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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘 要 隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高和汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展 對汽車安全性要求越來越高 影響安全性的因素較多 有主動(dòng)因素 也有被動(dòng)因素 汽車車燈正常工作 能否保證 駕駛員能即時(shí)給出行車信號(hào)和在夜間行車的良好視野范圍是一個(gè)重要因素 對汽車前 照燈的控控已有成熟控制技術(shù)用于汽車 而對信號(hào)燈的控制較少 本文根據(jù)現(xiàn)有技 6 術(shù)的情況 引入模糊控制技術(shù) 對汽車的前照燈進(jìn)行較為全面的分析 同時(shí)對汽車的 隨動(dòng)轉(zhuǎn)向燈的結(jié)構(gòu)和機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)行了設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)著重對以下問題進(jìn)行了研究與探討 1 對汽車車燈控制參量進(jìn)行了研究分析 確定了合理的參數(shù)類型和數(shù)量 使系 統(tǒng)開發(fā)具有可行性和實(shí)用性 2 把模糊控制理論應(yīng)用于汽車前照燈的控制 并對控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì) 3 構(gòu)建了隨動(dòng)轉(zhuǎn)向燈的結(jié)構(gòu)與傳動(dòng) 關(guān)鍵詞 隨動(dòng)轉(zhuǎn)向燈 單片機(jī) 模糊控制 機(jī)械傳動(dòng) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) II ABSTRACT With the improvement of the economic level of our country and the development of the industrial technology of the automobile the demands on the auto safety are higher There are mant safety factors which are active or passive It is a important factor that automobile s lights is normal which can give driving signals in light intime according to the driver and good field of view The head lights are used to control by maturity control technology bur single lights control less The article uses fuzzy control technique to control totally auto head lights and work state ofsingle lights timely It researches and probes for contents of intelligent control of auto lights the principle of controlling and realization of the system of software and hardware This text put great emphasos in to research and study below impaortant problem proceed detailed First researched the analyzed the parameters of auto lights and make sure type and quantity of control parnmeters so as to make it feasible and practical for developing system of auto lights control Second used fuzzy control technique theory for auto head lights and designed contriller Third probed realization of measuring technology by self and voice warning for auto signal lights At last structured intelligent control system of auto lights which core is single chip computer MS 51 Key words auto head lights Directional headlamps single chop computer Mechanical transmission fuzzy control 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 目 錄 摘要 I Abstract II 第 1 章 緒論 1 1 1 汽車車燈的結(jié)構(gòu)和類型 1 1 1 1 照明裝置 1 1 1 2 信號(hào)裝置 2 1 2 汽車電子系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài) 2 1 3 汽車隨動(dòng)轉(zhuǎn)向車燈控制國內(nèi)外研究情況 4 1 3 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4 1 3 2 本文主要研究內(nèi)容 5 1 4 智能控制模式的確定 5 1 5 本章小結(jié) 5 第 2 章 汽車車燈智能控制系統(tǒng)總體方案 6 2 1 單片機(jī)的發(fā)展 6 2 2 MCS 51 單片機(jī)的特點(diǎn) 7 2 3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 10 2 4 車燈隨動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的方案 11 2 5 轉(zhuǎn)角控制 12 2 6 信號(hào)采集 13 2 7 控制方法說明 14 2 8 本章小結(jié) 15 第 3 章 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì) 16 3 1 蝸輪蝸桿的形成 16 3 2 圓柱蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 16 3 2 1 失效形式 17 3 2 2 蝸桿設(shè)計(jì) 22 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 3 本章小結(jié) 29 第 4 章 模糊控制理論及隨動(dòng)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角控制器 30 4 1 模糊控制原理 30 4 2 模糊控制規(guī)則 30 4 3 轉(zhuǎn)向燈轉(zhuǎn)動(dòng)角度模糊控制器 31 4 3 1 輸入輸出論域的確定 31 4 3 2 隸屬度的確定 32 4 3 3 輸入輸出模糊變量的隸屬度 32 4 4 本章小結(jié) 33 第 5 章 利用 Matlab 軟件對車燈轉(zhuǎn)向模糊定義分析 34 5 1 利用 Matlab 軟件進(jìn)行模糊化定義 34 5 2 本章小結(jié) 36 結(jié)論 37 參考文獻(xiàn) 38 致 謝 39 附錄 40 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒 論 1 1 汽車車燈的結(jié)構(gòu)和類型 為了保證汽車行駛安全和工作可靠 在汽車上裝有各種照明裝置和信號(hào)裝置 用 以照明道路 標(biāo)示車輛寬度 照明車廂內(nèi)部 指示儀表以及夜間車輛檢修等 此外 在轉(zhuǎn)彎 制動(dòng) 會(huì)車 停車 倒車等工況下 還應(yīng)發(fā)出光亮或音響信號(hào) 以警示行人 和其他車輛 1 1 1 1 照明裝置 現(xiàn)代汽車上所采用的照明裝置有前照燈 示寬燈 尾燈等 各車型使用照明裝置 的數(shù)量 結(jié)構(gòu)形式 以及安裝位置因車型而異 前照燈也稱大燈 安裝在車輛前端的兩側(cè) 用來在汽車夜間行駛時(shí)照亮前方的道 路 前照燈分為兩燈制和四燈制兩種 即汽車前端左右各裝一個(gè)大燈或各裝兩個(gè)大燈 為了防止會(huì)車時(shí)前照燈的強(qiáng)光束使迎面車輛的駕駛員眩目 前照燈一般采用雙絲燈炮 即遠(yuǎn)光和近光兩個(gè)燈絲 在汽車正常行駛時(shí)使用遠(yuǎn)光燈 它將光束射向遠(yuǎn)方 使車前 100m 