日我国生产出第一辆载货的解放牌汽车，又于1958年5月，我国第一汽车制造厂自行研制设计生产了第一辆与当时政治风云起伏颠簸、荣辱与共的红旗牌乘用车，被誉为“东方神韵”。几十年来，我国汽车工业得到了快速的发展。特别是改革开放以来，汽车生产采用了各种高科技及人性化的安全及便利设施，汲国外汽车科研之精华。不仅秉乘了传统的坚固造型，更具时尚汽车的柔媚风貌，线条流畅，驾乘舒适的“座驾”新宠不断诞生。2001年底，中国正式加入了世贸组织，以此为契机，中国汽车产业迎来了一个新的高速发展时期。2009年，中国汽车产销分别为1379.10万辆和1364.48万辆，一举超越美国，称为世界第一汽车产销大国。2012年中国汽车全年产销分别为1927.18万辆和1930.64万辆，连续四年蝉联世界第一。进经过十年高速发展之后，中国自主品牌乘用车技术得到了长足的发展。2013年上半年先后上市的一汽红旗、北汽绅宝、长安睿骋、吉利帝豪、比亚迪思锐及此前已经先后上市的上汽荣威、广汽传祺等为代表的自主品牌高端乘用车向合资品牌发起集团式冲锋，将逐步改写自主品牌乘用车只能在中低端抢占市场的现状。近5年，汽车占机动车的比例迅速提高，从43.88%提高到58.62%，群众机动化出行方式经历了从摩托车到汽车的转变。全国有35个城市的汽车保有量超百万辆，北京、成都、深圳、天津、上海、苏州、重庆、广州、杭州、郑州10个城市超过200万辆。截至2014年底，我国机动车保有量达2.64亿辆，其中汽车1.54亿辆;机动车驾驶人突破3亿人，其中汽车驾驶人超过2.46亿人。驾龄不满1年的驾驶人2967万，占总数的9.82%。截至2014年底，我国机动车保有量达2.64亿辆，其中汽车1.54亿辆;机动车驾驶人突破3亿人，其中汽车驾驶人超过2.46亿人。驾龄不满1年的驾驶人2967万，占总数的9.82%。随着经济社会持续快速发展，群众购车刚性需求旺盛，我国汽车保有量继续呈快速增长趋势。2014年新注册汽车2188万辆，保有量净增1707万辆，两项指标均达历史最高水平。根据数据，我国近5年机动车年均增量1500多万辆，机动车驾驶人数量也呈现大幅增长趋势，年均增量2057万人。即使按照最低的增速预计到2015年我国汽车保有量将达到1.5亿辆。但随着我国汽车事业的飞速发展，交通事故的发生率呈上升趋势，由于交通事故的频发不仅造成人员伤亡，给无数家庭带来了不幸而且严重影响着经济发展和社会稳定。所以已经引起了各级领导部门的注意。轮胎承载着车辆重量，是汽车上唯一直接与地面接触的重要部件，车辆驱动、制动、转向等基本操作都是通过轮胎与路面摩擦实现的。汽车高速行驶过程中，轮胎故障是驾驶者最为担心和最难预防的，也是突发性交通事故发生的重要原因。统计资料显示，高速公路上发生的重大交通事故，有70%是由于爆胎引起的，因此导致的车毁人亡，占高速公路意外事故死亡人数的49.81%，被公认为高速行车安全的头号杀手。由于爆胎的突发性和不可预知性，更因为高速行驶中的爆胎极易造成车毁人亡的可怕后果。尽管全球汽车业的无数技术人员一直在谋求破解并有所突破，但始终没有根本性的解决。2011年，车用轮胎主动防护装置被申请专利，但目前并没有被投产使用。1.2本课题的研究现状1.2.1国外研究现状目前，欧美地区的汽车厂商大都采用轮胎预警系统。汽车轮胎压力实时监测与预警系统也称为轮胎压力监测系统（TirePressureMonitoringSystem缩写TPMS），TPMS属于“事前主动型”安保，是一种采用无线传输技术，利用固定于汽车轮胎内的高灵敏度微型无线传感装置在行车或静止的状态下采集汽车轮胎压力、温度等数据，并将数据传送到驾驶室内的主机中，以数字化的形式实时显示汽车轮胎压力和温度等相关数据，并在轮胎出现异常时（预防爆胎）以蜂鸣或语音等形式提醒驾驶者进行预警的汽车主动安全系统。从而确保轮胎的压力和温度维持在标准范围内，起到减少爆胎、毁胎的概率，降低油耗和车辆部件的损坏，确保汽车行驶过程中始终处于安全状态。而在车载射流发射器阀座的设计中，伺服电机的选型及设计是整个系统的重中之重。它的国外发展现状如下：自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行。