毕业设计（论文）-汽车主减速器性能试验台设计

摘要伴随着汽车市场以及相关产业的持续发展，汽车传动系统中的减速器作为关键零部件其性能在科技日益增长的当今社会越来越得到客户的重视，减速器的主要作用为增大发动机侧传过来的转矩，并且能够将传导力改变相应的方向。减速器在被设计出来之后其性能与质量需要进行检测，实际路况检测减速器的运行性能参数必然会造成投资成本的增加与相关安全性的问题。本文对汽车减速器性能试验台进行了相关研究以及装配结构做了相应的分析。设计主要内容有：首先对主减速器实验台研究的意义与目的进行描述，概述国内外同类设备研究的现状，针对本论文的主要论述内容进行叙述；其次论述主减速器传动原理，对主减速器在汽车的传动系统中所运用的基本原理进行描述，液压主减速器在汽车传动系统中的功能以及相关的特性进行叙述同时描绘出主减速器的结构原理图；第二部分确定了主减速器试验台的方案，本次减速器实验设计的测试方式，对实验台的基本功能以及相关参数进行设计，对实验设备运行选型以及计算，还对实验中用到的夹具进行详细描述；第四部分主要是对核心部件升速箱进行详细研究，其中齿轮组的设计与校核，轴的设计与校核等；第五部分描述夹具所用到的液压系统，本设计所用到的液压系统元器件及液压原理图的绘制；第六部分主要是试验台的控制部分设计，选择以PLC为核心的控制系统，搭载相应的检测装置对测试数据行进设计。关键词：主减速器；传动系统；液压系统；夹具；PLC目录摘要 1第一章 绪论 31.1我国汽车工业现状 41.2国内外汽车零部件实验现状 51.3本课题主要研究内容 5第二章主减速器总成的结构性能及其实验内容 52.1汽车驱动桥以及传动系统 62.2主减速器总成结构 62.3主减速器实验性能标准 7第三章主减速器试验台总体设计 83.1试验台机械部分设计 83.2测试电机的选择与传动系统布局 93.7齿轮箱与十字万向联轴器 193.8测功机选型 203.9试验台结构布局 21第四章实验夹具设计及液压系统设计 234.1试验台夹具设计 234.1夹具能源方案选择 244.2液压系统设计 254.2.1液压油缸选型计算 254.2.2液压回路图绘制 27第五章主减速器试验台控制系统设计 285.1总体方案设计 285.2PLC控制系统硬件设计 295.2.1PLC系统结构 291）最大限度地满足被控对象的控制要求； 302）保证PLC控制系统安全可靠； 303）力求简单、经济、使用及维修方便； 304）适应发展的需求。 305.3PLC控制系统程序设计 315.3.1编制I/O表 315.3.2绘制PLC接线图 325.3.3程序设计 33总结与展望 36参考文献 37绪论伴随着中国经济的迅速增长国内汽车需求量暴增，汽车工业发展势头迅猛带动着汽车零部件行业的持续性增长。从二十世纪初期轿车逐步进入每一个家庭，汽车的销量突破了百万大关，在汽车销量快速提升的同时竞争也越演越烈，良性的竞争可以提高汽车品质，但是价格战往往将高质量高水平的制造技术抛之脑后。技术研发费基本用在车辆外观及相关内饰的配置上，核心部件的质量既然是止步不前，在国际汽车市场上难以得到立足之地。针对车辆出险的质量问题以及安全问题国家相继出台各类标准及政策，在规范汽车制造商生产制造汽车的同时也逐步遏制汽车部件的不良品流出状况。车辆部件必须以科学合理的检测方式进行检测实验之后投入市场才有一定的可信度以及安全性，本文以检测汽车重要部件主减速器的相关性能为引入点，分析有关于现有检测平台的相关技术后最终设计一种可以有效检测减速器的设备。1.1我国汽车工业现状上世纪九十年代汽车行业颁布《汽车工业产业政策》，此项政策的发布预示着我国的汽车产业迈向了一个新的台阶。国内开始调整整个汽车产业的组织架构，加强国内汽车零部件行业的资金投入，重视汽车各类产品的技术研发，市场方面应对的客户人群开始转变为个人用户。