或更遠(yuǎn)的路面上有均勻而明亮的照明 以便提高車速 現(xiàn)代高速汽車的照明距 離應(yīng)達(dá)到 200 250m 在市區(qū)明亮的道路上行駛時(shí) 特別是在會(huì)車時(shí)應(yīng)使用近光燈 使光線向車前的路面和路緣傾斜照射 防止迎面車輛的駕駛員眩目 并使車前 50m 內(nèi)的路面有清晰的照明 前照燈 有半封閉式和封閉式等不同形式 一般由燈泡 反射鏡 配光鏡等組成 燈泡一般采用雙絲燈泡 即有遠(yuǎn)光和近光兩個(gè)燈絲 遠(yuǎn)光燈絲的功率大 位于反射鏡 的焦點(diǎn)上 近光燈絲的功率小 位于反射鏡焦點(diǎn)的上方 近光燈絲的下方有金屬配光 屏 遮擋燈絲下部的光線 以防止光線向上反射 引起迎面車輛的駕駛員眩目 反射鏡 由薄鋼板或熱固性塑料制成旋轉(zhuǎn)拋物面形薄殼 其內(nèi)表面鍍銀 或鍍鋁 鍍鉻 并拋光 它用來將燈泡射出的光線聚合 放大并射向遠(yuǎn)方 汽車正常運(yùn)行接通 遠(yuǎn)光燈時(shí) 位于反射鏡焦點(diǎn)上的遠(yuǎn)光燈絲射向后方的絕大多數(shù)光線 射在反射鏡包角 的范圍內(nèi) 經(jīng)反射鏡反射后轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫械膹?qiáng)光束射向遠(yuǎn)方 燈泡的光度被增強(qiáng)幾百倍 以至上千倍 可以使車前 150m 以至 400m 內(nèi)的路面有明亮的照明 當(dāng)兩車相會(huì)接通近 光燈時(shí) 由于近光燈絲位于反射鏡焦點(diǎn)的上方 照射在反射鏡上的光線被反射鏡折射 使光束傾向路面 可以防止迎面車輛的駕駛員眩目 并使車前 50m 內(nèi)的路面有十分清 晰的照明 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 配光鏡 是多塊特殊的棱鏡和透鏡的組合體 也稱為散光下班反射鏡反射出的平 行光束 經(jīng)配光鏡射出后 由于棱鏡和透鏡的折射作用 其中的一部分光線被折射 射向車前的路面 使汽車前方的路面和路緣有良好而均勻的照明 前小燈 也稱為示寬燈或邊燈 安裝在汽車前部兩側(cè)的邊緣 用來在夜間行駛時(shí) 標(biāo)示車輛的寬度 也可供近距離照明用 有些車輛將小燈安裝在前照燈與燈罩內(nèi) 一 些公共汽車在車的頂部還裝有一個(gè)或兩個(gè)小燈 標(biāo)示車輛的高度 稱為標(biāo)高燈 霧燈 用來在有霧 雨 雪或風(fēng)塵彌漫的情況下 改善路面的照明 霧燈可以安 裝一個(gè) 兩個(gè)或三個(gè) 如上海桑塔納轎車在左前 右前和左后方安裝有三個(gè)霧燈 霧 燈的顏色為黃色或橙色 其安裝位置一般低于前照燈 尾燈 安裝在汽車的后部 也稱為后燈 在夜間行駛時(shí)警示后方的車輛 以保持 一定的蹁 尾燈和前小燈也可兼作停車燈用 當(dāng)汽車停駛切斷點(diǎn)火開關(guān)后 可接通停 車燈開關(guān) 使其點(diǎn)亮 2 1 1 2 信號(hào)裝置 轉(zhuǎn)向信號(hào)裝置 由轉(zhuǎn)向信號(hào)燈 轉(zhuǎn)向信號(hào)閃光器和轉(zhuǎn)向信號(hào)燈開關(guān)等組成 轉(zhuǎn)向 信號(hào)燈分裝在車身前端和后端的左右兩側(cè) 由駕駛員在轉(zhuǎn)向之前 根據(jù)將向左轉(zhuǎn)彎或 向右轉(zhuǎn)彎 相應(yīng)地開亮左側(cè)或右側(cè)的轉(zhuǎn)向信號(hào)燈 以通知交通警察 行人和其他汽車 上的駕駛員 為了在白天能引人注目 轉(zhuǎn)向信號(hào)燈的亮度很強(qiáng) 此外為引起對方注意 在轉(zhuǎn)向信號(hào)燈電路中裝有轉(zhuǎn)向信號(hào)閃光器 借此使轉(zhuǎn)向信號(hào)燈光發(fā)生閃爍 閃爍式轉(zhuǎn) 向信號(hào)燈可以單獨(dú)設(shè)置 也可以與前小燈合成一體 在后一種情況下 一般用雙絲燈 泡 也有餓后轉(zhuǎn)向信號(hào)燈和后燈合成一體 轉(zhuǎn)向信號(hào)閃光器常用的有電熱式 電容式 和電子式等多種形式 電子式閃光器分為有觸點(diǎn) 無觸點(diǎn) 集成電路等多形式 其原 理大同小異 制動(dòng)信號(hào)裝置 主要由制動(dòng)信號(hào)燈和制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)組成 制動(dòng)信號(hào)燈安裝在汽 車尾部 在駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)立即點(diǎn)亮 發(fā)出強(qiáng)烈的紅色光 以提醒后車駕駛員 或其他行人注意 制動(dòng)信號(hào)燈可以有一個(gè)或兩個(gè) 有的車輛將制動(dòng)信號(hào)燈裝在組合燈 內(nèi) 制動(dòng)信號(hào)燈開關(guān)安裝在汽車制動(dòng)回路中 隨制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的不同 有液壓式 和氣壓式兩種 3 此外 車廂的內(nèi)部還裝有頂燈 儀表照明燈 以及發(fā)動(dòng)機(jī)罩下燈 工作燈等其他 輔助照明裝置 1 2 汽車電子系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài) 汽車工業(yè)是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè) 在美國 德國 英國 日本 韓國等發(fā)達(dá) 國家 汽車在國民經(jīng)濟(jì)中占較大比例 我國的汽車工業(yè)正處于發(fā)展壯大時(shí)期 發(fā)展前 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 景及汽車市場潛力很大 隨著車輛擁有量的增加 行車安全成為一個(gè)非常重要的問題 據(jù)統(tǒng)計(jì) 自汽車問世一百多年以來 全世界已有 3000 萬人死于交通事故 引起汽車 事故的原因是多方面的 有人為因素 也有客觀存在的因素 據(jù)調(diào)查 由于汽車車燈 及信號(hào)燈故障所引起的交通事故較多 特別是在市區(qū)內(nèi)及高速路上行車時(shí) 由于車燈 故障所引起的交通事故比例較高 為減少行車時(shí)的安全隱患 保證汽車行駛過程中 汽車車燈工作的可靠性 隨著汽車工業(yè)及電子技術(shù)的發(fā)展 汽車上的各項(xiàng)技術(shù)特別是 控制技術(shù)越來越成熟 控制系統(tǒng)向自動(dòng)化 智能化方向不斷發(fā)展 在汽車行駛安合性 方面 盡可能提高駕駛員的視野性 視野性即是指駕駛員在操縱汽車量 不需改變操 作姿勢而對道路及周圍環(huán)境觀察的可見范圍 汽車車燈信號(hào)系統(tǒng)的主要作用是保證 夜間行車安全和向一環(huán)境 如人 其它車輛等 發(fā)出警告 示意行車信號(hào) 如轉(zhuǎn)向信 號(hào) 制動(dòng)信號(hào) 倒車信號(hào)等 汽車車燈故障 4 率在汽車行駛過程中是比較高的 車燈故障時(shí) 不能正確反映汽車駕駛員的行車 意識(shí)而給安全行車埋下事故隱患 安全 節(jié)能 環(huán)保以及智能化和信息化是未來汽車的發(fā)展趨勢 與這些要求相適 應(yīng) 汽車電子化的趨勢越來越明顯 半導(dǎo)體在汽車成本中所占比例也越來越高 根據(jù) Strategy Analytics 的分析 每輛汽車平均含有的半導(dǎo)體產(chǎn)品在 2004 年已經(jīng)達(dá)到了 223 美元 并將在 2015 年增長到 400 美元 預(yù)計(jì) 2003 年到 2008 年汽車半導(dǎo)體市場的平 均增長率為 11 1 由 2003 年的 137 億美元增長到 2008 年的 232 億美元 汽車智能化相關(guān)的技術(shù)總是已受到汽車制造商們的高度重視 其主要技術(shù)中 自動(dòng)駕駛儀 的構(gòu)想必將依賴于電子技術(shù)實(shí)現(xiàn) 智能交通系統(tǒng) ITS 的開發(fā)將與 電子 衛(wèi)星定位等多個(gè)交叉學(xué)科相結(jié)合 它裝有電子地圖 可以顯示出前方道路 并 采用衛(wèi)星導(dǎo)航 從全球定位衛(wèi)星獲取沿途天氣 車流量 交通事故 交通堵塞等各種 情況 向駕駛員提供距離最短而且能繞開車輛密度相對集中處的最佳行駛路線 未來 的某天 路上行駛的都會(huì)是由計(jì)算機(jī)控制的能智能汽車 集成化 多路傳輸 模塊化技術(shù)是今后另一個(gè)大有發(fā)展前景的領(lǐng)域 為了減小 體積 減輕質(zhì)量 提高可靠性 減少裝配工時(shí) 這都要求將分散的部件 組合成一個(gè) 整體模塊 這樣可以共用傳感器 控制元件 線路 使零件數(shù)量減少 減少連接點(diǎn)從 而提高可靠性 其核心技術(shù)是在 20 世紀(jì) 90 年代開始推廣的多路傳輸技術(shù) 采用多路 傳輸技術(shù)需要有智能型傳感器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的配合 對電子控制集成掄的實(shí)現(xiàn)也是十分 必要和有效的 采用這些技術(shù)可減少質(zhì)量 