换挡机械手的设计论文

摘 要21 世纪是汽车工业飞速发展的时代，汽车工业逐步成为许多国家的支柱产业。为了控制汽车产品质量，提高汽车品质，势必对其总成及零部件提出更高更严格的要求。变速器是汽车传动系中一个重要总成。同步器是汽车变速器的重要部件，主要用于汽车行驶中平稳变速换档，操纵轻便灵活，消除冲击噪音和降低汽车油耗。同时，防止变速箱齿轮的损坏，直接影响变速器寿命。因此，研制先进的同步器试验系统，对提高汽车试验技术有着重要意义。同时，汽车是一个由许多种零部件组成的复杂的机械系统。对于产品开发所需的许多技术资料，目前尚不能通过理论计算得到，只能通过试验，因此有人说“汽车是试验出来的” 。国外汽车工业由于发展时间较长，且对试验检测工作十分重视，在资金上给予了巨大的投入，一般都有较为齐全的试验装备。再加上严格管理和精良的加工设备，与国内形成了较大的差距。所以，我国汽车厂必须加大对试验检测设备的投入，才能大大缩短同国外同类厂家在试验手段上的差距，有利于我国汽车产品在国内外的竞争能力。关键词：同步器 机械手 控制系统 实验AbstractIn 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 Chinas auto products in domestic and international competition ability.Keywords: Synchronizer Manipulator Control system Experiment1毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 2目录1 绪论 .21.1 同步器 .21.2 变速器 .51.2.3 自动变速器的分类 .61.2.4 自动变速器的发展状况 .71.2.5 自动变速器未来的发展趋势 .91.2.6 实现车辆自动变速的意义 .101.3 车辆自动换挡规律简介 .101.3.1 单参数换挡规律 .101.3.2 两参数换挡规律 .111.3.3 三参数换挡规律 .121.4 设计任务 .131.5 论文主要内容 .132 机械系统设计 .132.1 机械系统的工作原理 .142.2 换档机构工作台机械部分设计 .152.2.1 工作台外形尺寸及重量估算 .152.2.2 滚动导轨的参数确定 .152.3 换档机构空间运动模型的简化 .172.4 驱动系统的工作原理 .192.5 步进电机的选用 .192.5.1 电机外观 .192.5.2 技术参数 .203 电气系统设计 .243.1 电气系统的组成 .253.1.2 8255 引脚功能 .263.1.3 A/D 转换器 .263.1.4 力传感器 273.2 换档机构步进电机控制系统设计 283.2.1 机械构成概况 283.3 换档机构运动控制程序模块 .313.4 A/D 转换控制程序模块 324.结论 .36参考文献 3731 绪论1.1 同步器1.1.1 同步器的作用现代汽车上广泛采用活塞式内燃机作为动力源，其转矩和转速变化范围较小。而复杂的使用条件则要求汽车的牵引力和车速能在相当大的范围内变化。为解决这一矛盾，在传动系中设置了变速器。变速器在换挡时，由于两齿轮轮齿不同步时的强制挂挡，使得因两轮齿间存在的速度差而发生冲击和噪音。这样，不但不易挂挡，而且影响了轮齿寿命，使齿端部磨损加剧，甚至使轮齿折断。所以在变速器换挡过程中，必须使所选档位的一对待啮合齿轮轮齿的圆周速度相等（即同步） ，才能使之平顺地进入啮合而挂上挡位。因此，产生了同步器。同步器是工业车辆机械变速箱的关键部件，直接影响车辆操纵换档性能。它是在接合套换档机构基础上发展起来的。其中包括接合套、花键毂、对应齿轮上的接合齿圈，以及使接合套与对应接合齿圈的圆周速度迅速达到并保持一致的机构，以及阻止两者在达到同步之前接合以防止冲击的结构。目前，同步器的型式主要有常压式、惯性式和自行增力式三种。其中以惯性式同步器的应用最为广泛。如 CA1091 中型载货汽车六档变速器中五、六档使用的是具有锁环装置的惯性同步器。东风 EQ1090E 型汽车五档变速器使用的具有锁销装置的惯性同步器。1.1.2 同步器的工作原理为避免机械变速箱在换档时冲击噪声大，一般都采用惯性式同步器（以下简称同步器） 。它与常压式同步器一样，都是依靠摩擦作用实现同步的。但它可以从结构上保证接合套与待接合的花键齿圈在达到同步之前不可能接触，以避免齿间冲击和发生噪声。按同步器摩擦面的形状分为锥形同步器，片形同步器和多锥形同步器。图 1.1 为典型的锥形同步器结构简图。此种类型的同步器也是本课题检测中所使用的同步器。在回位弹簧 4 作用下，接合套 2 保持在空挡位置（对应工作原理图 1.2a） 。挂档时接合套移动，摩擦面接触，因接合元件即接合套与空转齿轮的转速不同，在摩擦面上产生摩擦力矩，使同步环转过一定角度，锁止面顶紧（对应工作原理图 1.2b） 。通过锁止面对摩擦面加压，在摩擦力矩作用下使接合套与空转齿轮同步。设计时，使锁止面的拔正力矩小于摩擦力矩，接合套不能进入啮合，只有在接合套与空转齿轮转速相同，摩擦力矩消失，同步环转过一定角度，锁止作用失效，接合套在轴向力作用下，继续移动才能与空转齿轮的花4键啮合，完成换档（对应工作原理图 1.2c）.