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毕业设计任务书

题目 同步器寿命性能试验中换档机械手结构设计

下发 09年 3月 1日 完成 09年 6月 1日

同步器寿命性能试验中换档机械手结构设计

一、课题研究的目的和意义
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挡，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。
本课题正是基于上述情况，利用驱动机械手代替手动换挡来研究变速器总成中同步器寿命试验。

二、 同步器介绍

2.2.1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。第一章绪论为解决这一矛盾，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，必须使所选挡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挡性能。它是在接合套换挡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中型载货汽车六挡变速器中五、六挡使用的是具有锁环装置的惯性同步器。东风EQ1090E型汽车五挡变速器使用的具有锁销装置的惯性同步器。
2.2.2同步器的工作原理
为避免机械变速箱在换挡时冲击噪声大，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）。挂挡时接合套移动，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键啮合，完成换挡（对应工作原理图1-2c）。

图1-1锥型同步器结构示意图
1.同步环 2.结合套 3.空转齿轮 4.回位弹簧
5.锁止齿 6.啮合齿 7.锥型摩擦面 8.齿毂

图1-2同步器工作原理
（a）接合套空挡 （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
1.2.3同步器的使用
根据上述的同步器工作原理，我们可以进一步理解下列几个问题：
1）下长坡时要及早挂入低速挡，以充分利用发动机的辅助制动功能。千万不可熄火空挡滑行，否则安全性不易保证。此外，若换挡时间过晚，挂不上低速挡时，可以考虑踩制动踏板，再配合加油。
2）若离合器分离不彻底，所需挡位接合齿圈转速难以达到同步转速，会导致挂挡困难。
3）同步器锁环磨损严重，定位弹簧变软，滑块缺损等，易导致挂挡困难或出现异响。
4）应及时换挡，爬坡时不能拖挡，高挡不硬撑。
5）正常换挡要脚轻手快。从上述工作原理分析可知，同步器实质是一种强制同步装置。在换挡时，惯性作用通过摩擦力矩形式使所需挡位接合齿圈（升挡减速，降挡加速）迅速达到与接合套的惯性转速（即上一个挡位转速）相同，从而实现同步换挡。在未达到同步之前，不论对操纵手柄使多大力都难以挂入所需挡位。同步器损坏会导致挂挡困难，需要换件或整体更换。锁环式同步器若锁环磨损严重，即接合齿和内锥面磨损严重，失去锁止作用，会导致摩擦作用减弱，同步时间延长，致使挂挡困难，应更换新锁环。锁销式同步器若锥盘与锥环锥面磨损严重，会导致同步时间延长；锁销磨损严重会失去锁止作用。因锁销式同步器不可拆卸，应更换新同步器。
同步器在使用中应注意以下事项：
1）换挡时离合器踏板一定要踩到底，否则会加剧锁环内锥面或锥环外锥面的磨损，缩短同步器的寿命。
2）变速器内的齿轮油量要达到标准液面高度，以满足润滑需要。
3）合理使用两脚离合器换挡法，动作要熟练，时机要准确。
4）上、下坡时，要掌握挂入低速挡的时机，否则挂挡困难，会加剧同步器的磨损。

三、 课题任务
根据我国汽车行业标准，本课题要研制出变速器总成中同步器寿命性能试验台。通过操作该试验台,可手动亦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）要求匀速施加驱动力(静压力)，驱动速度可调。
4）试验台具有连续运转能力，每次连续运转可达到1800小时。
5）驱动及检测全程微机控制。
具体设计技术指标如下：
1）换挡行程:0~±250mm。
2）选挡行程：0~±200mm。
3）换挡力测量范围及精度：0~±500N；±1.0%FS。
4）选挡力测量范围及精度：0~±300N；±1.0%FS。
5）换挡速度控制范围及精度：0~1.2m/s；±1.0%。
6）换挡频率：0.05~0.3Hz。
7）输出轴扭矩测量范围及精度：0~±1000Nm；±0.2%FS。
8）同步时间测量精度：±0.001s。
9）挡位位置控制精度：±2mm。

四、主要研究内容
针对以上课题研究的任务，本文在查阅大量参考资料和加以调研的基础上，对以下内容进行了重点研究。
1.系统总体方案的制定
其中包括机械系统、驱动系统、计算机检测系统、软件程序设计系统及其它部分设计的制定。
2.数学模型的建立
其中包括机械手空间模型、换挡接合过程的数学模型等的建立。
3.系统中的通讯接口
微机与变频器之间的通讯系统设计。
4.信号检测系统设计
其中包括输入轴转矩转速检测系统及同步器液压伺服控制系统等设计。
5.同步器性能和试验程序设计
其中包括性能试验、可靠性试验。
6.试验数据与结果分析
实验测到的数据并对结果进行分析。
下图为装配外观图

