車輪是汽車上最重要的核心部件之一，直接關(guān)系到汽車行駛的安全性及舒適性。車輪的制造工藝包括沖壓、成型、焊接以及防腐處理等，每項工藝的要求都極為嚴(yán)格。從實際工作的角度看，汽車行駛時車輪的受力比較復(fù)雜，除了承受支撐力、側(cè)向力、彎曲力矩及驅(qū)動力外，隨著車輪的轉(zhuǎn)動，壓力等多方面影響因素也隨機變化。因此，車輪設(shè)計制造過程中的根本問題是應(yīng)保證其疲勞壽命滿足設(shè)計和使用性能的要求。
通常測試車輪疲勞壽命的試驗和檢查包括兩方面：車輪徑向疲勞試驗，主要檢查整個車輪的綜合強度；車輪彎曲疲勞試驗，主要檢查車輪輪輻及焊接強度。
近年來，隨著國內(nèi)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，行業(yè)競爭日益激烈看，消費者和生產(chǎn)廠家對產(chǎn)品質(zhì)量越來越重視，對車輪疲勞壽命的試驗研究愈顯重要。目前，國內(nèi)的汽車行業(yè)中，車輪彎曲疲勞試驗的主要設(shè)備采用進口的液壓伺服彎曲疲勞試驗機。這種試驗機雖然試驗精度較高，但其體積較大、價格昂貴且試驗速度較慢，因此研制價格低廉、高性能的汽車車輪彎曲疲勞試驗機替代進口產(chǎn)品，對于提高車輪疲勞壽命試驗的綜合性能、降低試驗成本具有重要意義。
一、試驗機的組成及工作原理
廣工牌疲勞試驗機的結(jié)構(gòu)組成包括機械部分和測控部分，其原理圖如圖1所示。機械部分的主要功能是固定車輪，產(chǎn)生試驗載荷。車輪用壓板固定在靜止的試驗臺上，同時和彎軸固定在一起，電機通過萬向傳動裝置帶動轉(zhuǎn)盤及偏向塊旋轉(zhuǎn)。偏心塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用到彎軸的下端，在彎軸的上端根部產(chǎn)生交變彎矩作用于車輪。
設(shè)偏心塊的質(zhì)量為m,偏心鉅為e，電機轉(zhuǎn)速為ω，力臂長為L，則彎矩為：
W=meLω²
可見，作用于車輪上的交變彎矩W由m、e、L、ω所確定，而e、L、ω是試驗機的結(jié)構(gòu)和電機的轉(zhuǎn)速所決定，因此從理論上來講，如果沒有電控部分，亦可通過調(diào)節(jié)離心塊質(zhì)量m的大小來改變試驗彎矩W的大小，以滿足不同型號的車輪對不同試驗彎矩的要求。在試驗過程中，國家標(biāo)準(zhǔn)對不同型號的車輪都規(guī)定有相應(yīng)的試驗彎矩，試驗彎矩必須保持恒定，也就是說參數(shù)一旦確定，其數(shù)值大小在試驗過程中必須是恒定的。但實際試驗發(fā)現(xiàn)，參數(shù)m、L、ω在試驗過程中可以保持恒定，但偏心鉅e則會發(fā)生變化。其主要原因是：各種型號的車輪，由于剛度不同，并且在試驗過程中還會隨著疲勞試驗次數(shù)（即彎矩的交變次數(shù)）的增加而改變。剛度的變化將會引起彎軸下端的擺動，從而引起偏心鉅的變化，這是一個正反饋的過程，即：剛度降低——變形加大——偏心鉅e增加——彎矩增大——變形增大。此過程引起兩個突出問題：一是作用在車輪上的彎矩發(fā)生變化，不符合國標(biāo)所規(guī)定的恒定彎矩試驗的要求；二是由于正反饋的存在，發(fā)生了一種所謂的“欺軟怕硬”現(xiàn)象，無法真實反映車輪的疲勞壽命。