到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器，其中D系列适用于数控机床（最高转速为1000r/min，力矩为0.25～2.8N.m），R系列适用于机器人（最高转速为3000r/min，力矩为0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G六个系列。20世纪90年代先后推出了新的D系列和R系列。由旧系列矩形波驱动、8051单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU和门阵列芯片控制，力矩波动由24%降低到7%，并提高了可靠性。这样，只用了几年时间形成了八个系列（功率范围为0.05～6kW）较完整的体系，满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要。图1.1交流伺服电机以生产机床数控装置而著名的日本法那克（Fanuc）公司，在20世纪80年代中期也推出了S系列（13个规格）和L系列（5个规格）的永磁交流伺服电动机。L系列有较小的转动惯量和机械时间常数，适用于要求特别快速响应的位置伺服系统。日本其他厂商，例如：三菱电动机（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、东芝精机（SM系列）、大隈铁工所(BL系列）、三洋电气（BL系列）、立石电机（S系列）等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列。德国力士乐公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服电动机共有7个机座号92个规格。德国西门子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类，共8个机座号98种规格。据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机IHU系列相比，重量只有后者的1/2，配套的晶体管脉宽调制驱动器6SC61系列，最多的可供6个轴的电动机控制。德国博世（BOSCH）公司生产铁氧体永磁的SD系列（17个规格）和稀土永磁的SE系列（8个规格）交流伺服电动机和ServodynSM系列的驱动控制器。美国著名的伺服装置生产公司Gettys曾一度作为Gould电子公司一个分部（MotionControlDivision），生产M600系列的交流伺服电动机和A600系列的伺服驱动器。后合并到AEG，恢复了Gettys名称，推出A700全数字化的交流伺服系统。美国A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驱动分部生产1326型铁氧体永磁交流伺服电动机和1391型交流PWM伺服控制器。电动机包括3个机座号共30个规格。I.D.（IndustrialDrives）是美国著名的科尔摩根（Kollmorgen）的工业驱动分部，曾生产BR-210、BR-310、BR-510三个系列共41个规格的无刷伺服电动机和BDS3型伺服驱动器。自1989年起推出了全新系列设计的AKD（Goldline）永磁交流伺服电动机，包括B（小惯量）、M（中惯量）和EB（防爆型）三大类，有10、20、40、60、80五种机座号，每大类有42个规格，全部采用钕铁硼永磁材料，力矩范围为0.84～111.2N.m，功率范围为0.54～15.7kW。配套的驱动器有BDS4（模拟型）、BDS5（数字型、含位置控制）和SmartDrive（数字型）三个系列，最大连续电流55A。Goldline系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平。爱尔兰的Inland原为Kollmorgen在国外的一个分部，现合并到AEG，以生产直流伺服电动机、直流力矩电动机和伺服放大器而闻名。生产BHT1100、2200、3300三种机座号共17种规格的SmCo永磁交流伺服电动机和八种控制器。