五、 系统总体方案介绍
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挡过程；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挡过程。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。

5.1 试验系统的组成及控制原理
整个系统包括试验台，被测同步器变速箱总成，调速电机，驱动系统，机械手，传感器，电控柜，微机等部件。其中电控部分采用微机测控系统，系统整体框图如图2-1。

图2-1 系统结构框图
5.1.1 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机械手来模拟人手的换挡过程。机械手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机械手基本构成所示。

图2-2 机械手基本构成

5.1.3驱动系统的工作原理：
同气动系统比较，采用电动系统具有机构简单，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，本设计最终采用了电动方式的驱动系统。以保证系统正常运行。由于本设计要求的精度高，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挡运动和换挡运动。同时在滚珠丝杠上固定的位移传感器在电机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，由微机给定电压值，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、放大解调后驱动电动机。但是机械手是一个非线性的控制对象，单纯的伺服反馈控制难以满足模拟人手换挡时的动态性能及稳态精度的要求。因此在计算机检测系统中也加入了直接数字控制系统中常用的PID控制算法，从而很好的达到了模拟人手换挡的功能。

5.1.4计算机检测系统的组成
一个完整的计算机检测系统，需要在微机、被控制对象和操作者之间适时、不断地交换数据信息和控制信息。在总体设计时，要综合考虑硬件和软件措施，解决三者之间可靠的、适时的进行信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。设计中主要考虑（1）选择微型计算机、（2）板卡选用

5.2 机械手运动控制程序模块设计
在试验系统运行时，设置的机械手应能够使变速杆在任意挡位之间进行切换。这里控制程序的流程图如图2-6所示。

图2-6机械手控制流程图
设定任意两挡位切换的总工况数为Tn，每个工况为Ti，每个工况执行的次数为M，当前工况已经执行的次数为m。例如在进行可靠性试验中，设置从3挡位到4挡位切换5000次后，再从4挡位切换到5挡位，运行1000次。则设定的总工况数Tn为2，先进行第一工况（此时Ti=1），第一工况要求的工况次数M=5000，执行的工况次数m从1循环到5000，通过判断m=5000=M，则机械手回到中间位置，开始进入第二个工况（此时Ti=2），再循环直到m=1000=M，此时所有工况都已经运行过，机械手回到空挡处。一次可靠性试验运行结束。运行中，为了使机械手运动类似人手一样能够灵活的切换挡位，控制整个电动系统运动是实现机械手运动功能的关键。

图2-8 PID控制原理框图

六、换挡机械手的设计计算
6.1滚珠丝杠设计
由已知条件知，工作载荷Fm＝3500×0.1＝350N, 取μ＝0.1设丝杠平均转速n＝100r /min.每天开机6h每年300个工作日，要求工作8年，滚道硬度58-62HRC。丝杠传动精度±0.04。
6.2滚动导轨的设计
6.3步进电机选择

七、信号检测系统设计
变速箱总成中同步器寿命整体试验系统中，要求通过测量输入轴转速、输出轴转速、输入轴转矩、选挡位移、换挡位移、选挡力、换挡力、等一系列参数来考证同步器的性能。
7.1 输入轴转矩转速检测系统设计
在试验过程中，选用转矩转速测量仪来实现对变速箱输出轴转速和变速箱输出轴转矩的测量。
7.1.1 基本测量原理
7.1.1.1 测量仪转矩基本测量原理
转矩转速测量仪传感器扭矩数值的测量采用电阻应变测量原理，当应变轴受扭力影响产生微小变形后，粘贴在应变轴上的应变计阻值发生相应变化，测量仪将具有相同应变特性的应变计组成测量电桥，应变电阻的变化即可转变为电压信号的变化进行测量。图 5-1 为扭矩测量的原理框图，由于采用了能源与信号的无接触耦合，很好的解决了旋转状态下扭矩（转矩）的测量。

