汽車轉(zhuǎn)向傳動軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗系統(tǒng)設計

汽車轉(zhuǎn)向傳動軸扭轉(zhuǎn)疲勞試驗系統(tǒng)設計

0傳動軸性能試驗和疲勞壽命試驗是汽車轉(zhuǎn)向傳動軸性能試驗的一個重要內(nèi)容轉(zhuǎn)向軸是車輛轉(zhuǎn)向操縱機構的核心。它的功能是將駕駛員旋轉(zhuǎn)方向盤的操縱力傳遞給轉(zhuǎn)向裝置，并最終控制車輛車輪的行駛方向。在汽車行駛過程中,駕車者通過方向盤不斷地改變行駛方向,會產(chǎn)生大小和方向不斷變化的扭矩,因此汽車轉(zhuǎn)向傳動軸的性能好壞,對汽車行駛安全至關重要。在國內(nèi),汽車行業(yè)標準“汽車轉(zhuǎn)向傳動軸總成性能要求及試驗方法”(QC/T649-2000)中,對傳動軸性能有五項試驗,其中扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗為其中之一;在國外,象日本的馬自達、三菱、豐田,美國德爾福等公司以及歐盟等地區(qū)都對汽車轉(zhuǎn)向傳動軸性能有類似的要求,但具體標準不一樣,試驗方法并不相同,針對QC/T649-2000標準,國內(nèi)也有廠商開發(fā)了汽車轉(zhuǎn)向傳動軸的疲勞壽命試驗臺,但大多采用電機結(jié)合偏心輪產(chǎn)生交變扭矩,試驗過程中,負載變化大,自動化程序低,因此開發(fā)一種全自動智能化的汽車轉(zhuǎn)向傳動軸疲勞壽命試驗臺,對產(chǎn)品質(zhì)量和汽車行駛安全具有重要意義。1疲勞壽命試驗①測試對象:汽車轉(zhuǎn)向傳動軸,如圖1所示。②測試方法:根據(jù)汽車行業(yè)標準“汽車轉(zhuǎn)向傳動軸總成性能要求及試驗方法”(QC/T)中扭轉(zhuǎn)疲勞壽命試驗的方法,將傳動軸與轉(zhuǎn)向器聯(lián)接的一端固定,從方向盤一端施加正反方向轉(zhuǎn)矩,根據(jù)汽車傳動軸的類型,正反向扭矩大小為25~35N.m,試驗過程中要求扭矩大小恒定不變,記錄疲勞壽命試驗的次數(shù)。③疲勞壽命試驗次數(shù):循環(huán)試驗3×105次,工作節(jié)拍:15次/分。④試驗3×105次后自動停止試驗,并發(fā)出報警。⑤具有試驗次數(shù)記憶功能,允許停止后再繼續(xù)疲勞壽命試驗。⑥具有故障報警功能。2系統(tǒng)硬件的設計和實現(xiàn)2.1試驗臺和傳感器汽車轉(zhuǎn)向傳動軸的疲勞壽命試驗臺,主要有動力裝置、負載裝置、傳感器測量裝置和控制裝置等四部分組成,結(jié)構如圖2所示。為模擬汽車行駛時方向盤產(chǎn)生的正反向交變扭矩,試驗臺采用步進電機帶動傳動軸轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)向傳動軸另一端由磁粉制動器產(chǎn)生負載,磁粉制動器和轉(zhuǎn)向傳動軸之間安裝有扭矩傳感器,實時監(jiān)測試驗過程中負載大小。試驗臺的控制計算機,采用美國Microchip公司生產(chǎn)的PIC16F877單片機,PIC16F877具有8kBFlashROM,256BEEPROM,8路10bit的A/D通道,具有USART串行通信模塊,能夠滿足試驗臺的各項控制要求。2.2轉(zhuǎn)速和角位移脈沖信號試驗試驗臺采用步進電機模擬方向盤正反向交變的扭轉(zhuǎn)動作。電機步距角為1.8度,由電機驅(qū)動器控制,PIC16F877單片機的RC1引腳產(chǎn)生電機轉(zhuǎn)向信號,RC2引腳產(chǎn)生轉(zhuǎn)速和角位移脈沖信號。試驗過程中,轉(zhuǎn)向傳動軸正轉(zhuǎn)1圈,再反轉(zhuǎn)1圈,為一次有效疲勞壽命測試。測試節(jié)拍為每分鐘15次,即每4秒需完成一次有效的疲勞壽命測試,步進電機需每2秒轉(zhuǎn)動一圈,由于步進電機步距角為1.8度,則控制器需在2秒鐘內(nèi)產(chǎn)生200個脈沖,因此轉(zhuǎn)速脈沖信號周期為10ms,由PIC單片機實現(xiàn)5ms的定時中斷,每中斷一次,將PIC單片機的轉(zhuǎn)速控制引腳RC2反轉(zhuǎn)一次,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。利用軟件變量實現(xiàn)脈沖計數(shù),當達到200個脈沖時,反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動方向控制引腳RC1,實現(xiàn)反向轉(zhuǎn)動。2.3試驗數(shù)據(jù)的采集試驗臺采用磁粉制動器模擬汽車轉(zhuǎn)向傳動軸在工作中的負載。在疲勞壽命試驗過程中,轉(zhuǎn)向傳動軸由于磨損會造成扭矩不斷變化,為提高疲勞壽命試驗數(shù)據(jù)的準確性,采用圖3所示的控制系統(tǒng),實現(xiàn)試驗過程中扭矩負載大小的恒定。