法国Alsthom集团在巴黎的Parvex工厂生产LC系列（长型）和GC系列（短型）交流伺服电动机共14个规格，并生产AXODYN系列驱动器。原苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电动机。其中ⅡBy系列采用铁氧体永磁，有两个机座号，每个机座号有3种铁心长度，各有两种绕组数据，共12个规格，连续力矩范围为7～35N.m。2ⅡBy系列采用稀土永磁，6个机座号17个规格，力矩范围为0.1～170N.m，配套的是3ⅡБ型控制器。近年日本松下公司推出的全数字型MINAS系列交流伺服系统，其中永磁交流伺服电动机有MSMA系列小惯量型，功率从0.03～5kW，共18种规格；中惯量型有MDMA、MGMA、MFMA三个系列，功率从0.75～4.5kW，共23种规格,MHMA系列大惯量电动机的功率范围从0.5～5kW，有7种规格。韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统，其中FAGA交流伺服电动机系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多种型号，功率从15W～5kW。现在常采用（Powerrate）这一综合指标作为伺服电动机的品质因数，衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能。功率变化率表示电动机连续（额定）力矩和转子转动惯量之比。按功率变化率进行计算分析可知，永磁交流伺服电动机技术指标以美国I.D的Goldline系列为最佳，德国Siemens的IFT5系列次之。1.2.2国内研究现状目前国内防爆胎多为从轮胎日常保养及驾驶技巧方面出发来尽量避免汽车爆胎危险，此外BMBS系统也应用于防暴轮胎中。BMBS技术的核心是轮胎气压的实时监测和快速行车制动，使汽车在爆胎后能及时制动，增大车轮与地面的附着力，并在ABS的支持下，使车轮滑移无法产生。制动同时使爆胎车轮对应一侧正常车轮产生的制动力大于或接近爆胎车轮的滚动阻力与制动力之和，有效防止爆胎方向偏航。制动更能使汽车行驶速度快速降低，彻底化解爆胎风险。保护轮胎的另一个方向是车用轮胎主动防护装置，即车用射流发射器，采用了主动防护的方法，在汽车上加装高压水射流装置，能够有效清除道路上的微小尖锐物，从而有效的保证了行车安全。在某些研究中，主要研究了喷嘴的形状、增压回路的设计、整个系统的安装点，在车载射流发射器阀座的设计中需要用到伺服控制方面的研究。伺服控制是指采用自动控制技术，控制各种设备按预定方式运动。伺服驱动系统是机电一体化产品的“手和脚”，对机电一体化产品的精度、刚度、动态特性等有极为重要的影响，是工厂自动化、数控机床、机器人等机电一体化产品中的重要驱动部件。一套完整的伺服驱动系统包括伺服驱动器和伺服电机、连接电缆等。伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程。我国制造业产业升级的不断推进，为我国伺服产业的发展提供了巨大的市场，近年来，随着数控机床、包装机械、电子专用设备等行业继续保持较好发展以及交流伺服技术的日益成熟，新兴行业如新能源行业中的风电产业伺服技术的应用使得我国伺服市场迅速发展，2010年，我国伺服市场同比增长39.7%，市场规模达到39.9亿元。很多有远识的国产厂商正加大研发力度提升其产品的性能，进而扩大其品牌的号召力，国产伺服厂商改变进口垄断格局将指日可待。由此预测，未来五年，我国伺服系统行业受益于产业升级的影响，仍将保持20%以上的增长速度，至2015年，我国伺服系统行业市场规模有望突破100亿元，其中，国产伺服产品的市场占有率将达到40%左右1.3研究意义车祸已成为当今社会公害，为城市人口死亡的四大原因之一。自1899年发生第一起有记录车祸以来，全球车祸累计死亡3000万人，超过第二次世界大战死亡人数。中国每5分钟有一人因车祸死亡,每一分钟有一人因车祸伤残,每天死亡280多人,每年死亡10万多人,汽车数量占世界1.9%,车祸死亡人数占世界15%,且每年增加4.5%。