減少結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性 因而降低成本 并可 大幅提高可靠性 4 目前 國內(nèi)外的汽車生產(chǎn)商如一汽 上汽 長安 奇瑞 奧迪 歐姆龍 德爾 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 福等已經(jīng)對中國汽車電子市場這塊大蛋糕舉起了蛋糕刀 事實(shí)上 對汽車電子市場感 興趣的并不僅僅只有這些汽車生產(chǎn)商 康佳 新科 創(chuàng)維 長虹 TCL 等家電企業(yè) 在當(dāng)今家電行業(yè)利潤嚴(yán)重縮水的情況下 都早已邁出了進(jìn)軍汽車電子市場的步伐 表 1 1 2001 2004 年中國汽車電子產(chǎn)品應(yīng)用比例與全球平均水平對比 單位 美元 項(xiàng)目 2001 年 2002 年 2003 年 2004 年 全球平均每輛新車汽車電子產(chǎn)品支出 1800 1854 2025 2123 中國平均每輛新車汽車電子產(chǎn)品支出 754 790 885 1024 全球平均每輛新車汽車電子設(shè)備含量 23 10 23 90 26 20 27 50 中國平均每輛新車汽車電子設(shè)備含量 3 40 4 20 4 80 5 80 數(shù)據(jù)來源 中國進(jìn)出品商品檢驗(yàn)局 CCID 1 3 汽車隨動(dòng)轉(zhuǎn)向車燈控制國內(nèi)外研究情況 本課題研究的主要內(nèi)容是一個(gè)車燈智能控制系統(tǒng) 其主要是對夜間行駛安全性的 改進(jìn)與提升 1 3 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 長久以來 行車方式受到照明技術(shù)的約束和限制 不斷創(chuàng)新的汽車照明技術(shù)致力 于更巾心地服務(wù)于不同道路和氣候條件 2006 年 海拉公司的 AFS 前大燈照明體系 自適應(yīng)前照明系統(tǒng) AFS Adaptive Frontlighting System 或稱智能前照明系統(tǒng) 將實(shí) 現(xiàn)量產(chǎn) AFS 所體現(xiàn)的理念 為不同的行車條件提供最優(yōu)的前方照明組合 簡言之 城 市交通中盡可能寬 高速行駛時(shí)盡可能遠(yuǎn) 直到四年前 組合前大燈的標(biāo)配功能只是遠(yuǎn)光燈和近光燈兩種光分布 2002 年底奧迪綜合了轉(zhuǎn)彎燈功能 2003 年春季 伴隨著歐盟的法定批準(zhǔn) ECE R48 前大燈具備了 左顧右盼 的功能 歐寶和梅塞德斯幾乎同時(shí)引入動(dòng)態(tài)隨彎轉(zhuǎn) 彎燈 這一小小的突破可以說是 AFS 給駕駛者的第一次獨(dú)特體驗(yàn) 盡管那時(shí)只是傳統(tǒng) 的光分布依據(jù)不同的轉(zhuǎn)彎半徑加大了向外擺動(dòng)幅度 迄今為止 海拉公司為 14 種車型 裝備了動(dòng)態(tài)隨彎轉(zhuǎn)彎燈 奧迪 A6 A8 寶馬 5 系 X5 梅塞德斯 CLS E 系 M 系 SLK 歐寶雅思 思瑪 威達(dá) 標(biāo)志 407 酷派 路虎運(yùn)動(dòng) 大眾新高爾夫 1 而今 即將登場的 AFS 即將海拉公司命名為 VARILIS VARiables Intelligentes Licht System 的新技術(shù) 同樣擺動(dòng)它的前燈模塊 革機(jī)關(guān)報(bào)之處在于 它不僅 投入 地 照亮彎道 還可以通過 斜視 自我 擴(kuò)寬 這一功能被稱作 動(dòng)態(tài)城市照明 左右大燈各自偏離中軸向外展開 11 度 大大擴(kuò)寬了橫向照明幅度 這特別適合車速 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 60 80 公里每小時(shí)的多車道匝道 城鎮(zhèn)里 最高時(shí)速 50 公里且道路照明充足 VARILIS 產(chǎn)生城市燈燈光 照明寬度而不是照明深度起主導(dǎo)作用 AFS 柔和而不眩目 轉(zhuǎn)變和狹窄彎道行駛時(shí)由動(dòng)態(tài)或靜態(tài)隨彎轉(zhuǎn)彎燈照亮車旁的黑暗區(qū)域 5 出城進(jìn)入郊區(qū) 時(shí)速接近百公里后 一切照舊 鄉(xiāng)村照明 遵循眾所周知的 非 對稱 近光原則 有意識(shí)地限制左前方照明 以照顧左方來車 右方的照明則不受限 制高質(zhì)量的前大燈可照亮右邊道 150 米之遠(yuǎn) 簡言之 郊區(qū)道路上 非對稱的近光燈 保證右前方縱向足夠遠(yuǎn)處及右側(cè)路邊的照明 1 1 3 2 本文主要研究內(nèi)容 本課題研究設(shè)計(jì)的車燈隨動(dòng)轉(zhuǎn)向控制與機(jī)械傳動(dòng) 在研究過程中 對汽車車燈智 能控制技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析 提出了作者自己對車燈隨動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的方案 采用模 糊控制理論對車燈進(jìn)行智能分析 主要研究了模糊理論下隨動(dòng)轉(zhuǎn)向控制機(jī)械傳動(dòng) 提 出了汽車車燈智能控制的控制方案 對車燈智能控制的硬件進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì) 控制 內(nèi)容主要包括以下幾方面 1 前照燈隨動(dòng)轉(zhuǎn)向控制分析 轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)角 轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)角變化率 與前照燈轉(zhuǎn)角模糊化分析 2 前照燈隨動(dòng)轉(zhuǎn)向控制 前照燈開關(guān)開啟 根據(jù)轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)角 轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)角變化率及車速參數(shù)分析控制前照 燈隨動(dòng)轉(zhuǎn)向 1 4 智能控制模式的確定 汽車車燈的工作狀態(tài)受許多因素的影響 如駕駛員操作 道路條件等 這些影響 因素均是不斷變化的 且呈非線性變化關(guān)系 因此隨動(dòng)轉(zhuǎn)向與各因素間的關(guān)系很難用 數(shù)學(xué)方程進(jìn)行準(zhǔn)確描述 對汽車車燈的控制 采用常規(guī)的 PID 控制 系統(tǒng)模型難以 建立 且控制效果也不好 由于模糊控制是一種智能控制 它是模仿人工控制活動(dòng)中 人腦的模糊概念和成功的控制策略 運(yùn)用模糊數(shù)學(xué) 把人工控制策略用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 模糊控制不依賴系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型 因此汽車車燈控制系統(tǒng)如采用模仿人工控制活 動(dòng)中人腦的模糊概念和成功的控制策略 將達(dá)到令人滿意的效果 故本控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)主要采用模糊控制理論進(jìn)行控制 1 5 本章小結(jié) 本章主要介紹了汽車燈光的類型和作用 汽車隨動(dòng)轉(zhuǎn)向發(fā)展情況及提出了本設(shè)計(jì) 的具體研究內(nèi)容和控制模式 為后續(xù)內(nèi)容奠定了研究基礎(chǔ) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 第 2 章 汽車車燈智能控制系統(tǒng)總體方案 2 1 單片機(jī)的發(fā)展 汽車電子系統(tǒng)所受的干擾較大 且關(guān)乎人的生命安危 故對系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求很 高 需要專用的汽車電子器件 特別是對微控制器 MCU 的要求較高 世界半導(dǎo) 體各個(gè)廠商來搶占中國汽車電子市場 以期在中國的汽車電子市場占有一席之地 世 界知名的汽車零部件廠商如德爾福 博世等來了 國際知名的電子公司如摩托羅拉 西門子等也來了 德爾福曾自傲地宣布為幾乎所有的中國汽車廠商供貨 博世經(jīng)過努 力 2003 年在中國的銷售一路凱歌 單片機(jī)又稱為微控制器 是把微型計(jì)算機(jī)的各部件 中央處理器 存儲(chǔ)器 輸 入輸出接口電路 定時(shí)器 計(jì)數(shù)器等制作在一塊集成電路芯片上 構(gòu)成一個(gè)完整的微 型計(jì)算機(jī) 它具有超小型化 結(jié)構(gòu)緊湊 高可靠性 高抗干擾能力和高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn) 在工業(yè)控制中占據(jù)很重要的地位 特別適用于實(shí)時(shí)工業(yè)測量控制 智能化儀器儀表 