【正文】 附錄 B 單片機(jī)程序清單 ............................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 附錄 C C8051F060 數(shù)據(jù)手冊(cè) (部分 ) .................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1章 緒 論 課題研究的來源和目的 自 1886 年誕生第一輛汽車以來，汽車工業(yè)經(jīng)歷了 100 年的發(fā)展過程。在我國，從1953 年第一汽車制造廠動(dòng)土興工到現(xiàn)在，汽車工業(yè)的發(fā)展有了 50 年的歷史了。由于社會(huì)需求的不斷增長和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展的推動(dòng)，汽車日趨精巧，其運(yùn)輸生產(chǎn)率和各項(xiàng)性能都有很大提高。因此，現(xiàn)代汽車已成為世界經(jīng)濟(jì)與人民生活中不可缺少的一種運(yùn)輸工具。由于汽車工業(yè)是科技含量高、利潤高和對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)大的產(chǎn)業(yè)，汽車產(chǎn)品的質(zhì)量及其設(shè)計(jì)水平已成為衡量一個(gè)國家技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。得到了各國政府和企業(yè)家的重視，很多國家都把汽車工業(yè)作為支柱產(chǎn)業(yè)，汽車工業(yè)的競爭也越來越殘酷，對(duì)技術(shù)和質(zhì)量的要求也越來越高。 但就我國的設(shè)計(jì)水平而言，載貨汽車方面，我們經(jīng)歷了從全套改進(jìn)到仿制，再到自主開發(fā)的三個(gè)階段。 轎車方面，我們雖然在 50 年代末期在仿制的基礎(chǔ)上生產(chǎn)了“紅旗”、“上?！迸妻I車，但至今基本上仍屬于引進(jìn)階段。近年來，捷達(dá)和桑塔納改型成功，表明我國自主開發(fā)的能力方面開始取得進(jìn)展，但是這只是一個(gè)良好的開端，我們還有更多的工作需要做。 雖然我國建國較晚，同時(shí)又受到世界上一些國家的封鎖造成我國汽車工業(yè)相對(duì)落后世界先進(jìn)水平，同時(shí)我們也面臨著起步晚，經(jīng)驗(yàn)不足，資金缺乏和技術(shù)落后等一系列困難，造成了我國汽車工業(yè)還仍然處于不完善狀態(tài)。但是，自改革開放以來，我國汽車工業(yè)經(jīng)過了艱苦創(chuàng)業(yè)，已經(jīng)迎來了蓬勃發(fā)展的機(jī)會(huì)，顯示出了良好的 發(fā)展勢(shì)頭。 通過使用來鑒別汽車的零部件質(zhì)量是最為實(shí)際、有效的，也很客觀。但這種方法不能全部應(yīng)用于汽車零部件。因?yàn)檫@種方法要耗費(fèi)太多的人力、物力和財(cái)力，且周期長，見效慢，明顯不能適應(yīng)現(xiàn)代汽車發(fā)展的節(jié)奏。所以，我們要尋求周期短，耗人力和物力較少的實(shí)驗(yàn)方法，室內(nèi)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)正好滿足了這一需要。但是我國室內(nèi)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)水平太低，實(shí)驗(yàn)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)方法等等方面還有很多不盡人意之處。所以，為了提高我國汽車產(chǎn)品的質(zhì)量，設(shè)計(jì)，制造出精度高，操作簡便，適用性強(qiáng)，可靠性強(qiáng)，成本低的試驗(yàn)設(shè)備便成為擺在我們面前的首要任務(wù)。 在汽車的傳動(dòng)系中， 變速器起著非常重要的作用。因?yàn)樵谄嚿蠌V泛采用活塞式內(nèi)燃機(jī)，其轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變化范圍較小，而復(fù)雜的使用條件則要求汽車的牽引力和車速能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化。變速器正是為解決這一矛盾而設(shè)置的，保證變速器具有良黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 好的工作性能，將對(duì)提高汽車的質(zhì)量和性能起著非常重要的作用。同時(shí)變速器是汽車構(gòu)造上的一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用條件復(fù)雜、可靠性要求高的重要部件，所以，變速器應(yīng)保證汽車有必要的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)保證換檔迅速、省力、工作可靠。此外，還應(yīng)滿足效率高、噪聲低、體小質(zhì)輕、制造容易、成本低等。因此從產(chǎn)品開發(fā)到生產(chǎn)到使用都要對(duì)其進(jìn)行大 量的試驗(yàn)，以確定其各種性能參數(shù)，為汽車的生產(chǎn)、銷售、維修單位以及汽車的使用者提供可靠的參考，防止出現(xiàn)重大的事故。在此領(lǐng)域各國都在潛心研究，以不斷提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，從而提供更可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為社會(huì)服務(wù)。 