图 1.2 同步器工作原理(a) 接合套空档 (b) 顶住锁止面(c) 接合套与空转齿轮的花键啮合1.同步环 2.接合套 3.锁止面 4.空转齿轮的花键由工作原理可知同步器具有 3 种功能：（1）同步：挂档时使进入结合的两个元件转速逐渐相等；（2）锁止：只有主从动元件同步后才能结合；（3）定位：空档时使接合套保持在中位。1.1.3 国内外的研究状况图 1.1 锥形同步器结构示意图1.同步环 2.接合套 3.空转齿轮 4.回位弹簧5.锁止齿 6.啮合齿 7.锥形摩擦面 8.齿毂5变速箱同步器是汽车中的一个重要总成。变速箱同步器性能和寿命试验是汽车机械式变速器台架试验的重要项目，是汽车厂底盘试验室的主要试验设备，在汽车的试验设备中具有重要的地位。国外汽车制造商对其可靠性进行了较详细的寿命试验研究。由于该试验要求测量的参数较多，且与一般变速器进行试验的内容不同，必须搭建专用的试验台进行试验。同时同步器可靠性寿命试验的成本高，试验时间长。我国在汽车产量相对小的情况下，对汽车进行同步器可靠性寿命试验的研究还存在着不足。目前我国一些研究机构开展了汽车变速箱同步器试验系统的理论研究和试验研究。大体上汽车变速箱同步器试验系统主要由机械、电气和计算机控制三大部分构成。其中机械部分主要为试验台台架及操作部件。人们针对不同的试验设备制造各自的机械部分。驱动部分主要有液压或气压两种执行方式。采用液压装置容易做到无级调速，且调速的范围大；工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向；易于实现自动化，能很方便的调节和控制，并能很容易地同其它传动控制结合起来，实现复杂的运动和操作。但是液压传动容易泄漏、摩擦损失，易造成较多的能量损失；在出现故障时不易诊断。采用气压装置由于工作介质粘度很低，所以流动阻力很小，压力损失小；此种装置对工作环境适应性好，在恶劣的工作环境下，仍能可靠性地运行；气压传动动作速度反应快，在一定的超负载工况下运行也能保证系统安全工作，并不易发生过热现象。但是气压传动系统的工作压力低，因此气压传动装置的推力不易过大；因为工作介质空气的可压缩性大，稳定性差，给系统的位置和速度控制精度带来很大影响。关于电气部分，有些人利用单片机的操作简单、稳定性高及成本低的特点执行电气控制部分。但是由于变速箱同步器试验系统的要求精确、运行复杂。仅依靠单片机控制已经不能满足试验的需要。现在越来越多的采用计算机测控系统。通过模块化设计的基础，由主机、通讯控制器及功能子系统构成，可以完成自动控制、信号测量、信号发送、参数预置、工况设定、数据录入、自动报表、绘制曲线等功能。在试验过程中，有人提出采用浓缩应力法定时截尾试验的方法。浓缩应力法将实际应力时间历程进行处理，将应力低于疲劳极限的历程删除，而得到快速的应力时间历程。而后再现浓缩后的应力时间历程，进行可靠性试验。定时截尾试验使试验达到规定的试验时间就停止。利用这种方法试验，减少了试验中按实际运转工况模拟并待全部试验样品都失效所需的冗长时间。使得在尽可能保持与实际运行工况故障模式的一致性情况下，缩短了试验时间。但是试验得到的是一组不完全的寿命试验数据。只能采用特定的统计分析方法，大致地了解产品的可靠6性水平，不能用一般的估计方法来估计可靠性参数。所以这种方案还处在理论研究过程中。到目前为止，国内外汽车变速箱同步器试验系统有了专用的试验装置及相应的试验规范。但是由于汽车的行驶是一个复杂的过程，要在单个总成试验台模拟被试件在实际行驶时的工况是十分困难的。因此台架试验结果同汽车实际行驶试验的结果有较大的差距。现有的台架试验只能说是一种对比试验，如何解决这一问题？许多学者和研究机构都在进行这方面的探索。1989 年德国大众汽车公司开始研制一种将整个汽车传动系联接起来进行寿命试验的试验台，称之为传动系万能试验台。1991 年，大众公司开始研制模拟汽车行驶工况的传动系统综合试验台，这种试验台能模拟汽车的各种行驶工况，进行试验，并能同时进行变速器、离合器、传动轴、后桥的寿命试验。与此同时日本有关学者也在进行传动试验台上用电机模拟发动机工况的研究，并申请了专利。另外，法国、美国有些汽车公司也在进行传动系统室内道路模拟试验的研究。而国内有关报道却很少见到。汽车变速箱同步器试验系统是汽车传动系统中试验内容最多、技术难度最大的试验设备之一，这一点在汽车行业已达成共识。因而，如何能够获得一套合理、可靠的汽车变速箱同步器试验设备，一直为广大汽车设计、制造及检验工作者所追求的目标。相信随着我国科学的不断进步，汽车变速箱同步器试验系统也将会得到更完善的发展。1.2 变速器1.2.1 变速器的作用由于车辆行驶的环境复杂多变，行驶阻力不断变化，人们需要经常地改变车辆的驱动力大小和行驶速度，而一般来说，发动机提供的扭矩、转速范围不能满足需要。故此需要由传动系统通过改变传动比，调节输出到传动轴的扭矩和转速，适应所需驱动力及速度变化的需求。在车辆传动系统中装上变速器后，克服了发动机特性曲线上的缺陷，使车辆具有接近于装有等功率发动机时的驱动功率与驱动力，改善了车辆的动力性，见图1.3。