本文設(shè)計的基于單片機的車輪彎曲疲勞試驗機自動控制系統(tǒng)可有效解決上述問題。其工作原理是：通過安裝在彎軸上的電阻應(yīng)變傳感器將彎矩信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘�，�?jīng)放大器放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后提供給單片機。單片機則將測得彎矩與鍵盤輸入彎矩進行比較，根據(jù)比較結(jié)果通過D/A轉(zhuǎn)換器，控制變頻器調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，改變離心力的大小，從而調(diào)整加載彎矩的數(shù)值，甚至加載彎矩與鍵盤設(shè)定彎矩一致。
此外，試驗初始階段加載彎矩與鍵盤設(shè)定彎矩初次平衡時，單片機將以此時轉(zhuǎn)速作為參考轉(zhuǎn)速。此后，隨著試驗次數(shù)的增加，車輪的剛度降低，則會產(chǎn)生一個附加偏心鉅Δe，它會引起彎矩增加。為了保持系統(tǒng)彎矩恒定，必須降低試驗轉(zhuǎn)速。因此，通過監(jiān)測試驗轉(zhuǎn)速變化并與參考轉(zhuǎn)速進行比較，可在一定程度上反映出車輪的疲勞程度。
二、硬件系統(tǒng)組成
本澳金工業(yè)測試系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集電路、單片機最小系統(tǒng)、I/O接口、輸出控制接口等部分組成。數(shù)據(jù)采集電路包括信號采集與處理，傳感器為電阻式應(yīng)變片，用于測量彎軸的彎矩，可將加載應(yīng)力信號轉(zhuǎn)化為電阻阻值的變化，其靈敏度高、蠕變及機械滯后小，滿足本系統(tǒng)的檢測要求。采樣保持放大電路主要由LM324和LF398等構(gòu)成。
本系統(tǒng)采用AT89C51單片機為控制核心，AT89C51是一種低功耗、高性能的片內(nèi)含有4KB/20KB的閃爍可編程/擦除只讀存儲器的8味CMOS單片機，并與MCS-51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上得FPEROM允許在線編程貨采用通用的編程器對其重復(fù)程序。采用3×6位LED顯示器及8鍵小鍵盤。3×6位LED顯示器顯示試驗彎矩、試驗次數(shù)、傳感器標(biāo)定系數(shù)等參數(shù)。接口芯片采用可編程接口芯片8279，通過鍵盤掃描與輸出動態(tài)顯示，它可大大減輕主機在掃描鍵盤或刷新顯示時的負擔(dān)，也簡化了應(yīng)用軟件的編寫。操作按鈕、電機的啟停、報警器以及其他各種低壓電器的控制是通過光電隔離由單片機完成。系統(tǒng)輸出控制由單片機經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器，控制直流調(diào)速裝置來改變電機的運轉(zhuǎn)速度，從而達到試驗的要求。
本系統(tǒng)通過兩個繼電器完成了對車輪的夾具、放松裝置的控制，采用7407為驅(qū)動器。為防止信號干擾，采用光電耦合進行信號的隔離。采用發(fā)光二極管和蜂鳴器作為聲光報警電路。當(dāng)各監(jiān)測超過限定值貨系統(tǒng)出現(xiàn)故障時將自動聲光報警。
三、軟件設(shè)計
系統(tǒng)主程序及終中斷服務(wù)程序流程圖如圖3、圖4所示。
 
本系統(tǒng)以AT89C51單片機為控制核心構(gòu)成了一個典型的帶反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，使整個調(diào)節(jié)過程實現(xiàn)了自動控制，滿足了汽車生產(chǎn)廠家對車輪彎曲疲勞強度測試的要求，為以后車輪彎曲疲勞測試系統(tǒng)的發(fā)展提供了經(jīng)驗和依據(jù)。實際運行表明，本系統(tǒng)性能可靠、控制精度高，使用性較強。 |
