隨動(dòng)轉(zhuǎn)向車燈設(shè)計(jì)【含6張CAD圖紙和文檔全套】【LB3】

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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高和汽車工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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(duì)汽車前照燈的控控已有成熟控制技術(shù)用于汽車，而對(duì)信號(hào)燈的控制較少。本文根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的情況，引入模糊控制技術(shù)，對(duì)汽車的前照燈進(jìn)行較為全面的分析，同時(shí)對(duì)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(duì)以下問題進(jìn)行了研究與探討： 1、對(duì)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(duì)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) 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 II 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(guó)內(nèi)外研究情況 4 1.3.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4 1.3.2 本文主要研究?jī)?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 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(duì)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 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。 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?jī)蓚?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(duì)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(wú)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(guó)家經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，在美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，汽車在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占較大比例。我國(guó)的汽車工業(yè)正處于發(fā)展壯大時(shí)期，發(fā)展前景及汽車市場(chǎng)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(wàn)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(shì)而對(duì)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(shì)。與這些要求相適應(yīng)，汽車電子化的趨勢(shì)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(zhǎng)到400美元。預(yù)計(jì)2003年到2008年汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)的平均增長(zhǎng)率為11.1%，由2003年的137億美元增長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(guó)內(nèi)外的汽車生產(chǎn)商如一汽，上汽，長(zhǎng)安，奇瑞，奧迪，歐姆龍，德爾福等已經(jīng)對(duì)中國(guó)汽車電子市場(chǎng)這塊大蛋糕舉起了蛋糕刀。事實(shí)上，對(duì)汽車電子市場(chǎng)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(zhǎng)虹、TCL等家電企業(yè)在當(dāng)今家電行業(yè)利潤(rùn)嚴(yán)重縮水的情況下，都早已邁出了進(jìn)軍汽車電子市場(chǎng)的步伐。 表1.1 2001-2004年中國(guó)汽車電子產(chǎn)品應(yīng)用比例與全球平均水平對(duì)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(duì)夜間行駛安全性的改進(jìn)與提升。 1.3.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 長(zhǎng)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(jiǎn)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。 而今，即將登場(chǎng)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(duì)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(jiǎn)言之，郊區(qū)道路上，非對(duì)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。 1.3.2 本文主要研究?jī)?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(duì)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(duì)車燈隨動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的方案，采用模糊控制理論對(duì)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(duì)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(duì)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?jī)?nèi)容和控制模式，為后續(xù)內(nèi)容奠定了研究基礎(chǔ)。 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(duì)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(duì)微控制器（MCU）的要求較高。世界半導(dǎo)體各個(gè)廠商來?yè)屨贾袊?guó)汽車電子市場(chǎng)，以期在中國(guó)的汽車電子市場(chǎng)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(guó)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(guó)汽車廠商供貨。博世經(jīng)過努力，2003年在中國(guó)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(cè)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(chǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)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)。 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(duì)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)雜系統(tǒng)，也可組成較簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(cè)、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?？梢杂密浖梦换蚯宄?，也可以靠軟件測(cè)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?？