随着我国汽车事业的飞速发展，交通事故的发生率呈上升趋势，由于交通事故的频发不仅造成人员伤亡，给无数家庭带来了不幸而且严重影响着经济发展和社会稳定，引起了各级政府及社会民众的极大关注。然而随着我国高速高路通车里程的不断增长，每年全国各地高速公路上应爆胎引发的恶性交通事故也层出不穷、屡见不鲜。据国内外资料统计，高速公路因爆胎而造成的交通事故占事故总量的７０％，已成为高速公路的头号杀手。因此如何有效的保护汽车轮胎，保障汽车行驶安全以成为了各大汽车生产厂商的研究课题。传统保护措施大多为被动防护，如经常剔除胎面花纹沟槽中的石子或异物，定期对轮胎进行换位、尽量避免驶过异物，避免高速驶过突然出现的深坑等。具体来说，研究车辆主动防护装置的意义在于从主动防护的角度出发利用液压系统实现水流的增压利用高压水射流清除路面小型障碍物，从而减小因路面有异物而爆胎的几率，保证行驶安全。而射流发射器阀座的设计可以使喷头根据车辆识别系统传递并整合的信息进行全方位的运动，使轮胎主动防护装置这一装置可以准确实时的清除目标的微小尖锐物使其变得更加完善，使这一装置的投入使用变得更加可能。1.4本课题的设计的思路轮胎主动防护系统是用增压系统将水加压，再利用高速水射流击打路面的微小尖锐物，从而达到清扫路面的结果，减少轮胎与微小尖锐物接触的几率，达到保护轮胎的作用。其特征是包括探测装置、信息处理装置、对疑似物的处理装置，三部分装置分别通过路面状况采集电路；图像处理电路及显示电路工作。探测装置安装在车身前部、红外探测系统是探测装置的核心，红外探测系统由红外接收器、探测器、放大电路和滤波电路组成；信息处理装置包括A/D转换电路、微处理器及存储器；对疑似物的处理装置是高压水射流和电磁装置及本设计涉及的射流发射器的阀座设计。车载射流发射器阀座的设计是：路面微小尖刺物图像处理器将有关微小尖刺物的信息传递给信息处理装置，信息处理装置通过整合调整将水流发射器将要一定的位置信好传递给阀座中的伺服系统，伺服系统带动相应的旋转架旋转相应的角度，使喷头对准探测到的微小尖锐物，驱动控制阀喷射水射流，达到正确击打清除的目的，从而保护轮胎。2发射器阀座总体设计2.1阀座总体设计要求系统设计要求：本课题是设计一种射流发射器用阀座，该阀座需要满足一定的自适性要求（及既可以满足车速度的要求，又要满足射流的时间角度和范围的要求）。该阀座的自适应性（直观地说，即设计一种自适应控制器，应当是这样一种控制器，它能修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化）该发射器搭载于通用家用轿车，在不超过60km/H的速度下对十米处目标，射流介质为水。2.2设计要求及参数喷嘴形状：通用扇形球面喷嘴切槽角椭圆形喷口长轴1.25mm短轴0.75mm球面半径喷雾角所选车型：奔腾B702014款2.0L手动舒适型车型参数：前轮距1550mm后轮距1550mm轴距2725mm最大功率108kw最大功率-转速6500r/min最大扭矩184N.m最大扭矩转速4000r/min最小离地间隙95mm尖刺物为铁钉、尖石、玻璃等小物件，喷嘴的位置为左右前轮正对着的前杠下部，安装要求为与车身竖直中心线共线。靶距；由上可选用喷嘴的水平旋转角度选用为：180°转矩为：0.3°/S即0.05r/min竖直摆动角度选用为：90°转矩为：0.15°/S即0.025r/min2.3阀座功能鉴定设计的车载射流发射器阀座，是通过信息处理装置传来的电信号调整方向，实现水流喷射方向的全方位化，自动化。从而及时调整喷头方向使其对准微小尖锐物，有的放矢的清理路面，保护轮胎并节约水资源。该阀座作为一个功能模块，可搭载于车辆前杠后、左右两轮胎的中线位置的轮胎主动保护装置上。2.4阀座结构及工作原理2.4.1阀座结构设计该阀座由水平旋转架，竖直摆动架，相应的伺服驱动器和伺服马达和各种连接元件组成。控制着射流器的竖直摆动和水平旋转俩个方向。伺服机构系统源自servomechanismsystem，系指经由闭回路控制方式达到一个机械系统位置、速度、或加速度控制的系统[3]。一个伺服系统的构成通常包含受控体(plant)、致动器(actuator)、控制器(controller)等几个部分。