在中国进入世界贸易组织后进口车辆对国内部分汽车部件的冲击不小，但是相对的也带来了先进的技术以及质量风险控制标准。我国的汽车产业脚步虽然落后于西方发达国家，从上世纪五十年代至九十年代用了将近四十年的时间才达到了百万产量，伴随着改革开放以及与世界经济的对接加快了科学技术的基础上也扩大了国内民众的消费需求，中国人民的勤奋努力以及对时间观念的增强刺激着相应的购买能力的增长，从十九世纪九十年代至二十世纪初八年的时间就从一百万量的产量增加到二百万产量，这种势头不但没有减低的趋势反而在二十世纪初用了两年的时间将汽车产量又增长了一百万，并且每年以百分之三十到四十的增长率推动着国内整个汽车市场经济的发展。我国汽车市场近些年来如火如荼的发展现状下也同时喜忧参半，国内汽车工业方面有了巨大的进步，但是同行业的竞争也将产品的质量与性能推向了诚信的边缘，消费者在满足自身需求的基础上也逐渐对汽车安全性能及质量保障方面发出了质疑的声音。国内汽车市场在一个工业技术较为落后的状态下迅速的提升产量，以供不应求的形式加大汽车产量，在这样一种薄弱基础上建造起来的汽车帝国必然会在某一阶段出现批量的质量问题，而国外的汽车产量的增长是基于专业化、集成化等状态下稳健的增长汽车的销量。国内的汽车生产企业在汽车供不应求之时如同雨后春笋般的出现在消费者的眼前，然而核心技术依然依靠国外的技术，仿制国外知名汽车的主要汽车部件如发动机、主减速器、减速器等，技术能力暂且不说，其环境保护方面也落后于发达国家，量产的结构体系化与国际汽车行业的相关体系标准相差甚远。1.2国内外汽车零部件实验现状车辆工程的主要构成之一便是车辆性能测试，其主要功用就是提升车辆质量以及运行性能的提高。1.3本课题主要研究内容设计汽车主减速器实验台的总体布局；完成汽车主减速器的性能试验；试验台吸收功率：200KW，转速2003000转/分；对变速箱闭式试验台的试验原理进行设计，选择发电机为功率吸收装置和其他组件；设计或选择变速装置；设计汽车主减速器实验台电气控制系统。第二章主减速器总成的结构性能及其实验内容主减速器作为驱动桥的主要构成元件在汽车的传动系统中起着至关重要的作用，其主要功能是将发动机传过来的转矩逐渐增大，转矩增大的同时减速相对降低，在经过齿轮传动方向的变化将纵向的力转换为横向的力，横向的扭矩传导至两侧的驱动轮上面后带动汽车行驶。由此可见，主减速器性能的良莠直接影响着整个汽车运行状况的良好与否。本节主要以减速器在汽车传动系统中的构成以及其重要性，然后根据其基本构成以及性能针对本次设计的测试内容进行研究。2.1汽车驱动桥以及传动系统汽车的传动系统是指安装在发动机至驱动的车轮之间的动力传输零部件，主要的作用是把发动机传输出的动力疏导至两侧车轮。汽车如果想要在各种各样的驾驶环境中保持安全行驶就需要发动机和传动系统共同完成动力的传输，这样才能保证其良好的驱动性能以及稳定的车速，而且汽车在动力性能以及燃油的经济状况上面也有较稳固的保障。发动机输送的动力会首先经过离合器、主减速器，再由万向传动机构以及减速器传导至车轮上面从而形成力矩的传输。最重要的往往使用在最后，减速器作为传导系统的末端其性能方面的要求相比其他装置更加重要，动力传导方面有着至关重要的作用。图2-1汽车驱动桥构成分解图如图2-1所示，汽车的驱动桥作为整个传导系统中的重要部分主要是由主减速器、驱动轴以及差速器等组成，而主减速器是由锥齿轮的总成、差速器以及减速器的壳体共同组成的了整个驱动桥部分，主减速器是整个驱动桥的核心部件，因此其性能的良好与否直接影响将着整个驱动桥的动力系统的好坏。2.2主减速器总成结构在汽车的驱动桥中主减速器属于主要构成部件，主要的作用是将低转速并且将发动机侧传过来的转矩增大，降速的同时还会根据实际行车的需要变更转矩的方向，主减速器主要是由锥齿轮组、差速器以及本身的壳体组成，主减速器根据车型的不同以及功能的差异设计出相适应的结构。