由于變速器復(fù)雜的使用條件和復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成變速器受力比較復(fù)雜，破壞形式更是多種多樣，面對(duì)變速器如此多的損壞形式，變速器的實(shí)驗(yàn)臺(tái)也應(yīng)該是多種多樣的。因?yàn)槿绻O(shè)計(jì)出一臺(tái)能夠試驗(yàn)所有變速器的損壞形式的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，困難是非常大的，通常變速器的損壞試驗(yàn)包括以下幾種： (1) 變速器效率實(shí)驗(yàn) 主要用于衡量變速器性能、標(biāo)志著變速器功率損耗的多少。 (2) 變速器總成動(dòng)態(tài)剛性試驗(yàn) 是評(píng)價(jià)變速器設(shè)計(jì)水平的重要指標(biāo)之一，是指變速器各軸在傳遞扭矩時(shí)變形的大小。 (3) 變速器總成噪聲測定 變速器總成噪聲作為汽車噪聲的一個(gè)重要組成部分，近幾年已被人們所重視，在《 TB398785標(biāo)準(zhǔn)》中已被列為產(chǎn)品定型的必試項(xiàng)目。 (4) 同步器試驗(yàn) (5) 變速器總成靜扭強(qiáng)度試驗(yàn) 該項(xiàng)試驗(yàn)的目的在于暴露變速器總成的薄弱環(huán)節(jié)，以及確定其靜扭強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)。 (6) 變速器單對(duì)齒輪疲勞試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃谝?guī)定的條件下測定變速器齒輪的彎曲疲勞壽命和接觸疲勞壽命。 (7) 變速器總成疲勞壽命試驗(yàn) 由此可見，變速器效率實(shí)驗(yàn)臺(tái)在變速器實(shí)驗(yàn)中占據(jù)著非常重要的地位 ,可以完成變速器機(jī)械效率的測試，因?yàn)樵囼?yàn)臺(tái)臺(tái)工作載荷變化大，試驗(yàn)周期長，要求其具有良好的強(qiáng)度和剛度。我本次進(jìn)行的設(shè)計(jì)是機(jī)械閉式試驗(yàn)臺(tái)效率試驗(yàn)臺(tái)模型搭建與運(yùn)動(dòng)仿真研究，是配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行包括總體結(jié)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)過程仿真及力學(xué)分析。主要是為求得試驗(yàn)臺(tái)在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)各個(gè)元件及連接對(duì)的位置，速度及加速度，元件之間的干涉，元件的 軌跡曲線等等，以進(jìn)一步保證閉式汽車變速器性能試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 汽車變速器性能試驗(yàn)臺(tái)的發(fā)展概況 隨著工程車輛工業(yè)的迅猛發(fā)展，變速箱以其傳動(dòng)比固定，傳動(dòng)力矩大，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，成為工程車輛的關(guān)鍵性傳動(dòng)部件之一。齒輪傳動(dòng)效率影響整個(gè)工程車輛的動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性和排放性等。以前，國內(nèi)外大多將變速箱安裝在工程車輛上，在工程車輛的行駛中進(jìn)行試驗(yàn)，或在試驗(yàn)車特定條件下進(jìn)行道路試驗(yàn)。但這種試驗(yàn)方式周期長、費(fèi)用大。建立工程車輛變速箱齒輪傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，可以加強(qiáng)齒輪傳動(dòng)特性研究，性能驗(yàn)證及效率測試等。對(duì)變速箱總成試驗(yàn)也 可起到很好的作用。目前，汽車變速器試驗(yàn)臺(tái)主要分為傳統(tǒng)變速器性能試驗(yàn)裝置和先進(jìn)變速器性能試驗(yàn)裝置兩種形式。現(xiàn)分別介紹如下： 傳統(tǒng)汽車變速器性能試驗(yàn)裝置的類型及特點(diǎn) 汽車變速器是汽車構(gòu)造上的一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、使用條件復(fù)雜、可靠性要求高的重要部件，因此從產(chǎn)品開發(fā)到生產(chǎn)到使用都要對(duì)其進(jìn)行大量的試驗(yàn)。國內(nèi)外變速器總成效率試驗(yàn)臺(tái)的形式很多，但就其功率循環(huán)的方式而言，傳統(tǒng)的汽車變速器試驗(yàn)臺(tái)的形式主要分為以下幾種，即開式試驗(yàn)臺(tái)和機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)，開式試驗(yàn)臺(tái)與機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)相比較而言各有各的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) ,現(xiàn)分別介紹如 下： 開式功率流變速器試驗(yàn)臺(tái) 常見的開式功率流汽車傳動(dòng)系零部件試驗(yàn)臺(tái)由驅(qū)動(dòng)裝置、加載裝置、測量裝置，被試裝置等四部分組成。 （ 1）驅(qū)動(dòng)裝置 驅(qū)動(dòng)電機(jī)多用轉(zhuǎn)速可調(diào)的直流電機(jī)或電力測功機(jī)。 （ 2）加載裝置 加載裝置種類很多，常見的有： ① 直流電機(jī)或電力測功機(jī)（作為負(fù)載裝置用時(shí)是發(fā)電機(jī)）； ② 電渦流測功機(jī)； ③ 水力測功機(jī)； 其負(fù)荷調(diào)節(jié)較為困難，不易穩(wěn)定，所以在變速器試驗(yàn)臺(tái)中這些年已很少使用了。 ④ 磁粉加載器； 這種負(fù)荷裝置是近幾年才用于汽車實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的，其主要特點(diǎn)是：負(fù)荷控制方便噪聲小低速加載性能好但以為其滑差功率?。ù笈ぞ鄷r(shí)允許的轉(zhuǎn)速很低），所以只適用于小噸位車輛變速器疲勞壽命試驗(yàn)。 上述四種負(fù)載裝置中，目前應(yīng)用最多的是電渦流測功機(jī)和電力測功機(jī)。 （ 3）載荷測量裝置 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 如果應(yīng)力測功機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，則載荷即可應(yīng)用測功設(shè)備配備的測力裝置測量；若應(yīng)用其他電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則多使用就距測量儀。 （ 4）被試裝置 被試裝置為待試驗(yàn)的汽車變速箱。 開式試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式如圖 所示： 圖 開式功率流變速器實(shí)驗(yàn)臺(tái) 動(dòng)力傳遞路線如圖 所示： 圖 開式功率流變速器實(shí)驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力傳遞路線 則所測機(jī)械效率為 : 21()T T i? ? ? ? 它的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，試驗(yàn)方法簡單，通用性好，但是由于需采用原動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，造價(jià)高，耗電量大，尤其是做耗時(shí)較長的疲勞壽命試驗(yàn)時(shí)，更是如此。不宜進(jìn)行大功率加載試驗(yàn)，目前它適用于科研、教學(xué)和小型生產(chǎn)廠，例如吉林大學(xué)汽車試驗(yàn)室、哈爾濱齒輪廠研發(fā)部等。 機(jī)械封閉式功率流變速器試驗(yàn)臺(tái) 機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)，是目前為止國內(nèi)汽車變速器驅(qū)動(dòng)橋齒輪試驗(yàn)中應(yīng)用最多的試驗(yàn)臺(tái)。這類試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖 所示： 驅(qū)動(dòng)裝置 傳感器 變速器 傳感器 加載裝置 測量裝置 控制系統(tǒng) T1 i T2 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 圖 閉式功率流變速器實(shí)驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力傳遞路線 它的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作較復(fù)雜，控制繁瑣，通用性差，但是功耗少、投資省，適于疲勞壽命試驗(yàn)。本課題將對(duì)這種試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械部分進(jìn)行模型仿真及動(dòng)態(tài)仿真研究。 先進(jìn)汽車變速器性能試驗(yàn)裝置的類型及特點(diǎn) 目前比較先進(jìn)的變速器性能試驗(yàn)裝置是電功率流封閉變速器試驗(yàn)臺(tái)。這種類型試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖 所示： 圖 電封閉式功率流變速器實(shí)驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力傳遞路線 它的特點(diǎn)是：機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、通用性好，能源利用較好，總體造價(jià)高，操縱控制系統(tǒng)復(fù)雜，所以很少被采用。目前已在此基礎(chǔ)上開發(fā)有檔次較高的實(shí)驗(yàn)裝置，但是受到價(jià)格的約束，尚未在一般科研部門、院校及企業(yè)應(yīng)用。 課題研究的主要內(nèi)容及技術(shù)路線 課題研究內(nèi)容 依據(jù)給定汽車變速器性能試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，以及機(jī)械部分設(shè)計(jì)的成果，確定控制模式及參數(shù)，設(shè)計(jì)變速器性能試驗(yàn)臺(tái)的電子控制系統(tǒng)，包括：動(dòng)力部分、控制部分、執(zhí)行部分和輔助部分。 課題研究技術(shù)路線 本次設(shè)計(jì)的技術(shù)路線可用圖 來表示。 變速器試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)總體方案 控制系統(tǒng)總體方案如圖 。 