永磁传动技术论文范文

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一、永磁同步电机应用于电梯驱动技术

永磁同步电机无齿轮传动系统采用正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)，由于其减少了变速箱以及齿轮机械结构，减小了体积。论文参考网。同时永磁同步电机较之于以往交流异步电动机，应用于电梯拖动系统时有以下几个特点:

1、永磁同步电机机械噪音小，转矩波动小，转速平稳，动态响应快速准确。同步电动机比异步电动机对电压及转矩的扰动有着更强的承受能力，能做出比较快的反应。异步电动机当负载转矩发生变化时，电机的转差率也发生变化，转速也就随之变化，这样电机的转动部分的惯量就会阻碍电机做出快速的反应;而同步电机当负载转矩发生变化时，只要电机的功角做出相应的变化，而转速维持在原来的转速，这样电机转动部分的惯量就不会影响电机的快速反应。

2、相对于传统有齿轮传动系统，以永磁同步电机为主要技术的无齿轮曳引技术实现了无机房化，降低了建筑面积，整个电梯系统的成本降低，维护方便，减少了机械传动系统，噪音降低。

3、体积小，重量轻，随着高性能永磁材料的应用，转子无需励磁，相对于异步电机减少了变速用的变速箱，所以永磁同步电机功率密度不断增加，比起同容量的异步电机，它的体积，重量都要减小许多。

4、损耗小，效率高，永磁同步电机相对于异步电机无需励磁电流，无功电流分量，显著的提高了功率因数;由于高性能永磁材料的应用，提高了磁负荷，在相同功率的情况下，在设计过程中可以相应的减少电负荷，这样随之减小定子电流和定子铜耗。转子采用表面磁钢形式，在稳定运行时无转子铜损提高了效率。

5、性能价格比高。论文参考网。随着电力电子技术的成熟，电子器件的价格的降低，人们越来越多得用变频电源来驱动永磁同步电机，这就使整个驱动系统的成本不断降低。

二、国内外电梯驱动用永磁同步电动机的发展现状

国际上对电梯驱动用永磁同步电动机的研究己经进行了多年。从上世纪90年代起，电梯行业内的有关企业就开始了对电梯驱动用永磁同步电机的探索。日本三菱公司首先在高速电梯曳引机上使用永磁电机，提高了电梯的运行性能。日本在永磁电机应用于电梯的研究也己经进行了多年，并且取得了很大的成绩，其中以日本安川为代表的一些企业己经生产出了此类产品并获得了应用。他们在控制方式、转子位置检测、驱动变频器及电机本体设计等方面己经有了很多产品且申请了相关的专利。其产品经过实际测试，得到了国内同行的高度评价。论文参考网。东芝公司外旋转无齿轮永磁同步电动机曳引机的曳引轮与电机成为一体，实现了小型化、轻量化。

三、永磁同步电动机的分类

永磁同步电机按主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式;按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式;按转子上有无起动绕组，分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机);按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机(简称无邪}J直流电动机)和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。永磁同步电机无齿轮传动系统采用的正是正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。

四、变频调速永磁同步电动机的设计要求

由于采用变频器对电机实行变频变压调速时，经变频器输入电机的电源是一个含有大量谐波分量的电压或电流发生源，它对电机的性能产生很大影响，主要表现在:电机振动、电磁噪声、损耗增大、起动转矩下降，温升升高等现象，而电梯的运行恰在这几方面要求比较严格，为此必须有针对性地采取措施。

（一）电动机低速平稳性的改善

电动机服务于电梯传动系统，因此对于运行的平稳性、动态响应性能和运行中的低噪声提出了较高的要求，尤其是对电机低速运行的平稳性要求更为严格，因为低速平稳性是保证电梯电机性能的重要指标。影响电动机低速平稳性的主要原因是电动机低速运行时的脉动转矩，该脉动转矩通常分为两种:一是由感应电动势或电流波形畸变而引起的纹波转矩，二是由齿槽或铁心磁阻变化而引起的齿谐波转矩。针对这两种情况，减小电动机低速脉动转矩的措施主要有以下几点:

1、使电机空载磁场气隙磁通密度的空间分布尽量接近于正弦形，以减少由谐波磁场引起的谐波转矩以及由谐波转矩引起的电磁振动。

2、合理选择定子槽数，使在该槽数下采用绕组短距、分布的方法来有效地削弱高次谐波电动势。

3、当转子有槽时，应该选择与定子槽数相配合的转子槽数。

4、增大电机的气隙长度，以减小气隙磁场齿谐波及相应的齿谐波转矩。

5、采用定子斜槽或转子斜极削弱齿谐波电动势，从而减少相应的齿谐波转矩。

6、减小定子槽的开口宽度或采用磁性槽楔，以降低由定子槽开口引起的气隙磁导的变化，从而减小了气隙磁场齿谐波。

7、采用阻尼绕组，以减小电枢反应磁链的脉动，可以有效地减少纹波转矩。

8、增大交轴同步电抗，使凸极永磁同步电动机的交轴同步电抗与直轴同步电抗的差距增大，从而增加电机的磁阻转矩，以增强电机低速运行时的输出能力。

（二）电动机低速平稳定位转矩的抑制

高精度的调速传动系统通常要求系统具有较高的定位精度。影响永磁同步电动机停转时定位精度的主要原因是电机的定位转矩，即电机不通电时所呈现出的磁阻转矩，该转矩使电机转子定位于某一位置。定位转矩主要是由转子中的永磁体与定子开槽的相互影响而产生的。

（三）提高弱磁扩速的能力

永磁同步电动机的励磁磁场由永磁体产生，不像电励磁同步电动机那样可以调节，这样在控制手段上就只能通过增大电机的直轴去磁电流以达到弱磁扩速的目的。

针对这一情况，对永磁同步电动机本身提出的要求是:

1、增大直轴同步电抗，以增强电机直轴电流的去磁能力。

2、选用抗去磁能力强的永磁体，并在电机结构上对永磁体加强保护，以避免永磁体发生不可逆性去磁。

3、充分利用电机的磁阻转矩，使永磁磁链设计得较低，从而增强电机的弱磁扩速能力。

4、保证电机转子具有适合高速运行的足够的机械强度。

五、结论

永磁同步电动机和异步电动机不同，永磁体提供的磁通量和磁动势随着磁路的饱和程度、材料尺寸、电机的运行状态变化而变化，而且由于转子磁路结构形式多种多样，不同的转子磁路结构，其空载漏磁系数各不相同，对电机的性能有着重要影响。据有关人士预计，在2010年新增的电梯90%以上是由低速、大转矩的永磁同步电动机直接驱动的无齿轮曳引电梯，永磁同步电动机在无齿轮曳引电梯中的应用将有很好的发展前景。

参考文献:

[1]廖富全.基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统[J]兵工自动化,2005,(03).

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1.引言

近年来，随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。因此。这里对永磁同步电机的控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电动机控制系统的各种控制策略发展方向。

2.永磁同步电机的数学模型

永磁同步电机（PMSM）的永磁体和绕组，绕组和绕组之间的相互影响，电磁之间的关系十分复杂，由于磁路饱和等非线性因素，建立精确的数学模型是很困难的。为了简化PMSM的数学模型，我们通常作如下的假设：

（1）磁路不饱和，电机电感不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗;

（2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响;

（3）三相绕组对称，永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布;

（4）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布;

（5）驱动二极管和续流二极管为理想元件;

（6）转子磁链在气隙中呈正弦分布。

对于永磁同步电机来说，即用固定转子的参考坐标来描述和分析其稳态和动态性能是十分方便的。此时，取永磁体基波励磁磁场轴线即永磁体磁极的轴线为d轴，而q轴逆时针方向朝前90o电角度。d轴与参考轴A之间夹角为。图1为永磁同步电机（PMSM）矢量图。

图1 PMSM空间向量图

Fig.1 Space vector diagram of PMSM

根据图1所示向量图进行坐标变换，满足功率不变原则，得到在旋转坐标系下PMSM的数学模型方程如下

（1）电压方程

由三相静止轴系ABC到同步旋转轴系dq的变换得：

（1）

，Rs为定子相电阻，其中：

。

（2）磁链方程

（2）

式中为转子（永磁体）在dq轴的磁链，，ud、uq，id、iq和、分别为dq轴的电流、电压和磁链。、为dq轴的电感。

（3）转矩方程

电磁转矩的表达式为：

（3）

pn为极对数，定子磁链空间矢量，is为定子电流空间矢量。

3.恒压频比开环控制（VVVF）

恒压频比开环控制（VVVF）是为了得到理想的永磁同步电机转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的。 按照这种控制策略进行控制，使供电电压的基波幅值随着速度指令成比例的线性增长，从而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略简单，易于实现，转速通过电源频率进行控制。但同时，由于系统中不引入速度、位置等反馈信号，因此无法实时捕捉电机状态，致使无法精确控制电磁转矩：在突加负载或者速度指令时，容易发生失步现象;也没有快速的动态响应特性。因此，恒压频比开环控制电机磁通而没有控制电机的转矩，控制性能差。通常只用于对调速性能要求一般的通用变频器上。

4.矢量控制（VC）

七十年代中期，德国学者提出“交流电机磁场定向的控制原理”，即用矢量变换的方法研究交流电机的动态控制规律。矢量控制理论采用矢量分析的方法来分析交流电机内部的电磁过程，是建立在交流电机的动态数学模型基础上的控制方法。它模仿对直流电机的控制技术，将交流电机的定子电流解祸成互相独立的产生磁链的分量和产生转矩的分量。分别控制这两个分量就可以实现对交流电机的磁链控制和转矩控制的完全解祸，从而达到理想的动态性能。使交流传动的动、静态特性有了显著的改善，开创了交流传动的新纪元。矢量控制是目前高性能交流电机调速系统所采用的主要控制方法，具有很好的动态性能。然而这种控制技术本身还是存在一些缺陷的，受电机参数影响较大，由于电机参数在不同运行情况与环境的多变性，所以系统鲁棒性不强;矢量控制的根本是实现类似直流电机的控制，因此需要进行复杂的解耦运算，增加了信号处理工作负荷，要求更高的硬件处理器配合;

5.直接转矩控制（DTC）

1985年德国学者M.DepenBrock教授首次提出了磁链采用六边形控制方案的直接转矩控制理论。该方法只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。其磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。因此，DTC大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。

转差角频率越大，转矩越大。转差角频率增加，转矩也增加。说明异步电机的转矩和转矩增长率都可以通过控制定子磁场对转子的角频率来控制。也就是说，异步电机DTC是建立在电机转差角频率控制的理论基础上的。而同步电机并不存在这种转差角频率，正是由于这个原因，DTC策略在同步电机上没有能够快速地得到应用。直到1996年英国的French.C和Acarnley .P发表了关于PMSM的DTC的论文，1997年由澳大利亚的Zhong L， Rahman.M.T教授和南航的胡育文教授等合作提出了基于PMSM的DTC方案，初步解决了DTC控制策略在PMSM上应用的理论基础。有了这个理论基础，PMSM的DTC控制也成了众多学者研究的一个热点。

就目前而言，永磁同步电机控制的直接转矩控制摒弃了矢量控制解耦的思想，将转子磁通定向更换为定子磁通定向，通过控制定子磁链的幅值以及磁通角，达到控制转矩的目的，具有控制手段直接、结构简单高效、控制性能优良、动态响应迅速的特点。直接转矩控制在克服了矢量控制弊端的同时，这种粗犷式控制方式也暴露出固有的缺陷。首先控制器采用Bang-Bang控制，实际转矩必然在上下限内脉动;再者调速范围受限。在低速时，转矩脉动会增加，而且定子磁链观测值会不准。另外，电机参数的时变对直接转矩控制也有影响。

6.结论

本文所阐述的永磁同步电机的控制方式是最基本的三种控制方式。通过文中的阐述，可以看出每种控制方式都有其利弊，可以根据设备的应用环境工况来选择设备的控制方法。

同时随着控制理论的不断发展，学者们采用智能控制策略，如最优控制、遗传算法、模糊控制等方法，用来克服每种控制方式的弊端，使得永磁同步电机的应该更加广泛，充分发挥其体积小，损耗低，效率高等优点。

参考文献

[1]王成元，周美文，郭庆鼎.矢量控制交流伺服驱动电动机[M].北京：机械工业出版社，1994.

[2]李华德，杨立永，李世平.直接转矩控制技术的新发展[J].工业大学，2001.

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0 引言

微型纯电动汽车具有无污染、低噪声、小体积、低速度和易驾驶等优点，是解决能源危机和环境污染的重要途径，已成为当今研究的热点[1]。它能够穿梭于城市的各种道路，最高时速一般为 50km/h，因此微型纯电动汽车作为代步或教学工具是相当合适的，不仅适合上班族的快速交通需要，也能为普通人短距离慢速交通提供方便。它的总体开发主要有两种方式，即改装和全新设计，但由于技术上的制约，我国对微型电动汽车的研究绝大多数建立在改装车的基础上，并且对电动汽车改装方面的研究还不够深入，有些文献只是从理论上分析，没有路面试验，因此，本文在介绍电动汽车改装理论的基础上，进行了将大众桑塔纳轿车改装为纯电动轿车的工作，并对改装车进行了路面性能试验。

1 微型电动汽车的发展现状

微型纯电动汽车已成为国外市场、商业化的轻型纯电动汽车新品种。在日本，微型电动汽车享有不用年检、不用车位证，还有停车优惠的政策，并且日本有一些企业和社区内还设置了微型纯电动车的停放站，一般会停放着二三十辆微型纯电动汽车，使用者打卡就能够开走车，用完汽车后放回停放站车子就可以充电，因此拥有不错的市场。在美国，微型纯电动汽车电机额定功率一般为3-7.5kw，最高速度为60km/h，续驶里程为50-80km，只能用作城市内街道和社区交通、高尔夫球场和特殊场合，不能上高速公路[2]；在欧洲，纯电动汽车经过十几年的发展，已经在欧洲各国尤其是在政府部门当中拥有大量的用户。但商业化进程缓慢，原因是没有成功地解决续驶里程问题，而且各大汽车厂商发展电动汽车的热情明显不如日本和美国，其注意力更多地转向了其它新能源车的开发和发展。

我国电动汽车的研发也有一定的历史，基本与国外处于同一起跑线。“十五”期间，国家设立“电动汽车重大科技专项”，目的就是通过组织企业、高等院校和科研院所等方面力量进行联合攻关从而维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力。中国加人WTO后，国内企业将面对开放市场和经济全球化的压力和冲击，中国汽车工业更是面临严峻挑战，要在电动汽车产品上与国外开展竞争，就必须通过技术创新和组织管理创新，以高新技术带动传统汽车工业，在新一代汽车技术上取得突破， 实现我国工业的跨越式发展[6，7，8]。目前，我国的部分高校、汽车研究所以及生产企业正在联合开发充电电池和纯电动汽车，已取得了一些成果。根据国情，我国企业还开发了各种形式的微型纯电动汽车，如“Micro 哈里”，它是由清华大学与清能华通共同研发，采用了自主研发的新型四轮智能驱动技术和高性能锂离子动力蓄电池，百公里能耗低，续驶里程大于120km，最高车速 65km/h。2010年7月，清华大学、常州市政府及润物控股有限公司签订协议，在常州共建微型纯电动汽车试运行示范基地，以推动微型纯电动汽车的产业化发展。

2 改装电动车的总体方案

设计中将原有大众桑塔纳汽车的发动机系统、传动系统、电器及控制系统、仪表板及相关附属件拆除，保留变速箱、行走、转向和制动系统。为减轻车重，将车壳去掉，改敞蓬。电动汽车总体布置如图1所示。

图1 电动汽车总体布置图

图1 为微型纯电动汽车的总体布置图，从图中可以看出，微型纯电动汽车的动力系统主要由电气系统和机械传动系统两部分组成，其中电气系统主要由蓄电池组、电动机及其控制器组成；机械传动系统主要是由变速传动装置以及驱动车轮构成。动力系统的控制器可以根据制动踏板和加速踏板输入的信号，发出相应的控制指令来控制功率转换器。功率转换器的功能是调节电动机和电源之间的功率流，控制功率电路的功率输出，实时控制驱动电机的转速和转矩，然后电机输出的动力再通过变速器传动装置，驱动车轮按驾驶员要求行驶[3]，因此选电动机及控制系统是设计的关键。

3 微型电动汽车动力系统的设计

3.1 电动汽车电动机的选择

本次设计选用了三种类型的电动机，即有刷直流电动机、开关磁阻电动机和永磁无刷直流电动机。

（1）有刷直流电动机。其优点是控制简单、技术成熟，但其过载能力与转速提升能力不足。如长时间运行，要经常维护，更换电刷和换向器，而且转子散热条件差，限制了电机转矩质量比的进一步提高。由于上述缺陷，在新研制的电动汽车上已不采用。