通过进一步分析可知，当变速器的挡位无限增加，即采用无级变速器，且无级变速器的机械效率等于有级机械变速器时，发动机就可能总在最大功率下工作，即具有与等功率发动机同样的动力性。这一点对于作业工况复杂多变，负载变化大，换挡频繁的工程车辆来说尤其重要。7图1.3 装有活塞式内燃机和三挡变速器的车辆与装有等功率发动机车辆的动力性1.2.2 自动变速技术的产生采用手动变速器的车辆需要通过驾驶员的操作改变传动比，使车辆适应行驶条件。这样不仅给驾驶员造成较大的操作负担和压力，而且在很大程度上依赖驾驶员的经验，对车辆行驶状态和发动机工况的控制难以达到较为理想的程度。随着能源的日趋紧张以及大气环境遭到的破坏日益加重，提高车辆的燃油经济性，节约能源及改善车辆的排放，减少大气污染已成为人们急需解决的问题。近几十年来，自动控制技术和计算机技术的发展为自动变技术的发展完善提供了有利的客观条件。随着变速理论的不断进步，在车辆整体综合性能不断提高的同时，换挡策略越来越复杂，完全由驾驶员按照换挡策略换挡已经不可能。这样，车辆自动变速技术应运而生。1.2.3 自动变速器的分类目前世界上使用最多的自动变速器主要有3 种类型：液力自动变速器(Automatic Transmission 简称“AT”)；机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission 简称“ AMT ” ) ； 金属带式无级自动变速器(Continuously Variable Transmission 简称“CVT”)。(1) 液力自动变速器液力自动变速器是将柴油机的机械能平稳地传给车轮的一种液力机械装置，传8动部分主要由液力变矩器和行星齿轮变速器或定轴式变速器组成，是能实现局部无级变速的有级变速器，它是目前国外用得最多的自动变速器。(2) 电控机械式自动变速器电控机械式自动变速器是在原有机械变速器基本结构不变的情况下，通过加装微机控制的自动操纵机构，取代原来由驾驶员人工完成的离合器分离与接合、摘挡与挂挡以及发动机的转速同步调节等操作，最终实现换挡过程的操纵自动化。(3) 金属带无级自动变速器金属带无级自动变速器属于摩擦式无级变速器，其传动与变速的关键是具有型槽的主动锥轮、从动锥轮和金属带。每个型轮由一个固定锥盘和一个能沿轴向移动的可动锥盘组成，来自液压系统的压力分别作用到主、从锥轮的可动锥盘上，通过改变作用到主、从锥轮可动锥盘上液压力的大小，便可使主、从动锥轮传递扭矩的节圆半径连续发生变化，从而达到无级改变传动比的目的。1.2.4 自动变速器的发展状况(1) 液力自动变速器液力自动变速器用于现代化的机器始于本世纪初，最早用于船舶工业，作为船舶动力装置与螺旋桨之间的传动机构。在船舶工业应用液力自动变速器的过程中，人们认识到液力变矩器具有的一些特性：如涡轮转速随负荷自动变化，缓冲及减振等，这些特点对于陆地行驶的车辆来说是极为理想和重要的性能。于是在30 年代，瑞典的阿尔夫里斯豪姆（Alf Lysholm）与英国里兰车辆公司的史密斯（Smith）工程师合作，创立了里斯豪姆史密斯型三级液力变矩器，应用到公共车辆上。自此，液力自动变速器获得了快速发展。迄今为止，液力自动变速器是发展最为成熟的自动变速器。其基本形式是液力变矩器与动力换挡的旋转轴式机械变速器串联。液力变矩器是通过液体动量矩的变化来改变转矩的一种传动元件，除了起离合器的作用外,还具有连续无级变速和改变转矩的能力，对外负载有良好的适应性。液力变矩器除可与旋转轴式变速器串联、传递全部柴油机功率外，还可以与旋转轴式变速器有多种并联方式，实现内分流、外分流、合分流等多相自动变速。从50 年代起，装备液力自动变速器的轿车开始增多，但当时自动变速器的效率明显低于机械变速器，使得装备自动变速器的车辆存在燃油经济性较差的问题；同时，自动变速器的结构较复杂，成本高，从而限制了它的发展。为解决液力自动变速器效率低的问题,有关工程技术人员做了大量的工作。60年代的研究重点是采用多元件工作轮,提高液力变矩器的效率。70 年代是使用闭锁离合器,提高液力自动变速器在高速时的效率。80 年代则采取增加行星齿轮变速器挡位的方法以及使用电子控制。90 年代,大量电子技术的应用,使液力自动变速器的发展进入了一个9新的时期，为其注入了新的活力。其燃油经济性大体上与手动机械式变速器相当，综合经济性能也得到了提高。液力自动变速器是目前市场上的主流产品，装车率逐年增加，以轿车为例：在美国液力自动变速器的装车率已达95%左右，日本现在大、中型轿车已达80%以上，欧洲发达国家大体也达到50%左右。城市大客车的装车率，在美国大体上是100%，西欧是95%。工程车辆的装车率，在美国是70%，西欧是30%。由于液力自动变速器具有自动适应负载以及减振的特点，所以工程车辆一般都采用液力自动变速器。（2）机械式自动变速器电控机械式自动变速器是一种由普通齿轮式机械变速器组成的有级式机械自动变速器。它以其传动效率高、成本低和易于制造等优点在自动变速器家族中占有重要的位置。它是在传统固定轴式变速器和干式离合器的基础上，应用电子技术和自动变速理论，以电子控制单元（ECU）为核心，通过液压执行系统控制离合器的分离与结合、选换挡操作以及柴油机节气门的调节，来实现起步、换挡的自动操纵。