在主减速器的形式方面可以按照内部齿轮的结构、本体的外形等而有所不同，减速器还可以按照内部齿轮副数进行分类，可以分为单双级主减速器、贯通式减速器、双速减速器等。通常情况下单级式的主减速器主要用于小型轿车以及中型的货车上，单级式的主减速器由双边圆锥齿轮以及一双蜗轮蜗杆构成，它本身结构方面比较简单，体积也是几种减速器中最小的，传动效率相比其他几种也处于中上水平。如图2-2所示单级式的减速器构成图。图2-2单级式的减速器构成图2.3主减速器实验性能标准在车辆的主减速器实验检测中主要分为啮合痕迹检测、转矩及转速性能检测、噪音或震动性检测、噪音频谱分析检测等。啮合齿轮痕迹检测减速器设定好转速以及转矩之后开始转动减速器，在标准范围转动范围内使用红丹粉涂抹在主动锥齿的齿根以及齿侧，当主动齿轮以及副齿轮在啮合一段时间之后开始检测啮合的状态，无论是正向转动还是反向转动的齿面在中间偏尖端的位置上的印记如果是占整个齿面的百分之六十以上时则为正常啮合。如果出现不正常啮合状态时可以调整齿轮固定座的相对位置即可以有效的改善相对的啮合状况。转矩以及转速性能检测利用电机带动升速箱按照档位以及档速的在正常行驶环境中的条件下，利用相关的扭矩监测装置或者速度检测装置测试内阻的力矩以及相应的转速。电机的转速设置在范围内可以调整，实际运转的过程中力矩是实时变化的，瞬间产生的力矩可以用高速传感器检测。本设计是以本检测方式进行主减速器的转矩以及转速实验。噪音以及震动性检测方式根据汽车行业的相关标准主减速器的转速达到时两侧加以的转矩，将噪声检测仪放置于主减速器的齿轮啮合上侧30厘米处，这时检测到的噪音数值必须小于方可作为主减速器正常运行的标准。实际情况下因为外界的噪音会干扰相关的监测数据，需要在物理层方面进行隔离后背景的噪音与软件检测数值差值在内时可以利用以下公式进行修正：(2-1)噪音频谱分析根据噪音频谱仪的相关数据分析断定齿轮啮合出现的特殊状况。其操作内容为先利用实验测得的大量数据（主减速器在各种工况下并且在不同的运转工位测试可得），在这些数据中选择较为良好的频谱，以这类频谱为检测基准测试主减速器的运行数据，在其范围内的为合格品，超出公差范围的则为不良品。第三章主减速器试验台总体设计3.1试验台机械部分设计本设计的试验台使用卧式床体，床体本身采用铸铁工艺，在经过时效之后能够保证整体床身不会因温度的变化及时间的久远而发生形状的变化，试验台本身是要求很严格的，针对整个实验的过程中不应该因为外部的因素而影响实验结果。因此整个实验装置的构成需要满足可靠性高、精度达到实验所需要求、实验对象效率较高等。实验器材在测试主减速器时本质是以外部动力仿真现实中汽车行驶的动力提供状况对实验对象进行模拟现场的测试，在实验中对外部环境的模仿毕竟达不到完全仿真实际环境下的各种参数状态，但是还是以最接近现实状况的测试手段对实验对象进行测试。试验台的夹具按照装配与汽车上面的相关参数进行设计，螺栓以及间隙配合的安装方式并不一定适合于实验的状态，只有在采集相关的汽车减速器安装方式之后在对试验台的夹具进行设计方可满足实验的相关数据要求。测试的扭矩也是按照汽车发动机侧经过变速箱之后的传输扭矩再经过联轴器等，特别是各种档速的升降也需要尽量模拟现场的状态，我们在本次设计中使用升速器对现场的情况进行进一步的仿真。本试验台的主要部分是传动系统与夹具本体的设计，其可靠性以及安全性决定着整个实验过程的顺利与否，也直接影响之最终的实验结果。3.2测试电机的选择与传动系统布局现代的车辆减速器试验台原动力主要采用电动机或者与原车辆相同的发动机。原动机采用电动机，相应负载装置采用发电机。由于直流电动机具有易于控制、运行平稳和机械特性硬等优点，因此在传动试验台中处于主导地位。