（2）开关磁阻电动机。其结构上省去了转子上的滑环、绕组和永磁体等，是一种新型电动机。具有维修容易，可靠性好，易冷却，调速范围宽，控制灵活等特点，而且效率比交流感应电动机高，但由于其具有较高的非线性特性，驱动系统复杂，输出转矩波动大，功率变换器的直流电流波动也大，因此需要在直流母线上需装一很大的滤波电容，不符合本文汽车改装方案的设计要求。

（3）永磁无刷直流电动机。由于利用了电子换相器取代了传统的机械电刷和机械换相器，因此结构简单、无机械磨损、运行可靠。同时还具有调速精度高、高效率、高启动转矩等优点[4]，是一种高性能的电动机，而且永磁无刷直流电动机无换向火花和无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便，具有更高的能量密度和效率，在电动汽车中有很好的应用前景。

经过上述三种电动机优缺点的比较以及性能的分析，采用永磁无刷直流电动机作为本次电动汽车改装的动力机较合适。

3.2 电动汽车用电动机的参数选择

（1）电动机的额定功率

由于改装用于研究或代步工具使用，设计时速为最高40公里/小时，电机的额定功率，公式为：

根据上述设计计算的电动机的额定功率和额定转速，选择额定电压96伏，额定功率5kW，额定转速为3000r/min的永磁直流无刷电动机较为合适。

3.3 对电池的选择

本次设计选用铅酸电池，其可靠性高、原料易得、价格便宜，是电动汽车储能动力源中较为成熟的一种，而且它的比功率基本上能满足电动汽车加速和爬坡要求。电池容量的选择主要考虑最大输出功率和输出能量，其中电池单节容量为150A・h，电压为12V，尺寸为300×170 ×210mm，电池数目为8节，以保证电动汽车的动力性和续驶里程。

4 结论与展望

我们对改装后的微型纯电动汽车进行了路面行驶试验，其最大行驶里程45km，最大爬坡度15%，最大速度大于25km/h，可作日常代步或教学工具。本次改装试验说明利用普通汽油车改微型纯电动汽车方案可行，稍加改进就可应用于人们的日常需求，实现日常代步，同时也减少了废气污染，减轻了能源危机。

但本文的方案设计还有许多需要改进的地方，如动力系统系统，它是微型纯电动汽车的关键系统，关乎微型纯电动汽车整车的动力性能，详细叙述如下：

（1）本文只对动力系统的主要部件电动机、蓄电池和改装车整体结构选型进行了设计分析，没有涉及到动力系统的具体部件及电路方面的设计分析，对动力系统的具体部件和电路加以设计分析是后续研究工作的重点。

（2）在微型电动汽车改装过程中，由于受原车结构及蓄电池性能的影响，电动汽车的整车动力性能仍存在缺陷，以后的工作中应继续对整车结构和蓄电池的布置进行优化，提高整车的动力性能。

（3）本文对微型纯电动汽车动力系统只是进行了初步布置设计，对动力系统在整车上进行详细的布置设计，并建模型分析动力系统布置对车架受力的影响，以及对整车舒适性的影响将是下一步应该进行的工作。

【参考文献】

[1]孙逢春，张承宁，祝嘉光.电动汽车[M].北京：北京理工大学出版社，1997.

[2]郭自强.轻型电动车发展动向[C]//上海：第五次全国轻型电动车会议论文，2005.

[3]万沛霖.电动汽车的关键技术[M].北京：北京理工大学出版社，1998.

[4]王勇.永磁无刷直流电动机的应用和发展[J].上海：科技资讯，2008，28：127.

[5]刘刚，刘传涛.皮卡车改装电动汽车动力系统的匹配设计[J].中国高新技术企业.2010，31：19-20.

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抽油机节能技术在油田推广应用。一是在管理方面，推广应用抽油机井系统优化软件与单井自动化监控系统，从源头把关，保证系统效率。二是在硬件方面，主要包括抽油机、电动机、控制柜节能技术应用；应用节能电机，如：高滑差电机、永磁交流电机、多绕组电机、双转子电机等节能技术；空抽控制柜、变频控制器和无功补偿箱等控制装置。三是从全年费用“盘子”中，分离出专项费用，实现“专款专用”。选择遵守以下基本原则：

优先原则：根据区块实际特点，在保证油井最佳产能的前提下，优化参数设计、精确调整运行参数。

适用原则：通过现场适应性、实用性试验，优选匹配最佳、节能效果最好的节能产品推广应用，避免盲目引进。

主次原则：以节能电机为主，以节能控制箱为辅的原则，同时兼顾旧机型抽油机和普通旧电机的节能技术改造，充分合理发挥节能设备优势，从而达到在较少资金取得较好的节能效果。

规模原则：节能拖动装置在一定范围内可降低电功消耗。

2.论证节能技术与试用验证

2.1节能技术论证

一般用节能抽油机、控制箱等节能设备较多。筛选永磁电机、空抽控制器、低压无功计量补偿装置等节能设备，并分段实施。

交流永磁电机 采用稀土永久磁铁代替励磁绕组激磁，没有转差损耗，定子电流减小，功率因数高，电机在负载变化和电网电压波动时，不存在速度波动，没有机械传动过程损耗。

直流无刷永磁电动机 是一种典型的机电一体化结构。电动机定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。转子上粘有已充磁的永磁体，为检测转子极性，在电动机内装有位置传感器（霍尔元件）。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等。

空抽控制器 是美国汉诺威专利技术，通过高分辨率传感器检测抽油机电机动力线电流、电压及相位角，计算出电机运转实时有功功率、无功功率，并根据抽油机上行、下行电流变化与抽油机加载、卸载过程的关系准确描述出抽油机加载及卸载过程的电流运行轨迹及加、卸载过程的时间变化，将采集到的数据存储在主控制器的存储区中，并对预置在芯片里的具有广域代表性的数学模型进行个性化修正，找出真实反映每台抽油机实际运行情况的电流、功率及负荷的变化规律，达到对抽油机智能化、科学化管理。通过科学控制间机抽井的启、停状态，防止油井空抽，达到节省能耗、降低磨损的目的。

抽油机变频控制器 是一种输出频率可调的电力拖动设备，从电机转速公式：N=60f/p×（1-S）得出，电机转速与频率成正比，电机在保持磁通量不变，在电压与频率之比为恒定值状态，功率与电压成正比，功率与频率也成正比，下调频率能降低电机输出功率，达到节能的目的。

双转子柔性电动机 由两台同轴不同功率的异步电动机组成，互为主辅电机，不同负荷下分别对应着主电机、辅电机、主辅电机同时运行三种状态。自动控制装置可根据抽油机负载情况，控制运行状态的转换，使其运行在最佳状态。

抽油机机井整体工艺参数优化 在保证产液量的情况下，抽油机井整体工艺参数优化技术采用损失功率最低或机械采油成本最低为原则的设计方法，合理优化抽油机井杆柱、管柱、泵型、电机、调整冲程、冲次等抽汲参数，使抽汲系统达到最优，能对对检泵作业井的参数设计和新投产井机、杆、泵选择及能耗进行预测和分析。

2.2试用验证

2006年开始，组织各采油厂对永磁交流电机、摩擦换向式抽油机、智能变速多功率超高转差电机、直流无刷永磁电机、空抽控制器等技术产品，选择不同的油田、油井进行试装；并对节电情况进行节能测试，作如下对比。

节能率测试结果对比

③.截止2009年底，在油田随检泵作业应用抽油机整体工艺参数优化技术600多口井次，实施优化后，泵径增大130口井，泵径减小52口井，冲次降低250多口井，冲次增大10口井，调大冲程16口井，应用小功率永磁电机178口井。

④.双转子柔性电动机：2007年现场试验4口井，平均有功功率降低0.91kW，无功功率降低13.7kVar，运行电流降低20.54A，平均单井日节电38.84kwh，节电率达20%。

⑤.加装抽油机空抽控制器、变频器；摩擦换向式抽油机等技术改造后，节能效果也比较明显效。

4.认识、体会与努力方向

机械采油是一个系统工程，应将采油工艺、油藏条件、地面设备、地面条件等有机结合起来，结合抽油机、油井效用年限，综合考虑，才能取得最佳的经济效益。

节能抽油机电机或节能控制装置是可以降低电能消耗，降耗低碳是进一步提高抽油井效率的主要手段之一，但要增加技术与管理环节，系统可靠性要降低，维护管理成本会相应地增加，只有加大应用规模，取得规模效应，才能实现好的经济和社会效益。

节能型抽油机是发展方向，能与油井负荷相匹配，并有完善的保护功能；有数据采集和存储功能；联网和通信功能以及遥控遥测功能；并能适应油田的野外环境要求，操作简单，智能化程度高。

自动化控制是攻关方向。应用微型计算处理机和自动适应电子控制器进行控制、监测，具有抽油（液）效率高、节电、功能多、安全可靠、自动化程度高、经济性好、适应性强等特点、功能。

参考文献：

[1]于海迎.抽油机节能技术及其发展趋势.石油和化工节能.2007. 2；

[2]徐甫荣，赵锡生. 抽油机节能电控装置综述. 电气传动自动化.2004.06；

[3]赵来军，倪振文，职黎光，刘刚，黎若鹏. 抽油机变频控制技术.采钻工艺；

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引言

稀土永磁电动机具有高效节能的显著优点，应用范围正日益遍及国防、航空航天、工农业生产和日常生活的诸多领域，发展潜力巨大。相较于电励磁电动机，稀土永磁电动机结构特殊且种类多样，传统的设计理论和分析方法已难以适应高性能电机研发的要求，需要综合运用多学科理论和现代设计手段，进行创新研究。传统设计模式得到的产品，在工况相对固定的应用场合，能够表显出良好的技术性能，但在永磁同步电动机实际运用的过程中，其振动与噪声始终没有得到有效解决，甚至会对其实际运行的稳定性产生不利的影响。为此，针对永磁同步电动机设计当中的关键技术研究十分有必要，同样也逐渐成为国民经济发展的关键增长点。因此，本文在电机和电磁场理论的基础上，结合实际工程应用问题，对永磁同步电动机的工作工程中的振动和噪声问题进行实验分析研究，并提出具体解决改善措施。论文的工作主要集中在以下几个方面：（1）测试装置与系统的实验，选择11kW的永磁同步电动机，对其振动和噪声的特性进行测试。其中，将非金属环合理安装于9000A的涡流传感器之上，随后，同样将其安装在轴承端盖的位置，进而对转子动态特性展开全面测试。（2）永磁同步电动机振动与噪声信号的分析，通过对永磁同步电动机振动和噪声信号的测试与分析，当电动机处于额定负载的情况下，其振动信号呈现出一簇脉冲，其电流信号也有所改变，并非正常的正弦时域波形。（3）对噪声频谱的分析，当11kW永磁同步电动机处于空载状态时，根据声压级频谱的内容可以发现，其中存在两个峰值。而当11kW永磁同步电动机处于额定负载的状态下，根据声压级频谱内容可以发现，存在三个峰值。而通过噪声频谱与振动频谱的对比和比较，可以发现对于永磁同步电动机噪声产生影响的因素中，轴承振动并非主要矛盾。通过对空载以及额定负载条件下的声压级频谱对比与比较可以发现，峰值多出一，而具体的原因就是受负载增加的影响，导致电流与功角随之提高，进而生成了频率成分。

以下是详细实验过程：

1 永磁同步电动机应用特性的实验分析――以振动与噪声为实验对象

1.1 测试装置与系统的实验

选择11kW的永磁同步电动机，对其振动和噪声的特性进行测试。其中，将非金属环合理安装于9000A的涡流传感器之上，随后，同样将其安装在轴承端盖的位置，进而对转子动态特性展开全面测试。

1.2 永磁同步电动机振动与噪声信号的分析

通过对永磁同步电动机振动和噪声信号的测试与分析，当电动机处于额定负载的情况下，其振动信号呈现出一簇脉冲，其电流信号也有所改变，并非正常的正弦时域波形[1]。

1.3 对噪声频谱的分析

当11kW永磁同步电动机处于空载状态时，根据声压级频谱的内容可以发现，其中存在两个峰值。而当11kW永磁同步电动机处于额定负载的状态下，根据声压级频谱内容可以发现，存在三个峰值。而通过噪声频谱与振动频谱的对比和比较，可以发现对于永磁同步电动机噪声产生影响的因素中，轴承振动并非主要矛盾。通过对空载以及额定负载条件下的声压级频谱对比与比较可以发现，峰值多出一个，而具体的原因就是受负载增加的影响，导致电流与功角随之提高，进而生成了频率成分。

2 改善永磁同步电动机应用特性的具体措施

2.1 有效降低力波

第一，绕组选择要科学。在选择定子绕组的过程中，最好选择谐波磁动势不高的，像是正弦绕组，能够有效地降低噪声。第二，将定子槽与转子槽的开口宽度减小。通过半闭口槽亦或是闭口槽能够使气隙磁导谐波有效降低。与此同时，为了能够实现转矩脉动的降低，就需要采用槽开口宽度增大的方式。第三，气隙磁通密度适当减少。因为径向力和气隙磁密平方呈现出正比例关系，而振幅和径向力同样呈正相关关系。除此之外，升功率和振幅平方近似呈正比例的关系[2]。在这种情况下，磁通的密度如果相对较高，那么不仅只是声功率随之提高，同样还会影响系统运转的效果，分叉与混沌现象的发生几率会更高。然而，一旦减小气隙磁密，还会使电动机的自重增加。在这种情况下，应当综合考虑多种因素来进行设计。

2.2 磁场应对称

在永磁同步电动机实际运行的过程中，如果转子偏心很容易引起低阶径向力，导致电动机自身的噪声不断增加[3]。在这种情况下，不仅要对加工工艺与装配工艺进行合理地控制，同样采取定子并联绕组的方式，也能够避免因转子不同心而带来的噪声，这样就能够确保各级磁通处于一致状态，有效地规避了磁拉力出现的不平衡性，使得振动与噪声的产生几率下降。

2.3 斜槽与斜极的控制

对于永磁同步电动机来说，将其定子铁心以斜槽的形式制作出来，能够确保径向力波始终沿着电动机的长度方向轴线来移动[4]。这样一来，其沿着轴线方向的平均径向力就会随之下降，同时，附加转矩以及噪声也会随之降低，然而，实际的附加损耗却并不会下降。

2.4 定子动态振幅与声振幅的合理减少

第一，要科学增加阻尼。可以在永磁同步电动机的定子铁心以及机座中适当地涂上阻尼材料，与此同时，使用清漆亦或是环氧树脂，实现定子叠片的有效粘结[5]。基于此，应当对定子铁心以及机座间存在的间隙进行及时填充，这样也能够使电动机阻尼不断增加。第二，声辐射效率的减少。在对永磁同步电动机声辐射功率进行计算的过程中，主要是相对声强辐射系数和无穷大平板声强公式相乘[6]。其中，相对声强辐射的系数和电动机的定子长径比以及振动模态阶数等存在紧密的联系。为此，在立波阶数的增加，使声强辐射系数减少，可以有效地控制噪声。

3 结束语

综上所述，永磁同步电动机在实践应用中的作用十分重要，所以，对其应用特性的研究具有重要的现实意义。电动机振动过大不仅会对运行可靠程度带来负面影响，同样还会引发噪声。因而，文章将稀土永磁同步电动机作为重点研究对象，并且以振动和噪声两个特性为例，阐述了控制这两种特性的可行性方式，以期为永磁同步电动机的正常运转提供有价值的参考依据，充分发挥其自身的功用。

参考文献

[1]皇甫宜耿，LAGHROUCHES，刘卫国，等.高阶滑模消抖控制在永磁同步电动机中的应用[J].电机与控制学报，2012，16（2）：7-11，18.

[2]姬芬竹，高峰.电动汽车驱动电机和传动系统的参数匹配[J].华南理工大学学报（自然科学版），2006（04）.

[3]王家军.速度指定位置跟踪双永磁同步电动机的反推控制[J].控制理论与应用，2015，32（2）：202-209.