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 齒輪箱 被試變速器 陪試變速器 齒輪箱 加載裝置 電力網(wǎng) 可控硅整流器 電力測功器（動(dòng)力用） 被試變速器 陪試變速器 電力測功器（加載發(fā)電用） 可控硅整流器 電力網(wǎng) 傳動(dòng)軸 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 圖 技術(shù)路線圖 通過 VB做的參數(shù)輸入界面將要控制的電機(jī)參數(shù)輸入到上位機(jī)的串行通迅口， 本設(shè)計(jì) 采用 RS232 的 COM1 口，然后通過 MAX232 芯片將 RS232C 電平轉(zhuǎn)換成 TTL 電 平送到單片機(jī)的串行口， 本設(shè)計(jì) 采用 UART0 口，再由單片機(jī)從接收緩沖器 SUBF0 中讀出數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)處理后，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的 PWM（脈寬調(diào)制信號(hào)）信號(hào)由單片機(jī)的通用 I/O 口送入到變頻器中，由變頻器再輸出對(duì)應(yīng)的頻率來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速功能。 熟悉變速器實(shí)驗(yàn)臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu) 學(xué)習(xí) Protel、 VB、單片機(jī)軟件的理論和應(yīng)用 結(jié)合設(shè)計(jì)內(nèi)容做出軟件界面并編寫出相應(yīng)程序 選擇單片機(jī)和傳感器做出硬件電路板 將軟件與硬件通過接口技術(shù)連接起來 進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題并完善程序 確定設(shè)計(jì)內(nèi)容 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 圖 控制系統(tǒng)總體方案 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩 傳感器 信號(hào)反饋 AD 轉(zhuǎn)換器 串口 四路顯示驅(qū)動(dòng) RS232 PC 機(jī) 顯示板 （轉(zhuǎn)速） 顯示板 （轉(zhuǎn)矩） 顯示板 （效率） 顯示板 （時(shí)間） PWM發(fā)生器 單片機(jī) R R S T R 變頻器 U V W ～ 380V 電動(dòng)機(jī) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 第 2章 變速器試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的原理 本設(shè)計(jì)主要控制以下三個(gè)參數(shù)：電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理 本設(shè)計(jì)要用到大轉(zhuǎn)矩，大功率的電機(jī)，故選用三相異步交流電機(jī)。 交流異步電動(dòng)機(jī)（以下均指的是感應(yīng)交流異步電動(dòng)機(jī)）因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、維護(hù)方便的特點(diǎn)，在生產(chǎn)和生活中得到廣泛的應(yīng)用，與其他種類電動(dòng)機(jī)相比 .交流異歩電動(dòng)機(jī)的市場占有量始終居第一位。 然而長期以來，交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速始終是一個(gè)不好解決的難題。直到 20 世紀(jì)70 年代。由于計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生 .以及近 20 年來新型快速的電力電子元件的出現(xiàn) .才使得交流異歩電動(dòng)機(jī)的調(diào)速成為可能，并得到迅速的普及。目前 .交流異歩電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已廣泛應(yīng)于數(shù)控機(jī)床、風(fēng)機(jī)、泵類、傳送帶、給料系統(tǒng)、空調(diào)器等設(shè)備的動(dòng)力源或運(yùn)動(dòng)源，并起到 節(jié)約電能、投卨設(shè)備自動(dòng)化、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的良好效果。 現(xiàn)在流 行的 交流 異歩 電動(dòng)機(jī) 調(diào)速 控制 方法 可分 為兩種 ：變 頻變 壓法VVVF(variable voltage variable frequency)和矢量控制法，前者的原理相對(duì)比較簡單，有 20 多年比較成熟的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，因此應(yīng)用得較多，目前市場出售的變頻器多數(shù)都是釆用這種控制方法。由于使用這種控制方法對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，可能會(huì)使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變差 .因此人們開始研究矢量控制技術(shù)。矢量控制的思路是：設(shè)法在三相交流異步電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律。 交流異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速原理 根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可由下式表示 n=60f(1S)/P () 式中 : n──電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； P──電動(dòng)機(jī)磁數(shù)： f──電源頻率； S──轉(zhuǎn)差率。