这种自动变速器主要包括三个部分：自动离合器、齿轮式机械变速器和电子控制系统。AMT 的发展可分为两个阶段。首先是半自动的SAMT 阶段。机械式变速器的电控自动化始于70 年代中期，瑞典的Scania 的CAC 系统和德国Damler Benz的EPS 系统均采用了半自动操作方式（SAMT），使得换挡动作实现了自动化。由电子控制的气动系统实现换挡，而换挡时刻由驾驶员-踩离合器踏板来确定，电子显示器可提示驾驶员何时为最佳换挡时刻。第2 阶段是全自动阶段。世界上第一种全自动电控机械式自动变速器是1984年五十铃公司投放市场的NAVI-5，同时期出现的还有日本Nissan、Hino 和美国Eaton 的全自动变速系统。1988 年德国ZF 公司将其Autoshift 系统装车使用。在此领域开展研究的还有美国Ford、意大利Fiat、法国Renault 和瑞典的申宝等其他大型车辆企业，使全自动AMT 逐步进入实用阶段。这种电控机械式自动变速器既具有液力自动变速器自动变速的优点，又保留了原手动变速器齿轮传动的效率高、成本低、结构简单、易制造的长处。在几种自动变速器中，AMT 的性能价格比最高。在中低挡轿车、载货车等方面应用前景较广阔。（3）金属带无级自动变速器金属带无级自动变速器克服了前面两种自动变速器固有的齿轮传动比不连续和零件数量过多的缺点，具有速比光滑变化，无级传递扭矩，乘坐舒适，加速性好，燃料经济性高等特点，真正实现了无级变速。但它的启动性能差，故需另加启动装置，现在较多的CVT 选择液力变矩器作为启动装置，又称双无级自动变速器。早期的机械无级变速器是通过两个锥体改变接触半径来实现传动比连续变化的，但由于接触部分挤压应力太高，难以进入实用化。1955 年，荷兰DAF公司在车辆上10试装采用“V”形橡胶带的CVT，但因该传动机构的体积过大，传动比太小，又受皮带寿命的影响，无法满足车辆行驶的要求。德国PIV 公司从1956 年起，开始研究链传动的CVT，德国大众车辆公司也曾在轿车上装用过这种变速器。到80 年代，出现了技术上的突破，橡胶皮带被由许多薄钢片穿成的钢带代替，使其与两个锥轮的槽在不同的半径上啮合来改变传动比。这种结构使变速器的传动比得到了明显的提高，从而具备了在车辆上广泛使用的前提条件。1987 年，VDT 公司的金属带式无级变速器进入商品化阶段，这年，福特车辆公司首次在市场上推出装有这种金属带的CVT。日本富士重工也于同年研制成功装备于Juste 车上（排量11.2L）电子控制CVT。之后，菲亚特、福特、日产等车辆公司都在公司生产的一些1.21.6L 排量轿车上装备这种变速器。九十年代，VDT 公司研制成功了传动力矩大、性能更佳的第二代CVT变速器。到1995 年，装有CVT 的车辆产量已达100 多万辆。目前主要有以下的CVT 生产厂商FHI Subaru Justy、Ford、Fiat、Nissan 等。其中欧洲Ford公司CVT 产量为15 万/年，FHI CVT 产量为20/年。特别指出的是：美国福特公司在1997 年有了历史性的突破，生产出可用于大扭矩、排量高达38L（扭矩为365N.m）V6 柴油机的CVT，并成功安装于Winstar minivan 车辆上。这就结束了CVT 只能应用于中型车辆上的历史，为大规模应用CVT 于车辆开辟了道路。1.2.5 自动变速器未来的发展趋势（1）有级自动变速器多挡位化对于有级变速器，只有增加其挡位，才能使其在性能上接近无级变速的理想状态，从而提高动力性并节约燃油。目前，已经有液力变矩器+6 挡位的产品化AT 出现。但是，从成本、制造的可行性等方面考虑，过多的挡位反而会使这种自动变速器的性能/价格比下降。所以，在目前的设计、制造技术水平下，液力变矩器 + 5/6 挡位的AT 是比较适合的。（2）自动变速器控制单元的电子化、计算机化、智能化自动变速技术的不断发展完善，在使车辆整体综合性能不断提高的同时，也促进了自动变速器的自动化、智能化。以机械无级变速器（CVT）为例，根据车辆工况，它需要随时调整液压系统压力，控制带轮两部分的相对滑移程度，从而改变变速器传动比。在这种情况下，人工手动以及机械式的自动是不能胜任的，控制单元的电子化、计算机化是十分必要的。（3）换挡过渡过程的高品质化待分离和待结合换挡的离合器压紧油压配合是否合理，对换挡品质具有显著的影响。 AT 的换挡品质控制的研究一直是一个热点。换挡品质反映在换挡过渡过程的舒适性和零部件负载两个方面，其中过渡过程的平稳性和结合元件热负荷是两项最主要的指标。目前，压紧油压通常采用响应速度快、调节精度高的电液比例阀或11高速电磁阀进行调节。换挡品质控制的智能化也是一个发展方向。换挡过渡过程受柴油机工况、车况和道路状况等行驶工况的影响。通过对车辆行驶工况的识别，并利用神经网络、模糊控制等现代控制手段来实现换挡过渡过程的高品质化。1.2.6 实现车辆自动变速的意义（1）自动变速器消除了驾驶员换挡技术的差异性车辆性能的优势除与其自身的结构有关外,还取决于正确的控制和操纵。例如，有资料表明：熟练驾驶员与非熟练驾驶员之间的平均油耗相差达10以上。自动变速是按某种预先设定的换挡策略自动完成换挡,以使整车获得最佳的燃油经济性、动力性和低的污染排放。