液壓式轉向機實驗臺系統(tǒng)設計
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說明書1 緒論1.1 課題研究的目的和意義21世紀是汽車工業(yè)飛速發(fā)展的時代,汽車工業(yè)逐步成為許多國家的支柱產業(yè)。為了控制汽車產品質量,提高汽車品質,勢必對其總成及零部件提出更高更嚴格的要求。近年來,隨著電子技術,液壓技術的不斷發(fā)展,轉向系統(tǒng)中愈來愈多的采用電子器件。相應的就出現(xiàn)了電液助力轉向系統(tǒng)。電液助力轉向可以分為兩大類:電動液壓助力轉向系統(tǒng)EHPS(electro-hydraulic power steering)、電控液壓助力轉向ECHPS(electronically controlled hydraulic power steering)。在現(xiàn)代汽車上,轉向系統(tǒng)是必不可少的最基本的系統(tǒng)之一,它也是決定汽車主動安全性的關鍵總成,如何設計汽車的轉向特性,使汽車具有良好的操縱性能,始終是各汽車廠家和科研機構的重要課題。特別是在車輛高速化、駕駛人員非職業(yè)化、車流密集化的今天,針對更多不同的駕駛人群,汽車的操縱性設計顯得尤為重要。由此應運而生的就是如何對轉向機進行檢測和控制,從而使轉向機的性能達到最優(yōu)化,更好地適合現(xiàn)代汽車以及工程機械行業(yè)的發(fā)展。目前汽車工業(yè),機械工業(yè)早已成為世界上各個國家關系到國際名聲的頭等大事。我國正處于社會主義的初級階段,尚屬于第三世界國家,發(fā)展中國家;無論在經濟上還是科技上都遠遠落后于發(fā)達國家;尤其在機械工業(yè)上,世界上許多發(fā)達國家的機械工業(yè)都已達到了很好的程度,中華民族的復興都在于此。1.2 課題任務設計并建立一個液壓轉向機實驗臺,該試驗臺用于對液壓助力式轉向機總成和閥體總成進行一般性能試驗,從而得到轉向機的各個性能參數(shù)的準確值,更好地設計或改進液壓轉向機,并使轉向機的性能達到最優(yōu)化,以適合當代汽車工業(yè)和機械工業(yè)的發(fā)展要求。其中需要檢測的性能包括QC/T529-2000規(guī)定的部分性能試驗項目以及用戶提出的其它試驗項目。具體如下所示:(1) 轉向器總圈數(shù)測定(2) 空載轉動力矩測定(3) 輸出端自由行程測定(4) 轉向力特性試驗(5) 轉向靈敏度特性試驗(6) 傳動效率試驗(7) 線角傳動比試驗本實驗臺主要測量轉向機型號有:捷達10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風20C1055等型號的小型汽車轉向機。具體技術指標要求如下:(1)輸出端液壓檢測系統(tǒng)最大輸出負荷:615010000 N要求勻速施加驅動力(靜壓力),驅動速度為:0.1 m/s液壓缸的活塞桿所承受的載荷為轉向機輸出負荷的1/3油箱容積(有效):80 L(2)液壓助力系統(tǒng)工作壓力:1.0-10 MPa 連續(xù)可調,程序設定,示值精度1% 設定值工作流量:1.0-8.0 L/min,連續(xù)可調(手動),油箱容積(有效):100 L(3)轉向器輸入輸出端最大輸入轉矩:5 Nm,示值精度 0.5% FS最大輸入轉角:雙向無限,示值精度0.05最大輸入轉速:2030 r/min輸出端最大加載力:615010000 N,示值精度 0.5% FS輸出端要求勻速施加驅動力(靜壓力),驅動速度為:0.1m/s最大輸出位移:100mm,示值精度 0.5%FS。