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2 合成纤维纺丝机变频调速系统发展概况

合成纤维纺丝机变频调速系统发展大致可分为3个阶段:

(1) 大变频器调速 由一台大功率变频器来驱动多台永磁同步电动机。电动机可逐台起动或分组启动。优点是系统简单、控制方便，可保证多电机同步运行。缺点是变频器容量必须选用很大;单台电动机短路故障有可能引起变频跳闸，造成整台纺丝机停车。

(2) 多台小变频器驱动 每台电动机均有一台小变频器驱动。对比大变频器驱动，优点有:a)、一台变频器驱动一台电机，可以实现软起动，变频器容量基本与电动机相同;b)、当某台电动机发生故障时，对应变频器停止工作，不会影响整台纺丝机的正常运转。缺点是:a)、总设定、总启动需另加调节环节;b)、几台变频器输出频率会有离散性，为达到转速同步，需加串行通信接口。

(3) 共用直流电源多台小逆变器驱动 采用共用直流电源多台小逆变器驱动。除了保持小变频器拖动的特点外，更重要的是可以实现再生发电制动，也可防止电网瞬时低电压(含瞬时失电)带来的停役故障。

3 涤纶短纤维纺丝装置对电气控制系统的基本要求及对原有拖动系统的分析

(1) 涤纶短纤维纺丝装置对电气控制系统的基本要求

纺丝机对电气传动的要求为“四高”和“一少”。

四高:即高同步性(一台纺丝机不同纺位的电机转速要求横向转速一致，纵向比例同步);高精确性(转速稳定，精确度高达0.1%～0.01%);高转速或甚高转速(在没有升速齿轮箱条件下，电机转速高达8000～9000r/min);高可靠性(至少保证一年安全连续运行8000小时)。

一少:即少维修或免维修，无须照看。在采用了高精度的变频调速器和永磁同步电动机组成的调速系统后，高同步、高精度、高转速和少维修可以实现，但高可靠性还做不到，影响了纺丝装置安稳长满优生产。以3万吨/年短丝生产线为例，其日产量为100吨短纤维，若外来电网瞬时低电压(或瞬时失电)，引起计量泵变频器停役电机停转，会造成聚酯熔体压力增大，迫使聚酯装置熔体增压泵停止，从而影响聚酯装置正常生产。

(2) 原有电力拖动系统的优缺点

原1.5万吨/年短丝直接纺装置的变频器属于第一代变频器，即一台变频器驱动多台永磁同步电动机，此类变频器在技术上采用公用换流环节，具有辅助充电装置的换流电路。优点是:a)、即使直流电压很低时也能可靠换流。b)、在短时间内数倍额定电流(最大为3倍)时，也能可靠换流。c)、变频器由空载状态到负载状态时，能够迅速抑制起动电流的极限值。但变频装置在运行中尚存在以下不足之处:a)、短丝装置由于多台电动机共用一台变频器，无法实现软起动，所以选用时既要考虑到最高频率时直接起动，又要考虑到若干台电机高速运转时，某一纺位故障排除后又继续投入运行，因此变频器容量不得不选用偏大。b)、纺丝机故障停台率偏高。但因变频器不能承受电网瞬时低电压(含瞬时失电)，而由于雷电、电缆接地故障及开关倒闸操作，定会出现瞬时低压现象，造成变频器停役，致使整台纺丝机停产，酿成巨大损失。c)、无法实现再生发电制动。后纺采用直流拖动，电动机维护和保养很麻烦，牵伸比调节也很困难。

4 前纺装置变频调速系统特点分析(由UPS供电、小逆变器永磁同步电动机开环同步拖动系统)

新生产线的前纺部分变频调速系统如图1。前纺装置变频调速系统主要是由UPS供电、小逆变器永磁同步电动机开环同步拖动系统组成，前纺装置的主要改进是电源系统采用UPS(西门子System4233，330kVA)供电。

正常情况下由市电进行供电，若电网瞬时失电或低电压，由电子开关控制自动切换到蓄电池供电，确保逆变器不受影响。为保证纺丝的精度，前纺没有采用1台逆变器带1台电动机的控制方式，而是由2台大逆变器分别向32台计量泵电机(永磁同步电动机)提供可变频交流电源。装置控制采用集散式数字工艺控制系统(DCS)和微处理机网络系统，在两台逆变器之间用PLC加串行通信接口组成开环控制，确保两变频器的输出频率相同，即保证了32台计量泵电动机转速的绝对同步。与原生产线相比，虽然一次性投入较大，但可确保在瞬时低电压(含瞬时失电)时，计量泵可正常工作，提高经济效益。在前纺调速系统中，32台计量泵电动机、7辊导丝辊电动机及喂入轮电动机的所有逆变器均接在共用直流母线上。

5 后处理装置变频调速系统特点分析

后纺装置的变频调速系统如图2。后处理装置中牵伸、紧张热定型、叠丝、卷曲的拖动采用共用直流多逆变器变频调速系统，其逆变器接同一直流母线。电动机则采用大功率的异步电动机。共用直流母线由＃1、＃2整流装置供电。两套整流器的叠加既可扩大容量，又可减少纹波和谐波，稳定直流电压。与原生产线相比有如下优点:

(1) 采用共用直流母线可以自适应调整不同牵伸比条件下被拖电动机的制动力矩。比如对某一设定好的牵伸比，头道、二道、三道牵伸机的转速分别为n1、n2、n3，由于丝的张力作用，在没有制动功能时，头道牵伸辊会被后面牵伸辊拖着跑，而现在采用共用直流母线的变频调速后，一旦n1的数值超过设定值，电动机便进入了再生发电制动状态。一方面被拖电机变成发电机，发出的电能经续流二极管整流变成直流回馈到直流母线，电动机不仅无须从电网吸收能量，还可将制动能量供给其他逆变器，既可稳定直流母线电压，又由于电动机容量较大(如第二牵伸机电动机为400KW)，电能节约也相当可观。另一方面，被拖电动机处于制动状态，只要设置相应的频率比，就能控制转速比，确保了牵伸比控制精度。

(2) 涤纶短丝后处理牵伸紧张热定型联合机组是涤纶短纤维生产中的一道关键工序，主要承担着将原丝按一定牵伸倍率进行拉伸和定型。涤纶部原短丝装置的后纺拖动由一台功率较大的直流电动机拖动一根机械长边轴，再带动各道牵伸辊、紧张热定型辊等。直流电动机虽然在调速的范围、调速的精度及动态响应等方面性能较好，但直流拖动最致命的问题就是直流电动机的维护和保养很麻烦，并且对环境要求也较高。另外采用长边轴传动，若要改变生产品种，则牵伸比的调节较困难，并且精度也达不到要求，这样势必会影响产品质量、品种翻改以及高附加值产品的开发。新生产线采用交流变频调速，各道牵伸辊具有独立的变频传动，只需改变各变频器的频率就能方便调整工艺需要的牵伸倍率。从投产后的生产情况分析，生产的涤纶短纤维品种增加(其中1.33dtex有光缝纫线销量占全国销量的1/2以上)、质量提高、单耗下降，停车故障大幅减少，经济效益显著。

叠丝机、卷曲机也采用共用直流母线多逆变器调速方案，只是功率较小，不再讨论。切断机则为独立变频器，和一般变频调速原理相同，在此不再展开。

6 结束语

(1) 如上所述，共用直流母线变频调速技术是可靠的，虽然一次投入较高，但每年可以减少停车2~3次，按一条3万吨/年生产线计算，可减少PET放流8~12吨，同时还可避免因停车造成的纤维质量波动(一次停车将影响144~216吨纤维的质量稳定性)，如此计算不用几年就可收回改造费用。

(2) 由于采用共用直流母线变频调速技术，使整体生产条件处于稳定状态，从而给改变产品规格、调整工艺参数带来极大便利。过度时间短，废丝少，工艺调整精确。

(3) 从新生产线实际运行情况看，共用直流多逆变器调速系统在涤纶短纤维的生产中优势突出，代表了纺丝机拖动的发展方向。但在后纺部分仍不能完全排除电网失电对变频器的影响，如变频器一旦停役会使正在牵伸的一段涤纶丝(约100m)报废。改进方法可采用两个独立的交流电源供电，分别经整流器整流后送至共用直流母线(需用二极管隔离)，一旦失掉一路电源，仍有另一路交流电源支持，不会停车。另外，前纺卷绕纺丝装机容量196kW，UPS输出容量330kW，实际使用的容量较小，需要注意。

参考文献

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2合成纤维纺丝机变频调速系统发展概况

合成纤维纺丝机变频调速系统发展大致可分为3个阶段:

(1)大变频器调速由一台大功率变频器来驱动多台永磁同步电动机。电动机可逐台起动或分组启动。优点是系统简单、控制方便，可保证多电机同步运行。缺点是变频器容量必须选用很大;单台电动机短路故障有可能引起变频跳闸，造成整台纺丝机停车。

(2)多台小变频器驱动每台电动机均有一台小变频器驱动。对比大变频器驱动，优点有:a)、一台变频器驱动一台电机，可以实现软起动，变频器容量基本与电动机相同;b)、当某台电动机发生故障时，对应变频器停止工作，不会影响整台纺丝机的正常运转。缺点是:a)、总设定、总启动需另加调节环节;b)、几台变频器输出频率会有离散性，为达到转速同步，需加串行通信接口。

(3)共用直流电源多台小逆变器驱动采用共用直流电源多台小逆变器驱动。除了保持小变频器拖动的特点外，更重要的是可以实现再生发电制动，也可防止电网瞬时低电压(含瞬时失电)带来的停役故障。

3涤纶短纤维纺丝装置对电气控制系统的基本要求及对原有拖动系统的分析

(1)涤纶短纤维纺丝装置对电气控制系统的基本要求

纺丝机对电气传动的要求为“四高”和“一少”。

四高:即高同步性(一台纺丝机不同纺位的电机转速要求横向转速一致，纵向比例同步);高精确性(转速稳定，精确度高达0.1%～0.01%);高转速或甚高转速(在没有升速齿轮箱条件下，电机转速高达8000～9000r/min);高可靠性(至少保证一年安全连续运行8000小时)。

一少:即少维修或免维修，无须照看。在采用了高精度的变频调速器和永磁同步电动机组成的调速系统后，高同步、高精度、高转速和少维修可以实现，但高可靠性还做不到，影响了纺丝装置安稳长满优生产。以3万吨/年短丝生产线为例，其日产量为100吨短纤维，若外来电网瞬时低电压(或瞬时失电)，引起计量泵变频器停役电机停转，会造成聚酯熔体压力增大，迫使聚酯装置熔体增压泵停止，从而影响聚酯装置正常生产。

(2)原有电力拖动系统的优缺点

原1.5万吨/年短丝直接纺装置的变频器属于第一代变频器，即一台变频器驱动多台永磁同步电动机，此类变频器在技术上采用公用换流环节，具有辅助充电装置的换流电路。优点是:a)、即使直流电压很低时也能可靠换流。b)、在短时间内数倍额定电流(最大为3倍)时，也能可靠换流。c)、变频器由空载状态到负载状态时，能够迅速抑制起动电流的极限值。但变频装置在运行中尚存在以下不足之处:a)、短丝装置由于多台电动机共用一台变频器，无法实现软起动，所以选用时既要考虑到最高频率时直接起动，又要考虑到若干台电机高速运转时，某一纺位故障排除后又继续投入运行，因此变频器容量不得不选用偏大。b)、纺丝机故障停台率偏高。但因变频器不能承受电网瞬时低电压(含瞬时失电)，而由于雷电、电缆接地故障及开关倒闸操作，定会出现瞬时低压现象，造成变频器停役，致使整台纺丝机停产，酿成巨大损失。c)、无法实现再生发电制动。后纺采用直流拖动，电动机维护和保养很麻烦，牵伸比调节也很困难。

4前纺装置变频调速系统特点分析(由UPS供电、小逆变器永磁同步电动机开环同步拖动系统)

新生产线的前纺部分变频调速系统如图1。前纺装置变频调速系统主要是由UPS供电、小逆变器永磁同步电动机开环同步拖动系统组成，前纺装置的主要改进是电源系统采用UPS(西门子System4233，330kVA)供电。

正常情况下由市电进行供电，若电网瞬时失电或低电压，由电子开关控制自动切换到蓄电池供电，确保逆变器不受影响。为保证纺丝的精度，前纺没有采用1台逆变器带1台电动机的控制方式，而是由2台大逆变器分别向32台计量泵电机(永磁同步电动机)提供可变频交流电源。装置控制采用集散式数字工艺控制系统(DCS)和微处理机网络系统，在两台逆变器之间用PLC加串行通信接口组成开环控制，确保两变频器的输出频率相同，即保证了32台计量泵电动机转速的绝对同步。与原生产线相比，虽然一次性投入较大，但可确保在瞬时低电压(含瞬时失电)时，计量泵可正常工作，提高经济效益。在前纺调速系统中，32台计量泵电动机、7辊导丝辊电动机及喂入轮电动机的所有逆变器均接在共用直流母线上。

5后处理装置变频调速系统特点分析

后纺装置的变频调速系统如图2。后处理装置中牵伸、紧张热定型、叠丝、卷曲的拖动采用共用直流多逆变器变频调速系统，其逆变器接同一直流母线。电动机则采用大功率的异步电动机。共用直流母线由＃1、＃2整流装置供电。两套整流器的叠加既可扩大容量，又可减少纹波和谐波，稳定直流电压。与原生产线相比有如下优点:

(1)采用共用直流母线可以自适应调整不同牵伸比条件下被拖电动机的制动力矩。比如对某一设定好的牵伸比，头道、二道、三道牵伸机的转速分别为n1、n2、n3，由于丝的张力作用，在没有制动功能时，头道牵伸辊会被后面牵伸辊拖着跑，而现在采用共用直流母线的变频调速后，一旦n1的数值超过设定值，电动机便进入了再生发电制动状态。一方面被拖电机变成发电机，发出的电能经续流二极管整流变成直流回馈到直流母线，电动机不仅无须从电网吸收能量，还可将制动能量供给其他逆变器，既可稳定直流母线电压，又由于电动机容量较大(如第二牵伸机电动机为400KW)，电能节约也相当可观。另一方面，被拖电动机处于制动状态，只要设置相应的频率比，就能控制转速比，确保了牵伸比控制精度。

(2)涤纶短丝后处理牵伸紧张热定型联合机组是涤纶短纤维生产中的一道关键工序，主要承担着将原丝按一定牵伸倍率进行拉伸和定型。涤纶部原短丝装置的后纺拖动由一台功率较大的直流电动机拖动一根机械长边轴，再带动各道牵伸辊、紧张热定型辊等。直流电动机虽然在调速的范围、调速的精度及动态响应等方面性能较好，但直流拖动最致命的问题就是直流电动机的维护和保养很麻烦，并且对环境要求也较高。另外采用长边轴传动，若要改变生产品种，则牵伸比的调节较困难，并且精度也达不到要求，这样势必会影响产品质量、品种翻改以及高附加值产品的开发。新生产线采用交流变频调速，各道牵伸辊具有独立的变频传动，只需改变各变频器的频率就能方便调整工艺需要的牵伸倍率。从投产后的生产情况分析，生产的涤纶短纤维品种增加(其中1.33dtex有光缝纫线销量占全国销量的1/2以上)、质量提高、单耗下降，停车故障大幅减少，经济效益显著。

叠丝机、卷曲机也采用共用直流母线多逆变器调速方案，只是功率较小，不再讨论。切断机则为独立变频器，和一般变频调速原理相同，在此不再展开。

6结束语

(1)如上所述，共用直流母线变频调速技术是可靠的，虽然一次投入较高，但每年可以减少停车2~3次，按一条3万吨/年生产线计算，可减少PET放流8~12吨，同时还可避免因停车造成的纤维质量波动(一次停车将影响144~216吨纤维的质量稳定性)，如此计算不用几年就可收回改造费用。

(2)由于采用共用直流母线变频调速技术，使整体生产条件处于稳定状态，从而给改变产品规格、调整工艺参数带来极大便利。过度时间短，废丝少，工艺调整精确。

(3)从新生产线实际运行情况看，共用直流多逆变器调速系统在涤纶短纤维的生产中优势突出，代表了纺丝机拖动的发展方向。但在后纺部分仍不能完全排除电网失电对变频器的影响，如变频器一旦停役会使正在牵伸的一段涤纶丝(约100m)报废。改进方法可采用两个独立的交流电源供电，分别经整流器整流后送至共用直流母线(需用二极管隔离)，一旦失掉一路电源，仍有另一路交流电源支持，不会停车。另外，前纺卷绕纺丝装机容量196kW，UPS输出容量330kW，实际使用的容量较小，需要注意。

参考文献

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摄像机拍摄的图像是由被拍摄物发射光（反射光）及背景光两部分组成。在摄像机已经确定下来的情况下，一般采用通过改变曝光参数的方法，调整目标成像的亮度来改善目标的成像质量。但是在实际使用中，受被拍摄物体的亮度、运动方式、背景环境等多种因素影响，摄像机的曝光参数的调节有时比较困难，特别是物体本身亮度较强的情况下，参与成像的主要光谱对应的光强太大，使得摄像机接收CCD饱和，而目标轮廓对应的成像光谱光强较弱，所以轮廓不清晰。只靠摄像机自身降低曝光参数来进行目标的清晰成像并不是那么容易，因此，仅仅依靠调整曝光参数是无法从根本上解决成像质量清晰与否的问题，需要设计一套载有不同波段滤光片的滤波转动装置，采用步进电机驱动的转盘来装夹滤光片，滤波装置与摄影机时序匹配。本文中设计的滤波载盘旋转时，不拍摄；电机停转时，摄影机工作。滤波转动装置通过选择适当的高通、低通或带通滤波片，将干扰目标成像的光谱成分滤除，使目标在图像中的对比度得到改善。