只要换挡策略设定正确就会取得好效果，而与驾驶员的技术水平无关。（2）自动变速提供了良好的传动比转换性能无级自动变速可以消除或减弱动力传动中的动载；而有级自动变速，由于它能自动同步换挡、离合器可按最佳结合规律结合，也避免了手动换挡粗暴所产生的冲击与动载，这对于地形复杂、路面恶劣的现场作业或越野行驶时的工程车辆、自卸车辆以及军用车辆都特别重要。试验表明：在最坏的路段行驶时，自动变速的车辆传动轴上，最大力矩峰值只相当于手动换挡的2040，原地起步时力矩峰值只相当于5070。因此，可使柴油机寿命提高1.5 倍，变速器寿命提高23 倍，其它传动系统零部件寿命也将提高1.52.5 倍。（3）自动变速可减轻驾驶员劳动强度、提高生产率操纵车辆的任务在于：根据不断变化的道路、交通情况，对车辆的行驶方向和速度进行灵活的控制。据统计：城市大客车平均每分钟换挡35 次，驾驶员就要连续完成2030 个手脚协调动作。而采用自动变速后，则从根本上简化了操纵，离合器踏板、变速杆都取消了，驾驶员只要控制油门，即控制了自动变速，极大地改善了驾驶员的劳动条件，从而提高劳动生产率。对于工程车辆，由于其作业条件与作业工矿复杂、多变，负载变化的范围大、随机性强，导致其换挡也十分频繁，所以自动变速对与工程车辆减轻驾驶员劳动强度、提高生产率意义尤其重大。1.3 车辆自动换挡规律简介所谓换挡规律是指变速器的换挡时刻随控制参数而变化的关系。自动换挡规律是自动变速系统判断当前应处挡位或升、降挡的依据。根据换挡规律控制参数的不同可分为：单参数换挡规律、两参数换挡规律和动态三参数换挡规律。1.3.1 单参数换挡规律单参数换挡规律的控制参数一般为车速，见图1.4 ，当车速达到V2 时，换入12挡。当车速小于V1 时，换回挡。其特点是：换挡控制系统结构最简单，但是不论油门开度如何，换挡点、换挡延迟的大小都不变，不能实现驾驶员可干预的换挡控制，也难于兼顾动力性与经济性的要求。这种换挡规律应用范围比较有限，只有少数城市公共车辆、军用越野车有所应用，目的是减少换挡次数。图 1.4 单参数换档规律1.3.2 两参数换挡规律如图1.5 所示，两参数换挡规律的换挡参数一般为车速Va 和油门开度 。与应用单参数换挡规律相比，应用两参数换挡规律能使车辆得到更好的动力性和经济性。因此，目前世界上的自动换挡操纵系统几乎都是采用两参数换挡规律。两参数换挡规律根据换挡延迟的变化规律又可分为以下几种：（1）等延迟型：如图1.5(a)所示，其换挡延迟的大小不随油门开度而改变，但可实现驾驶员干预换挡，在小油门时可提前换高挡，既减小柴油机噪声，又可延迟换回低挡，改善了燃料经济性。（2）发散型：如图1.5(b)所示，其换挡延迟随油门增大而增大，主要特点是大油门升挡时柴油机转速高，接近最大功率点，动力性好，换挡延迟大，减少了换挡次数，提高了舒适性。驾驶员可以干预换挡，快松油门时可提前换入高挡，不仅降低噪声，而且改善了燃油经济性。大油门降挡时的柴油机转速必须降得很低，功率利用差。13图 1.5 两参数换档规律（3）收敛型：如图1.5(c)所示，其换挡延迟随油门的增大而减小，其特点是由于大油门时换挡延迟最小，因而在大油门升挡时能保证较好的功率利用，动力性好。小油门时换挡延迟大，可减少换挡次数，而且柴油机可以在较低的转速下工作，燃料经济性好，噪音小，行驶平稳舒适。（4）组合型：如图1.5(d)所示，它由两段或多段不同变化规律组成。其特点是便于在不同油门下获得不同的车辆性能，小油门时舒适、稳定、污染小；中油门时经济性好；大油门时动力性好。组合型换挡规律适应性好，应用范围很广。1.3.3 三参数换挡规律上述换挡规律是以车辆稳定行驶为前提的，但实际上，车辆在起步、换挡过14程中，均处于加速或减速的非稳态过程。因此，有人提出了动态三参数（车速Va、油门开度、和加速度dV/dt）换挡规律，并且根据优化计算时所选取的目标函数不同又可分成最佳动力性换挡规律和最佳经济性换挡规律两种类型。（1）最佳动力性换挡规律：所谓最佳动力性换挡是指在同一油门开度下两挡加速度曲线的交点处换挡。这样可以获得良好的换挡平顺性，减小换挡冲击。（2）最佳经济性换挡规律：它的目标函数是在某一油门开度下，车辆从原地起步连续升挡加速至某一要求车速Va 时，总的油耗Q 应最小。经济性或动力性的换挡规律解决的是车辆行驶中一般性的、基本的问题。其优点是如果当车辆的实际行驶环境和车辆行驶状态与求解最优换挡规律的实验条件相近时，传统的换挡规律给出的是某一指标最优的挡位，如最佳燃料经济性、最佳动力性等。1.4 设计任务设计变速器总成中同步器寿命试验台。通过操作该试验台,可自动完成汽车变速器寿命及性能试验。具体要求如下：(1）试验台可对变速器试验样品进行寿命及性能试验。(2）针对力及扭矩、转速、位移、等参数，试验台可分别对以上参数进行检测。(3）换档行程: 0200mm。(4）选档行程：0200mm。(5）换档力测量范围及精度：0250N(6）选档力测量范围及精度：0250N1.5 论文主要内容针对以上课题研究的任务，本文在查阅大量资料的基础上，在大量调研的基础上，对以下内容进行了重点研究。（1）机械系统设计其中包括机械系统、驱动系统、步进电机及其它部分设计的制定。（2）电气系统设计计算机检测系统、A/D 转换器、步进电机控制系统、换挡力及位移检测。