計(jì)算機(jī)外設(shè)和家用電器控制等應(yīng)用系統(tǒng) 目前 8 位單片機(jī)仍占有單片機(jī)市場 60 以 上的份額 促進(jìn)了 8 位單片機(jī)朝著高性能和多功能化方向發(fā)展 隨著超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)以及微電子工藝水平的提高 近 10 余年來單片機(jī) 有了長足的發(fā)展 世界上各個(gè)著名的集成電路芯片制造商紛紛推出各自的產(chǎn)品 各種 類型和型號(hào)的單片機(jī)鋒如雨后春筍般相繼問世 1976 年 Intel 公司首先推出的 MCS 48 系列單片機(jī)是一種功能較簡單 尋址范圍很有 限的低性能 8 位單片機(jī) 除了一些傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 如鍵盤控制器 外 這類單片機(jī) 在很大程度上已被 1980 年 Intel 公司推出的 MCS 51 系列高檔 8 位單片機(jī)所取代 在 MCS 51 系列單片機(jī)的內(nèi)核 8051 80C51 的基礎(chǔ)上 Intel 公司 Philips 公司 Siemens 公司等紛紛推出了各種派生芯片 此類派生來的單片機(jī)功能有豐富 使用靈活 性能 價(jià)格比遠(yuǎn)高于 MCS 51 系列單片機(jī) 是目前世界上使用得最廣的一類單片機(jī) 7 經(jīng)過詳細(xì)比較 決定選用 Intel 公司生產(chǎn)的 32 位 MCS 51 系列的 8051 作為系統(tǒng) 的控制核心 通過對傳感器檢則的信號(hào)的處理 進(jìn)而決定繼電器的閉合 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)本課題要求的任務(wù) 2 2 MCS 51 單片機(jī)的特點(diǎn) MCS 51 系列單片機(jī)具有很強(qiáng)的功能 適用范圍廣 既可構(gòu)成功能強(qiáng)大的復(fù)雜系 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 統(tǒng) 也可組成較簡單的應(yīng)用系統(tǒng) 與 MCS 48 相比 主要有以下特點(diǎn) 程序存儲(chǔ)器 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器容量擴(kuò)大了一倍 外部程序存儲(chǔ)器的尋址空間擴(kuò)大 到 64KB 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量擴(kuò)大了一倍 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的空間達(dá)到 64KB 并行 I O 口線 由 MCS 48 的 27 線增加到 32 線且可進(jìn)行處理 定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 設(shè)有兩個(gè) 16 位的定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 8052 為 3 個(gè) 且可編程設(shè)定 多種工作方式 串行 I O 口 MCS 51 設(shè)有一個(gè)全雙工串行 I O 口 可編程設(shè)定 4 種工作方式 工作寄存器 設(shè)有 4 個(gè) 8 位的通用工作寄存器區(qū) 可適應(yīng)多級(jí)中斷和子程序嵌套 可避免寄存器內(nèi)容進(jìn)棧保護(hù)操作 提高了中斷響應(yīng)速度 加速子程序的調(diào)用 中斷 設(shè)有兩個(gè)內(nèi)部中斷源和兩個(gè)外部 8052 為 3 個(gè) 中斷源 還有一個(gè)串行 中斷源 可編程設(shè)定中斷優(yōu)先級(jí) 堆棧 其堆棧位置可編程設(shè)定 深度可在允許范圍內(nèi)選用 指令系統(tǒng) 其指令系統(tǒng)增強(qiáng)了加 減 乘 除 比較 堆棧操作 因而運(yùn)算功 能大大增強(qiáng) 圖 2 1 MCS 51 單片機(jī)總體結(jié)構(gòu) 布爾處理機(jī) 內(nèi)部設(shè)有可直接進(jìn)行位尋址的存儲(chǔ)器 位處理指令 位處理累加器 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 和運(yùn)算器等 因而成為一種功能極強(qiáng)的位處理機(jī) 為控制方面的應(yīng)用和邏輯運(yùn)算提供 了方便 MCS 51 單片機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖 2 1 所示 包括如下功能部件 一個(gè) 8 位中央處理器 4K 8KB 的 ROM 128 256B 的 RAM 32 條 I O 口 2 個(gè) 和 3 個(gè) 對 8032 8052 定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 1 個(gè)具有 5 個(gè)中斷源 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)的嵌套中斷 結(jié)構(gòu) 1 個(gè)用于多微處理機(jī)通信 I O 擴(kuò)展或全雙工 UART 通用異步接收發(fā)送器 的串行 I O 口 此外還有程序寄存器 PC 程序狀態(tài)寄存器 PSW 堆棧寄存器 SP 數(shù) 據(jù)指針寄存器 DPTR 等部件 這些部件集成在一塊芯片上 通過內(nèi)部總線連接 構(gòu)成 完整的微型計(jì)算機(jī) 算術(shù) 邏輯運(yùn)算單元 ALU ALU 的硬件結(jié)構(gòu)與典型微機(jī)相似 它具有對 8 位信息 進(jìn)行 四則運(yùn)算和進(jìn)行與 或 異或 取反 清 0 等邏輯運(yùn)算的功能 另外 MCS 51 的 ALU 還具有位處理功能 即具有置位 清 0 取反 轉(zhuǎn)移 監(jiān)測 判斷 邏輯等位操作功能 因此 MCS 51 的 ALU 還稱為布爾處理機(jī) 寄存器組 MCS 51 寄存器組在片內(nèi)存儲(chǔ)器 RAM 中都有地址映像 它們既可看 作 CPU 的寄存器 也可看作具有確定單元的存儲(chǔ)單元 累加器 ACC 8 位 MCS 51 單片機(jī)是以累加器為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu) 許多運(yùn)算中的 數(shù)據(jù)和結(jié)果都要經(jīng)過累加器 如算術(shù) 邏輯運(yùn)算中的操作數(shù)之一要先放在 ACC 中 才能與另外一個(gè)操作數(shù)一起送入 ALU 運(yùn)算 ALU 的運(yùn)算結(jié)果也直接送進(jìn) ACC 另 外還有移位操作 片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳送也必須經(jīng)過 ACC 因此存在 瓶頸現(xiàn) 象 寄存器 B 8 位 寄存器 B 主要用于乘 除法運(yùn)算 比如執(zhí)行乘法指令時(shí) 被 乘數(shù)與乘數(shù)要分別放在 ACC 和 B 中 做乘法運(yùn)算后 乘積的高位字節(jié)會(huì)送入 B 中 而低字節(jié)送入 ACC 中 其他操作中 B 可用作一般寄存器使用 CY 進(jìn)位標(biāo)志 在執(zhí)行某些算術(shù)和邏輯指令時(shí) 可以被硬件或軟件置位或清除 在布爾處理機(jī)中 被認(rèn)為是位累加器 AC 輔助進(jìn)位標(biāo)志 當(dāng)進(jìn)行加法或減法操作時(shí) 如果產(chǎn)生低 4 位數(shù)向高 4 位數(shù) 進(jìn)位或借位時(shí) AC 被硬件置 1 否則被清 0 AC 被用于十進(jìn)制調(diào)整 FO 標(biāo)志 O 是用戶定我的一個(gè)狀態(tài)標(biāo)志 可以用軟件置位或清除 也可以靠 軟件測試 FO 以控制程序的流程 RS1 RS0 寄存器區(qū)選擇控制位 1 和 0 可以靠軟件來置位或清除 以確定工 作寄存器區(qū) OV 溢出標(biāo)志 當(dāng)執(zhí)行算術(shù)指令時(shí) 由硬件置位或清除 以指示溢出狀態(tài) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 P 奇偶標(biāo)志 每個(gè)指令周期都由硬件來置位或清除 以表示累加器 A 中值為 1 的位數(shù)的奇偶數(shù) 若值為 1 的位數(shù)為奇數(shù)則 P 置位 否則清除 此標(biāo)志位對串行通信 中的數(shù)據(jù)傳輸有重要的意義 堆棧寄存器 SP MCS 51 的堆棧設(shè)在片內(nèi) RAM 區(qū) 當(dāng)堆棧存入數(shù)據(jù)時(shí) SP 先自 動(dòng)加 1 然后把數(shù)據(jù)壓入堆棧 當(dāng)數(shù)據(jù)出棧時(shí) 先彈出棧項(xiàng)數(shù)據(jù) 然后 SP 自動(dòng)減 1 仍指在棧頂 