直流电动机具有易于控制、运行平稳和机械特性硬等优点，若加载装置采用直流发电机，则直流发电机发出的电能可以直接回馈给电动机，不需要逆变环节，可构成电封闭试验台。这样可以大大地简化试验台的组成，节约电能，降低系统复杂程度。且采用电动机其噪声较小，对工作环境污染小；调速范围广，易于平滑调速；启动、制动和过载转矩大；易于控制，可靠性较高。另外，采用电动机可以较好的应用电子技术和现代控制理论来实现试验过程的自动控制，如电动机的启动、转速调节、力矩调节以及试验过程的自动监测、保护等功能。原动机采用内燃发动机，可以直接将要与原减速器配套使用的可编程控制器等控制系统用于主减速器的性能测试，发动机本身的工作状态的变化较电动机更能接近实际。但发动机本身的工作状态将对整个测试系统的测试精度及测试的可重复性带来极大的影响，发动机本身较电动机的可控性较差，噪声高，对环境污染严重。由以上分析可知，直流电动机机械特性、调速性能教好，调速控制方便易实现，是一种较好的动力驱动源，所以本次试验台的原动力采用直流电动机。电动机的选择范围应包括：电动机的种类、型式、容量、额定电压、额定转速及其各项经济指标等，而且应该对这些参数进行综合考虑。电动机的种类如图3-2：图3-2电机分类图根据分析各种电动机的机械特性曲线图以及结合汽车发动机的全程调速特性，综合考虑之后采用直流他励电动机作为原动机，其机械特性曲线图如下：当T增大时n减小，但由于他励电动机的电枢电阻很小，所以在负载变化时，转速n的变化不大，属硬机械特性。二、确定电动机的功率和型号：电动机的功率选择是否恰当，对电动机的正常工作和经济性都有影响。功率选得过小，不能保证工作机的正常工作或是电动机长期过载而过早损坏；功率选得过大，则电动机价格高，且经常不在满载下运行，电动机效率和功率因数都较低，造成资源浪费。电动机功率的确定，主要与载荷大小、发热、工作时间长短有关。一般选择时，保证电动机的额定功率稍大于电动机的所需功率即可，即使。电动机的所需功率按下述方法计算：工作机所需的输入功率为：式中，分别为工作机的驱动力、驱动力矩；、分别为工作机驱动构件的速度、角速度。依照本次设计任务书规定：试验台吸收功率，转速。参考车型：大众途观自动四驱豪华版，其发动机功率，额定转速，传动系平均输入功率为。则动机的所需功率为：式中,为工作机所需的输入功率，参考上述车型的传动系平均输入功率，即，参选机械设计实用手册和设计任务书，选直流发电机为加载装置，取，发电机型号为：，其工作效率：，即。而为传动装置及工作机的总效率的乘积。（3-1）式中，分别为联轴器、主减速器、传动轴、升速箱和工作机效率。根据常用机械传动形式和轴承效率的概率值表查得，，，，代入=1\*GB3①式中得：；，参选机械设计实用手册，选取直流电动机的型号为：，其参数如下：额定功率；额定电压；额定电流；转速/最高转速；励磁功率；飞轮转矩；安装形式：；额定转矩。外形尺寸安装尺寸（mm）孔数3.3联轴器的计算与设计联轴器就是联接两轴(或联接轴与回转件)并在传递转矩过程中一同回转而不脱开的一种装置。一般联轴器是根据载荷情况、计算转矩、轴直径和工作转速来选择。计算转矩由下式求出：—理论转矩；—公称转矩；—计算转矩；—驱动功率；—工作转速；K—工况系数，按均匀载荷选取，K的取值范围，取结合本次设计任务的试验参数及试验工况选择梅花型弹性联轴器。根据前一小节计算所得的电动机参数可知，=1\*GB3①电动机的额定转矩则=2\*GB3②电动机输出轴的轴径参考《机械设计实用手册》，选用型梅花弹性联轴器。一、结构和特点：梅花形弹性块联轴器是由带凸爪的形状相同的两个半联轴器和梅花形弹性元件组成，将梅花形弹性元件置于两个半联轴器的凸爪之间以实现联接，如（图3-5-1）所示。梅花瓣的横截面一般是圆形，亦可制成矩形或扇形。联轴器工作时，梅花瓣受压。