图5-1 扭矩传感器主要原理图
电源经过处理后送 1，经耦合将能源送到应变轴上，由 2 变成稳定电压供
给应变轴上各电子器件。3 将应变轴的微小变形转换成电信号，经过 4 放大送
到 5，经 6 输出，通过 7 整形后输出调频方波信号。信号通过 A/D、D/A 转换
板卡转换成数字量送入计算机中。
7.1.1.2 转速测量基本原理
当测速码盘连续旋转时，通过光电开关输出具有一定周期宽度的脉冲信
号，根据码盘的齿数和输出信号的频率，即可计算出相应的转速。测量到的转
速脉冲信号再经过信号处理后输送到板卡中的 8253 计数器进行计数后送入到
计算机中。

7.2 同步器电动伺服控制系统设计
7.2.1 机械构成概况
在试验系统中，采用一个机械滑台结构支撑机械构件，两个电动机十字交叉连接安置在滑台上，通过伺服系统控制丝杠分别运动，近而控制操纵杆的前进后退和左右两个方向运动，此时操纵杆的前端机构控制变速箱的选挡与换挡。在滑台机构的下层装置两个位移传感器，分别测量变速箱在选挡和换挡时，操纵杆的选挡位移和换挡位移。同时在操纵杆上装置力传感器，测量挡位任意变换时操纵杆所受到的力。
7.2.2 控制系统设计
主机发出给定信号，通过选用的 PC-1232-K 系列高性能价格比 12 位 32
通道 110KHz D/A 转换板的两个通道实现 D/A 转换，转换后的模拟信号经过放
大器的适当放大后，才能驱动伺服系统中的电磁元件，使得两个滚珠丝杠带动操
纵杆运动。如图 5-4 所示。

图5-4 控制流程框图
选用两组 200mm 大量程的差动变压器式位移传感器分别测量同步器操纵
杆运动时的选挡位移和换挡位移。采集到的位移信号反馈到伺服驱动器和工控
机，构成闭环回路，更好的控制执行机构。

7.3 其他硬件接口
在对变速器同步器进行性能和寿命试验中，要求对输出轴的转速进行测量，试验中采用光电编码器实现了对转速的很好测量。
在对变速器同步器进行性能和寿命试验中，要求当变速器运行时的噪声超过一定范围时系统要自动停机，这里通过声级计将采集到噪音通过 RS-233 串行通信接口输送到计算机中。控制试验台系统转速的丹佛斯公司 VLT5000 变频器通过 RS485（2 个导体）标准制定的串行通信母线与变频器端子 68/69（信号 P 和 N）连接。[其中信号 P 为正电势（TX+，RS+），信号 N 为负电势（TX-，RX-）]。同时为了避免屏蔽层中潜在的均衡电流，电缆线屏蔽通过端子接地，端子经 RC 与机架连接。然后 RS-485 通过 RS-485/RS-232 转换器电平转换后与RS-232 进行通信后连接到计算机中。
计算机对传感器发来的信号进行实时采集，当要求的变速箱油温、操作力值、输入轴转速等参数超限时，计算机立即通过 I/O 端口发出中断指令，控制系统的继电器开关断开，使整个试验系统停机，起到了保护试验设备的作用。

电气部分设计
一、确定硬件电路的总体方案
电气系统的硬件电路由以下几部分组成：
1）主控制器。即中央处理单元CPU
2）总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。
3）存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。
4）接口。即I/O输入输出接口。
电气系统的硬件框图如图6-1所示：
中央处理单元CPU

存储器RAM
ROM

外设：
键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等

输入/输出
I/O接口

信号变换

控制对象

图6-1硬件结构框图
二、详细设计：主控制器CPU的选择、存储器扩展电路设计、步进电机驱动电路设计、其它辅助电路设计

参考资料
【1】 机械设计手册 第五卷/机械设计手册编委会编著—3版 北京机械工业出版社2004.8
【2】 机电一体化设计基础 郑堤 唐可红 北京机械工业出版社 1997.7
【3】 单片机原理及应用 陈桂友 北京机械工业出版社 2007.7
【4】 单片机原理与应用 徐新民 杭州 浙江大学出版社 2006.1
【5】 微型计算机控制技术实用教程 潘新民 王燕芳 北京电子工业出版社 2006.1
【6】 同步器寿命性能测试系统的研究 [学位论文]吉林大学 2004
【7】 简明机械设计手册 孔凌嘉 北京理工大学出版社 2008.2
【8】 机械设计手册.单行本.轴及其联接 成大先 北京化学工业出版社 2004.1
【9】 机器人学 张铁 谢存禧 广州 华南理工大学出版社 2006.12
【10】 机械原理 孙桓 陈作模 北京 高等教育出版社 2006.2
【11】 机械设计 濮良贵 纪名刚 北京：高等教育出版社，2005.11