1 滤波装置的组成

滤波装置是将装载不同波长性能滤光片的转轮置于摄影或摄像机之前，在摄影、摄像机工作时，控制转轮，使不同波长的光成像，比较成像的质量，决定滤光波长。

本套装置选用常规摄像机，考虑到目标距离摄影点很远，使用伽利略系统，目镜放大倍数为10倍，焦距为25mm，物镜焦距为900mm，总角放大倍数为36倍，有连拍功能。滤波装置由机械载片转盘、步进电机驱动器、控制电路以及显示设备组成。

主要完成以下功能：

（1）控制机能够带动转盘在0.5s内转动72°。

（2）完成转动后滞留一段时间，继续下一步，滞留时间以0.1s为单位可调。

（3）运行速度、加速度可调，转动角度以0.9°为单位可调。

（4）具有显示功能，显示参数设置信息以及电机运行信息。

（5）具备串口功能，可以方便进行程序烧写，并可与上位机交互通信及控制。

2 步进电机驱动控制装置

2.1 步进电机选型

摄像机带动转盘转动，对电机要求较高，不仅启动速度要快，而且停止后定位要准确，但在设计时发现转盘的转动惯量较大，不易停止下来。通过实验发现，采用永磁式步进电机可以满足本装置中对电机的要求：电机既可满足带动转盘高速运动的同时，又可满足在停止时转盘定位准确无过冲现象，同时功率消耗较小。

步进电机型号定为：85BYGH-201。

2.2 控制电路设计

步进电机控制方框图如图2所示。

为了保证本装置结构简单、运行可靠，经过论证，步进电机控制器采用STC89C52单片机芯片，能够满足本装置使用要求。该系统能够发出脉宽、频率、脉冲个数均可控制的方波，控制电机运行，并且还可以利用串口对单片机进行程序的烧写，对其功能可以进一步扩展。其整体的电路图如图3所示。

采用SMC1602A液晶显示器，能够将滤波装置的参数设置及工作状态实时显示出来，供操作人员实时监控。操作人员可以通过操作液晶显示器面板的控制按键，实现装置控制参数的显示、设置、电机运行和停止等功能。如图4所示是按键控制电路图。

2.3 软件设计

单片机采用多中断系统，分析判断中断标志位，确定有无中断以及中断方式，确定中断方式后再通过查询方式判断具体工作模式，最后执行相对应程序。软件控制流程如图5所示。

3 实验分析

采用普通摄像机加装本滤波装置，滤波片滤光范围在300nm至1200nm之间，对150米以外的物体做光谱采集，不漏掉目标，干扰光不进入系统，电机带动转盘按照预设程序，与摄像系统配合，依次拍下目标光谱信息。本滤波装置正确地在外场采集了目标光谱。如图6为拍摄照片滤波对比效果图。

综上实验结果，从图中可以看出，滤波装置正常工作，滤波效果达到预期目标。

4 结束语

本套滤波装置采用步进电机传动，脉冲频率控制转速，脉冲个数控制转角，使曝光与传动匹配。结构简单易行，用常规摄影摄像仪器、滤光片，经过光谱滤波后改进像质效果很明显，得到较好的像质。

参考文献

[1]崔星.机电混合驱动系统特性与参数匹配研究[D].北京：北京理工大学机械与车辆学院，2009.

[2]姚荣斌，孙红兵.基于STC89C51RC的转速测量系统设计[D].连云港师范高等专科学校学报，2007（04）：84 -87.

[3]刘保延等.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.

[4]冯晓，刘仲恕.电机与电器控制[M].北京：机械出版社，2005.

[5]王诣，尤丽华.基于AT89S51单片机的步进电机控制系统的研究[D].无锡：江南大学机械工程学学术论文，2005.

作者简介

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关健词：陶瓷；滚压成型；横向运动； 竖向运动；数控；智能

1 引言

随着社会的发展，陶瓷胚体成型从手工（手拉）方式、手工注浆到高压注浆[1]，发展到滚压成型以及冲压成型等，这是历史发展不同陶瓷器型不同工艺技术的需求。手工方式是最为传统的工艺，具有收藏价值，但生a效率最低。手工注浆方式解决了一部分手工难以完成的器型，但采用极稀的瓷泥，烧成收缩率难以控制。高压注浆方式在手工注浆的基础上利用气压推压陶瓷泥在模具中成型，因瓷泥不用很稀，生产机械简单，所以成为目前生产主流，但由于采用相对比较稀的陶瓷泥，胚体成型时间较长，烧成收缩率变化也比较大，也局限一部分餐盘类的形状，且必须有一定数量的模具。冲压成型方式是利用钢模和冲压模头冲压瓷泥成型，虽烧成率有所提高，但机械成本高，目前仅局限于国外少数厂家。滚压成型[2]方式，顾名思义就是利用轴的转动和机械压力使瓷泥在模具中成型，能做到批量生产，且可以采用比较硬（含水率低）、烧成率高、烧成率变化少的瓷泥，目前是厂家采用得较为主流的陶瓷成型方式。

2 陶瓷滚压成型机的背景及现状分析

2.1 背景技术

目前，市场上的陶瓷滚压成型机的模头行程是按弧度运动压入模母或脱离模母，这种机械在生产时局限于一定胚体高度和产品口径，且效率相对低。本设计提供了一种新型数控陶瓷滚压成型机，包括设有支腿的工作平台，在工作平台上固定四根垂直台面的光轴，在光轴上套接有沿光轴上下滑动的升降平台，升降平台的下方设有控制其升降的伺服动力总成，在升降平台上固定的传动箱两端分别与步进伺服电机、模头电机连接，模头电机的输出轴设有模头，垂直于工作平台的台面，模头与置于工作平台上方的由平台下电机驱动模母配合。本设计针对现有滚压成型机械存在的问题改进，对模头的横向运动与竖向运动作精准控制，且控制范围大，保证模头成型后脱模时不受产品高度与口径的限制。

2.2产品现状分析

陶瓷滚压成型机较其他类型陶瓷机械具有许多显著的特点，如成型坯体强度大且结构均匀、寿命长、操作简单等，使其在碗、盘类等日用陶瓷产品的生产中得到了广泛的应用，可以说我们日常生活所用到的日用陶瓷品绝大多数是使用陶瓷滚压机所生产的。因此陶瓷滚压成型机是陶瓷工业的重要组成部分，陶瓷工业的发展离不开先进陶瓷滚压成型机的研发[3]。

目前，陶瓷滚压成型机已经具有很多先进的半自动和自动滚压生产线，但设计的机型均对模头和产品有所限制，难以进一步提高滚压成型机的数字化控制。贵阳市新航铸造材料科技开发有限公司的毛晟发明了一种陶瓷滚压成型压模装置[4]，具体包括机架、电机、凸轮机构、压模机构、升降机构和刹车机构等等。该装置具有结构紧凑、生产效率高、操作维修方便、造价便宜的优点；但其存在着明显的不足：利用凸轮控制压模杠杆做圆弧运动，存在只能生产局限于胎体高度低口径大的产品；凸轮机构长时间高强度运转，机械磨损较大，准确度低，产品一致性差；电机全程运行，耗能大，噪音污染大；机器各项参数偏于固定，难以修改。

苏家伟发明的一种陶瓷滚压成型双头压模装置[5]，其包括机架，机架上设有链传动机构、凸轮机构、升降机构和压模机构，链传动机构的传动链上设有若干工位，每个工位上设有一对座圈，该装置结构紧凑，能有效地提高生产效率。但其仍存在以下不足：利用升降机构控制模头，仅能实现纵向调整，不能横向调整，不利于模头与成型产品的脱离；电机全程运行，耗能大，噪音污染大；未能实现数字化控制，产品器型较为单一。

徐立华发明的TGC350-K滚压成型机为较高科技、较高效率、低成本的机型。其采用永磁电机实现无级变速，主轴、滚头轴与电机轴合二为一，主轴运动电器控制，转速数字显示，但是实现起来非常困难[6]。

2015年新型涉及机械设备技术领域，尤其涉及一种陶瓷滚压成型设备；实用新型的陶瓷滚压成型设备，包括主机座、主机架、支撑横梁、第二碾压部件、驱动部件和第一碾压部件；所述第一碾压部件旋设于所述驱动部件上；所述第二碾压部件包括固定座、主导向杆、旋转调节件、调节手柄、锁定部件、下端压板、传动垫片和压缩杆等[7]。

3 陶瓷滚压成型机的改进方案

3.1机械原理分析

由于陶瓷滚压成型具有成型坯体强度大、操作简单和自动化等优点，使其大量地应用在碗类、盘类等日用陶瓷品厂中。但是目前厂家采用的主流陶瓷成型机仍在成型坯体高度和尺寸上有很大的局限性，其具体原理如图1所示：利用电机带动凸轮使主轴按凸轮的形状作弧形运动，同时模头作滚动压入模母的瓷泥到位，然后滑块运动使模头在模母中作一次往返运动才能使模头脱离成型好的胚体。但目前这种机械生产的产品仅局限于一定胚体高度和产品口径，否则当模头成型后要脱离模母内的胚体总是要破坏胚体的嘴口边缘，所有的动作是按照凸轮的形状作弧形运动，调节比较麻烦，滑块运动行程也仅能作1 ～ 2 cm的范围往返刚好能脱模而已，能够成型的产品也局限于胎体高度低口径大的产品。

我们创新的滚压成型机工作原理如图2所示：模头可根据需要自由进行横向和纵向运动，这样模头的运动无论上升或横向均是直线的，使模头成型后脱模时不受产品高度与口径的限制，大大扩大产品的形式。

3.2产品构型设计

如图3所示，这种新型数控陶瓷滚压成型机，主要包括工作平台12、控制器1、伺服动力总成2、模母电机3、模头电机4、步进伺服电机7、传动箱8和升降平台9。模头电机4的输出轴垂直于工作平台12的台面，模头电机4的输出轴上设有模头6，模头6与置于工作平台12上方的模母5配合，模母5通过置于工作平台12下方的模母电机3驱动。

为了实现自动调整，并且在调整中保证进给的稳定性，设有控制器1，控制器1分别与伺服动力总成2、模母电机3、模头电机4和步进伺服电机7电连接。利用控制器1中的电路板上的通路及开关来控制伺服动力总成2、模母电机3、模头电机4和步进伺服电机7间的电流输入量，实现对电机的运转速度以及运转量的调整，从而完成整个装置的数字智能控制[8]。同时，对于模母电机3和模头电机4是直接作用在加工的陶瓷a品上，要求运转速度快，而且稳定，因此采用高速磁电机，同时模母电机3和模头电机4具有同步控制器，保证两者能够同步运转；对于步进伺服电机7，需要精确控制模头及升降平台的移动距离，因此采用伺服电机，可以正反向运转，而且控制精确，整个装置运行低噪音，低耗能[9]。

本成型机在具体加工时，利用控制器1的微调操控，对驱动电机2-1、模母电机3、模头电机4和步进伺服电机7进行速度及起停的控制，保证模头6高速旋转的同时，能够垂直升降，并且左右水平进给，保证模头的运动无论上升或横向均是直线的，最终在进模或脱模时，避免对陶瓷边沿产生损坏。

4 样机实验测试

为了保证设计方案的可行性可体验实际使用效果，在完成设计方案后做出了产品的样机（如图4）。为了保证实验的准确性，在测试过程中进行了大量的实验，根据实验数据的样本均值，分析了陶瓷坯体口径深度比为0.6 ～ 1.0时，传统滚压成型机与新型滚压成型机在不同滚压深度下新方案与传统方案在效率、抗折强度、烧结收缩率、烧成率等方面的优劣。

表1中的实验数据表明：

当陶瓷坯体的滚压深度h≤6 cm时，新型滚压成型机与传统的滚压成型机在生产效率上是相同的 。新型滚压成型机产品的抗折强度比传统滚压成型机的高了0.29%，烧结收缩率低了1 ～ 5%，烧结率提高了约5%。

当陶瓷坯体的滚压深度6 cm

当陶瓷坯体的滚压深度h≤6 cm时，新型滚压成型机比传统的滚压成型机的生产效率提高了100%。新型滚压成型机产品的抗折强度比传统滚压成型机的高了0.29%，烧结收缩率低了1 ～ 5%，烧结率提高了约5%。

表2中的实验数据表明：

新型滚压成型机比传统滚压成型机的生产噪声低了4～5 dB。同时，新型滚压成型机比传统滚压成型机的耗电量每单位低了2 kwh。

5 结论

本论文设计研制的智能陶瓷滚压成型数控机与传统滚压成型机相比，具有结构简单、切削力大的优点。通过模头控制装置的改进，使模头可以作横向和纵向双向运动，生产产品不受高度与口径的限制，适用陶瓷器型更广；通过改进伺服系统对模头进行精准控制，且控制范围更大。通过改进机器的电机及密封系统，使其运行噪音和能耗降低，更加环保。经过生产实验，采用本设备滚压成型深度大于10 cm的陶瓷坯体时，其生产效率比传统设备提高约1倍。本设计在完成样机测试后与当地厂家进行了合作，应用前景得到了普遍看好。相信随着产品的后续开发应用，对现有陶瓷行业的发展会有良好的推动作用[10]。

参考文献

[1] 郑建和， 周才友， 胡敏渝，等. 陶瓷坯件高压注浆成型工艺[P]，中国专利： CN102528898U.

[2] 张民. 滚压成型生产陶瓷瓶的方法[P]，中国专利： CN1305887. [3] 张柏清. 中国日用陶瓷机械装备的现状及发展趋势[J]. 山东陶瓷， 2012， 35（4）：39-40.

[4] 毛晟.陶瓷滚压成型压模装置[P]. 中国专利： CN204935847U.

[5] 苏家伟. 陶瓷滚压成型双头压模装置[P]. 中国专利： CN205130087U.

[6] 徐立华. TGC350-K滚压成型机设计[J]. 水利电力械，2004，03：46-48.

[7] 金莲忠.一种陶瓷滚压成型设备[P]. 中国专利：CN204687040U.

篇10

一、概述

在现代汽车上，电子技术的应用越来越广泛。随着汽车工业与电子工业的不断发展，今天的汽车已经逐步进入了电脑控制的时代。车身电器与电子设备是汽车的重要组成部分，其性能的好坏将直接影响到汽车的动力性、经济性、可靠性、安全性、排气净化及舒适性。计算机技术与电子技术广泛地应用于汽车，几乎已经深入到汽车所有的系统，大大推动了汽车工业的发展。

目前，国际汽车巨头纷纷将更多的电子信息技术设备装备到其整车中，在国外，中高档轿车采用的电子信息设备已经达到30%～50%，在一些高档车上，这个比率还要高。在电子信息技术设备供应商方面，也纷纷将下一个经济增长点定位在汽车电子产业上。摩托罗拉、英特尔、微软、德州仪器、飞利浦、西门子等这些过去为其他行业和产品提供技术支持的厂商，早已经做好了准备，有些产品已经为汽车提供了新的“动力”。

二、电子技术的应用

(一).电子技术在发动机上的应用

发动机电控技术可分为电控汽油喷射、电子点火、怠速控制、废气再循环控制、增压控制、故障自诊断、安全保险、备用控制以及其他控制技术。

1.电子控制喷油装置

在现代汽车上，机械式或机电混合式燃油喷射系统已趋于淘汰，电控燃油喷射装置因其性能优越而得到了日益普及。。电子控制燃油喷射系统是以空燃比作为主要的控制目标。通过电子控制器对各种不同传感器送来的数据进行判断和计算来控制喷油器以一定的油压，正确、迅速地把汽油直接喷入发动机汽缸。电子控制器主要是根据进气量的多少来控制喷油量的。电子控制燃油喷射系统按喷油器的喷射位置不同可以分为单点喷射系统(SPI)和多点喷射系统(MPI)两种。多点喷射系统是每个汽缸安装一个喷油器，而单点喷射系统是整个系统中只有一个或两个喷油器，安装在节气门的上方。与传统的化油器相比，电子控制燃油喷射装置的最大特点是，在获得最大功率的同时，最大限度地节油和净化排气，因此是节约能源，降低排污的有效措施。

2.电子点火装置

微机控制的电子点火系统主要由与点火有关的各种传感器、电子控制器(ECU)、点火电子组件、点火线圈、配电器、火花塞等组成。

其中传感器用来不断地收集与点火有关的发动机工作状况信息，并将收集到的数据输入电子控制器，作为运算和控制点火时刻的依据。电子点火系统中所用的传感器主要有曲轴转角传感器、曲轴转速传感器、曲轴基准位置传感器、进气管负压传感器、爆震传感器、空气流量及进气温度传感器等。其中前两种传感器是用来检测发动机转速信号的，而发动机转速信号是微机用来确定点火提前角的最主要依据。由其他传感器检测得到的数据主要用于对点火提前角和点火时刻进行修正。

图1-1某车型电子点火系统

电子控制器也叫微机控制器，它是电子点火系统的中枢，用来接收传感器收集到的信号，并且在按照一定的程序进行判断、计算后，给电子点火组件输出最佳点火时刻和初级电路导通时间的控制信号。微机控制的电子点火系统则可使发动机在任何工况下都处于最佳的点火时刻，从而更进一步改善发动机的动力性和经济性，降低排气污染。

3.怠速控制装置

怠速控制系统是电控发动机的一个子系统，主要由传感器，ECU及执行机构组成。怠速控制均采用发动机转速反馈法的闭环控制方式，即发动机转速传感器将发动机的实际转速和目标转速进行比较，根据比较的差值确定使发动机达到目标值的控制量，并通过执行机构对发动机怠速转速进行校正。

图1-2某车型怠速控制装置

车速传感器信号和节气门位置传感器信号用于判断发动机是否处于怠速工况，ECU便确认发动机处于怠速工况，并启动怠速控制系统实施怠速控制。冷却液温度传感器信号，空调压缩机接通信号，自动变速器档位信号，蓄电池电压等信号用来确定发动机怠速时的目标转速.不同怠速条件下的目标转速值已预先存储在ECU的存储器中.发动机转速信号作为怠速控制系统反馈信号，用来计算控制量的大小。ECU一般不单独设置，是由燃油喷射系统，点火系统等共用一个，这使系统简单化，提高控制精度。执行机构的作用是调节发动机进气量，实现怠速控制.