1.3 本說明書的主要研究內容根據(jù)以上所敘述的課題研究的任務,本文在查閱大量的國內外資料和類似實驗臺的基礎上,在大量調研的基礎上,對以下內容進行了重點研究。系統(tǒng)總體方案的制定:其中包括機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電動輸入系統(tǒng)、電氣檢測系統(tǒng)及其它部分設計的制定。(1) 機械系統(tǒng)的設計其中包括實驗臺臺架、油箱,所使用的卡具設計等。(2) 液壓系統(tǒng)的設計其中包括助力液壓系統(tǒng)和輸出端液壓檢測系統(tǒng)的設計等。(3) 電動輸入系統(tǒng)的設計其中包括電機、減速器、相應的傳感器件的選擇和計算。(4) 電氣系統(tǒng)設計其中包括單片機及擴展芯片系統(tǒng)設計。(5) 總結其中包括設計小結、體會等。432 系統(tǒng)總體方案本次設計所研究的系統(tǒng)可以對小型汽車轉向機進行包括QC/T529-2000規(guī)定的部分性能試驗項目進行檢測,取得相關數(shù)據(jù),從而了解轉向機的性能狀況。本實驗臺需要通過手動來操作,啟動電動機從而帶動整個液壓系統(tǒng)和電動機系統(tǒng)的工作。同時通過單片機系統(tǒng)采集各種傳感器發(fā)來的信號,進行處理并反饋到液壓閥上,調節(jié)流量和方向。經過多次檢測我們就可以得到所測轉向機的基本性能參數(shù)了。目前我國一些研究機構也早已開展了對汽車轉向機性能研究和試驗研究。本系統(tǒng)基本上屬于液壓系統(tǒng)加上電氣系統(tǒng)所組成,機械部分和電動機部分相應少一些。液壓系統(tǒng)又分為兩大部分,即:液壓助力系統(tǒng)和輸出端液壓檢測系統(tǒng)。液壓助力系統(tǒng)主要是給轉向機提供轉向助力;輸出端液壓檢測系統(tǒng)主要是給轉向機的輸出端提供一定量的輸出負荷阻尼,從而檢測轉向機的性能。本實驗臺之所以選擇液壓系統(tǒng)為轉向機提供助力并給轉向機輸出端提供一定量的輸出負荷阻尼有以下幾點原因:(1) 同其他傳動方式比較,傳動效率相同,液壓傳動裝置重量輕,體積緊湊。(2) 可實現(xiàn)無級變速,調速范圍大。(3) 運動件的慣性小,能夠頻繁迅速轉向;傳動工作平穩(wěn);系統(tǒng)容易實現(xiàn)緩沖吸震,并能自動防止過載。(4) 與電氣配合,容易實現(xiàn)動作和操作自動化。與微電子技術和計算機配合,能實現(xiàn)各種控制工作。(5) 元件以基本上系列化、通用化和標準化。利于CAD技術的應用,提高工效,降低成本。電氣系統(tǒng)本實驗臺采用的是MCS-51系列的8051單片機并帶有A/D及D/A接口電路、輸出顯示電路、檢測電路等幾部分組成。MCS-51單片機集成度高,可靠性好,功能強,速度快,具有很高的性能價格比。小巧靈活、成本低、易于產品化,它能方便的組裝成各種智能式測控設備。適應的溫度范圍寬。易擴展、控制功能強。便于實現(xiàn)多機和分布式控制。在本實驗臺中機械部分的設計主要是作為實驗臺的臺架、油箱、液壓閥的法塊盒,及的主要器件的卡具體。雖然在內容上看上去機械很簡單,但是由于數(shù)量多、體積大、非標準件多,設計量占很大比重。一般情況下,在小型轎車上,轉向機的輸入端是方向盤,但為了能達到轉距勻速、平穩(wěn)的效果,本實驗采用步進電動機輸入。