单向运转时只有半数花瓣参与工作，半数不承载；反向运转时，亦是如此。梅花形弹性块材料一般是聚酣型聚氨醋，它具有很好的耐磨、耐蚀和耐冲击性能，只是弹性较橡胶稍差。有时亦采用丁精橡胶或铸型尼龙制作弹性块。半联轴器通常采用金属材料，在化工行业.为了防腐，常用酚醛树脂制作半联轴器。梅花形弹性块联轴器的结构简单，零件数少，径向尺寸小，不需润滑;弹性块受压，承载能力较高。但更换易损件梅花形弹性块时，需轴向移动半联轴器。梅花形弹性块联轴器对所联两轴的径向和角向偏移有一定的补偿能力，但不大；轴向补偿量较大些。这种联轴器适用于起动频繁、正反向运转、中速和中小功率的传动轴系，联接同轴线的两轴；不适用于重载，更换弹性块和两轴对中困难的场所。适于工作环境温度范围为。二、梅花形弹性联轴器的强度计算：梅花形弹性块联轴器的计算主要是弹性块的强度计算。弹性块的挤压应力及挤压强度条件式如下：………[3-5-1]式中：—弹性块花瓣的挤压应力；—联轴器的计算转矩；梅花瓣中心分布圆直径；梅花瓣数目；梅花瓣的直径(若为矩形或扇形瓣，则为瓣的径向宽度B)；梅花瓣的轴向长度；弹性块的许用挤压应力。若材料为聚酷型聚氨醋，按表3.4.1选取，若材料为橡胶，可取；若材料为铸型尼龙，取。式中；；；；；代入上式（3.4.1）得，查表选用硬度邵氏A为70的聚氨酯。三、梅花形弹性块联轴器的主要尺寸关系—圆形瓣（参看图3-5-1）=1\*GB3①联轴器外径；式中—联轴器轴孔直径。=2\*GB3②圆形瓣中心分布圆直径；=3\*GB3③圆形瓣的直径；=4\*GB3④圆形瓣的轴向长度；=5\*GB3⑤圆形瓣的数目；=6\*GB3⑥联轴器总长。四、本次设计所选型梅花弹性联轴器主要参数如下（选用标准值）：a.公称转矩；b.许用转速；c.轴孔直径,,；d.轴孔长度[Y型；，型；e．转动惯量；；g.；h.；i.；j.。其中，主动端：Z型轴孔，A型键槽，轴孔直径，轴孔长度。从动端：Y型轴孔，B型键槽，轴孔直径，轴孔长度。标记：E.ML型梅花形弹性块联轴器（参看图3-5-1）1-半联轴器2-梅花形弹件块3-半联轴3.4轴的设计与校核初选轴的直径：第一轴花键部分直径可按公式初选，其中K为经验系数，；为主减速器输出的最大转矩。，结构的具体设计等看升速箱装配图和第一轴零件图。轴的校核：因第一轴承受的转矩最大，故重点校核第一轴的强度；又因常啮合齿轮与轴承的受力点非常接近，故轴的弯曲强度可以不用校核，着重校核第一轴的扭转强度，第一轴的最小直径，扭转强度由公式计算。式中：，故所设计轴强度满足要求。3.5轴承的计算与选择一、初选轴承型号：根据升速箱各轴的轴径初选轴承型号：、、，然后根据计算所得的轴向力进行寿命校核。因第一轴承受的轴向力和径向力最大，故着重校核的寿命。（其中轴承的参数，，，，）二、计算轴承的内部轴向力S1和轴向载荷：图3.3轴向力与轴向载荷示意图由3.3时所得圆周力得，；；内部轴向力；轴向载荷。算轴承的当量载荷P：，由表5-1-20查得，，工作中有轻微冲击，取。故：计算轴承寿命：即升速箱的轴承寿命满足试验台的设计需要（按一天24小时，每月30天，一年365天的疲劳试验计算）。3.6键的计算与选择根据升速箱第一轴的受力特点选用矩形花键，由最小轴径，并查取《机械设计手册》，选用标准值，标记：，其中，N—键数，；D—大径，；d—小径，；B—键宽，；按照静连接的强度条件来校核，…[4.5.1]，式中，—各齿载荷分布不均系数，一般取，本式中取；花键齿数，；键齿的工作长度，；花键齿侧面的工作高度，对于矩形花键，；；代入式[4.5.1]，得，中等静连接，故强度满足设计要求。3.7齿轮箱与十字万向联轴器在本次设计任务中，传动机构要求传递主减速器的最大输出转矩，并允许主减速器输出轴与加载装置输入轴有一定的相对安装误差，结合实际情况，采用了汽车上常见的万向传动装置作为本试验台的传动机构，主减速器输出的最大转矩按式[3-7-1]计算，其装配图如（图3-7-1）所示。