15。2 机械系统设计课题研究的系统要求可以对同步器进行性能和可靠性两种方式的试验。通过手动操作可实现同步器的换档过程；也可利用驱动系统来自动换挡，模拟人手对同步器进行的换档过程。同时利用计算机检测系统，采集各种传感器发来的信号，对其处理分析后，来检测被试验同步器的性能与可靠性。本系统是典型的机电一体化系统。其机械系统总体布局如图 2.1 所示图 2.1 机械系统总体布局2.1 机械系统的工作原理 该系统分为手动操作和自动操作两种工作方式。在进行同步器性能试验，测量试验中的各项参数时，一般采用手动方式操作试验台。在进行同步器可靠性试验时，设定要执行的工况和工况数后，一般采用自动方式操作试验台。自动方式利用具有位置控制功能的换档机构来模拟人手的换档过程。换档机构功能的实现利用一个滑动副及一个万向节联合实现，滑动副由在一套筒内嵌入的直线轴承和滑杆构成。如图 2.2 换档机构基本构成所示。16图 2.2 换档机构基本构成2.2 换档机构工作台机械部分设计2.2.1 工作台外形尺寸及重量估算取 X 向导轨支承钢球的中心距为 100mm，Y 向导轨支承钢球的中心距为150mm，设计工作台简图见图X 向拖板(上拖板)尺寸：长 宽 高 140 100 50重量：按重量=体积 材料比重估算140 100 50 10 7.8 10 55 (N)32Y 向拖板(下拖板)尺寸：170 150 50重量：约 99N上导轨座(连电机)重量：(658 100 10+2 558 35 40) 7.8 10 10 173 (N)23连杆重：10N电机重约：6NXY 工作台运动部分的总重量：约 343N变速箱操纵杆万向节滑动副驱动杆172.2.2 滚动导轨的参数确定(1) 导轨型式：双 V 型滚珠导轨(2) 导轨长度1) 上导轨(X 向)取动导轨长度 l =158B动导轨行程 l=400支承导轨长度 L=l +l=558保持器长度 l = l + =358GB22) 下导轨(Y 向)l =188 l=400BL=l +l=588 l = l + =388GB2(3) 滚动体尺寸与数目的确定滚珠直径取 d=6mm,数目根据 ZG/30 决定d1) 上导轨G =55+10=65 (N)x所以 Z =2.86.035X 向动导轨长度 l =158，取 Z =3，两滚珠之间的间距 t=52mmBx2) 下导轨G=343 (N)所以 Z =14.8y6.034因为l =158，取t=11, Z =15By（4）最大动负载C的计算及主要尺寸初选滚珠丝杠最大动载荷C 可用下式计算：mFfL3式中：L为工作寿命， ；n 为丝杠转速， ；v 为最大负610/t01Ln载条件下的进给速度，可取最高速度的1/21/3； 为丝杠基本导程；t 为额定0L使用寿命，可取t=15000h； 为运转状态系数，一般情况取1.21.5； 为mf mF滚珠丝杠工作载荷。18根据 =51153.8N。根据额定动载荷Ca不小于C的原则： mFfLC3初选丝杠螺距： =10mm 0L额定动载荷： Ca=51600N（5）滚珠丝杠螺母副几何参数：如表 1表 1 滚珠丝杠螺母副几何参数计算名称 符号 计算公式和结果公称直径 d025mm螺距 L10mm接触角 450钢球直径 WD6.0mm圈数列数 3.51螺纹滚道螺纹升角 4520螺杆直径 1d23.8mmWD).(0螺杆内径面积A 2.83mdw螺杆螺杆接触直径dz m.0cos0zm(4) 许用负荷验算平均每个滚珠上最大负载 P =P /Z ，而maxGP = (P + )G2H1ZP式中: P 导轨的预加负荷,按最大工作负荷的 计算.H 2X 向导最大负荷P x =0.707 =0.707 =15.3 (N)maZPx13065Y 向导最大负荷P y =0.707 =0.707 =16.2 (N)aGyZ154许用负荷 P =kd 2查表得 k=60N/cm ,考虑制造精度高,且导轨短,k 可提高 50%,即 k 取 90 N/cm 。2 2查表得 =1,则19 P =90 0.6 1=32.4 (N)2P x=15.3 P P y =16.2 P maxmax故导轨可用。2.3 换档机构空间运动模型的简化被测的变速箱为三菱公司的 MAE 型。含有六个档位,结构如图 2.3 所示。图 2.3 变速箱档位图通过空间模型，将操作杆的实际位移同传感器测量的位移建立联系。如图 2.4。图 2.4 操纵杆的空间模型如图 2.4 所示，操作杆 BD 可进行 AD、CD 两档位的变换。当操纵杆从中间位置BD 挂到档位 AD 时，位移传感器测量到位移值 ，操纵杆移动弦长 。利用空间测mAB模型，建立测量值 同弦长 的关系。测mABX YZ(X0,Y0,Z0)(X1,0,0)(X1,Y1,0)RA BCDE FM 位移传感器测mB0图2-4 操纵杆的空间模型图 2-4 操纵杆的空间模型20计算后得到：BE= 2021210 )()()( ZYRXAE= 0cossin( ）RX利用角度 换算 与弦长 的关系：测mABBEA测 20212102021210 )()()()()cs()si( ZYRXZY AB= coR以此建立了测量值 同操作杆换档移动弦长 的转换关系。