2.1 實驗臺系統(tǒng)的組成及控制原理圖2-1 系統(tǒng)整體框圖整個實驗臺系統(tǒng)主要包括的部分:助力液壓系統(tǒng)、輸出端液壓檢測系統(tǒng),輸入端電動機系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、主機臺架及油箱總成、轉向機總成,卡具體等。其中電控部分采用單片機為主的測控系統(tǒng)。系統(tǒng)整體框圖如圖2-1所示。2.2 液壓系統(tǒng)的工作原理在本實驗臺中液壓系統(tǒng)屬于主要工作部分。液壓助力系統(tǒng)主要是為了給轉向機提供助力轉向,由三相異步電動機帶動柱塞泵從油箱中吸取液壓油經溢流閥調壓后進入轉向機工作,轉向機所排出的液壓油再經油路返回油箱。輸出端液壓檢測系統(tǒng)也是由三相異步電動機帶動葉片泵從油箱中吸取液壓油,液壓油經溢流閥調壓后再經調速閥調解流量和速度,而后在三位四通電磁換向閥的作用下即如液圖2-2 液壓系統(tǒng)原理圖壓缸,并驅動液壓缸推動轉向機輸出端,為其提供負荷阻尼。液壓系統(tǒng)原理圖如圖2-2所示。3 機械系統(tǒng)設計在前面的系統(tǒng)總體方案里已經說到:本實驗臺的功能是對小型汽車轉向機進行規(guī)定的部分性能試驗項目進行檢測,取得相關數(shù)據(jù),從而了解轉向機的性能狀況。因此在本設計里采用液壓系統(tǒng)帶動阻尼缸對轉向機的輸出端進行檢測,并利用電動機對轉向機輸入轉矩。3.1 液壓助力系統(tǒng)設計由于所測量轉向機需要給于轉向助力,所以本試驗臺需要設計一個液壓助力系統(tǒng)幫助其實現(xiàn)。其中應包括的主要元器件有:吸油濾清器、電機、液壓泵、壓力表、溢流閥、回油濾清器等。3.1.1 液壓泵的選擇3.1.1.1 設計要求本試驗臺主要測量轉向機型號有:捷達10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風20C1055等型號的轉向機。流量:6.08.0 L/min 最高使用油壓:8.510 MPa 最大輸出負荷:615010000 N3.1.1.2 液壓泵的流量、壓力計算由于本液壓系統(tǒng)屬于一般系統(tǒng),應該按照一本液壓系統(tǒng)的計算方法計算。Qp=K(Qs)maxQp:液壓泵的流量,L/minQs:同時動作執(zhí)行元件的瞬時流量,L/minK:系統(tǒng)泄露系數(shù),K=1.11.3則:Qp=K(Qs)max=1.3(8+1)=11.7 L/min其中:設通過溢流閥的流量為1 L/min。泵的額定流量應該與計算所需流量相當,通過所算得的數(shù)據(jù)可以選擇流量略高于12 L/min的液壓泵。泵的額定壓力可以比系統(tǒng)工作壓力高25%,所以可以選擇壓力在10-12.5 MPa左右的泵。3.1.1.3 液壓泵的選擇根據(jù)轉向機所需要的工作流量和使用壓力可以選擇精度高,密封性能好,工作壓力高的10SCY141B型斜盤式軸向柱塞泵,如圖3-1所示。排量:10 ml/r 額定壓力:32 MPa 額定轉速:1500 r/min 流量:15 L/min,110-5 m3/r,容積效率:92%-93% 重量:19 Kg。則實際排量=150.92=13.8 L/min 12.5 L/min,液壓缸選擇合理。圖3-1 10SCY141B型斜盤式軸向柱塞泵3.1.1.4 液壓泵的轉矩計算輸入轉矩Ti=pq0/2mTi:液壓泵的輸入轉矩,N/mp:液壓泵的工作壓力, paq0:液壓泵的排量,m3/rm:液壓泵的機械效率,由于在斜盤式軸向柱塞泵中,總效率=容積效率v機械效率m,(查表得容積效率:92%-93%,總效率:81%-88%),那么,機械效率大約等于總效率/容積效率。