（注：）当时，当时，(1)、根据计算结果并参照《机械设计设计手册》选用型双十字轴式万向联轴器，其优点是允许较大的轴向、径向的位置度误差，可用于联接两个不同轴线的重型传动轴系，其许用的轴间夹角()。一、选用计算SWP型双十字轴式万向联轴器的规格选择，一般情况下应满足下式[3-7-1]当工作载荷为长期的交变(对称循环)转矩时，应满足下式[3-7-2]式中—计算转矩；理论转矩；工况系数；转速系数；轴承系数；轴间夹角系数；公称转矩二、根据以上计算结果选用的型的参数如下：回转半径D许用转矩轴间角12951568560转动惯量重量总长L三、型联轴器的结构图如下：3.8测功机选型本设计根据所测试的减速器性能进行测试其转矩以及转速状况，已知参数：当时，当时，通常情况下发动机的转速可达3000r/min，但是在提速时可以到5000r/min，试验台在设计时也是按照极端情况下进行的，因此所需转速将达到6000r/min，测功机的转速传感器应在6000r/min的转速下能够准确测试到相关数据。测功科技生产的ZF7000型测功机相关参数如下：扭矩测试范围：0.002~7000Nm转速测试范围：100r/min~6000r/min电压等级：380VAC转速精度：0.1/0.2级温度范围：0~200℃电感范围：0.01-2000mH3.9试验台结构布局本设计的主减速器试验台由机械部分、电气控制部分、液压部分组成，具体正视图如图3-4所示，主要包括主体底架、传动电机、传动系统以及油缸、电气控制柜及相关控制部分。图3-4试验台正视图试验台底座测功机设备电柜十字万向联轴器驱动端转矩转速传感器驱动端转矩转速传感器支座减速器专用夹具杠杆式液压缸液压缸支撑座减速器总成加载端法兰传动轴轴承端盖加载端轴承座深沟球轴承轴承挡圈加载端膜片式联轴器加载端转矩传感器加载端转矩传感器支座加载端转速传感器联轴器加载电机线性滑轨后法兰式MF2推块加载端支撑板牙嵌式离合器驱动端轴承座本设计的试验台的底座是使用铸铁一体式铸造而成，在负重及减震方面具有良好的效果，主减速箱由吊具将其吊入夹具上面，两端连接联轴器后由夹具上的油缸固定主减速器，试验台通过左右半轴的加载系统对主减速器进行传动实验，发电机、电动机以及升速箱等安装在底座上面，联轴器以及相关附件利用螺栓连接在电动机的输出轴上，在工件安装定位之后再利用传动系统实现实验的目的。第四章实验夹具设计及液压系统设计4.1试验台夹具设计本试验台的夹具是利用一面两销的方式约束六个自由度对主减速器进行定位，外加两个夹紧油缸对工件进行压紧，防止出现震动以及偏转的现象发生。夹具底板利用螺栓连接方式安装在底座上面，油缸的四个螺栓安装在油缸的支撑座上，支撑座的两个螺栓以螺纹孔安装方式安装在夹具板侧面。夹具示意图如图4-1所示：1-专用夹具底板；2-专用夹具支撑架；3-液压杠杆支撑座；4-六角头螺栓-全螺纹C级M8×305-内六角圆柱头螺钉；6-杠杆式液压缸；7-圆柱销图4-1夹具装配图4.1夹具能源方案选择本设计中夹具上面有夹爪，因此夹爪需要相应的能源供应。通常条件下夹具的供应能源主要有液压、气动、电动三种能源，这三种能源可以根据设计应用情况的不同作出相应的选择。气动系统能源介质为压缩空气，众所周知压缩空气通常供压为0.6~0.8MPa，本设计夹具受力约为6807N/m，气动夹具的夹爪为气动夹爪，在SMC或者FESTO选型手册中没有能够适应如此之大扭矩的夹爪，并且使用气动系统时必须增加压缩空气机，增大压力时还需要增压器进行提升压力。相对的性价比不是很高，因此气动夹具方案不适用于本设计。电动系统是以电力供应来实现夹具的动作，通常情况下是用电机或者电缸驱动夹爪将减速器固定在夹具上面然后旋转进行实验。