單片機(jī)復(fù)位時(shí) SP 07H 數(shù)據(jù)指針 DPTR 16 位 DPTR 用來存放片外存儲(chǔ)器的地址 CPU 通過它找到 一個(gè)存儲(chǔ)單元 然后讀出 寫入其中數(shù)據(jù) DPTR 為 16 位寄存器 可尋址 64KB 存儲(chǔ) 空間 DPTR 也可分為兩個(gè) 8 位寄存器 DPH DPL 程序計(jì)數(shù)器 PC 16 位 PC 位程序指針 它指出 CPU 即將執(zhí)行的一條指令的存儲(chǔ) 地址 當(dāng) CPU 取走一條指令時(shí) 它便自動(dòng)加 1 通常使 CPU 順序 執(zhí)行程序 當(dāng)有轉(zhuǎn)移 子程序調(diào)用 中斷響應(yīng)和復(fù)位等操作時(shí) PC 的內(nèi)容被強(qiáng) 制改寫 使 CPU 改變執(zhí)行程序的順序 復(fù)位時(shí) PC 0000H PC 位 16 位寄存器 可 尋址 64KB 程序存儲(chǔ)空間 工作寄存器 R7 共有 4 組 R0 R7 任一時(shí)刻只能選用一組工作 通過改變 PSW 中的兩位 PSW 4 和 PSW 3 來選用一組工作 其作用是暫存運(yùn)算數(shù)據(jù)和中間結(jié)果 也可作為間接地址寄存器 使用比較靈活 本系統(tǒng)基于 Intel 公司的 8051 芯片設(shè)計(jì)了汽車燈光隨動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng) 其總體控制 方案如圖 2 2 所示 使用單片機(jī)根據(jù)汽車轉(zhuǎn)向時(shí)照明的盲區(qū) 對駕乘及道路其他使用者所帶來的潛在隱 患做出的解決方法 隨動(dòng)轉(zhuǎn)向頭燈在單片機(jī)內(nèi)編寫程序以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn) 角度轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)和控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài) 根據(jù)駕駛員在駕駛汽車所需要的駕駛方法 借道超車 超車后并道 轉(zhuǎn)向 調(diào)頭 設(shè)計(jì)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向頭燈所需要功效 轉(zhuǎn)變時(shí)內(nèi)側(cè)燈可轉(zhuǎn)動(dòng) 15 外側(cè)燈可轉(zhuǎn)動(dòng) 8 光束寬度 加大 特別在連續(xù)彎道上 彎道內(nèi)側(cè)照明更寬 照明范圍更大 可照亮傳統(tǒng)車燈照不 到的盲區(qū) 以便駕駛員及時(shí)發(fā)現(xiàn)路上的障礙物或行人 做出應(yīng)對措施 提高了駕車的 安全性 突現(xiàn)以人為本的道路使用精神 6 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 圖 2 2 51 單片機(jī)引腳 2 3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器 功率放大器及步進(jìn)電機(jī)組成 如圖 2 3 所示 圖 2 3 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)組成 步進(jìn)電機(jī)控制器由緩沖寄存器 環(huán)形分配器 控制邏輯及正反轉(zhuǎn)控制門組成 其 步 進(jìn) 控 制 器 功率放大 大器 步進(jìn)電 機(jī) 前照燈控制機(jī) 構(gòu) 方向控制 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 作用就是把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)形脈沖 以便控制步進(jìn)電機(jī) 并能進(jìn)行正反方向控制 功率放大器的作用是把控制器輸出的環(huán)形脈沖放大 以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 但此系統(tǒng) 成本較高 本文采用單片機(jī)控制如圖 2 4 所示 單片機(jī)的主要作用是把二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成串行脈沖序列并實(shí)現(xiàn)方向控制 每當(dāng)步進(jìn) 電機(jī)脈沖輸入法線上得到一個(gè)脈沖 它便沿著轉(zhuǎn)向控制線信號(hào)所確定的方向走一步 2 4 車燈隨動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的方案 圖 2 5 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)流程 圖 2 6 系統(tǒng)總體控制方案 周期 通電時(shí)間 斷電時(shí)間 脈沖高度 圖 2 4 脈沖序列 t Y 單 片 機(jī) 接 口 驅(qū) 動(dòng) 器 步 進(jìn) 電 機(jī) 前 照 燈 發(fā)動(dòng)機(jī)工作 狀態(tài)檢測 車門狀態(tài)檢 測 光強(qiáng)檢測 轉(zhuǎn)向軸位置 檢測 車架位置檢 測 信號(hào)燈工作 狀態(tài)檢測 設(shè)置輸入 輸 入 接 口 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 輸 出 接 口 前照燈自動(dòng) 開關(guān) 系統(tǒng)故障報(bào) 警 照射范圍調(diào) 整 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 圖 2 7 控制系統(tǒng)布置圖 2 5 轉(zhuǎn)角控制 控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度 實(shí)際上是控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或是控制換相 的周期 即在升速過程中 使脈沖的輸出頻率逐漸增加 在減速過程中 使脈沖的輸 出頻率逐漸減少 脈沖信號(hào)頻率可以用軟件延時(shí)或硬件中斷兩種方法來確定 1 軟件延時(shí) 根據(jù)所需要的時(shí)間常數(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)子程序 該程序包含一定的指令 需要進(jìn)行嚴(yán)密 的計(jì)算或者精確的測試 以便確定延時(shí)時(shí)間是否符合要求 8 由于車燈隨動(dòng)轉(zhuǎn)向中 左右 方向盤一般周角為 540 隨動(dòng)轉(zhuǎn)向頭燈的左右轉(zhuǎn) 角范圍為 8 15 對于汽車在各種路況下的要求 并不能完全符合要求所以不予以 采用該種方法 2 硬件中斷方式 可編程的硬件定時(shí)器直接對系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖或某一固定頻率的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)算 計(jì)數(shù)值則由編程決定 當(dāng)計(jì)數(shù)到預(yù)定的脈沖數(shù)時(shí) 產(chǎn)生信號(hào)中斷信號(hào) 得到所需的延 時(shí)時(shí)間或定時(shí)間隔 由于計(jì)數(shù)的初始值由編程決定 因而在不改動(dòng)硬件的情況下 只 通過程序變化即可滿足不同的定時(shí)和計(jì)數(shù)要求 因此使用很方便 7 在控制方向盤時(shí) 車速越快 方向盤控制轉(zhuǎn)角越快 反之 車速越慢 方向盤控 右前照燈 正反轉(zhuǎn)電機(jī) 4 正反轉(zhuǎn)電機(jī) 3 繼電器 4 繼電器 3 繼電器 5 信 號(hào) 輸 出 語 音 報(bào) 警控制器 車門狀態(tài)檢測 發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)檢測 光強(qiáng)檢測 轉(zhuǎn)向軸位置檢測 信 號(hào) 輸 入 正反轉(zhuǎn)電機(jī) 2 正反轉(zhuǎn)電機(jī) 1 繼電器 2 繼電器 1 車架位置檢測 左前照燈 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 制在滿足駕駛安全的條件下轉(zhuǎn)角也越慢 但并不排出在特殊情況下 慢車急打方向盤 的情況 固對此情況做出特定定時(shí) 在借道超車及超車后并道同樣與車速有關(guān) 所以 根據(jù)以上情況 可通過可編程的硬件定時(shí)器直接對系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算控制 圖 2 8 轉(zhuǎn)向控制圖 圖 2 9 控制模塊控制流程圖 2 6 信號(hào)采集 由于方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度遠(yuǎn)大于輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)角度 