受控体系指被控制的物件，例如一格机械手臂，或是一个机械工作平台。致动器的功能在于主要提供受控体的动力，可能以气压、油压、或是电力驱动的方式呈现，若是采用油压驱动方式，一般称之为油压伺服系统[4-7]。目前绝大多数的伺服系统采用电力驱动方式，致动器包含了马达与功率放大器，特别设计应用於伺服系统的马达称之为伺服马达(servomotor)，通常内含位置回授装置，如光电编码器(opticalencoder)或是解角器(resolver)，目前主要应用于工业界的伺服马达包括直流伺服达、永磁交流伺服马达、与感应交流伺服马达，[8,9]其中又以永磁交流伺服马达占绝大多数。控制器的功能在于提供整个伺服系统的闭路控制，如扭矩控制、速度控制、与位置控制等。目前一般工业用伺服驱动器(servodrive)通常包含了控制器与功率放大器。从系统组成元件的性质来看，有电气伺服系统、液压伺服系统和电气-液压伺服系统及电气-电气伺服系统等；伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机（简称直流电机）伺服系统、交流电动机（简称交流电机）伺服系统[10-13]。因为在本系统中，阀座的总体反应时间只有（2.1）即需要阀座尽可能快的进行反应，所以该装置选用电-电伺服系统。2.4.1工作原理简述当轮胎主动防护装置的图像处理系统发现并定位目标（微小尖锐物）后,将目标的坐标值(高低角、方位角，高低角=目标连接喷头这条线与喷头中心线在竖直平面的切角；方位角目标连接喷头这条线与喷头中心线在水平平面的切角)送到车辆的信息处理系统，信息处理系统根据车辆距目标的距离以及气象条件等诸元计算出目标未来点坐标Ri和Ri’(高低角和方位角),阀座的伺服驱动器（内含控制器和功率放大器）接收到Ri后与喷嘴的位置角（最初开始时为0°之后为喷嘴中心线与车身竖直中心线之间的角度及喷嘴中心线与车身水平面之间的角度）和求差,伺服驱动器输出的信号ER即为跟踪误差,若ER不为零,则该信号经伺服驱动器中的功率放大器放大后分别给电机#2和电机#3发送脉冲信号，驱动电机运动使竖直摆动架和水平摇架动作,伺服马达通过齿轮架使喷头向误差减小方向驱动;而伺服马达通过其内含的位置回授装置不停的向伺服驱动器发送脉冲信号，用来及时调整喷头的方向，当喷头指向目标未来点后,此时Ri与相等；Ri’与相等,ER为零,喷头停止转动;若Ri跟踪敌目标一直在变化,喷头随动系统便会始终指向敌目标的未来点。图2.1阀座随动系统在整体中的工作原理图喷射水流的自适应变化设计的车载射流发射器阀座，通过信息处理装置传来的电信号给伺服驱动器，伺服驱动器调整方向并驱动伺服马达，伺服马达马达#2和#3提供合适的转矩给水平旋转架，竖直摆动架，使其旋转特定的角度，以使喷头可以在几乎整个空间内实现自动调整。竖直平面内的旋转如图2.2所示，竖直摆动架固定在喷头底下，其下端有一扇形齿轮与装在伺服马达#2上的齿轮啮合，液压马达内至于水平旋转架内，水平旋转架的转动带动竖直摆动架与喷头一起摆动，竖直摆动架可以在竖直平面内实现（90°）的转动。水平平面内的旋转如图2.3所示，水平旋转架底端配有一齿轮与伺服马达#3上的齿轮啮合，伺服马达内至于底座内，伺服马达的转动将带动水平旋转架极其上的整个装置在整个水平平面内实现（180°）全方位的转动。则其整个喷头就可以进行整个空间的运动，如图2.4所示。图2.2竖直摆动架图2.3水平旋转架图2.4喷射范围图工作原理图的确定由于阀座分别由两个系统控制着竖直摆动和水平旋转俩个方向，因为两个系统的工作原理相似，故以喷头的竖直摆动系统为例。该系统识别到车辆运行轨迹上有微小尖锐物后，通过信息处理器整合成有关方位的脉冲信号传递给伺服驱动器，伺服驱动器将微小的电信号放大后分别传递给竖直摇摆架和水平旋转架上的伺服马达，马达转动从而控制着喷头上的竖直转动架上的齿轮及水平摇摆架上的齿轮转动，同时马达上的光电编码器将齿轮运动的响应传递回伺服驱动器，伺服驱动器处理这些信息，并继续传递给伺服马达需要的脉冲，形成闭回路，直至伺服马达带动喷头转动，对准微小尖锐物。其原理图如图2.5。