4.废气再循环控制装置

汽车发动机作为一个大气污染源，应该采取各种有效措施予以治理和改造。关于汽车发动机排气的控制和净化问题，各国都进行了大量研究工作，研制了不少的技术措施。这些方法大致可分为发动机本身的改进和增加排放净化装置。而由于发动机本身的改进，较难满足日益严格的排放法规和降低成本的要求，因此现代汽车采取了多种排放控制措施来减少汽车的排气污染，如三元催化转换、废气在循环(EGR)、活性碳罐蒸发控制系统等。废气在循环简称为EGR(ExhaustGasRecirculation)系统，是目前用于降低NOx排放的一种有效措施。

图1-3某车型废气再循环控制装置

它是将一部分排气引入近期关于新混合气混合后进入汽缸燃烧，从而实现在循环，并对送入进气系统的排气进行最佳控制。普通电子式废气在循环(EGR)控制系统由废气再循环电磁阀、节气们位置传感器、废气再循环控制阀、曲轴位置传感器、发动机ECU、冷却液温度传感器、启动信号等组成。

5.增压控制装置

发动机中增压系统的安装日渐增多，其目的是为了提高进气效率。电控增压系统的研制开发是增压技术又跨上一个台阶。目前，应用较普遍的是电控废气涡轮增压系统，其由切换阀、动作器、空气冷却器、空气滤清器、ECU、释压电磁阀组成。通常增压器是为了与发动机的低速小负荷工况相匹配的而设计的，当发动机大负荷运行时容易导致增压器超速运行而损坏，为此电控废气涡轮增压系统专门在排气管中废气涡轮使出增加了一旁通气道，由ECU对切换阀的开度大小进行调整。

6.故障自诊断系统

现代轿车发动机的电控系统中，ECU一般都带有故障自诊断系统，自行检测、诊断发动机控制系统各部分的故障。对于传感器，可通过检测器信号是否超出规定范围来直接进行判断；对于执行器，则在起初是电路中增设专门回路来实现监测，对于ECU本身，也有专用程序进行诊断。故障自诊断系统一般由电子控制器(ECU)中的识别故障及故障运行控制软件、故障监测电路和故障运行后被电路等组成。

7.安全保险装置

如果ECM的输入信号不正常，他将按照内存中存储的固定喷油持续时间和固定点火提前角控制发动机，使发动机能够继续维持工作。ECM本身出故障时，装有备用控制系统的发动机能继续对喷油和点火进行控制，使车辆继续行驶。

8.发动机传感器

发动机传感器是指在发动机上使用的传感器。由于电子技术特别是微型计算机的发展，促进了传感器在发动机上的应用，从而也使发动机的整机性能有了极大的提高。发动机电子控制用传感器主要有空气流量传感器、曲轴位置/凸轮轴位置传感器、发动机转速传感器、爆震传感器进气温度传感器、冷却液温度传感器、氧传感器等。发动机电子控制技术的发展与传感器技术的发展是密不可分的。目前发动机传感器的种类越来越多，可靠性和净度不断提高，并向集成化、数字化和智能化方向发展。

二.电子技术在底盘上的应用

1.电控自动变速器

电控自动变速器可以根据发动机的载荷、转速、车速、制动器工作状态及驾驶员所控制的各种参数，经过计算机的计算、判断后自动改变变速杆的位置，从而实现变速器换档的最佳控，即可得到最佳挡位和最佳换挡时间。

图1-4奥迪A4自动变速器

它的优点是加速性能好、灵敏度高、能准确反映行驶负荷和道路条件等。传动系统的电子控制装置，能自动适应瞬时工况变化，保持发动机以尽可能低的转速工作。电子气动换挡装置是利用电子装置取代机械换挡杆及其与变速机构间的连接，并通过电磁阀及气动伺服阀汽缸来执行。它不仅能明显地简化汽车操纵，而且能实现最佳的行驶动力性和安全性汽车维修毕业论文格式汽车维修毕业论文格式。

2.防抱死制动系统(ABS)

该系统是一种开发时间最早、推广应用最为迅速的重要安全性部件。它通过控制防止汽车制动时车轮的抱死来保证车轮与地面达到最佳滑移(15%~20%)，从而使汽车在各种路面上制动时，车轮与地面都能达到纵向的峰值附着系数和较大的侧向附着系统，以保证车辆制动时不发生抱死拖滑、失去转向能力等不安全状况，提高汽车的操纵稳定性和安全性，减小制动距离。驱动防滑系统(ARS)也叫牵引力控制系统(TCS或TRC)是ABS的完善和补充，它可以防止启动和加速时的驱动轮打滑，既有助于提高汽车加速时的牵引性能，又能改善其操纵稳定性。

现代ABS尽管采用的控制方式、方法以及结构形式各不相同，但除原有的传统的常规制动装置外，一般ABS都是由传感器、电子控制器和执行器三大部分组成。其中传感器主要是车轮转速传感器，执行器主要指制动压力调节器。

1、车轮转速传感器

车轮转速传感器是ABS中最主要的一个传感器。车轮转速传感器常简称为轮速传感器，其作用是对车轮的运动状态进行检测，获得车轮转速(速度)信号。

2.电子控制器

ABS的电子控制器(ElectronicControlUnit)，常用ECU表示，简称ABS电脑。它的主要作用是接收轮速传感器等输入信号，计算出轮速、参考车速、车轮减速度功、滑移率等，并进行判断、输出控制指令，控制制动压力调节器等进行工作。另外，ABS电脑还有监测等功能，如有故障时会使ABS停止工作并将ABS警示灯点亮。

3.制动压力调节器

制动压力调节器是ABS中的主要执行器。其作用是接受ABS电脑的指令，驱动调节器中的电磁阀动作(或电机转动等)，调节制动系的压力，使之增大、保持或减小，实现制动系压力的控制功能。

由于ABS是在原来传统制动系统基础上增加一套控制装置形成的，因此ABS也是建立在传统的常规制动过程的基础上进行工作的。在制动过程中，车轮还没有趋于拖死时，其制动过程与常规制动过程完全相同；只有车轮趋于抱死时，ABS才会对趋于抱死的车轮的制动压力进行调节。

通常，ABS只有在汽车速度达到一定程度(如5km/h或8km/h)时，才会对制动过程中趋于抱死的车轮的制动压力进行调节。当汽车速度降到一定程度时，因为车速很低，车轮制动抱死对汽车制动性能的不利影响很小，为了使汽车尽快制动停车，ABS就会自动终止防抱死制动压力调节，其车轮仍可能被制动抱死。

在制动过程中，如果常规制动系统发生故障，ABS会随之失去控制作用。若只是ABS发生故障、常规制动系统正常时，汽车制动过程仍像常规制动过程一样照常进行，只是失去防抱死控制作用。现代ABS一般都能对系统的工作情况进行监测，具有失效保护和自诊断功能，一旦发现影响ABS正常工作的故障时，将自动关掉ABS，恢复常规制动，并将ABS警示灯点亮，向驾驶员发出警示信号，提醒驾驶员及时进行修理。

图1-5ABS系统图

ABS系统制动过程中，ABS电控单元(ECU)3不断地从传感器1和5获取车轮速度信号，并加以处理，分析是否有车轮即将抱死拖滑。如果没有车轮即将抱死拖滑，制动压力调节装置2不参与工作，制动主缸7和各制动轮缸9相通，制动轮缸中的压力继续增大，此即ABS制动过程中的增压状态。如果电控单元判断出某个车轮(假设为左前轮)即将抱死拖滑，它即向制动压力调节装置发出命令，关闭制动主缸与左前制动轮缸的通道，使左前制动轮缸的压力不再增大，此即ABS制动过程中的保压状态。若电控单元判断出左前轮仍趋于抱死拖滑状态，它即向制动压力调节装置发出命令，打开左前制动轮缸与储液室或储能器(图中未画出)的通道，使左前制动轮缸中的油压降低，此即ABS制动过程中的减压状态。ABS系统就是如此循环进行制动的.

3.电子转向助力系统

电子转向助力系统是用一部直流电机代替传统的液压助力缸，用蓄电池和电动机提供动力。这种微机控制的转向助力系统和传统的液压助力系比起来具有部件少、体积小、质量轻的特点，最优化的转向作用力、转向回正特性，提高了汽车的转向能力和转向响应特性，增加了汽车低速时的机动性以及调整行驶时的稳定性。

4.自适应悬挂系统

自适应悬挂系统能根据悬挂装置的瞬时负荷，自动适时调节悬架弹簧的刚度和减震器的阻尼特性，以适应当时的负荷，保持悬挂的既定高度。这样就能够极大地改进车辆行驶的稳定性、操纵性和乘坐的舒适性。

图1-6奥迪A4自适应悬挂系统

在自适应悬挂控制系统配置中，悬架置于车轮和车体之间。此系统不采用气动膜盒，而代之以盘簧和液压缸。液压系统由电子装置控制，该装置对传感器在汽车运转过程中产生的各种信号进行分析。主动悬挂控制系统配有一个能自动测量高度及根据速度调整的装置，当汽车以高速行驶时能缓慢地减低其速度汽车维修毕业论文格式文章汽车维修毕业论文格式出自http：//gkstk.com/article/wk-78500001092730.html，转载请保留此链接！。汽车的水平高度也可通过按钮分两次手动调节。

5.定速巡航自动控制系统

在高速长途行驶时，可采用定速巡航自动控制系统，恒速行驶装置将根据行车阻力自动调整节气门开度，驾驶员不必经常踏油门已调整车速。若遇爬坡，车速有下降趋势，微机控制系统则自动加大节气门开度；在下坡时，又自动关小节气门开度，以调节发动机功率达到一定的转速。当驾驶员换低速档或制动时，这种控制系统则会自动断开。

6.驱动防滑/牵引力控制系统(ASR/TCS)

目前安装ABS的轿车已经相当普遍，但随着对汽车安全性能的要求越来越高，出现了驱动防滑系统(ASR，AccelerationSlipRegulation)，驱动防滑系统又称牵引力控制系统(TCS，TractionControlSystem)，它的作用是当汽车加速时将滑动率控制在一定的范围内，从而防止驱动轮快速滑动。

汽车“打滑”可分为两种情况：一是汽车制动时车轮的滑移，前面已经分析过；二是汽车驱动时车轮的滑转。所谓汽车驱动时车轮的滑转，就当是汽车起步时，尽管驱动轮不停转动，汽车却原地不动的现象。驱动轮滑转有可能引起汽车的侧滑，且损失了发动机的转矩。为了防止驱动轮的滑转，人们在职动防抱死的基础上研制了驱动防滑系统。他的功能为：一是提高牵引力；二是保持汽车的行驶稳定。

7.减震适应系统

减震适应系统是一种全自控系统，可随每个车轮的减震动进行自动调整，以达到各种行驶状态下调顺车身的运动。路面状况、汽车本身，以及驾驶方式等都在监控之下，以随时独立调节各个车轮的减震器设置值，保证最高的舒适性。驾驶人可通过按钮手动选择以舒适为主或以跑车操纵性为主。另一种作为选项的减震适应系统带有电子自动测量高度的悬挂功能，可在高速状态下把汽车自动调低15毫米。控制开关则允许驾驶人以手动方式分两级调低车身水平。减震适应系统的使用，保证开车过程中获得最大的稳定性和安全性，提供最高驾驶舒适性并改善驾驶动感，最大程度减少翻车和侧倾危险，作为选项的自动找平系统可在恶劣路面开车时减少对车身下部的损伤危险，提高稳定性，减少燃耗。

三.车身电子控制技术

1.电动座椅

现代轿车的驾驶者和前部乘员座椅多是电动可调的，所以又称电动座椅。座椅是与人接触最密切的部件，人们对轿车平顺性的评价多是通过座椅的感受作出的。因此电动座椅也是直接影响轿车质量的关键部件之一。

轿车电动座椅以驾驶者的座椅为主。从服务对象出发电动座椅必须要满足便利性和舒适性两大要求，也就是说驾驶者通过键钮操纵，既可以将座椅调整到最佳的位置上，使得驾驶者获得最好的视野，得到易于操纵方向盘、踏板、变速杆等操纵件的便利，还可以获得最舒适和最习惯的乘坐角度。

图1-8奥迪A4电动座椅

现代轿车的电动座椅是由坐垫、坐背、坐枕、骨架、悬挂和调节机构等组成。其中调节机构由控制器、可逆性直流电动机和传动部件组成，是电动座椅中最复杂和最关键的部分。自动座椅电子控制系统由座椅位置传感器、电子控制器ECU和执行机构的驱动电机三大部分组成。位置传感器部分包括座椅位置传感器、后视镜位置传感器、安全带扣环传感器以及方向盘倾斜传感器等；ECU包括输入接口、微机CPU和输出处理电路等；执行机构主要包括执行座椅调整、后视镜调整、安全带扣环以及方向盘倾斜调整等微电机，而且这些电机均可灵活进行正、反转，以执行各种装置的调整功能。另外，该系统还备有手动开关，当手动操作此开关时，各驱动电机电路也可接通，输出转矩而进行各种调整动作。

2.安全气囊

安全气囊系统称为SRS，相对于安全带，安全气囊只是一个辅助保护设备。

图1-9奥迪A4安全气囊系统

安全气囊是用带橡胶衬里的特种织物尼龙制成，工作时用无害的氦气填充。此系统由一个传感器激活，该传感器用于监视碰撞中汽车速度减小的程度。在碰撞发生的早期，安全气囊开始充气，安全充气大约需要0.03秒。安全气囊可以非常快的速度充气十分重要，这能确保当乘客的身体被安全带束缚不动而头部仍然向前行进时，安全气囊能及时到位。在头部碰到安全气囊时，安全气囊通过气囊表面的气孔开始排气。气体的排出有一定的速率，确保让人的身体部位缓慢地减速。由于安全气囊弹开充气的速度可高达320公里/小时，碰撞时如果人的乘坐姿势不正确，将给人带来严重的伤害。

3.电动门窗

电动门窗是指以电为动力是门窗玻璃自动升降的门窗。它是由驾驶员或乘员操纵开关接通门窗升降电动机的电路，电动机产生动力通过一系列的机械传动，使门窗玻璃按要求进行升降。其优点是操作简便，有利于行车安全。

电动门窗主要有升降控制开关、电动机(双向转动永磁电动机)、升降器、继电器等组成，其中电动机一般采用双向转动永磁电动机，通过控制电流方向，使其正反向转动，达到车窗升降功能。

图2-1奥迪A4电动门窗

4.辅助关门系统

辅助关门系统由气动装置、车门传感器组成。装在每个车门锁的传感器会监察车门开合运动的方向。当某个车门手动关闭到车门锁的第一卡合位或稍微超出时，气动辅助关闭装置即被触发，自动将车门拉合到锁定位。减少车门关闭所需的力量，减少车门关闭时产生的噪音，保证车门始终关紧(即使此车门只被关合到门锁的第一卡合位)。