本设计试验台的夹具是根据减速器的尺寸进行设计的因此在空间范围上面都有局限性，电缸夹爪在现有元器件范畴内最大扭矩可达1000N/m，此扭矩距离实验所需扭矩还有很大的差距。使用电机驱动减速器来实现夹爪的夹松则会增大试验台的体积。而且使用电力供应系统的话需要采购相应的控制器进行控制，无形中增加了经济支出，所以电动系统也不适合于本设计。4.2液压系统设计本试验台夹具的液压系统主要是给予夹紧油缸提供液压动力，它是以液压油为主要能源介质，以液压缸为执行机构，同时由储能器、冷却器等组成辅助元器件。以下详细介绍液压系统的选型以及构成，液压系统图如图4-2所示：液压泵液压控制系统液压泵液压控制系统电磁阀及液压回路控制分支机构液压控制系统电磁阀及液压回路控制分支机构液压控制系统储能器、冷却器等其他辅助机构储能器、冷却器等其他辅助机构图4-2液压系统图4.2.1液压油缸选型计算汽车主减速器在夹具上面进行定位之后油缸的夹爪压紧相关的毛坯位，在进行试验时会受到旋转力的作用，当压紧力不足之时减速器会产生震动甚至脱离定位，但是减速器与试验台的部件是由相关联轴器进行连接的所以不会出现较大的危险性，但是为了确保实验结果的稳定性还是需要使用油缸夹具进行固定。其要求为在不使工件产生形变的基础上尽量使用合适的油缸进行夹紧。根据上一章的联轴器受力是在转速时力矩达到6807N，下面进行夹紧力的计算：本试验台的夹具使用液压动力源即液压油缸为主要夹紧执行元器件，使用两个缸径为32的台湾嘉刚生产的型油缸，油缸夹紧力计算方式如图4-3所示：F-液压缸的夹紧力；f-夹具夹紧力；L1-动力臂；L2-阻力臂图4-4夹紧力分析图根据受力公式：F-液压缸夹紧力；P-压力；S-活塞面积；D-油缸直径；根据杠杆原理油缸的动力臂为L1，阻力臂为L2，由公式：带入相关的参数，计算过程为：使用两个相同的油缸，其动力臂与阻力臂都是相同的，压紧力作为两倍计算：此油缸满足主减速器压紧力要求。4.2.2液压回路图绘制根据选择的相关油缸以及油缸的作用可以绘制减速器试验台夹具的液压回路图，在实际装配中时按照液压回路图将相关液压回路进行连接完成整个系统的对接，液压回路图如图4-5所示：图4-5液压回路图第五章主减速器试验台控制系统设计上述章节针对汽车主主减速器试验台整体设计以及机械部分做详细的叙述，主主减速器对于汽车行驶特别是动力传输系统是十分重要的，试验机构基本是按照汽车行驶的现实状况进行模拟，包括档位的升速等也必须接近实况运行状况，汽车的电气控制系统属于智能控制系统的一种，在复杂的环境中无论是线束还是逻辑控制的保护系统都是需要有严密而细致的结构才能在各种状态下判断实际运行状况并且做出相应的反馈。本设计机构主要是以相关参数仿真发动机以及车轮运转状态反作用力的相关信息进行细致的详细数据测试。现在试验台的主流是以PLC为控制核心，以工控机为相关数据存储分析的结合完成实验的整个结果存储与显示。5.1总体方案设计主减速器试验台的电气方案主要涵盖以下内容：本设计控制系统的操作方式主要有手动模式和自动模式两种，手动模式主要是为了在调试阶段或者设备在运行过程中出现故障时需要对某个电气元器件进行检查时使用；自动模式是为了正常实验主减速器时进行逻辑性的动作以便于实现自动测试。实验台的检测是本设计的重点，其目的就是为了检测出相关数据进行分析，在初期使用读码器读取工件的二维码信息，此信息将于工件的测量信息进行关联后送入工控机内，由工控机对测试数据进行比较分析之后存储相关信息。电机与电磁阀的控制也是电气控制系统的主要组成部分，以PLC为主要控制核心，电机与电磁阀作为PLC输出对象，扭矩传感器、速度传感器以及位置传感器等作为外部输入对象，经过PLC的CPU逻辑处理之后形成整个试验台控制系统。