所以截取信號(hào)非常困難 加之一定 要考慮車輪正位時(shí) 但并不利于降低設(shè)計(jì)在實(shí)際運(yùn)用的成本 所以在保證準(zhǔn)確性 實(shí) 用性 考慮兩個(gè)解決方法 一是在方向盤中軸內(nèi)加裝減速齒輪 并從中截取信號(hào)這個(gè) 開始 保護(hù)現(xiàn)場 輸出控制模塊 指向下一控制模塊 取控制模塊 是否控制模塊標(biāo)志 恢復(fù)模塊起始地址 步數(shù)夠否 禁止定時(shí)器中斷 關(guān)中斷 是 否 是 恢復(fù)現(xiàn)場 返回 否 開始 設(shè)置控制步數(shù) 設(shè)置定時(shí)器工作方式 設(shè)置定時(shí)器起初值 正轉(zhuǎn)否 取正轉(zhuǎn) 模型起 始地址 開中斷 允許定時(shí)器中斷 啟動(dòng)定時(shí) 中斷等待 取反轉(zhuǎn) 模型起 始地址 否 是 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 理論上很簡單 改裝起來比較麻煩 二是在車輪前軸上截取信號(hào) 綜合中斷及控制實(shí)用簡便可靠性分析 此項(xiàng)設(shè)計(jì)采用在方向盤中加裝減速齒輪 并從中截取信號(hào)方法 取用參數(shù) 圖 2 10 控制總流程 圖 2 10 控制回路流程圖 2 7 控制方法說明 基于單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制分為串行控制和并行控制 隨動(dòng)轉(zhuǎn)向頭燈在汽車運(yùn) 動(dòng)的主要功能 本設(shè)計(jì)可采用串行控制方式 單片機(jī)控制系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊之間只有兩條控制線 一條發(fā)出時(shí)鐘脈沖信 號(hào)來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 另一條發(fā)出轉(zhuǎn)向信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 兩個(gè)信號(hào)都是 送入步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端 而步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊中有環(huán)行分配器 步進(jìn)電機(jī) 勵(lì)磁方式的控制和控制脈沖的分配都是由環(huán)形分配器來完成的系統(tǒng) 按速度控制的要求從時(shí)鐘脈沖控制線發(fā)出相應(yīng)的控制脈沖即可對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速 進(jìn)行控制 當(dāng)需要恒速運(yùn)行時(shí) 就發(fā)出恒定頻率的控制脈沖 當(dāng)需要加速運(yùn)行時(shí) 就 發(fā)出頻率遞增的控制脈沖 當(dāng)需要鎖定狀態(tài)時(shí) 只需要停止發(fā)出脈沖 并通入直流電 就可以 轉(zhuǎn)向控制線可實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制 當(dāng)輸出高電平 1 時(shí) 環(huán)行分配器 方向盤轉(zhuǎn)角 車速信號(hào) 延時(shí)分析 是否 步進(jìn)電機(jī)方向選取 轉(zhuǎn)速控制 中斷控制 鎖定 方向盤轉(zhuǎn)角 左右信號(hào) 方向 盤回 正 單 片 機(jī) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 按正方向進(jìn)行脈沖 步進(jìn)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn) 當(dāng)輸出低電平 0 時(shí) 環(huán)行分配器按反方 向進(jìn)行脈沖分配 步進(jìn)電機(jī)反方向旋轉(zhuǎn) 由于以上控制過程的控制特點(diǎn) 對應(yīng)隨動(dòng)轉(zhuǎn)向燈所需的運(yùn)動(dòng) 串行控制是可行適 用的 單片機(jī)控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)模塊之間只有兩條控制線 從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化 對步進(jìn)電機(jī)所需的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)角及鎖定工況均可方便的實(shí)現(xiàn) 2 8 本章小結(jié) 本章詳細(xì)闡述了汽車前照燈轉(zhuǎn)動(dòng)角度模糊控制器的設(shè)計(jì)步驟 過程及方案 通過 本章的闡述 說明了本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用模糊控制的基本設(shè)計(jì)思想和方法 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 第 3 章 蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì) 蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng) 兩軸線間的夾角可 為任意值 常用的為 90 這種傳動(dòng)由于具有結(jié)構(gòu)緊湊 傳動(dòng)比大 傳動(dòng)平穩(wěn)以及 在一定的條件下具有可靠的自鎖性等優(yōu)點(diǎn) 它廣泛應(yīng)用在機(jī)床 汽車 儀器 起重運(yùn) 輸機(jī)械 冶金機(jī)械及其它機(jī)器或設(shè)備中 3 1 蝸輪蝸桿的形成 蝸桿蝸輪傳動(dòng)是由交錯(cuò)軸斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)演變而來的 小齒輪的輪齒分度圓柱 面上纏繞一周以上 這樣的小齒輪外形像一根螺桿 稱為蝸桿 大齒輪稱為蝸輪 為 了改善嚙合狀況 將蝸輪分度圓柱面的母線改為圓弧形 使之將蝸桿部分地包住 并 用與蝸桿形狀和參數(shù)相同的滾刀范成加工蝸輪 這樣齒廓間為線接觸 可傳遞較 大 的動(dòng)力 蝸桿蝸輪傳動(dòng)的特征 其一 它是一種特殊的交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng) 交錯(cuò)角為 很小 一般 90 1z 4 1 z 其二 它具有螺旋傳動(dòng)的某些特點(diǎn) 蝸桿相當(dāng)于螺桿 蝸輪相當(dāng)于螺母 蝸輪部分地包容蝸 桿 蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn) 1 傳動(dòng)平穩(wěn) 無噪聲 2 傳動(dòng)比大 結(jié)構(gòu)緊湊 3 具有自鎖性 4 傳動(dòng)效率較低 磨損較嚴(yán)重 5 蝸桿軸向力較大 致使軸承摩擦損失較大 3 2 圓柱蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 電機(jī)在某種測試條件下測得運(yùn)行中輸出為力矩與 頻 率 關(guān) 系 的 曲 線 稱 為 運(yùn) 行 矩 頻 特 性 這 是 電 機(jī) 諸 多 動(dòng) 態(tài) 曲 線 中 最 重 要 的 也 是 電 機(jī) 選 擇 的 根 本 依 據(jù) 其測試電壓是 12V 測試電流為 4A 脈沖數(shù)為 1600PPR 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 連接方式串聯(lián) 由圖 3 1 可知 步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩 約為 因此所要設(shè)計(jì)的隨動(dòng)機(jī)構(gòu)可取 作為設(shè)計(jì)mNT 7 1 mNT 7 1radn30 依據(jù) 圖 3 1 運(yùn) 行 矩 頻 特 性 圖 由于彈性活塊聯(lián)軸器各彈性元件可徑向插入而不必軸向移動(dòng)兩個(gè)半聯(lián)軸器 便于 更換損壞的彈性元件 為了防止彈性元件因離心力而脫出 在聯(lián)軸器的外緣裝有套筒 其還有較大的徑向和角向的補(bǔ)償量 公稱轉(zhuǎn)矩和許用轉(zhuǎn)速也較大 其許可工作溫度為 85 3 本設(shè)計(jì)中所采用的隨動(dòng)機(jī)構(gòu)采用渦輪蝸桿 避免了主從動(dòng)件處在同一平面內(nèi)布置 的形式的單一 傳動(dòng)平穩(wěn) 噪聲較小 同時(shí)兼起到減速器的作用 蝸桿傳動(dòng)的失效形式 計(jì)算準(zhǔn)則及常用材料 3 2 1 失效形式 點(diǎn)蝕 齒面膠合及過度磨損由于蝸桿傳動(dòng)類似于螺旋傳動(dòng)嚙合效率較低 相對滑 動(dòng)速度較大 點(diǎn)蝕 