5.自动恒温控制系统/空调

自动恒温控制系统/空调由压缩机、冷凝器、辅助电风扇或入口风扇蒸发器、温度传感器、不含氯氟烃的冷却剂、储蓄罐、温度控制装置、空气内循环开关、循环泵、余热开关等组成。在发动机运转及空调系统工作时，冷却空气由鼓风机以选定的速度和温度送入。与加热系统一样，左侧和右侧的温度可分别调节。如果空调和加热系统同时打开，由于输入的空气已经过除湿并冷却，车窗上不会产生水雾。在这种再加热模式下，空气首先经过冷却(因此成为干燥空气)，然后再加热。在发动机关闭后，发动机余热利用系统(REST)启动，把热发动机的冷却剂抽入热交换器，从而自动控制空气流动和分配。余热利用系统在约30分钟后自动关闭，或者在蓄电池充电量过低时关闭。空调系统降低车内温度并减少湿度，从而提供舒适的车内环境，又能防止车窗水雾，提高驾驶安全。如果拨到空气循环工作模式，系统可防止有味气体进入车内汽车维修毕业论文格式论文。动机余热利用系统允许加热过程中不含发动机噪音和废排气，因此不消耗燃料并可在发动机关闭后继续工作。

图2-2奥迪A4空调系统

6.电子防盗系统

电子防盗系统是为了防止汽车本身火车上的物品被盗所设的系统，它有电子控制的遥控器或钥匙、电子控制电路、报警装置和执行机构等组成。

图2-3奥迪A4防盗装置

汽车防盗装置按其发展过程可分为机械锁防盗装置、机电式防盗装置和电子防盗装置三个阶段。电子式防盗报警器是目前使用较为广泛。它主要靠锁定点火或启动来达到防盗的目的，同时具有防盗和声音报警功能。电子防盗报警器共有四种功能：一是服务功能，包括遥控车门、遥控启动、阻和等；二是警惕提示功能，能触发报警记录(提示车辆从被人打开过车门)；三是报警提示功能，即当有人动车时发出警报；四是防盗功能，即当防盗器处于警戒状态时，切断汽车上的启动电路。

7.汽车卫星导航系统

汽车电子导航系统是在全球定位系统(GPS)的基础上发展起来的新型汽车驾驶辅助设备，是为了解决道路交通的堵塞和拥挤问题而产生的，是一种能接收定位卫星信号，经过微处理器计算出汽车所在精确经度和纬度以及汽车速度和方向，并在显示器上显示出来的一种装置。

图2-4奥迪A4导航系统

驾驶者只要将目的地输入汽车导航系统，系统就会根据电子地图自动计算出最合适的路线，并在车辆行驶过程中提醒驾驶员按照计算的路线行驶。在整个行驶过程中，驾驶者根本不用考虑该走哪条线路就能快捷的到达目的地。

当前的汽车导航系统包括两部分：全球定位系统和车辆自动导航系统。汽车导航设备一般是由GPS天线、集成了显示屏幕和功能按键的主机以及语音输出设备(一般利用汽车音响系统输出语音提示信息)构成的。受车内安装位置的限制，一般汽车导航设备和汽车视像音响合成在一起，因此，一些汽车导航系统又称为DVD导航系统。

四.电子技术在汽车工业上的的发展趋势

在今后的十几年内，推动汽车电子产品发展的动力仍将是汽车安全、节能、环保等的需要。汽车电子系统的发展将主要集中在汽车用局域网系统LANS和处理器CPUS、发动机控制、机-电接口、ABS和行驶控制、电子控制传动系统、抬头显示系统HUDS、声音识别技术、行车导驶系统及多媒体技术和撞击传感技术等方面。

车载局域网将逐步替代单独控制器；车载计算机的处理能力将有显著提高。多媒体显示系统将为驾驶者提供更多的有关信息，包括图像信息。声音识别技术可望在5年内有重大突破，并应用于汽车领域。比CD-ROM存储量大6-7倍的DVD-ROM，将大量用于汽车的导驶系统和多媒体系统。汽车电子系统的成本将进一步大幅下降。

利用总线技术将汽车中各种电控单元、智能传感器、智能仪表等联接起来，从而构成汽车内部局域网，实现各系统间的信息资源共享。根据侧重功能的不同，SAE将总线划分为A、B、C三大类：A类是面向传感器和执行器的一种低速网络，主要用于后视镜调整、灯光照明控制、电动车窗等控制等，目前A类的主流是LIN；B类是应用于独立模块间的数据共享中速网络，主要用于汽车舒适性、故障诊断、仪表显示及四门中央控制等，其目前主流是低速CAN(又称动力CAN)；C类是面向高速、实时闭环控制的多路传输网络，主要用于发动机、ABS和自动变速器、安全气囊等的控制，目前C类主流是高速CAN(又称动力CAN)，但是随着下一代高速、具有容错能力的时间触发方式的“XbyWire”线控技术的发展，将逐渐代替高速CAN在C类网中的位置，力求在未来5—10年之内使传统的汽车机械系统变成通过高速容错通讯总线与高性能CPU相连的百分之百的电控系统，完全不需要后备机械系统的支持，其主要代表有TTP/C和FlexRay.

随着第3代移动通讯技术和计算机网络技术的不断发展，未来汽车正朝着移动力、公室、家庭影院方向发展，为司机和乘客提供进行中的实时通讯和娱乐信息，并把汽车和道路及其它远程服务系统结合起来，构建未来的智能交通系统(1TS)。具体功能：①提供丰富的多媒体设施环境，利用GPS、GSM网络实现导航、行车指南、无线因特网以及汽车与家庭等外部环境的互动

②具备远程汽车诊断功能，紧急时能够引导救援服务机构赶到故障或事故地点。

结束语：

汽车电子化已成为当前的热点，电子信息技术和汽车制造技术逐步走向融合，电子技术不断把音响视频、网际网络、信息引入汽车内。随着未来汽车市场的快速发展和汽车电子价值含量的迅速提高，我国汽车电子产业将形成巨大经济规模效应，成为支持汽车工业发展的一门相对独立新兴支柱产业。

可以预料，随着我国汽车技术的进步，汽车电子新技术必将会得到越来越广泛的应用，国产汽车积极采用电子装置指日可待。虽然要赶上国际汽车的最高水平还有一段路要走，但将来在世界汽车技术尤其是汽车电子技术应用这一领域，我国必定占有一席之地。

参考文献：

[1]台晓虹，申荣卫.汽车ABS技术发展与展望.汽车与配件，2006.18

[2]李炎亮，高秀华，成凯等.汽车电子技术.北京：化学工业出版社，2005.6

[3]汪立亮.现代电子控制系统原理与维修.北京：电子工业出版社，1998.9

[4]德国BOSCH公司著；魏春源等译.汽车电器与电子.北京理工大学出版社，2004.7

篇11

当前，我国中小零部件机械产业正处于稳步发展的成熟期，国外进口设备一统天下的局面已经结束，国产零部件机械已经成为主力。主要表现如下：

一、国产机械的技术水平已接近或达到世界先进水平，大规模靠引进技术发展的时代已经结束，吸收、学习国外先进技术的渠道和方法大为增强，自身开发能力大大提升，大型机械开发周期一般不超过一年。

二、行业格局发生很大变化。一是国外著名的机械企业纷纷在中国建厂，改变了机械生产企业的结构。它们在机械方面具有雄厚的技术和经济实力，代表着世界领先水平，今后将对中国机械行业的生产格局产生深远影响。其在产品开发、制造及知识产权保护等许多方面给中国企业提供了学习机会。二是国内著名大企业成功介入机械产品的生产，并向多品种方向发展，凭借大厂在经验、技术、经济、制造方面的实力，其机械产品在销售市场上已经占据了主导地位。这些变化，极大增强了我国机械行业的实力，对中小企业的发展也有很大影响。

三、一批民营中小企业迅速成长壮大，规模和技术实力大增。

尚存问题有待解决 。在看到我国零部件机械行业获得长足发展的同时，一些潜在的问题也不容忽视。首先，我国多数机械企业规模偏小，抵抗风险能力有限，回款率低，流动资金不足。其次，也如同其他产品一样，我国零部件机械存在着科技投入不足、创新能力偏低等问题。对基本研发的投入很少，采用挖人才、“偷”技术的方式很普遍。所以各家的产品都是大同小异，很少有标志性的技术，原始创新很少。第三，零部件机械厂家正面临着水、电、钢材等原材料持续上涨的压力，利润损失较大，不利于进一步扩大生产。第四，对出口欧洲、美国等发达国家和地区的产品，由于不熟悉其市场准入和标准，经常遭遇“专利门槛”问题，对产品出口产生不利影响。

认清趋势促进发展 。针对上述问题，相关企业要重视创新，主动加大科技投入；树立尊重知识、保护知识产权的法律意识；企业对技术骨干要有留人和防挖办法；可在市场接受的范围内，适当进行涨价，以促进生产发展。

多轴头主要用于快速钻孔。是目前国内刚兴起的一种提高生产效率、降低成本的工作母机。随着国内汽配行的发展，各零部件供应商之间竞争激烈，选择一种高性能、高效率的机床是企业降低生产成本、提高企业竞争力的一种行之有效的途径。一台普通的多轴头＋一台普通的钻床就能一次把几个乃至十几二十个孔或螺纹一次性加工出来。如再配上专用多轴钻孔机就能把好几个面上的孔或螺纹一次性加工完成。解决许多工件难以装夹、定位或定位不准的问题。多轴头钻床设计结构，加工精度高，性能稳定，钻孔能力强。适用于高精度钻孔，镗孔。解决了高精度钻孔，镗孔上加工中心加工成本高的问题。丝锥夹头夹持范围大节省攻不同直径的螺纹需换芯的时间。

齿轮传动多轴头设计是一个传统的机械课题，对设计者的机械基础知识要求较高。多轴头的设计特点是程序性强。我们应按照设计程序，逐步进行设计与计算。

2 设计前准备工作

2.1 产品图

产品图见图纸。本产品毛坯为铸造件，材料为HT100。生产批量：中等批量。

2.2 工艺卡

本工艺卡为产品的工艺过程，本产品的重点工序是4（3）个直径为14.5mm的孔的加工，从产品图我们可以知道，产品毛坯为铸造件。但在铸造时，产品是否要留余量，以及留多少;产品是否需要留由铸造芒孔。都是需要考虑的问题。

我根据［8］中表39.3－7查得铸造余量为4mm，再根据［9］表1－166查得：当孔径 时，不需铸造孔。所以本产品不需要铸造孔。

从零件图上看，底盖的加工工艺流程可定为：铸造——铣——钻。其中铣这一工艺是为了钻孔进行的辅助工序或准备工序，只要能达到尺寸及粗糙度要求即可，所以这不是本零件的主要工序。本零件的重点工序是四个（三个）孔的加工工序，因为这几个孔必须保证位置的要求，而且这几个孔并不是环型规则布置，不可能采用分度盘来加工；其次如果采用画线来加工的话，位置误差将会很大，不能保证零件的技术要求；即使我们采用了画线来加工，对我们的生产员工的技术水平有很大的要求，会大大降低生产率。我们为了能提高生产率，降低生产成本，我们似乎可以选择一种可以一次完成加工的设备，这个设备必须满足零件的设计要求，不需定位直接将零件的几个孔加工出来。为此，我选择多轴头来加工这几个孔，多轴头既能保证零件的各项技术要求，有能提高生产率，降低生产成本的作用。所以对几个孔的加工我采用多轴头这一辅助设备来加工。

下面是这个产品的工艺方案。

方案一：

工序号 工序 工序内容

0 铸造 砂型铸造，清砂。

5 铣 以零件的下底面为粗基准，铣底盖的上表面，保证个尺寸余量0.2。

10 铣 以上以加工免为精基准，加工下表面，使钻孔台厚度为16.2mm，表面至要求。

15 检验 检验各个尺寸至要求。

20 铣 以钻孔台下表面为基准，精铣上表面至图纸要求。

25 钻 采用多轴头钻孔，一次完成4（3）个孔的加工，使各要求满足。

30 检验 检验各个尺寸至要求。

35 入库

方案二：

工序号 工序 工序内容

0 铸造 砂型铸造，清砂。

5 铣 以零件的下底面为粗基准，铣底盖的上表面，保证个尺寸余量0.2。

10 铣 以上以加工免为精基准，加工下表面，使钻孔台厚度为16mm，表面至要求。

15 检验 检验各个尺寸至要求。

20 钻 采用多轴头钻孔，一次完成4（3）个孔的加工，使各要求满足。

25 检验 检验各个尺寸至要求。

30 入库

我们可以比较，因为图纸对钻孔台有粗糙度要求，所以我认为需要将对钻孔台的加工分为粗加工和精加工，以此满足钻孔台的表面粗糙度。所以选择方案一。

2.3 刀具图

刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。广义的切削工具既包括刀具，还包括磨具。

绝大多数的刀具是机用的，但也有手用的。由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具”一词一般就理解为金属切削刀具。切削木材用的刀具则称为木工刀具。

刀具的发展在人类进步的历史上占有重要的地位。中国早在公元前28~前20世纪，就已出现黄铜锥和紫铜的锥、钻、刀等铜质刀具。战国后期(公元前三世纪)，由于掌握了渗碳技术，制成了铜质刀具。当时的钻头和锯，与现代的扁钻和锯已有些相似之处。

然而，刀具的快速发展是在18世纪后期，伴随蒸汽机等机器的发展而来的。1783年，法国的勒内首先制出铣刀。1792年，英国的莫兹利制出丝锥和板牙。有关麻花钻的发明最早的文献记载是在1822年，但直到1864年才作为商品生产。

那时的刀具是用整体高碳工具钢制造的，许用的切削速度约为5米/分。1868年，英国的穆舍特制成含钨的合金工具钢。1898年，美国的泰勒和．怀特发明高速钢。1923年，德国的施勒特尔发明硬质合金。

在采用合金工具钢时，刀具的切削速度提高到约8米/分，采用高速钢时，又提高两倍以上，到采用硬质合金时，又比用高速钢提高两倍以上，切削加工出的工件表面质量和尺寸精度也大大提高。

由于高速钢和硬质合金的价格比较昂贵，刀具出现焊接和机械夹固式结构。1949~1950年间,美国开始在车刀上采用可转位刀片，不久即应用在铣刀和其他刀具上。1938年，德国德古萨公司取得关于陶瓷刀具的专利。1972年，美国通用电气公司生产了聚晶人造金刚石和聚晶立方氮化硼刀片。这些非金属刀具材料可使刀具以更高的速度切削。

1969年，瑞典山特维克钢厂取得用化学气相沉积法，生产碳化钛涂层硬质合金刀片的专利。1972年，美国的邦沙和拉古兰发展了物理气相沉积法，在硬质合金或高速钢刀具表面涂覆碳化钛或氮化钛硬质层。表面涂层方法把基体材料的高强度和韧性，与表层的高硬度和耐磨性结合起来，从而使这种复合材料具有更好的切削性能。

刀具按工件加工表面的形式可分为五类。加工各种外表面的刀具，包括车刀、刨刀、铣刀、外表面拉刀和锉刀等；孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等；螺纹加工工具，包括丝锥、板牙、自动开合螺纹切头、螺纹车刀和螺纹铣刀等；齿轮加工刀具，包括滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮加工刀具等；切断刀具，包括镶齿圆锯片、带锯、弓锯、切断车刀和锯片铣刀等等。此外，还有组合刀具。

按切削运动方式和相应的刀刃形状，刀具又可分为三类。通用刀具，如车刀、刨刀、铣刀(不包括成形的车刀、成形刨刀和成形铣刀)、镗刀、钻头、扩孔钻、铰刀和锯等；成形刀具，这类刀具的刀刃具有与被加工工件断面相同或接近相同的形状，如成形车刀、成形刨刀、成形铣刀、拉刀、圆锥铰刀和各种螺纹加工刀具等；展成刀具是用展成法加工齿轮的齿面或类似的工件，如滚刀、插齿刀、剃齿刀、锥齿轮刨刀和锥齿轮铣刀盘等。

各种刀具的结构都由装夹部分和工作部分组成。整体结构刀具的装夹部分和工作部分都做在刀体上；镶齿结构刀具的工作部分(刀齿或刀片)则镶装在刀体上。

刀具的装夹部分有带孔和带柄两类。带孔刀具依靠内孔套装在机床的主轴或心轴上，借助轴向键或端面键传递扭转力矩，如圆柱形铣刀、套式面铣刀等。

带柄的刀具通常有矩形柄、圆柱柄和圆锥柄三种。车刀、刨刀等一般为矩形柄；圆锥柄靠锥度承受轴向推力，并借助摩擦力传递扭矩；圆柱柄一般适用于较小的麻花钻、立铣刀等刀具，切削时借助夹紧时所产生的摩擦力传递扭转力矩。很多带柄的刀具的柄部用低合金钢制成，而工作部分则用高速钢把两部分对焊而成。