5.2PLC控制系统硬件设计5.2.1PLC系统结构PLC工作的基本原理与计算机大同小异,都是由硬件结构和软件控制系统组成,硬件就是PLC本体结构和外部信号输入设备及执行元器件组成,软件就是进行程序编辑的系统软件,可在计算机上面进行编程后传输至设备中进行调试,有部分PLC以手持式编程器进行编辑,但是PLC程序的语句量太大时对于设计人员来说非常不方便,因此当今可编程控制器一般采用计算机软件方式进行编程。市面上的PLC结构大都包括中央处理器,可读写存储器与非读写存储器、电源、输入输出端口、扩展协议等。除此之外PLC还使用总线协议对外部设备进行数据的交换。如图5-2所示。PLC的输入包含着数字量的信号、模拟量的信号,这些信号通过继电器或者晶体管的关断输送至PLC的内部寄存器映像区,并且通过PLC被传递。这些输入信号经过中央处理器的逻辑运算以及处理后传输至输出映像区,然后通过继电器对外部设备进行控制。内部逻辑操作或其他的各种操作在处理后发送到输出端,并用作PLC输出到外围设备进行各种控制。可以看出的是,PLC基本构成为系统控制处理器,输入与输出继电器或者晶体管元器件构成。图5-2PLC控制系统构成三菱Q系列PLC一般由编程器、与入器、内置存储卡、文本显示器、基本单元和扩展单元组成，在内部各模块的协调工作下，可实现指令的精准操控。编程器主要作用是为用户提供编写平台，并将用户编写的程序进行存储与管理，在PLC运行过程中，一般按照编程指令进行操控，为保证指令操控的正确性，一般需对其进行调试运行，并对运行轨迹和预期指令进行对比，当发现问题时可及时进行解决。Q06UDH型PLC的指令包括最基本的逻辑指令和完成特殊任务的功能指令。由于PLC可编程控制器抗干扰能力强、可靠性高、编程简单、性能价格比高，在工业控制领域得到越来越广泛的应用。PLC的选型原则：1）最大限度地满足被控对象的控制要求；2）保证PLC控制系统安全可靠；3）力求简单、经济、使用及维修方便；4）适应发展的需求。确定方案后，得出了该设计中的I/O端口，输入信号有15个，其输出信号也有13个，比较市面上的控制系统，针对经济效应和实用性方面，选择三菱PLC再合适不过。但是市面上的PLC种类繁多，每一个的PLC特点都不尽相同，选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。所以我比较了三菱Q06UDH和西门子S7-300PLC的优劣点，如下表1所示：表1三菱与西门子可编程控制器比较表对比三菱Q06UDH西门子S7-300各自优势点难度大，但指令较少编程直观，但指令较多过程控制与通信控制离散控制和运动控制纵向和横向兼备单一纵向结构FROMTO可直接存取繁琐的AD、DA指令最大通讯速度187.5K9.6K程序容量大相对较少总结上述三菱Q06UDH和西门子S7-200的比较，再结合自身的需求，程序的控制要求、所需储存器的容量等要求，选择有较高性能价格比的三菱Q06UDH和设计的相应控制系统。由于学校实训室的设备原因，在知识层面上，我也较熟悉西门子PLC，因此我们选择三菱Q06UDH可编程控制器进行本系统的设计，三菱Q06UDH控制系统的程序语言更加符合自身所学，而且所需储存器的容量要求也相对更为合适。图5-3所示：图5-3三菱Q系列PLC可编程控制器5.3PLC控制系统程序设计5.3.1编制I/O表根据实验平台实际需求以及工艺要求对PLC所用到的I/O点进行统计，在确定好I/O点之后方可编写程序。主减速器实验平台I/O表如下所示：主减速器试验台I/O表序号名称I/O点备注1启动按钮X02停止按钮X13急停按钮X24主电机正转按钮X35主电机反转按钮X46左加载电机正转按钮X57左加载电机反转按钮X68右加载电机正转按钮X79右加载电机反转按钮X810左夹具油缸夹紧到位X911左夹具油缸放松到位X0A12备用X0B13手动/自