磨損和膠合最易發(fā)生 尤其當(dāng)潤滑不良時(shí)出現(xiàn)的可能性更大 又 由于材料和結(jié)構(gòu)上的原因 蝸 桿螺旋齒部分的強(qiáng)度總是高于蝸輪輪齒的強(qiáng)度 蝸輪 是該傳動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié) 因此 一般只對蝸輪輪齒進(jìn)行承載能力計(jì)算和蝸桿傳動(dòng)的抗膠 合能力計(jì)算 1 計(jì)算準(zhǔn)則 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 開式傳動(dòng)中主要失效形式是齒面磨損和輪齒折斷 要按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè) 計(jì) 閉式傳動(dòng)中主要失效形式是齒面膠合或點(diǎn)蝕而 要按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 而按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核 此外 閉式蝸桿傳動(dòng) 由于散熱較為困難 還應(yīng)作 熱平衡核算 確定各力的方向 蝸桿為主動(dòng)件 蝸桿的圓周力方向與蝸桿上嚙合點(diǎn)的速度方向 相反 蝸桿為從動(dòng)件 蝸輪的圓周力方向與蝸輪的嚙合點(diǎn)的速度方向相同 蝸桿和蝸 輪的軸向力方向分別與蝸輪和蝸桿的周向力方向相反 蝸桿和蝸輪的徑向力方向分別 指向各自的圓心 2 應(yīng)力分析 由于蝸桿傳動(dòng)中 蝸輪比蝸桿的強(qiáng)度低 因此 在應(yīng)力分析中只要了解蝸輪的情 況就可以了 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)在中間平面相當(dāng)于齒條和齒輪的傳動(dòng) 故可以仿照圓 柱斜齒輪推倒蝸輪的應(yīng)力計(jì)算公式 蝸輪齒面接觸應(yīng)力 蝸輪齒面接觸應(yīng)力仍來源于赫茲公式 3 接觸應(yīng)力 3 1 EnHZpLKF 0 式中 載荷系數(shù) K 嚙合面的法向載荷 nFN 材料的彈性影響系數(shù) 對于青銅或鑄鐵蝸輪與鋼蝸桿配對時(shí) 取EZMPa 160 MPa 綜合曲率 p 接觸線總長 mm 0L 將上式換算成蝸輪轉(zhuǎn)矩 T2 和中心距 a 的關(guān)系得 3 2 32KTZPEH 式中 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 蝸桿傳動(dòng)的接觸線長度和曲率半徑對接觸應(yīng)力的影響系數(shù) 簡稱接觸系數(shù) PZ 查圖 4 蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 蝸輪齒根接觸疲勞強(qiáng)度的驗(yàn)算公式為 H 式中 蝸輪齒面的許用接觸應(yīng)力 H 設(shè)計(jì)公式為 3 3 322 HPEZKTa 2 蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的驗(yàn)算公式為 F 式中 蝸輪齒根的許用彎曲應(yīng)力 F 設(shè)計(jì)公式為 3 4 YzKTdmFa22 cos53 1 許用應(yīng)力 當(dāng)蝸輪材料為強(qiáng)度極限 300MPa 的青銅 蝸輪傳動(dòng)的主要失效形B 式為蝸輪齒面接觸疲勞失效 因此 承載能力取決于蝸輪的接觸疲勞強(qiáng)度 則 其中 為基本許用應(yīng)力 查表 為接觸疲勞強(qiáng)度的壽命系數(shù) HNHK HHNK 3 5 8 710KHN 表 3 1 鑄錫青銅蝸輪的基本許用接觸應(yīng)力 MPa H 蝸 桿 螺 旋 面 的 硬 度 蝸 輪 材 料 鑄 造 方 法 45HRC 45HRC 鑄 錫 磷 青 銅 砂 模 鑄 造 150 180 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 ZCuSn10P1 金 屬 模 鑄 造 220 268 砂 模 鑄 造 113 135鑄 錫 鋅 鉛 青 銅 ZCuSn5Pb5Zn5 金 屬 模 鑄 造 128 140 注 鑄錫青銅蝸輪的基本許用接觸應(yīng)力為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)時(shí)之值 當(dāng)710 N 時(shí) 需將表中數(shù)值乘以壽命系數(shù) 當(dāng) 時(shí) 取 當(dāng)710 NHNK71025 25 時(shí) 取 5 2 5106 2 N 如果蝸輪材料為 300MPa 的青銅或灰鑄鐵 蝸輪傳動(dòng)的主要失效形式為蝸輪B 齒面膠合 因尚無完善的膠合強(qiáng)度計(jì)算公式 則按接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行條件性計(jì)算 由 于膠合不屬于疲勞失效 與應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 無關(guān) 可直接查表 3 2 灰鑄鐵及鑄H N 鋁鐵青銅蝸輪許用接觸應(yīng)力 MPa 表 3 2 蝸輪的許用彎曲應(yīng)力 材 料 滑 動(dòng) 速 度 smv 蝸 桿 蝸 輪 5 10 10 15 15 25 25 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 載荷類型 重 重 中 不限 不限 不限 不限 運(yùn)動(dòng)粘度 v40 cSt 900 500 350 220 150 100 80 噴池潤滑時(shí)的噴油壓力 MPa 給 油 方 法 油 池 潤 滑 0 7 2 3 潤滑油量 對閉式蝸桿傳動(dòng)采用油池潤滑時(shí) 在攪油損耗不致過大的情況下 應(yīng)有適當(dāng)?shù)挠?量 這樣不僅有利于動(dòng)壓油膜的形成 而且有助于散熱 對于蝸桿下置式或蝸桿側(cè)置 式的傳動(dòng) 浸油深度應(yīng)為蝸桿的一個(gè)齒高 當(dāng)為蝸桿上置式時(shí) 浸油深度約為蝸輪外 徑的 1 3 潤滑油粘度及給油方法 潤滑油粘度及給油方法 一般根據(jù)相對滑動(dòng)速度及載荷類型進(jìn)行選擇 對于閉式 傳動(dòng) 常用的潤滑油粘度及給油方法見表 對于開式傳動(dòng) 則采用粘度較高的齒輪油 或潤滑旨 如果采用噴油潤滑 噴油嘴要對準(zhǔn)蝸桿嚙入端 蝸桿正反轉(zhuǎn)時(shí) 兩邊都要 裝有噴油嘴 而且要控制一定的油壓 3 2 2 蝸桿設(shè)計(jì) 1 基本參數(shù)的選定 蝸桿轉(zhuǎn)速 扭矩 傳動(dòng)比 雙側(cè)工作 工作載荷radn30 mNT 7 130 i 較穩(wěn)定 沖擊不大 要求壽命為 年 按每年 天 每天 小時(shí) 53658 則使用壽命 6840hhL 根據(jù) 的推薦 采用漸開線蝸桿 傳動(dòng)比 介于 5 80 之間 1085 GB ZIi 考慮到蝸桿傳動(dòng)傳遞的功率不大 速度較小 故蝸桿用 45 號(hào)鋼 因希望效率高 些 耐磨性好些 故蝸桿螺旋面要求淬火并且調(diào)質(zhì)處理 硬度為 蝸輪45HRC 用鑄錫磷青銅 金屬模鑄造 這種材料耐磨性最好 但價(jià)格較高 用于滑10PZcuSn 動(dòng)速度 的重要傳動(dòng) 為了節(jié)約貴重的有色金屬 僅齒圈用青銅制造 而輪3mssv 芯用灰鑄鐵 制造 為防止變形 常對蝸輪進(jìn)行時(shí)效處理 5HT 2 強(qiáng)度設(shè)計(jì) 在閉式傳動(dòng)中 蝸桿副多因齒面膠合或點(diǎn)蝕而失效 根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)順 序 先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 1d 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 3 6 2212 9HEzZKTdm 蝸桿頭數(shù) 其值可根據(jù)所需的傳動(dòng)比和傳動(dòng)效率來選定 小 傳動(dòng)比大 效1z 1z 率低 大 效率高 但加工困難 通常取 1 2 4 6 依據(jù)傳動(dòng)比與傳動(dòng)效率綜合考慮 確定蝸桿頭數(shù) 則 1 z3012 iz 按 取效率 則查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得 1 z7 0 mNiT 3570 0112 確定中心距 依據(jù)機(jī)械原理與設(shè)計(jì) 標(biāo)準(zhǔn)蝸桿傳動(dòng)中心距的計(jì)算公式為 1212dmza 則根據(jù)公式代入數(shù)據(jù)得 1212dmza m5 308 1 模數(shù) 和壓力角 m 在中間平面中 為保證蝸桿蝸輪傳動(dòng)的正確嚙合 蝸桿的軸向模數(shù) 和壓力角 應(yīng)分別相等于蝸輪的法面模數(shù)和壓力角 2 蝸桿的分度圓直徑 d1 和直徑系數(shù) q 為了保證蝸桿與蝸輪的正確嚙合 要用與蝸桿尺寸相同的蝸桿滾刀來加工蝸輪 