1喷嘴2齿轮#23齿轮#34齿轮#45齿轮#56伺服电机#27伺服电机#38伺服驱动器图2.5阀座在竖直方向的工作原理图2.5本章小结本章从伺服系统的原理和结构设计了车载射流发动机阀座的整体结构，梳理了阀座怎样从车辆信息处理装置中得到电信号，通过伺服驱动器给以伺服电机相应的脉冲信号，伺服电机对其进行响应，从而使喷头到达正确的位置的原理。3伺服电机的选型3.1伺服电机的工作原理伺服系统（servomechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统[17,18]。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。所以在本阀座的设计中，其有充分的反应时间，不需要再计算其反应速度。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合[20-24]。图3.1伺服电机无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上的区别：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。综合各方面原因，本设计中选用交流同步伺服电机。4.2伺服电机的选型综合以上条件及阀座的数据及性质选定的伺服电机为科尔摩根公司生产的AKD伺服马达，其构造图如图3.1所示

图3.1AKD伺服马达其特点为7种尺寸的机架（40到188mm）25种机架-叠片长度组合用于低压120/240/400/480Vac操作的多个绕组灵活的法兰安装和轴选件业内领先的低齿槽波动性能，操作非常平稳为高性能和精密或者恶劣环境提供了多种反馈选件超群的定制能力–可以提供特制绕组、特制轴以及更多部件带有AKM即插即用反馈的AKD这些反馈设备带有电子电机铭牌，可以通过即插即用的方式进行调试，在大多数应用中都不要设置传动参数和调节伺服环路。其参数如表3.1表3.1伺服电机参数表电机AKM54LAKD驱动AKDX0/207机架尺寸mm42、115堵转连续转矩N.m13.5额定速度r/min4500功率w3830图3.3电机架图机架尺寸如表3.2表3.2机架尺寸表轴J/mm轴长度K/mm安装孔C/mm制动增加正弦编码器增加245094518.54伺服驱动器的选型4.1伺服驱动器的工作原理伺服驱动器（servodrives）又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。随着伺服系统的大规模应用，伺服驱动器使用、伺服驱动器调试、伺服驱动器维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题，越来越多工控技术服务商对伺服驱动器进行了技术深层次研究。4.2伺服驱动器的要求1、调速范围宽；2、定位精度高；3、有足够的传动刚性和高的速度稳定性；4、快速响应，无超调；为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。5、低速大转矩，过载能力强；一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4～6倍而不损坏。6、可靠性高要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。4.3伺服驱动器的选型综合各项参数及伺服马达的选型，选用同公司的AKD伺服驱动器其参数如表3.3所示表3.3伺服马达的参数表机型连续电流A峰值电流A驱动连续输出功率w尺寸（高度，宽度，厚度）mmAKD0120612304000195、76，1865齿轮的设计因为两齿轮的传动相差不大，为了方便阀座的安装和设计，将两组齿轮设计为相同，在这里只讨论竖直摇摆架上的两个齿轮即齿轮#2和齿轮#3.(齿轮#2和齿轮#5设计一样；齿轮#3和齿轮#4设计一样。）原始数据：该电动机驱动齿轮传递功率为3830W，低速轴转速n=4500r/min,传动比i=1.6,单向传动。5.1选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数1）选用直齿圆柱齿轮传动。