梢钥寇浖碇梦换蚯宄?，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)。 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(duì)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(duì)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(duì)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]。 圖2.2 51單片機(jī)引腳 2.3步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng) 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 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。 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)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 單片機(jī) 接 口 驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī) 前照燈 圖2.5步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)流程 發(fā)動(dòng)機(jī)工作 狀態(tài)檢測(cè) 車門狀態(tài)檢測(cè) 光強(qiáng)檢測(cè) 轉(zhuǎn)向軸位置檢測(cè) 車架位置檢測(cè) 信號(hào)燈工作 狀態(tài)檢測(cè) 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 圖2.6 系統(tǒng)總體控制方案 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(yǔ)音報(bào)警 控制器 車門狀態(tài)檢測(cè) 發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)檢測(cè) 光強(qiáng)檢測(cè) 轉(zhuǎn)向軸位置檢測(cè) 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(cè) 左前照燈 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(cè)試，以便確定延時(shí)時(shí)間是否符合要求。 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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算控制。 開始 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 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(chǎng) 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 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)理論上很簡(jiǎn)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(jiǎn)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)。 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) 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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)化，對(duì)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。  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； 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(wú)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(cè)試條件下測(cè)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(cè)試電壓是12V； 測(cè)試電流為4A； 脈沖數(shù)為1600PPR； 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)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。 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(duì)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(rùn)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(duì)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 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?qǐng)A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） 式中： -載荷系數(shù)； 　　-嚙合面的法向載荷，； 　　-材料的彈性影響系數(shù)，，對(duì)于青銅或鑄鐵蝸輪與鋼蝸桿配對(duì)時(shí)，取； 　　-綜合曲率； 　　-接觸線總長(zhǎng)，mm。 　　將上式換算成蝸輪轉(zhuǎn)矩T2和中心距a的關(guān)系得： （3.2） 式中： -蝸桿傳動(dòng)的接觸線長(zhǎng)度和曲率半徑對(duì)接觸應(yīng)力的影響系數(shù)，簡(jiǎn)稱接觸系數(shù)，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： 式中： ——蝸輪齒面的許用接觸應(yīng)力。 設(shè)計(jì)公式為： （3.3） 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： 式中： -蝸輪齒根的許用彎曲應(yīng)力。 設(shè)計(jì)公式為： （3.4） 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)， （3.5） 表3.1 鑄錫青銅蝸輪的基本許用接觸應(yīng)力（MPa） 蝸　輪　材　料 鑄　造　方　法 蝸　桿　螺　旋　面　的　硬　度 ≤45HRC >45HRC 鑄 錫 磷 青 銅ZCuSn10P1 砂 模 鑄 造 150 180 金 屬 模 鑄 造 220 268 鑄 錫 鋅 鉛 青 銅ZCuSn5Pb5Zn5 砂 模 鑄 造 113 135 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)時(shí)，需將表中數(shù)值乘以壽命系數(shù)；當(dāng)＞時(shí)，取；當(dāng)＜時(shí)，取。 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齒面膠合，因尚無(wú)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(wú)關(guān)，可直接查表3.2?；诣T鐵及鑄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 蝸　桿 蝸　輪 <0.25 0.25 0.5 1 2 3 4 20或20Cr滲碳，淬火，45號(hào)鋼淬火，齒面硬度大于45HRC 灰鑄鐵HT150 206 166 150 127 95 - - 灰鑄鐵HT200 250 202 182 154 115 - - 鑄鋁鐵青銅ZCuAl10Fe3 - - 250 230 210 180 160 45號(hào)鋼或Q275 灰鑄鐵HT150 172 139 125 106 79 - - 灰鑄鐵HT200 208 168 152 128 96 - - ，其中為基本許用應(yīng)力，查表；為壽命系數(shù)。 