同理，可建立测 AB测量值 同操作杆换档移动弦长 的转换关系，以及选档方向上操作杆移动的测mBC实际位移同传感器测量值的转换关系。以此为计算机进行运算处理提供了依据。根据其结构，任意档位之间的运动都可以简化为换档机构在换档方向和选档方向的移动。最后，可以将换档机构的运动轨迹简化为图 2.5 所示的两种运动形式。位移传感器测量出换档机构在空间中的位移，通过转换公式转换成操作杆的实际位移，然后根据杠杆比可以换算出变速箱拨叉的位移。图 2.5 换档机构的基本运动2.4 驱动系统的工作原理同气动系统比较，采用电气系统具有机构简单，机械强度高，传动平稳，易实现无级调速，驱动力大等特点。因此，本项目最终采用了电气方式的驱动系统。两个电机通过机械滑台结构十字交叉的连接在一起，装置中的伺服系统提供反馈，用来控制操作杆的选档运动和换档运动。同时工作台上固定的位移传感器在工作台运动时实时的采集位移信号，传送到计算机系统中。该系统采用位置闭环控制，由微机给定脉冲数值，经 D/A 变换、伺服放大后，控制电机运动，同时不断的与位移传感器测到的电压值相比较，若不相等则有电压输出，该电压经调制、放大解调后驱动电机。2.5 步进电机的选用直线运动 曲线运动212.5.1 电机外观 所选电机外观如图 2.6 所示图 2.6 电机外观2.5.2 技术参数查表得步进电机主要技术参数如表 2 所示。表 2 电机主要参数电机型号相数步 距 角 /（）电压/V最高空载启动频率 /Hz分配方式质量/Kg外径mm长度轴径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 安装尺寸安装尺寸如图 2.7 所示图 2.7 安装尺寸2.5.4 接线方式三相、四相等的接线如图 2.8 所示。三相 四相（两相） 五相 图 2.8 接线方式2.5.5 重要参数的确定23（1）步进电机启动力矩的计算：根据能量守恒原理，电机所做的功与载力作的功有如下关系：(N) bzspqFGT236式中： 脉冲当量(mm/step)；P运动方向的力（N） ； sF摩擦系数；垂直方向的力（ N） ； ZG 工作台重量（N） ；总机械效率。=0N，G=343N， =500N，取淬火钢滚珠导轨， =0.03 ，取淬火 =0.85，ZFsF则 85.45.0714.32306qT（2）步进电机惯性负载计算根据等效转动惯量的计算公式 21021)(ZJJJSD其中 ： 为 整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载（kg.cm ）2:步进电机转子轴的转动惯量（kg.cm ） 0J 2: 齿轮 的转动惯量（kg.cm ）;11Z2:齿轮 的转动惯量（kg.cm ）;22:滚珠丝杠的转动惯量 (kg.cm );sJ2对材料为钢的实心轴，齿轮，丝杠等圆柱零件转动惯量按下式计算: 341078.LDJ其中： D=mZL为齿宽，为610倍的m。则 =28.5=17mm=1.7cm1= m=40mm=4cmDZ=0.14 （kg.cm ） 1J2=28=16mm=1.6cm2L24= m=100mm=10cm2DZ=12.5 （ kg.cm ） J2而丝杠长L为588mm =0.78 58.8 =31.69（kg.cm ）s453102M:工作台质量（包括工件夹具在内）(kg);M =343N = =15 kg.cm0JML22则 2121)(ZJSD=9.8+0.14+12.5+31.69+15250= 17.93 kg.cm 2由于电机转动惯量很小，可忽略17.93/18.00=0.996MJ惯性匹配验算： 1/40.9861 所以惯性匹配比较合理。253 电气系统设计换档机构，要求换档过程中检测选档位移、换档位移、选档力、换档力。如图 3.1是机械手的电器原理图。图 3.1 电气原理图263.1 电气系统的组成3.1.1 8031 芯片8031 与 2764 程序块合用扩展为 8K 程序存储系统，其线路图如图 3.2 ：图 3.2 8031 扩展线路图因 8031 芯片内没有程序存储器，因此它在应用中与程序块 2764 连用。8031P0口外接一个地址锁存器 ，8031 访问外部程序存储器时，低 8 位地址由 P0 输出，并由 ALE 信号（-）锁存到地址锁存器中，地址锁存器输出地址信息 AB 07 接到2764 的地址线 A0A7 上，P2 口输出地址信息高 8 位，P2.04 输 A2125，接到2764 的 A2225，P2427，AB1215 接址直译码器，译出选择线 0N 分别连续接到 2764 的 CE（0） 、 CE（N）8031 的外部程序存储器 ；选通信号线 PSEN 接2764（0）2764（N）的数据允许输出端 OF。