表5.1常用精度等级的齿轮的加工方法及其应用范围（GB10095-88）齿轮的精度等级6级（高精度）7级（较高精度）8级（普通）9级（低精度）加工方法用范成法在精密机床上精磨或精制用范成法在精密机床上精插或精滚，对淬火齿轮需要磨齿或研齿等用范成法插或滚用范成法或仿形法粗滚或型铣齿面粗糙度Ra/um0.80~1.601.60~3.23.2~6.36.3用途用于分度机构或高速重载的齿轮，如机床，精密仪器，汽车，船舶，飞机中的重要齿用于高、中速重载齿轮，如机床，内燃机中的较重要齿轮，标准系列减速器的齿轮一般机械中的齿轮，不属于分度系统的机床齿轮，飞机拖拉机中不重要的齿轮。轻载传动的不重要齿轮或低速传动对精度要求低的齿轮周速度V(m/s)圆柱齿轮直齿151053斜齿2517103.5圆锥直齿9632.52）因为阀座的移动用齿轮传动时需要齿轮有较高的精度，故选用6级精度要求齿轮面粗糙度Ra0.8~1.6um。3）材料选择。由《机械设计》P191表10-1：小齿轮选用45钢，调质处理，硬度为236HBS大齿轮选用45钢，正火处理，硬度为236HBS选小齿轮#3的齿数为Z1=18，传动比系数为1.6.大齿轮#3的齿数Z2=18×1.6=28.8取Z2=295.2确定设计公式及校核公式按齿面接触疲劳强度设计：防止齿面点蚀的强度条件为：节点处的计算接触应力应该小于齿轮材料的许用接触应力。即：σH［σH］齿面最大的计算接触应力，可采用基本公式──赫兹应力计算公式，即:（5.1）在节点啮合时，接触应力较大，故以节点为接触应力计算点。节点处的综合曲率半径为：（5.2）图5.1齿轮啮合图齿面接触疲劳强度的校核式：（5.3）齿面接触疲劳强度的设计式：（5.4）上述式中：u─齿数比，u=z2/z1；ZE─弹性影响系数；ZH─区域系数5.3计算过程载荷系数，按表5.2取K=1.3，表5.2载荷系数K原动机工作机的载荷特性均匀、轻微冲击中等冲击大冲击电动机1~1.21.2~1.61.6~1.8多缸内燃机1.2~1.61.6~1.81.9~2.1单缸内燃机1.6~1.81.8~2.02.2~2.4T1=9.55×106×P1/n1=9.55×3080/4500=8.13N.m接触疲劳许用应力[σH]=(5.5)按齿面硬度中间值，如图查得σHlim1=600MPa,σHllim2=550MPa按一年工作300天计算，应力循环次数N1=60njlh=60×100×1×10×300×8=1.44×109N2=N1/i=98.1由下图得接触疲劳强度寿命系数YN1=1,N2=1.06(N1>N2.N0=109)按一般可靠性要求，取SH=1，则[σH1]=σHlim1ZN1/SH=6001/1=600MPa.[σH2]=σHlim2ZN2/SH=5501.06/1=583MPa.取[H]=583MPa(4)计算小齿轮分度圆直径,查下表5.3，按齿轮相对轴承对称布置取Ψd=1.09，ZH=2.5,表5.3齿宽系数Ψd=b/d1齿相对轴承位置齿面硬度350HBS>350HBS对称布置0.8~1.40.4~0.9非对称布置0.6~1.20.3~0.6悬臂布置0.3~0.40.2~0.25查下表5.4得ZE=189.8表5.4齿轮材料弹性系数：ZE()大齿轮材小齿料轮材料钢铸钢铸铁球墨铸铁钢189.8188.9165.4181.4铸钢188.9188.0161.4180.5将以上参数代入式（5.6）=35.7取d1=36mm(5)计算圆周速度V=n1d1/60×1000=1000×3.14×36/（60*1000）=3.35m/s.因V<6m/s,故去6级精度合适。5.4确定主要参数齿数Z对于软齿面的闭式传动，在满足弯曲疲劳的条件下，宜采用较多齿数，一般取Z1=20~40.对于硬齿面的闭式传动，首先应具有足够大的模数既保证齿根弯曲强度为减小传动尺寸，宜取较小齿数但要避免发生根切，一般取Z1=17~20。故取Z1=18，Z2=Z1i=18×1.6=2模数m.模数影响齿轮的抗弯曲强度，一般在满足齿轮弯曲疲劳强度条件下，宜取较小模数，以增大齿数，减小切齿量。