表3.3 蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力 (MPa) 蝸　輪　材　料 鑄　造　方　法 單側(cè)工作 雙側(cè)工作 鑄 錫 磷 青 銅 ZCuSn10P1 砂 模 鑄 造 40 29 金 屬 模 鑄 造 56 40 鑄 錫 鋅 鉛 青 銅ZCuSn5Pb5Zn5 砂 模 鑄 造 26 22 金 屬 模 鑄 造 32 26 鑄 鋁 鐵 青 銅ZCuAl10Fe3 砂 模 鑄 造 80 57 金 屬 模 鑄 造 90 64 灰　鑄　鐵HT150 砂 模 鑄 造 40 28 灰　鑄　鐵HT200 48 34 注：表中各種青銅的基本許用彎曲應(yīng)力為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)時(shí)之值N=106，當(dāng)N≠106時(shí)，需將表中數(shù)值乘以壽命系數(shù)KFN；當(dāng)N＞25x107時(shí)，取N=25x107；當(dāng)＜105時(shí)，取N=105。 蝸桿傳動(dòng)的潤(rùn)滑油 潤(rùn)滑油 潤(rùn)滑油的種類很多，需根據(jù)蝸桿；蝸輪配對(duì)材料和運(yùn)轉(zhuǎn)條件合理選用。 表3.4 蝸桿配青銅蝸輪時(shí)，常用的潤(rùn)滑油見表 全損耗系統(tǒng)用油牌號(hào)L-AN 68 100 150 220 320 460 680 運(yùn)動(dòng)粘度v40(cSt) 61.2—74.8 90—110 135—165 198—242 288—352 414—506 612—748 粘度指數(shù) 不小于 90 閃點(diǎn)(開口)(0C) 不低于 180 200 220 傾點(diǎn)(0C) 不高于 -8 -5 蝸桿傳動(dòng)的相對(duì)滑動(dòng)速度 0—1 1—2.5 0—5 >5—10 >10—15 >15—25 >25 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 給 油 方 法 油 池 潤(rùn) 滑 噴池潤(rùn)滑時(shí)的噴油壓力(MPa) 0.7 2 3 潤(rùn)滑油量 對(duì)閉式蝸桿傳動(dòng)采用油池潤(rùn)滑時(shí)，在攪油損耗不致過大的情況下，應(yīng)有適當(dāng)?shù)挠土?。這樣不僅有利于動(dòng)壓油膜的形成，而且有助于散熱。對(duì)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(rùn)滑油粘度及給油方法 潤(rùn)滑油粘度及給油方法，一般根據(jù)相對(duì)滑動(dòng)速度及載荷類型進(jìn)行選擇。對(duì)于閉式傳動(dòng)，常用的潤(rùn)滑油粘度及給油方法見表；對(duì)于開式傳動(dòng)，則采用粘度較高的齒輪油 或潤(rùn)滑旨。如果采用噴油潤(rùn)滑，噴油嘴要對(duì)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，工作載荷較穩(wěn)定，沖擊不大。要求壽命為年（按每年天，每天小時(shí)）。 則使用壽命： 根據(jù)的推薦，采用漸開線蝸桿。傳動(dòng)比介于5~80之間。 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，而輪芯用灰鑄鐵制造。為防止變形，常對(duì)蝸輪進(jìn)行時(shí)效處理。 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。 （3.6） 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。 按，取效率，則查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得： 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： 則根據(jù)公式代入數(shù)據(jù)得 1、模數(shù)和壓力角： 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(duì)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： 3、蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù) 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；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。 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，而在時(shí)，則可始終保持有兩對(duì)齒以上嚙合，因之通常規(guī)定＞28。另一方面z2也不能過多，當(dāng)＞80時(shí)(對(duì)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(duì)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(duì)于動(dòng)力傳動(dòng)，常用的范圍為。對(duì)于傳遞運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)，z2可達(dá)200、300，甚至可到1000。 確定許用接觸應(yīng)力 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅，金屬模鑄造，蝸桿硬度，可從表3.1中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力。其中ZN為壽命系數(shù)， 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)； 壽命系數(shù)； 校核彎曲強(qiáng)度： 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 （） 蝸輪材料 鑄造方法 蝸桿螺旋面的硬度 ≤45HRC ＞45HRC 鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1 砂模鑄造 150 180 金屬模鑄造 220 268 鑄錫鉛鋅青銅 ZCuSn5Pb5Zn5 砂模鑄造 113 135 金屬模鑄造 128 140 離心鑄造 158 183 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)械原理與設(shè)計(jì)得計(jì)算公式： （3.7） 表3.6 蝸桿傳動(dòng)使用系數(shù) 原動(dòng)機(jī) 工作機(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)；將上述系數(shù)帶入式（3.7）中，得：。 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(cè)，查表3.7得圖5.1兩種型號(hào)的渦桿接觸系數(shù) 。 表3.7 彈性系數(shù) 蝸桿材料 蝸輪材料 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 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，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(duì)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(duì)應(yīng)。 依據(jù)機(jī)械原理與設(shè)計(jì)，查得計(jì)算的公式： （3.8） 根據(jù)公式（3.8）代入數(shù)據(jù)得 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得，; 根據(jù)普通渦輪蝸桿傳動(dòng)的與的匹配取。 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)，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 傳動(dòng)比 蝸桿為主動(dòng)的減速運(yùn)動(dòng)中 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)。 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 按規(guī)定選取 蝸桿頭數(shù) ? 按規(guī)定選 蝸輪齒數(shù) ? 按傳動(dòng)比確定 壓力角 按蝸桿類型確定 模數(shù) 按規(guī)定選取 傳動(dòng)比 蝸桿為主動(dòng)，按規(guī)定選取 齒數(shù)比 1當(dāng)蝸桿主動(dòng)時(shí)， 蝸桿直徑系數(shù)