8031 的 P0 连接到址锁存器的输入端和 2764 的数据线 D0D7 上，8031 通过十六位的地址线能对外部 64K 字节程序存储器 和 64K 字节的数据存储器寻址，因为程序存储器 EPROM 用 8031 的 PSEN 信号选通，而数据存储器 RAM 用 8031 的读信号 RD 和写信号 WR 选通的，在 CPU 取指令周期，P2 口和 P0 口输出的是程序计数器 PC 的值，8031 的外部程序选通信号 PSEN，在 ALE 返回电平后发生负跳变，选通外部程序存储器，由地址线 AB015 确定外部 EPROM 中指令字节传送到 P0 口供 CPU 读取，读写信号线 WR、RO 始终为高电平，即 RAM 数据存储器不会被 选通，而在 8031 访问外部 RAM数据存储器的周期内，认得（或 WR）发生负跳变，程序选通信号，PSEN 始终为高电平，CPU 只和外部 RAM 传送数据，EPROM 没有被选通。273.1.2 8255 引脚功能8255 采用 40 脚双列直插式封装，单一5电源，其引脚如表 3 所示。（1）RESET:复位信号线，高电平有效，在该输入端加一脉冲宽度为 600ns 的高电平信号，就可使 8255 可靠复位，复位时三个输入/输出口预置为输入方式。（2）CE:片选端，8255 为低电平有效，8156 为高电平有效，当 8255 上加上一个低电平时，芯片被选中，可以与单片机交换信息。AD0AD7:三态地址/数据总线，在 ALE 的下降沿把 8 位地址锁存于内部地址锁存器，地址可代 RAM 或输入/输出用，由 IO/M 信号的极性而定，8 位数据的流向取决于 RD 或 WR 信号的状态。（3）ALE:地址锁存器启用信号线，高电平有效，其下降沿把 AD0AD7 上的地址，片选信号、IO/M 信号锁存起来。（4）IO/M:IO 和 RAM 选择信号线，高电平造反输入/输出，该线低电平存储器。（5）RD:读信号线，低电平有效，当片选信号与 RD 有效时，开启 AD0AD7缓冲器， 如果 IO/M 为低电平，则 RAM 的内容读至 AD0AD7，如果 IO/M 为高电平，则选中的输入/输出口的内容读到 AD0AD7。（6）WR:写信号线，低电平有效，当片选信号和 WR 信号有效时，AD0AD7 上的数据将根据 IO/M 极性写入 RAM 或 I/O 口。（7）PA0PA7:输入/输出口 A 的信号线，通用 8 位输入/输出口，输入/ 输出的方向通过对命令/状态寄存器的编程来选择。（8）PB0PB7:输入/输出口 B 的信号线，通用 8 位输入/输出口，输入/ 输出的方向通过对命令/状态寄存器的编程来选择。（9）PC0PC5:输入/输出口 C 的信号线，6 位可编程输入/输出口，也可用作 A 和 B 口的控制信号线，通过对命令/状态寄存器编程来选择。（10）INT:定时/计数器输入信号线，定时/计数器的时钟由此线输入。（11）TOUT:定时/计数器的输出信号线，输出信号为方波还是脉冲则由定时/ 计数器的工作方式而定。（12）VCC:电源线，接5V 直流电源。（13）VSS:接地线，接到公用地线上。3.1.3 A/D 转换器选用 AD574 型号的转换器。AD574 是美国模拟器件公司生产的 12 位逐次逼近型快速 A/D 转换器。转换速度最大为 ，转换精度 。片内配有三态输s35%05.出缓冲电路，因而可直接与各种典型的 8 位或 16 位的微处理器相连，而无须附28加逻辑接口电路，且能与 CMOS 及 TTL 电平兼容。由于 AD574 片内包含高精度的参考电压源和时钟电路，使它在不需要任何外部电路和时钟信号的情况下完成一切 A/D 转换功能，应用非常方便。因此，AD574 是目前我国市场应用最广泛、价格适中的 A/D 转换器。AD574 由模拟芯片和数字芯片二片混合集成。 （其中模拟芯片就是该公司生产的 AD565 型快速 12 位单片集成 D/A 转换芯片。数字芯片则包括高性能比较器、逐次比较逻辑寄存器、时钟电路、逻辑控制电路以及三态输出数据锁存器等。AD574 的主要特性如下：(1).非线性误差：AD574AJ 为 ；AD574AK 为 。LSB1LSB2/1(2).转换速度：最大转换时间为 。s35(3).输入模拟信号范围可为 ， ，也可为双极性 或 。V0V510(4).AD574 有两个模拟输入端，分别用于不同的电压范围。(5).利用不同的控制信号，既可实现高精度的 12 位变换，又可作快速的 8 位转换。(6).需三组电源：+5V， ， 。)152(VVC)152(VE(7).内设高精度的参考电压 ，只需外接一个适当阻值的电阻，便可向0.DAC 部分的解码网络提供 ，转换操作所需的时钟信号有内部提供，不需外接任REFI何元器件。(8).低功耗：典型功耗为 。mW393.1.4 力传感器在对变速器同步器进行性能和寿命试验中，当操纵杆进行档位操作时，采用电阻应变片式压力传感器，将它装置在操纵杆内，利用应变片的变形测量选档力和换档力。（1）电阻应变片的结构电阻应变片一般由敏感栅（金属丝或箔） 、基底、覆盖层、粘合剂、引出线组成。敏感栅是转换元件，它把感受到的应变转换为电阻变化；基底是用来将弹性体表面应变准确地传送到敏感栅上，并起到敏感栅与弹性体之间的绝缘作用；覆盖层起着保护敏感栅的作用；粘合剂是把敏感栅与基底粘贴在一起；引出线是作为连接测量导线之用。（2）电阻应变片的工作原理工作时，将应变片用粘合剂粘贴在弹性体上，弹性体受外力作用变形所产生的应变就会传递到应变片上，从而使应变片电阻值发生变化，通过测量阻值的变化，就能得知外界被测量的大小。