由于相同的模數(shù) 可以有許多不同的蝸桿直徑 這樣就造成要配備很多的蝸輪滾刀 以適應(yīng)不同的蝸桿直徑 顯然 這樣很不經(jīng)濟(jì) 為了減少蝸輪滾刀的個(gè)數(shù)和便于滾刀的標(biāo)準(zhǔn)化 就對每一標(biāo)準(zhǔn)的模數(shù)規(guī)定了一定 數(shù)量的蝸桿分度圓直徑 而把及分度圓直徑和模數(shù)的比稱為蝸桿直徑系數(shù) 即 1d qmdq1 3 蝸桿頭數(shù) 和蝸輪齒數(shù)1z2z 蝸桿頭數(shù)可根據(jù)要求的傳動(dòng)比和效率來選擇 一般取 推薦10 z 選擇的原則是 當(dāng)要求傳動(dòng)比較大 或要求傳遞大的轉(zhuǎn)矩時(shí) 則 取小值 6 421 z 1z 要求傳動(dòng)自鎖時(shí)取 要求具有高的傳動(dòng)效率 或高速傳動(dòng)時(shí) 則 取較大值 1 z 蝸輪齒數(shù)的多少 影響運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性 并受到兩個(gè)限制 最少齒數(shù)應(yīng)避免發(fā)生根 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 切與干涉 理論上應(yīng)使 但 26 時(shí) 嚙合區(qū)顯著減小 影響平穩(wěn)性 而17min2 z2z 在 時(shí) 則可始終保持有兩對齒以上嚙合 因之通常規(guī)定 28 另一方面 z2302 z 2z 也不能過多 當(dāng) 80 時(shí) 對于動(dòng)力傳動(dòng) 蝸輪直徑將增大過多 在結(jié)構(gòu)上相應(yīng)就須2z 增大蝸桿兩支承點(diǎn)間的跨距 影響蝸桿軸的剛度和嚙合精度 對一定直徑的蝸輪 如 z2 取得過多 模數(shù) m 就減小甚多 將影響輪齒的彎曲強(qiáng)度 故對于動(dòng)力傳動(dòng) 常用 的范圍為 對于傳遞運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng) z 2 可達(dá) 200 300 甚至可到 1000 70 28 z 確定許用接觸應(yīng)力 0NHHZ 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅 金屬模鑄造 蝸桿硬度 可從1pcuSnHRC45 表 3 1 中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力 其中 ZN 為壽命系數(shù) 268MPaH 應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 72 1086 140306 hLjnN 壽命系數(shù) 75 0 Z 校核彎曲強(qiáng)度 MPaYmdKTFaxF 32 1957 0142 75283 13 12 MP84 765 0 彎曲強(qiáng)度是滿足的 表 3 5 各種鑄件的基本許用接觸應(yīng)力值 H Pa 蝸桿螺旋面的硬度 蝸輪材料 鑄造方法 45HRC 45HRC 砂模鑄造 150 180鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1 金屬模鑄造 220 268 砂模鑄造 113 135 金屬模鑄造 128 140 鑄錫鉛鋅青銅 ZCuSn5Pb5Zn5 離心鑄造 158 183 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 載荷系數(shù)由使用系數(shù) 齒向載荷分布系數(shù) 及動(dòng)載系數(shù) 來決定的 查機(jī)械原AKK v 理與設(shè)計(jì)得計(jì)算公式 3 7Av 表 3 6 蝸桿傳動(dòng)使用系數(shù) 工作機(jī) 原動(dòng)機(jī) 載荷均勻 中等沖擊載荷 嚴(yán)重沖擊載荷 電動(dòng)機(jī) 汽輪機(jī) 0 8 1 25 0 9 1 5 1 0 1 75 本設(shè)計(jì)中 隨動(dòng)機(jī)構(gòu)工作載荷較穩(wěn)定 所以選取齒向載荷分布系數(shù) 由上1 K 表 3 6 選取使用系數(shù) 由于轉(zhuǎn)速不高 沖擊不大 可取動(dòng)載系數(shù) 將1 AK 05 v 上述系數(shù)帶入式 3 7 中 得 105 vAK 因選用的是鑄錫磷青銅蝸輪和鋼蝸桿相配 所以依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 查表 3 7 得 160MPaEZ 表 3 7 彈性系數(shù) EZMPa 蝸輪材料 蝸桿材料 鑄鐵青銅 鑄錫磷青銅 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 鋼 156 160 162 184 1 計(jì)算 確定模數(shù) 和蝸桿分度圓直徑12dm1d 由于相同模數(shù) 壓力角 和頭數(shù) 可以有許多不同分度圓直徑 的蝸桿 1z 1d 相應(yīng)就要配備很多蝸輪滾刀 為了限制蝸輪滾刀的數(shù)目及便于標(biāo)準(zhǔn)化 對每一標(biāo)準(zhǔn)模 數(shù) 規(guī)定了一定數(shù)量的蝸桿分度圓直徑 與其相對應(yīng) 1d 依據(jù)機(jī)械原理與設(shè)計(jì) 查得計(jì)算 的公式 2m 3 8 2129 EHZdKTz 根據(jù)公式 3 8 代入數(shù)據(jù)得 2297 16 30 357m 圖 5 1 兩種型號(hào)的渦桿接觸系數(shù) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查得 根據(jù)普通渦輪蝸桿傳動(dòng)的 與m5 2 d271 m 的匹配 取 1d128 導(dǎo)程角 蝸桿的形成原理與螺旋相同 導(dǎo)程角的大小與效率有關(guān) 導(dǎo)程角大時(shí) 1tandz 效率高 并多采用多頭蝸桿 但導(dǎo)程角過大 蝸桿車削困難 導(dǎo)程角小時(shí) 效率低 但可以自鎖 圖 3 2 蝸桿參數(shù) 傳動(dòng)比 i 傳動(dòng)比 21ni 蝸桿為主動(dòng)的減速運(yùn)動(dòng)中 uzi12 減速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力蝸桿傳動(dòng) 通常取 優(yōu)先采用 1 增速傳動(dòng)705 50 u 15 u 圓柱蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算 圓柱蝸桿傳動(dòng)基本幾何尺寸計(jì)算關(guān)系式 表 3 8 渦輪蝸桿主要設(shè)計(jì)參數(shù) 名 稱 代 號(hào) 計(jì) 算 關(guān) 系 式 說 明 中心 距 a1212dmza m5 1 2308 按規(guī)定 選取 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 蝸桿 頭數(shù) 1 z 1 z 按規(guī)定 選 蝸輪 齒數(shù) 2 3012 i 按傳動(dòng) 比確定 壓力 角 按蝸桿類型確 定 模數(shù) mm5 2 按規(guī)定 選取 傳動(dòng) 比 i 30 i 蝸桿為主動(dòng) 按規(guī)定 選取 齒數(shù) 比 u1 當(dāng)蝸桿主動(dòng)時(shí) 2zuui 蝸桿 直徑 系數(shù) q 2 1581 mdq 蝸桿 軸向 齒距 appa8 7 蝸桿 分度 圓直 徑 1dmd281 按規(guī)定 選取 蝸桿 齒頂 圓直 徑 1adhdaa 325 128 1 蝸桿 齒根 圓直 1fd mchmdaf 2 01 5 28 2 1 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 徑 頂隙 c 5 02 mc 按規(guī)定 蝸桿 齒頂 高 1ahha 1 1 按規(guī)定 蝸桿 齒根 高 1f mmcaf 35 2 0 1 蝸桿 齒高 1 h dhfafa 7 111 分度 圓螺 旋導(dǎo) 角 5arctn1 qz 蝸桿 導(dǎo)程 角 1 528tanta11 dmz 蝸桿 螺紋 部分 長度 1b取zb 06 21 b13 蝸桿 軸向 齒厚 1xs mpsax95 3 01 蝸桿 法向 齒厚 1ns sxn 93 15cos9 3co1 蝸輪 齒數(shù) 2 z 012 iz 按傳動(dòng) 比確定 變位 系數(shù) 2 x 2 12 mdax 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 蝸輪 齒寬 2 b 當(dāng) mdbza175 07 3121 蝸輪 分度 圓直 徑 2dmzd7530 2 蝸輪 齒頂 圓直 徑 2ad mxhdaa 805 217 22 2 蝸輪 齒根 圓直 徑 2fdcxhmdaf 69 2 01 5 27 2 2 2 蝸輪 外圓 直徑 2ed當(dāng) 時(shí) 1 z mdae 85 28022 3 3 本章小結(jié) 本章詳細(xì)闡述了汽車前照燈轉(zhuǎn)動(dòng)滿足設(shè)計(jì)要求的渦輪蝸桿的傳動(dòng)設(shè)計(jì)及