刀具的工作部分就是产生和处理切屑的部分，包括刀刃、使切屑断碎或卷拢的结构、排屑或容储切屑的空间、切削液的通道等结构要素。有的刀具的工作部分就是切削部分，如车刀、刨刀、镗刀和铣刀等；有的刀具的工作部分则包含切削部分和校准部分，如钻头、扩孔钻、铰刀、内表面拉刀和丝锥等。切削部分的作用是用刀刃切除切屑，校准部分的作用是修光已切削的加工表面和引导刀具。

刀具工作部分的结构有整体式、焊接式和机械夹固式三种。整体结构是在刀体上做出切削刃；焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上；机械夹固结构又有两种，一种是把刀片夹固在刀体上，另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。硬质合金刀具一般制成焊接结构或机械夹固结构；瓷刀具都采用机械夹固结构。

刀具切削部分的几何参数对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大影响。增大前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前面的摩擦阻力，从而减小切削力和切削热。但增大前角，同时会降低切削刃的强度，减小刀头的散热体积。

在选择刀具的角度时，需要考虑多种因素的影响，如工件材料、刀具材料、加工性质(粗、精加工)等，必须根据具体情况合理选择。通常讲的刀具角度，是指制造和测量用的标注角度在实际工作时，由于刀具的安装位置不同和切削运动方向的改变，实际工作的角度和标注的角度有所不同，但通常相差很小。

制造刀具的材料必须具有很高的高温硬度和耐磨性，必要的抗弯强度、冲击韧性和化学惰性，良好的工艺性(切削加工、锻造和热处理等)，并不易变形。

通常当材料硬度高时，耐磨性也高；抗弯强度高时，冲击韧性也高。但材料硬度越高，其抗弯强度和冲击韧性就越低。高速钢因具有很高的抗弯强度和冲击韧性，以及良好的可加工性，现代仍是应用最广的刀具材料，其次是硬质合金。

聚晶立方氮化硼适用于切削高硬度淬硬钢和硬铸铁等；聚晶金刚石适用于切削不含铁的金属，及合金、塑料和玻璃钢等；碳素工具钢和合金工具钢现在只用作锉刀、板牙和丝锥等工具。

硬质合金可转位刀片现在都已用化学气相沉积法涂覆碳化钛、氮化钛、氧化铝硬层或复合硬层。正在发展的物理气相沉积法不仅可用于硬质合金刀具，也可用于高速钢刀具，如钻头、滚刀、丝锥和铣刀等。硬质涂层作为阻碍化学扩散和热传导的障壁，使刀具在切削时的磨损速度减慢，涂层刀片的寿命与不涂层的相比大约提高1~3倍以上。

由于在高温、高压、高速下，和在腐蚀性流体介质中工作的零件，其应用的难加工材料越来越多，切削加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高。为了适应这种情况，刀具的发展方向将是发展和应用新的刀具材料；进一步发展刀具的气相沉积涂层技术，在高韧性高强度的基体上沉积更高硬度的涂层，更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾；进一步发展可转位刀具的结构；提高刀具的制造精度，减小产品质量的差别，并使刀具的使用实现最佳化。

这里我选用硬质合金钻头，钻头直径为 ，如图1。

图1 刀具图

2.4 机床有关规格尺寸

1. 概 述

钻床系指主要用钻头在工件上加工孔的机床。通常钻头旋转为主运动，钻头轴向移动为进给运动。钻床结构简单，加工精度相对较低，可钻通孔、盲孔，更换特殊刀具，可扩、锪孔，铰孔或进行攻丝等加工。钻床可分为下列类型：

(1)台式钻床：可安放在作业台上，主轴垂直布置的小型钻床。

(2)立式钻床：主轴箱和工作台安置在立柱上，主轴垂直布置的钻床。

(3)摇臂钻床：摇臂可绕立柱回转、升降，通常主轴箱可在摇臂上作水平移动的钻床。它适用于大件和不同方位孔的加工。

(4)铣钻床：工作台可纵横向移动，钻轴垂直布置，能进行铣削的钻床。

(5)深孔钻床：使用特制深孔钻头，工件旋转，钻削深孔的钻床。

(6)平端面中心孔钻床：切削轴类端面和用中心钻加工的中心孔钻床。

(7)卧式钻床：主轴水平布置，主轴箱可垂直移动的钻床。

2. 我选用立式钻床Z535,规格尺寸如下：

产品名称

型号

最大钻孔直径（mm）

主轴端至底面距离（mm）

主轴中心线至立柱表面距离（mm）

主轴转速

主轴行程（mm）

电机功率

级数

范围（r/min）

主电机

总容量

立式钻床

Z535

35

0.75

300

9

68-1100

225

4

4

重量

外包箱直径

长x宽x高（mm）

外形尺寸

长x宽x高（mm）

毛重

净重

1.6

1480x1042x2785

1280x842x2585

2.5 夹具图

机械制造过程中用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受施工或检测的装置。又称卡具。从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安全地安装工件的装置，都可称为夹具。例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床夹具等。其中机床夹具最为常见，常简称为夹具 。在机床上加工工件时，为使工件的表面能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的相互位置精度等技术要求 ，加工前必须将工件装好（定位）、夹牢（夹紧）。夹具通常由定位元件（确定工件在夹具中的正确位置）、夹紧装置 、对刀引导元件(确定刀具与工件的相对位置或导引刀具方向)、分度装置（使工件在一次安装中能完成数个工位的加工，有回转分度装置和直线移动分度装置两类）、连接元件以及夹具体（夹具底座）等组成。

夹具种类按使用特点可分为：①万能通用夹具。如机用虎钳、卡盘、分度头和回转工作台等，有很大的通用性，能较好地适应加工工序和加工对象的变换，其结构已定型，尺寸、规格已系列化，其中大多数已成为机床的一种标准附件。②专用性夹具。为某种产品零件在某道工序上的装夹需要而专门设计制造，服务对象专一，针对性很强，一般由产品制造厂自行设计。常用的有车床夹具、铣床夹具、钻模(引导刀具在工件上钻孔或铰孔用的机床夹具)、镗模(引导镗刀杆在工件上镗孔用的机床夹具)和随行夹具（用于组合机床自动线上的移动式夹具）。③可调夹具。可以更换或调整元件的专用夹具。④组合夹具。由不同形状、规格和用途的标准化元件组成的夹具，适用于新产品试制和产品经常更换的单件、小批生产以及临时任务。

夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。

一、高精

随着机床加工精度的提高，为了降低定位误差，提高加工精度，对夹具的制造精度要求更高。

二、高效

为了提高机床的生产效率，双面、四面和多件装夹的夹具产品越来越多。为了减少工件的安装时间，各种自动定心夹紧、精密平口钳、杠杆夹紧、凸轮夹紧、气动和液压夹紧等，快速夹紧功能部件不断地推陈出新。新型的电控永磁夹具，加紧和松开工件只用1～2秒，夹具结构简化，为机床进行多工位、多面和多件加工创造了条件。

三、模块、组合

夹具元件模块化是实现组合化的基础。利用模块化设计的系列化、标准化夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。省工、省时，节材、节能，体现在各种先进夹具系统的创新之中。模块化设计为夹具的计算机辅助设计与组装打下基础，应用CAD技术，可建立元件库、典型夹具库、标准和用户使用档案库，进行夹具优化设计，为用户三维实体组装夹具。模拟仿真刀具的切削过程，既能为用户提供正确、合理的夹具与元件配套方案，又能积累使用经验，了解市场需求，不断地改进和完善夹具系统。

四、通用、经济

夹具的通用性直接影响其经济性。采用模块、组合式的夹具系统，一次性投资比较大，只有夹具系统的可重组性、可重构性及可扩展强，应用范围广，通用性好，夹具利用率高，收回投资快，才能体现出经济性好。

底盖的钻孔夹具设计由于时间紧张，未能将完整设计图纸画出来，现在只将设计方案表达如下，如图2，底盖的夹紧和固定都采用定位销，用定位销和平台将底盖的各个自由度限制，这样就能满足底盖钻孔的要求。

2.6 核算多轴头的总轴向力（ ）和消耗的总功率（ ）

要核算多轴头的总轴向力和消耗的总功率，使其不超过机床允许的最大轴向力和机床的额定功率。核算公式如下：

式中：N为多轴头各工作轴消耗的功率的总和;

为多轴头每个工作轴消耗的功率

为机床的额定功率

P为多轴头各工作轴轴向力的总和

为各工作轴的轴向力

为机床允许的最大轴向力

首先计算每个工作轴的切削扭矩（ ）和轴向力（ ）：

（ ）

(N)

因为每个工作轴的 和 相等，所以多轴头的总轴向力和消耗的总功率为：

（N）

(kW)

查Z235机床说明书，机床主轴最大进给抗力 ，主电机功率 。

核对可知： ，满足设计要求。

3 设计传动系统图

多轴头齿轮传动系统的设计既要保证工艺要求，又要保证多轴头的结构的紧凑性。齿轮传动系统的设计与计算，其内容包括：齿轮模数和工作轴直径的确定，传动方式的选择，主动轴中心位置的确定，传动比及齿轮齿数的确定，布置惰轮，检查结构上的干涉现象，传动系统图的坐标计算与绘制等。

齿轮传动系统图应按照所规定的符号绘制。齿轮中心及分度圆应尽可能画得准确（精度在0.2～0.3mm），这样便于用图解法核对所计算的坐标尺寸。

在齿轮传动系统图中应清晰的表明：齿轮的传动方式，各齿轮的齿数及模数，主动轴及工作轴的旋转方向，齿轮层数（对两层以上）。同时还应在图旁注明：工作轴每分钟转速、工作轴每分钟进给量及传动比等。

下面按设计步骤分别讨论每项内容的设计要求和设计方法。

3.1齿轮模数的确定

在一般齿轮传动设计中，齿轮模数是按齿轮的抗弯强度和齿面疲劳强度计算的，然后经过试验确定。但是由于齿轮传动多轴头在生产中早已广泛应用，在使用和制造方面已有一定的经验，在［1］中，有关多轴头齿轮的结构和规格参数，以及齿轮的材料、热处理、齿宽及工作条件都作了规定，所以当利用[1]所介绍的齿轮进行设计时，可根据加工孔径，按表1查得齿轮模数，此表查得的模数为主动轮的模数，每个主动齿轮可带动三个工作轴。

表1 加工孔径与模数

加工孔径

<8

8~15

15~20

模数

1.5~2

2~2.5

2.5~3

从中查得：主动轮的模数m＝2.5。

3.2确定工作轴直径

多轴头工作轴直径是按扭转刚度所计算的，若工作轴不兼做中间轴使用时，其直径可按表2查得。

表2 加工孔径与工作轴直径

加工孔径

<6

6~9

9~12

12~16

16~20

工作轴直径

9

12

15

20

25

查表2得：工作轴直径d＝20mm。

3.3选择传动方式

多轴头的齿轮传动系统一般是定轴轮系，即主动轴、工作轴、惰轮轴的中心距是固定的。··但由于被加工孔之间的相互位置有许多不同的排列形式，使得传动系统图随之也出现了多种多样的类型。下面列出各种传动类型，供参考。

（1）、按齿轮组合形式分

按齿轮组合形式分有如下两种形式：

A、单式传动，即每个轴上只有一个齿轮与其他齿轮啮合传动。

B、复式传动，即每个轴??嫌辛礁觥⑷?龌蚨喔龀萋钟肫渌?萋帜龊希?殖闪讲恪⑷?慵岸嗖愦???莆??丁⑷?都岸嗉洞???/P> （2）、按齿轮传动方式分

A、外啮合传动。外啮合传动有如下几种传动分布形式：工作轴成长方形分布的；工作轴成“一”字形分布的；工作轴成框形分布的;工作轴成“八”字形分布的;工作轴成圆形分布的；工作轴成环形分布的。

B、内啮合传动。

C、内啮合与外啮合联合传动。

（3）、按工作轴布置情况分

按工作轴布置情况可分为规则分布和不规则分布的。

在这个设计中，按照工作轴分布情况，可选择工作轴成长方形分布的外啮合传动形式。

3.4确定主动轴中心位置

从多轴头工作平稳性方面考虑，主动轴中心应与各个工作轴所受轴向力的合力作用点（称为压力中心）重合。此时，机床主轴及多轴头本身均不受弯曲力矩。

从多轴头结构的对称性方面考虑，主动轴应处于多轴头本体的几何中心上。此时，多轴头外形匀称。

对于加工孔对称分布的多轴头，使主动轴中心既要与压力中心重合，又要与多轴头本体的几何中心重合，是比较容易做到的。

对于加工孔不对称分布的，或同时加工不同孔径的。或同时进行钻、扩、铰等多工序加工的多轴头，压力中心往往偏向某些加工孔。此时，若只是考虑到主动轴中心与压力中心重合，将会造成齿轮传动系统布置困难，及多轴头本体对主动轴中心不对称等缺点。所以在传动系统的设计中，通常采取如下处理方法：如果多轴头与机床的连接是法兰盘式的。则压力中心不应超过法兰盘半径。但由于结构要求，主动轴中心不得不远离压力中心时，应采用较粗的导柱，或使多轴头与机床主轴箱作固定式连接。

压力中心相对于各个工作轴的坐标计算公式如下：

式中： 为压力中心的横坐标

为压力中心的纵坐标

为各工作轴的轴向力

为工作轴中心的横坐标

为工作轴中心的纵坐标

若 ，则公式变为：

其中：N为工作轴个数。

当四孔加工时，压力中心正好在对称中心A点上（见图3），即A点可作为主动轴中心。A点坐标为： ＝78mm, =35mm。当按三孔加工时，压力中心在B点上（见图4），其计算坐标如下：

图3 压力中心示意图

图4 压力中心示意图

B点与A点在x方向上重合，在y方向上相差3.7mm，远小于法兰盘直径，所以，选A点为主动轴中心。

3.5确定传动比及齿轮的齿数

（1）确定传动比

A、确定传动比的原则

l 要保证工艺对工作轴所提出的转速、切削速度及每转进给量的要求。

l 本设计的齿轮，外啮合传动比一般应不大于2.5，最好等于1。

l 应尽可能不选最高一级或最低一级的机床转速，以便给工艺上的更改留有余地。

l 攻丝多轴头的对工作轴的每转进给量必须与丝锥的螺距相等。

B、传动比的计算公式及其确定方法

（A）传动比的计算公式

单式传动：

复式二级传动：

复式三级传动：

式中： 为主动轴对第N根对工作轴的传动比

为第N根对工作轴的转速（r/min）

为主动轴的转速（r/min）

为主动轴上齿轮的齿数

、 、 、 为惰轮的齿数

第N根对工作轴上齿轮的齿数

（B）钻孔多轴头传动比的确定方法

钻孔多轴头是按对工作轴转速初步确定的，然后验算对工作轴每转进给量，最后确定可行的传动比。工作轴转速是按工艺要求确定的。主动轴转速即为机床主轴转速，我们可以从机床主轴各级转速中，选择与对工作轴转速相接近的作为主动轴的转速，然后计算传动比。

当传动比初步确定后，可按照工艺规定的对工作轴每转进给量计算出主动轴每转进给量：

式中 为主动轴每转进给量（mm/r）， 为对工作轴每转进给量（mm/r）。

再以机床主轴各级进给量中选取与计算值相近的一级作为主动轴每转进给量。然后，再按所选取的主轴每转进给量计算出对工作轴每转进给量。这时，比较计算后的每转进给量与工艺规定的每转进给量之值是否相近，此外，还要从工艺方面考虑，按计算后的对工作轴每转进给量进行加工是否可行，若不行，还要重新确定传动比。

上述所确定的传动比是理论值，当主动轴与对工作轴齿轮的齿数确定之后，按此数计算出来的传动比是实际值。传动比的理论值与实际理论值相差很小，钻孔多轴头可忽略不计，但对于攻丝多轴头，则需要进行验算。

（C）攻丝多轴头传动比的确定方法

攻丝多轴头传动比的确定可按如下步骤进行：

1）选定机床主轴进给量 。为了使多轴头的传动比尽量接近于1，故再选机床主轴寄给量时，一般选用小于丝锥螺距中的最大的一个。

2）按选定的 ，求出多轴头的理论传动比 。为了便于检查核对实际进给量与理论值之间的差值， 一般取小数点后四位。

3）按求出的 值，选择齿轮，并求出实际传动比 及实际每转进给量 。

4）验算进给量的差值，用实际传动比 求出的 与丝锥螺距的名义值的差值应在 范围内，差值过大应重新选择齿轮齿数。

5）选择机床转速n。按合理的攻丝切削速度，应尽量选较低的机床转速。

6）验算攻丝切削速度：攻丝切削速度应在表3。

加工材料

铸铁

钢及其合金

铝及其合金

切削速度v（m/min）

2.5～5

1.5～5

5～15

C、确定各轴上齿轮的齿数

在多轴头传动系统设计中，各轴上齿轮的齿数一般不是按照中心距、模数等已知条件计算出来的，因为多轴头的对工作轴相互位置往往距离较近，有的分布还不规则，为保持对工作轴与主动轴旋转方向相同，要通过惰轮，而惰轮的位置一般不是已经确定的，通常是通过反复作图与计算相结合的方法来确定。

