摘 要:疲劳破坏是汽车车轮最主要的失效形式,它直接关系到乘客的人身安全。弯曲疲劳强度是用来描述这一状态的重要参数。本文设计了基于单片机控制的汽车车轮弯曲疲劳试验机自动控制系统,可实现试验过程中由单片机对弯矩进行实时测控、显示,并保持弯矩在试验过程中基本恒定。试验机通过监视试验转数的变化,判断车轮是否失效,具有车轮疲劳破坏前的报警功能。
1 引 言
车轮是汽车上最重要的核心部件之一,直接关系到汽车行驶的安全性及舒适性。车轮的制造工艺包括冲压、成型、焊接以及防腐处理等,每项工艺的要求都极为严格。从实际工作的角度看,汽车行驶时,车轮的受力比较复杂,除了承受支撑力、侧向力、弯曲力矩及驱动力外,随着车轮的转动,压力等多方面影响因素也随机变化。因此,车轮设计制造过程中的根本问题是应保证其疲劳寿命满足设计和使用性能的要求。
通常测试车轮疲劳寿命的试验和检查包括两方面:车轮径向疲劳试验,主要检查整个车轮的综合强度;车轮弯曲疲劳试验,主要检查车轮轮辐及焊接强度。
近年来,随着国内汽车工业的快速发展,行业竞争日益激烈,消费者和生产厂家对产品质量越来越重视,对车轮疲劳寿命的试验研究愈显重要。目前,国内的汽车行业中,车轮弯曲疲劳试验的主要设备采用进口的液压伺服弯曲疲劳试验机。这种试验机虽然试验精度较高,但其体积较大、价格昂贵且试验速度较慢,因此研制价格低廉、高性能的汽车车轮弯曲疲劳试验机替代进口产品,对于提高车轮疲劳寿命试验的综合性能、降低试验成本具有重要意义。
2 试验机的组成及工作原理
试验机的结构组成包括机械部分和测控部分,其原理图如图1所示。机械部分的主要功能是固定车轮,产生试验载荷。车轮用压板固定在静止的试验台上,同时和弯轴固定在一起,电机通过万向传动装置带动转盘及偏心块旋转。偏心块旋转产生的离心力作用到弯轴的下端,在弯轴的上端根部产生交变弯矩作用于车轮。
设偏心块的质量为m,偏心矩为e,电机转速为ω,力臂长为L,则弯矩为:
可见,作用于车轮上的交变弯矩W由m、e、L、ω所确定,而e、L、ω是由试验机的结构和电机的转速所决定,因此从理论上来讲,如果没有电控部分,亦可通过调节偏心块质量m的大小来改变试验弯矩W的大小,以满足不同型号的车轮对不同试验弯矩的要求。在试验过程中,国家标准对不同型号的车轮都规定有相应的试验弯矩,试验弯矩必须保持恒定,也就是说参数一旦确定,其数值大小在试验过程中必须是恒定的。但实际试验发现,参数m、L、ω在试验过程中可以保持恒定,但偏心矩e则会发生变化。其主要原因是:各种型号的车轮,由于刚度不同,并且在试验过程中还会随着疲劳试验次数(即弯矩的交变次数)的增加而改变。刚度的变化将会引起弯轴下端的摆动,从而引起偏心矩的变化,这是一个正反馈的过程,即:刚度降低———变形加大———偏心矩e增加———弯矩增大———变形增大。此过程引起两个突出问题:一是作用在车轮上的弯矩发生变化,不符合国标所规定的恒定弯矩试验的要求;二是由于正反馈的存在,产生了一种所谓的“欺软怕硬”现象,无法真实反映车轮的疲劳寿命。
本文设计的基于单片机的车轮弯曲疲劳试验机自动控制系统可有效解决上述问题。其工作原理是:通过安装在弯轴上的电阻应变传感器将弯矩信号转变为电信号,经放大器放大后送入A/D转换器,转换为数字信号后提供给单片机。单片机则将测得弯矩与键盘输入弯矩进行比较,根据比较结果通过D/A转换器,控制变频器调节电机的转速,改变离心力的大小,从而调整加载弯矩的数值,直至加载弯矩与键盘设定弯矩一致。
此外,试验初始阶段加载弯矩与键盘设定弯矩初次平衡时,单片机将以此时转速作为参考转速。此后,随着试验次数的增加,车轮的刚度降低,则会产生一个附加偏心矩Δe,它会引起弯矩增加。为了保持系统弯矩恒定,必须降低试验转速。因此,通过监测试验转速变化并与参考转速进行比较,可在一定程度上反映出车轮的疲劳程度。
3 硬件系统组成
本系统硬件组成如图2所示。系统由数据采集电路、单片机最小系统、I/O接口、输出控制接口等部分组成。数据采集电路包括信号采集与处理,传感器为电阻式应变片,用于测量弯轴的弯矩,可将加载应力信号转化为电阻阻值的变化,其灵敏度高、蠕变及机械滞后小,满足本系统的检测要求。为提高灵敏度,电阻应变片采用全桥电路形式。采样保持放大电路主要由LM324和LF398等构成。
本系统采用AT89C51单片机为控制核心,AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB/20KB的闪烁可编程/擦除只读存储器(FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memo-ry)的8位CMOS单片机,并与MCS-51引脚和指令系统完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的编程器对其重复程序。采用3×6位LED显示器及8键小键盘。3×6位LED显示器显示试验弯矩、试验转速、试验次数等参数。通过键盘可设置试验弯矩、试验次数、传感器标定系数等参数。接口芯片采用可编程接口芯片8279,通过键盘扫描与输出动态显示,它可大大减轻主机在扫描键盘或刷新显示时的负担,也简化了应用软件的编写。操作按钮、电机的启停、报警器以及其它各种低压电器的控制是通过光电隔离由单片机完成。系统输出控制由单片机经过D/A转换器,控制直流调速装置来改变电机的运转速度,从而达到试验的要求。
本系统通过两个继电器完成了对车轮的夹紧、放松装置的控制,采用7407为驱动器。为防止信号干扰,采用光电耦合进行信号的隔离。采用发光二极管和蜂鸣器作为声光报警电路。当各检测超过限定值或系统出现故障时将自动声光报警。
4 软件设计
系统主程序及中断服务程序流程图如图3、图4所示。
5 结束语
本系统以AT89C51单片机为控制核心构成了一个典型的带反馈的闭环测控系统,使整个调节过程实现了自动控制,满足了汽车生产厂家对车轮弯曲疲劳强度测试的要求,为以后车轮弯曲疲劳测试系统的发展提供了经验和依据。实际运行表明,本系统性能可靠、控制精度高,实用性较强。
参考文献
[1] 邱新桥.基于微机控制的汽车车轮弯曲疲劳试验机[J].机电一体化,2003.
[2] 刘震涛.曲轴疲劳试验机自动控制系统的研制[J].车用发动机,2002.
[3] 吕能元,孙育才,杨峰.MCS-51单片微机原理及接口技术应用实例[M].北京:科学出版社.
[4] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.·62·
本文作者：蔚桂萍 郎晶鑫 王雪峰