故m=d1/z1=36/18=2mm在下表5查的m=2mm表5.5齿轮模数选择第一系列…1.522.5345681012162025324050第二系列…1.752.252.75（3.25）3.5（3.75）4.55.5（6.5）79（11）141822283645分度圆直径d1=Z1m=18×2=36mmd2=Z2m=29×2=58mm中心距a=(d1+d2)/2=(36+58)/2=45mm齿宽系数Ψd.齿宽系数是大齿轮齿宽b和小齿轮分度圆直径d1之比.增大齿宽系数，可将小齿轮传动装置的径向尺寸，降低齿轮的圆周速度。4.6校核弯曲疲劳强度。1)齿形系数YFS,查下表5.6得：根据z1、z2得YFS.表5.6齿形系数YFa及应力修正系数YsaZ171819202122232425YFa2.972.912.852.802.762.722.692.652.62Ysa1.521.531.541.551.561.571.5751.581.59Z262728293035404550YFa2.602.572.552.532.522.452.402.352.32Ysa1.5951.601.611.621.6251.651.671.681.70Z60708090100150200∞YFa2.2022.06Ysa1.731.751.771.781.791.831865.1.97YFa1=2.80Ysa1=1.55YFS1=YFa1×Ysa1=4.35YFa2=2.22Ysa2=1.77YFs2=YFa2×Ysa2=4.1弯曲疲劳许用应力：［σF］=σFlim/SF×YN按齿面硬度中间值查图6.7得：σFlim1=24MpaσFlim2=22MPa.由图6-20得弯曲疲劳强度寿命系数：YN1=1（N0=3106,N1>N0)YN2=1(N0=3106,N2>N0)按一般的可靠性要求，取弯曲疲劳安全系数SF=1,则［σF1］=σFlim1/SF1×YN1=240/1×1=24MPa［σF2］=σFlim2/SF2×YN2=220/1×1=220MPa3)校核计算中等精度齿轮传动的弯曲疲劳强度计算的力学模型如下图所示图5.2力学模型根据该力学模型可得齿根理论弯曲应力：（6.7）YFa为齿形系数，是仅与齿形有关而与模数m无关的系数，其值可根据齿数查表6.1获得。计入齿根应力校正系数Ysa后，强度条件式为：σF=2KT1/bmd1YFS24［σF］或σF=2KT1/ΨdZ12m3×YFS220［σF］则：σF1=2KT1/bmd1×YFS1=2×1.3×9.55×104/(70×3×60)×4.35=85.7MPa<［σF1］σF2=2KT1/bmd1×YFS2=σF1×YFS2/YFS1=80.8Mpa<［σF2］齿轮的结构形式主要与齿轮的尺寸大小、毛坯材料、加工工艺、使用要求及经济性等因素有关。进行齿轮结构设计时，通常是先按齿轮动的直径大小选定合适的结构形式，再由经验公式确定有关尺寸，绘制零件工作图。常用的齿轮结构形式有以下几种：（1）齿轮轴如果圆柱齿轮齿根圆到键槽底面的径向距离e£2mt(锥齿轮e£1.6m时），则可将齿轮与轴做成一体称为齿轮轴。图5.3齿轮轴图(2)实体式齿轮当齿轮的齿顶圆直径da≤200mm时，可采用实体式结构，这种齿轮常用锻钢制造。图5.4实心式齿轮因为四个齿轮的分度圆直径都小于200mm，所以都选取为实心式齿轮。(3)腹板式齿轮(4)轮辐式齿轮(5)镶套式齿轮5.5几何尺寸计算1、计算分度圆直径d1=Z1m=18×2=36mmd2=Z2m=29×2=58mm2、计算中心距=47mm3、计算齿轮宽度b1=×d2=36×0.5=18mmb2=58×0.5=29mm考虑不可避免的安装误差，为了保证设计齿宽和节省材料。一般将小齿轮略微加宽，取b1=25mm，而大齿轮的齿宽等于设计齿宽，即b2=29mm。表5.5齿轮几何尺寸计算结果列于下表：名称代号计算公式小齿轮#3#4大齿轮#2#5中心距47mm传动比i1.6模数m2压力角2020齿数z1829分度圆直径d3658齿顶圆直径3860齿根圆直径3555齿宽b2529表中，为齿顶高系数（=1）；为顶隙系数（=0.25）。总结本文从水射流的特点及伺服系统的角度出发，设计了车载射