各轴上齿轮的齿数确定方法介绍如下：

主动轴和工作轴上齿轮的齿数可按传动比进行分配。首先给定较小齿轮的齿数，即：当 时，现给定工作轴上齿轮的齿数；当 时，现给定主动轴上齿轮的齿数。然后按传动比求出另一个齿轮的齿数。

初步确定齿数时，还必须检查主动轴上齿轮的尺寸是否足够大，因为主动轮的直径比较大，如果主动轮上齿轮的齿数过少，就保证不了厚度。此外还应尽可能选择奇数齿数。

工艺给定工作轴的转速 ，Z235机床主轴的各级转速中与其相接近的转速为400r/min，但降速传动会使工作轴上的齿轮加大，在此情况下，不易布置惰轮，故选低一级的转速，即225r/min。

从机床主轴各级进给量中选取相接近的一级，即为0.32mm/r。

与工艺给定的工作轴每转进给量0.21mm/r相近似，所以，传动比确定为1.62。

选工作轴齿轮齿数

3.6惰轮的布置及其坐标计算

（1） 工作轴的旋转方向与惰轮布置的关系

惰轮的主要作用是保证工作轴有一定的旋转方向。从主动轴开始到工作轴为止，齿轮的个数为奇数时，工作轴和主动轴的旋转方向相同；从主动轴开始到工作轴为止，齿轮的个数为偶数时，工作轴和主动轴的旋转方向相反。

（2） 各轴受力情况与惰轮布置的关系

在多轴头传动系统设计中，惰轮的布置是受一些条件限制的，尤其是受主动轴和工作轴位置的限制，一般不可能使各轴受力情况都是良好的。但是，各轴受力情况的好坏，将影响到多轴头的工作情况及各轴和轴承的使用寿命。所以，设计中应尽可能使各轴的受力情况良好。

（3） 惰轮分度圆半径及中心位置的确定

在传动系统中，有的惰轮与两个齿轮相啮合，有的与三个齿轮相啮合。当惰轮与两个齿轮啮合时，惰轮的中心位置及分度圆大小都是不确定的，需要由我们根据暗送秋波情况确定，一般通过作图法确定。当惰轮与三个齿轮相啮合时，惰轮的中心位置及分度圆大小都是确定的，可利用一圆与三圆相切，求内切圆和外切圆半径及其中心位置的计算来求出。惰轮布置形式见图5，其坐标位置计算如下：

a

b c

图5 惰轮布置图

按照一圆与三个不等圆相切，求外切圆的半径及其中心位置的计算公式，在图3-a中选定坐标，确定原始尺寸： 。

惰轮齿数（z）为17，计算实际中心距（A）与理论中心距（ ）

A与 相差0.85，齿轮需要变位。

齿轮3与5之间的惰轮齿数定为17，其计算三角形如图3－c所示，中心坐标计算按照解三角形通用公式计算进行。原始尺寸： 。

在［1］中表2－4中，根据组别，按照 点所在象限对照图形，本计算三角形与表2－4图1相似。

3.7绘制传动系统图

按照坐标尺寸绘制传动系统图如图6所示.

图6 传动系统图

3.8检查结构上的干涉现象

3.8.1检查齿顶外圆干涉

在图6中，主动轮与工作轴齿轮5的齿顶圆由可能发生干涉。

图7 检查干涉

计算齿顶圆：

在图7中，画出了齿顶圆 和 ，从图中可以看出：没有发生干涉现象。

3.8.2 检查轴承干涉

如工作轴直径 ，轴承的外径为47mm，惰轮轴的轴径为17mm，其轴承的外径为40mm，在图5中画出了轴承外圆，发生干涉，但干涉量很小。其处理的方法便是减小工作轴直径。在本设计中，加工孔径为 ，按表2 查得的工作轴直径是偏大的，可按公式：

式中， 为小分度圆直径

为允许接触应力，由表3查得。

为小齿轮的扭矩

为齿轮宽度

为传动比。

表3 允许接触应力

材料

热处理

硬度HRC

允许接触应力

45

调质

30～35

1500

调质

30～35

1620

调质

30～35

2180

根据表3，公式变为：

式中： d为工作轴或中间轴直径（cm）

为轴上所受的扭矩（N*cm）。

从中我们可以计算出工作轴的直径：

取工作轴直径d=17mm，其轴承同惰轮轴轴承大小一样，不会发生干涉。

4 多轴头齿轮的几何尺寸计算

在多轴头传动系统中，一般采用标准齿轮，但在这个设计中我们采用变位齿轮。因为本设计中存在实际中心距与理论中心距不相等，所以应采用变位齿轮。根据已知条件，变位齿轮几何尺寸计算如表4。

表4 变位齿轮的几何尺寸

序号

名 称

符号

计算公式

计算结果

备 注

主动轮与惰轮

工作轮与惰轮

1

小齿轮数

17

16

已知

2

大齿轮数

26

17

已知

3

模数

m

2.5

2.5

已知

4

实际中心距

A

54.60

41.97

已知

5

理论中心距

53.75

41.25

6

两轮齿数和

= +

43

33

7

中心距变动系数

0.34

0.29

8

中心距变动系数的模数

0.10

0.01

9

反变位系数的模数

根据 查表

0.029

0.001

10

反变位系数

0.1340

0.0005

11

总变位系数

＝ ＋

0.474

0.291

12

小轮变位系数

0.286

0.011

大轮变位系数

0.187

0.286

13

小轮分度圆直径

＝

42.5

40

大轮分度圆直径

＝

65

42.5

14

小轮齿顶圆直径

＝

48.30

45.06

大轮齿顶圆直径

＝

70.80

48.30

15

小轮公法线长度

＝

19.54

19.03

大轮公法线长度

＝

27.06

19.53

16

公法线长度的最小偏差

0.085

0.085

0.105

0.085

17

公法线长度公差

0.038

0.038

0.050

0.038

18

公法线长度的最大偏差

= +

-0.047

-0.047

= +

-0.067

-0.047

5 绘制多轴头装配图

装配图及零件图见图纸。多轴头的结构总图见装配图其中的结构有：

（1） 连接部件和传动部件。连接部件由连接法兰、连接环组成；传动部件是传动杆。

（2）导向部件。导向部件由导柱、导柱衬套和钻模板组成，还有其他一些零部件。

（3）齿轮传动箱。齿轮传动箱有工作轴、主动轴、惰轮轴以及轴上的齿轮、轴承及其他零件，还有本体、盖、中间板和一些固定零件。此传动箱采用单层布置。

6 轴承寿命的验算

多轴头中常用的轴承有单列向心轴承(0000型)、单向推力球轴承（8000型）及滚动轴承。在特殊情况下，也采用滑动轴承。

在这个设计中，首先根据轴径的大小选择轴承，然后进行强度或寿命等方面的验算。下面是部分轴承的验算。

6.1单列向心球轴承的验算

单列向心球轴承需要验算轴承的工作能力系数，其中计算公式如下：

式中：C为轴承工作能力系数

Q为轴承的计算负荷（ ）；

为转速（ ）；

为轴承寿命（ ），多轴头轴承的寿命一般规定为2000小时;

［C］为允许的工作能力系数，由轴承标准手册查得。

轴承的计算负荷（Q）按下式计算：

从受力分析看，惰轮轴（6和7）受径向力比工作轴大，而惰轮又距离下轴承较近，所以应验算惰轮轴的下轴承。

图8 惰轮轴受力分析

利用图解法求出惰轮轴（6或7）所受的径向力 。图8为惰轮轴7受力情况分析图，图中各力计算如下：

（N）

（N）

（N）

（N）

作力的矢量图，得 。

求出支承力 ：

(N)

惰轮的转速：

轴承寿命（h）定为2000小时,工作能力系数为：

查轴承手册，轴承允许的工作能力系数［C］＝11300，可知：［C］>C，大于所要求的工作能力系数，可以选用。

6.2止推轴承的验算

单向推力轴承的工作能力系数C的计算与前面的相同，其中计算负荷应按下式计算:

式中 为某个工作轴上的轴向力。

这个轴承中,其中 (N),所以可以得到:

查轴承手册,允许的工作能力系数[C]=31000,即[C]>C,满足所需,可以使用.

结论

由本文的论述，我们了解到:通过对底盖的加工工艺与多轴头的设计，在齿轮、各种辅助零部件、工艺流程等方面进行合理设计和选择，有效提高了加工效率和产品质量，提高了可靠性，具备一定的先进性，取得了良好的经济效益和社会效益，为解决此类多孔零件的加工问题举了一个实例。

通过本次毕业设计，从收集资料到对工艺方案和系统方案的设计，再到绘制多轴头装配图和部分零件图，我学到了不少知识，能综合应用机械设计课程，机械制造工艺学课程及AUTOCAD等系统软件，进行系统的机械设计，培养机械设计及制造的技能，并巩固所学知识，尤其更熟练掌握了AUTOCAD绘图软件工具。同时，也发现了自己许多不足的地方，还有待改正和完善，使自己不断进步。

参考文献

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[6]万东海.多轴头设计及计算——车桥轮毂孔系加工.江南航天科技.1997，（3）

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[8]机械工程手册、机电工程手册编辑委员会.机械工程手册.机械工业出版社

[9]机械设计手册联合编写组.机械设计手册.化学工业出版社

[10]胡家秀.简明机械零件设计实用手册.机械工业出版社.2003

[11]刘泽九、贺士荃、刘晖主编.滚动轴承手册.机械工业出版社.2007

[12]上海柴油机厂工艺设备研究所编.金属切削机床夹具设计手册.机械工业出版社.1984

致谢

本研究及学位论文是在我的导师陈为国老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，以及爽朗的性格，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，陈老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。一年多来，陈老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向陈老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

在此，我还要感谢在一起愉快的度过研究生活的040311班各位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特别感谢我的同学们，他们对本课题做了不少工作，给予我不少的帮助。

篇12

中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（c）-0109-03

传统的节气门采用机械控制方式，加速踏板与节气门之间采用拉索或拉杆连接，驾驶员通过加速踏板控制节气门的开度。这种方式能够较好地实现按驾驶员的驾驶意图控制发动机的工作状态，但是发动机的运行状态与拖拉机的实际情况之间很难得到最佳匹配。

电子节气门控制系统通过微处理器、传感器以及各类驱动装置实现节气门与加速踏板之间的无机械连接，这种连接方式兼顾驾驶员的加速意图、发动机的运行状态、拖拉机的工作情况，对节气门的开度进行智能控制，保证发动机工作在最佳的状态，能提高拖拉机的安全性、动力性和舒适性。

尽管电子节气门有诸多优点，但目前还只是用在家用轿车上，在农用拖拉机上的应用还比较少见。随着农业现代化的不断推进，对农用拖拉机的驾驶舒适度、性能的要求会越来越高，将先进的电子节气门控制技术引入拖拉机产品成为必然。本文设计了一种基于C8051F020的电子节气门控制系统。

1 电子节气门控制系统组成

1.1 电子节气门体

电子节气门主要包括驱动电机、阀片、节气门位置传感器复位弹簧以及齿轮机构等。通常用于电子节气门的是永磁有刷直流电机，电机转轴与节气门转轴之间的传动比为2∶1。图1和图2显示了电子节气门的实物图和机构示意图。

由图可知，在电子节气门中，节气门和驾驶踏板之间不再使用机械部件进行连接，驾驶踏板只是用来检测驾驶员的驾驶意图，节气门的控制过程则完全由控制系统实现。控制系统首先根据加速踏板的信号对驾驶员的驾驶意图进行分析，从而得出合适的控制策略，对节气门的开度进行调整。

1.2 电子节气门控制系统

由上述分析可知，电子节气门控制系统的作用就是根据驾驶踏板的角度对节气门的开度进行控制，属于一类单输入单输出的控制系统，其结构如图3所示。

当驾驶员操作加速踏板时，加速踏板位置传感器输出节气门开度信号，以此信号作为控制系统的参考信号。控制系统将此参考信号通过CAN总线送给整车控制单元，由整车控制单元综合分析驾驶员的驾驶意图、发动机运行情况、汽车的运行情况，采用一定的控制策略，计算出合理的节气门开度，再通过CAN总线返回给电子节气门控制系统。最后又控制单元将期望值与当前实际的开度反馈值进行对比分析，根据预定的控制策略对电机的转动角度进行调整，实现节气门开度的跟随。

1.3 驱动控制单元组成及工作原理

在电子节气门中，节气门的期望开度除了与加速踏板的位置有关，还与车辆行驶工况等有关，因此期望开度的计算一般由整车控制单元综合考虑各种信息后通过一定的控制策略给出，并通过CAN总线送给电子节气门控制系统。本文主要研究驱动控制单元的电路设计以及控制策略的实现。

图4所示是驱动控制单元的结构框图。直流电机的电流方向发生变化，便可对节气门开度增加、减小进行切换；直流电机通电时间不同，电机转动的转角也会有变化，通过这种方法便可控制节气门开度的大小。节气门位置传感器的输出电压随节气门的位置变化而改变，可以用作驱动控制单元的反馈信号。

2 硬件系统设计

2.1 节气门位置测量电路设计

图5分别显示了电子节气门的电路原理图以及引脚位置图，共有6个引脚，其中4个是节气门位置传感器的信号线和电源线，2个是电机的电源线。

设计的电路如图6所示。由于系统所用电源为+5V，C8051F020自带AD的输入电压范围为0～2.5V，因此先设计一电压跟随电路，实现阻抗转换，再利用0.1%高精度电阻实现分压，将0～5V信号电压衰减为0～2.5V。

2.2 电机驱动电路设计

在拖拉机行驶过程中，不可避免的需要增加、减小节气门的开度，因此电子节气门中的直流电机需要有正转和反转两种工作状态。为了实现这一功能，需要采用H桥电路实现PWM驱动，图7显示了H桥的工作原理。

图7中，Q1和Q4构成一对开关，Q2和Q3构成一对开关。同一对开关必须同时导通、同时切断，不同对的开关不能同时导通。当Q1和Q4导通时，电流沿着图7中的A方向流过电机，电机正转，当Q2和Q3导通时，电流沿着图7中B方向流过电机，电机反转。

本研究采用MC33886专用芯片设计H桥驱动电路，具体电路如图8所示。OUT1引脚上的输出电压有IN1引脚上输入端PWM信号决定，由于IN2接地，输出引脚OUT2上的电压始终为0。OUT1和OUT2之间的压差受IN1控制，控制器只需要改变IN1引脚上PWM信号的占空比就可以调整电机转速。

3 节气门驱动控制单元软件设计

3.1 系统主程序流程图

实时控制软件由3部分组成：节气门电机驱动子程序、节气门位置信号采集子程序以及PID控制子程序。程序流程图如图9所示。

3.2 PID控制算法

本研究中采用PID算法实现电子节气门的控制，设为抽样序号，为抽样周期，离散化PID算法的控制输出为：

（1）

式（1）中，为时刻的控制器输出，是时刻设定值与反馈值之间的误差，、、分别为控制器的比例、积分、微分系数。PID控制中，、、三个系数非常重要，较大的可以增加系统的相应速度，减少系统静态误差，但是如果取值过大，系统容易出现较大超调，甚至出现震荡等现象。越大，系统的超调量越小，系统更加稳定，但是消除系统静态误差的速度会降低。增加会加快系统响应速度，但抗干扰能力会受到影响。

4 实验测试

进行了两组波形信号跟随实验和两组阶跃信号跟随实验，以验证设计的拖拉机电子节气门控制系统的性能。

图10和图11先是了阶跃信号跟随实验的实验结果。电子节气门的开度从5%增加到95%，需要8个控制周期，系统的稳定时间需要160 ms。当目标开度设定在95%，设计的电子节气门实际开度在94.5%～95.5%之间波动，稳态误差大约为1%。电子节气门的开度从95%降低到5%时，需要10个控制周期，系统的稳定时间需要200 ms，从图11中可以看出，稳态误差也较小（

图12和图13分别显示了正弦波和三角波的跟踪实验结果。从图中可以看出，设计的电子节气门实际输出与设定的期望曲线之间有较好的重合度，误差较小，说明实际的节气门开度输出能较好第跟随设定的开度曲线。

5 结论

针对农用拖拉机的具体应用，采用单片机设计了一种电子节气门的控制系统，给出了详细的软硬件设计方案，并进行了4组实验。实验结果表明，设计的电子节气门控制系统具有较快的相应速度、较低的系统误差，能满足农用拖拉机的实际需求。

参考文献

[1] 麻友良，尹华敏，刘国栋.电控发动机电子节气门控制系统[J].汽车电器，2006（9）：36-37，40.

[2] 马乐，王绍铫，电子节气门控制系统的构建[J]，内燃机工程，2005，26（4）：20-23.

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