在磁粉制動器和傳動軸之間安裝有扭矩傳感器,檢測試驗過程中實際負載的大小,扭矩傳感器輸出(0~5)V的直流電壓信號,PIC16F877單片機具有8路10bit的A/D通道,采用RA0引腳(ADC0通道)進行AD轉(zhuǎn)換,與設定負載進行比較,當誤差大于±0.5N.m時,PIC16F877單片機利用RC6、RC7構成串行接口,經(jīng)MAX232芯片轉(zhuǎn)換成RS232信號,與程控電源進行通信,改變程控電源輸出電流大小,直到實際試驗扭矩與設定值一致,使疲勞壽命試驗過程中負載恒定,保證了試驗數(shù)據(jù)的準確性。每完成一次有效試驗,PIC單片機自動更新LED數(shù)碼管上顯示的試驗次數(shù),當完成30萬次疲勞壽命試驗時,自動停止試驗。試驗過程中如果程控電源、磁粉制動器、驅(qū)動電機、扭矩傳感器等裝置發(fā)生故障,將造成扭矩傳感器檢測反饋信號發(fā)生異常,突然變大或變小,控制程序?qū)⒆詣油Ｖ乖囼?保存已經(jīng)進行的疲勞壽命次數(shù),LED數(shù)碼管不斷閃爍,提示需要進行檢查維修。2.4疲勞壽命試驗PIC16F877單片機片內(nèi)具有256BEEPROM,具有斷電存儲功能,用于保存疲勞壽命試驗中負載大小、試驗次數(shù)等參數(shù)。轉(zhuǎn)向傳動軸疲勞壽命試驗時間較長,按每分鐘15次的試驗節(jié)拍,需要2周左右的試驗時間,如果試驗過程中發(fā)生電源故障等斷電情況,系統(tǒng)沒有斷電參數(shù)存儲功能,會造成試驗次數(shù)的丟失,需要重新測試;PIC單片機內(nèi)部的EEPROM的擦寫次數(shù)為100萬次左右,傳動軸疲勞壽命試驗需試驗30萬次,如果試驗過程中,不斷將完成的試驗次數(shù)更新寫入單片機的EEPROM中,將影響設備的使用壽命。因此,系統(tǒng)采用圖4所示的斷電保護電路,芯片MAX808對電源電壓進行監(jiān)控,當電源電壓低于MAX808的門限電壓4.5V時,芯片MAX808將在LOWLINE引腳產(chǎn)生中斷申請,中斷申請信號與PIC16F877的外部中斷引腳RB0/INT相連,觸發(fā)中斷,在中斷服務程序中將試驗次數(shù)寫入PIC16F877單片機的片內(nèi)EEPROM存儲器中,利用2200μf的大電容維持中斷操作時的電力供應。再次通電時,只需讀取前次的試驗次數(shù),繼續(xù)進行疲勞壽命試驗便可,提高了試驗效率,同時避免了頻繁的對PIC16F877單片機片內(nèi)的EEPROM進行寫操作。間斷的進行疲勞壽命試驗,會增加零件的疲勞壽命次數(shù),因此試驗過程中盡量不要中斷疲勞壽命試驗。2.5led顯示試驗試驗臺的人機界面主要有2×2輸入鍵盤和8個LED數(shù)碼管組成,如圖5所示。在開始試驗之前,可用按鍵“↑”、“↓”設定試驗扭矩負載大小,在試驗啟動后,扭矩設定按鍵無效,每試驗一次,LED數(shù)碼管上顯示的試驗次數(shù)自動更新。為簡化程序結(jié)構,系統(tǒng)采用國內(nèi)周立功公司的ZLG7289A芯片完成鍵盤和LED數(shù)碼管的控制,ZLG7289A芯片具有串行接口,可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管,最多64鍵的鍵盤矩陣,單片即可完成LED顯示﹑鍵盤接口的全部功能。由PIC16F877單片機的RC3、RC4引腳分別與ZLG7289A芯片的CLK、DATA引腳相連,構成串行接口的時鐘和數(shù)字信號引腳。3基于mpla的程序簡介控制系統(tǒng)軟件采用CCSPICCC語言結(jié)合Microchip公司的MplabIDE進行開發(fā),CCSPICCC語言對標準C語言進行了擴展,集成了大量單片機內(nèi)部功能的函數(shù)庫,如本控制系統(tǒng)中涉及到的EEPROM讀寫操作、串口發(fā)送控制、定時器設定、單片機AD端口采樣等功能都有相對應的函數(shù),降低了程序的開發(fā)難度和開發(fā)周期。利用Mplab能夠方便的進行程序調(diào)試和在線編程?？刂葡到y(tǒng)軟件分為三部分:外中斷服務程序、定時中斷服務程序和主程序。外中斷服務程序?qū)崿F(xiàn)斷電參數(shù)存儲功能,由芯片MAX808監(jiān)控電源狀態(tài),當電壓下降到門限電壓時,引發(fā)單片機RB0/INT引腳的電平變化,觸發(fā)外中斷服務程序,對負載和試驗次數(shù)參數(shù)進行存儲,停止試驗。利用定時中斷服務程序?qū)Σ竭M電機進行控制,由PIC16F877單片機內(nèi)部的16位定時器TMR1構成5ms的定時中斷,實現(xiàn)步進電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向脈沖控制。主程序以掃描方式運行,通過訪問單片機的ADC0通道,獲得扭矩傳感器反饋的實際試驗負載大小,與設定負載比較后,通過單片機串口與程控電源通信,改變輸出電流大小,改變磁粉制動器輸出的扭矩大小;訪問芯片ZLG7289A完成按鍵操作和LED數(shù)碼管顯示更新。采用以上中斷方式組織軟件結(jié)構,降低了程序的復雜程序和開發(fā)難度。4負載模擬系統(tǒng)檢測和調(diào)節(jié)本文設計了