m=88/93=0.946當泵的工作壓力為額定壓力、排量為額定排量時:Ti 1= pq0/2m=32106110-5/20.946=53.8 N/m當泵的工作壓力為實際壓力、排量為實際排量時:Ti 2= pq0/2m=12.5106810-6/20.946=16.8 N/m3.1.1.5 液壓泵的輸入軸功率計算驅動泵軸的機械功率:Pi=pQ/ Q= Q泵v/60p:泵的工作的壓力,paQ:泵工作時出口處流量,m 3/s:總效率,81%88%Q= Q泵v/60=11.710-3/60=1.9510-4 m 3/sPi=pQ/=12.51061.9510-4/0.85=2867 W=2.867 KW3.1.2 電動機的選擇選擇電動機應綜合考慮以下幾點因素:(1) 根據(jù)機械負載性質和生產工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調速等要求,選擇電動機。(2) 根據(jù)負載轉矩,速度變化范圍選擇電動機。(3) 根據(jù)使用場所環(huán)境條件選擇電動機。(4) 根據(jù)企業(yè)電網(wǎng)電壓標準等選擇電動機。在這里我們著重考慮電動機的轉矩是否能滿足負載的要求,是否能帶動起負載;電動機輸出的功率是否滿足泵的驅動軸的機械功率,這是問題的關鍵。其中,電動機輸出的功率是否滿足泵的驅動軸的機械功率是選擇電動機的主要參考因素,電動機的轉矩是否能滿足負載的要求為選擇電動機的參考因素。3.1.2.1 電動機轉速的選擇由于泵的額定轉速:1500r/min ,在這里我們也選擇轉速與其相同的電動機。3.1.2.2 電動機功率的計算由常用電動機計算公式:P=TN/9550得: P:電動機功率,KW T:電動機轉矩,N/m N:電動機轉速,r/min P1= Ti 1N/9550=53.81500/9550=8.45 KW P2= Ti 2N/9550=16.81500/9550=2.64 KW3.1.2.3 電動機的選擇可見,當液壓泵額定工作時,所需要的最大功率為8.45 KW,而當系統(tǒng)實際工作時,所需要的最大功率為2.64 KW,兩者有較大的差距。根據(jù)實際情況,電動的功率應該選擇其二者之間的數(shù)值,這樣既能保證不浪費資源,又能保證液壓泵正常工作,系統(tǒng)正常運行。綜上,我們可以選擇三相異步電動機Y132M-4。主要性能參數(shù):額定功率:7.5 KW 額定電流:15.4A 轉速:1440 r/min效率:0.87 功率因數(shù):0.85 重量:79KgP輸出=7.50.87 KW = 6.525 KW Ti 2=2.64 KW;P輸出Pi=2.867 KW電動機選擇合適。3.2 輸出端液壓檢測系統(tǒng)設計本實驗臺所測量的轉向機為齒輪齒條式動力轉向機,轉向機的輸出端有載荷輸出,需要測量(輸出力、位移等);因此,需要設計一個系統(tǒng)裝置來測量其具體數(shù)值,以方便了解轉向機的具體性能。其中應包括的主要元器件有:吸油濾清器、電機、液壓泵、單向閥、壓力表、溢流閥、調速閥、換向閥、液壓缸、回油濾清器等。3.2.1 液壓缸的選擇3.2.1.1 設計要求本試驗臺主要測量轉向機型號有:捷達10C1051、金杯海獅20C1051、現(xiàn)代H1、江淮瑞風20C1055等型號的轉向機。最大輸出負荷:615010000N要求勻速施加驅動力(靜壓力),驅動速度為:0.1m/s液壓缸的活塞桿所承受的載荷為轉向機前軸負荷的1/33.2.1.2 液壓缸的選擇與計算根據(jù)轉向機的最大輸出負荷:615010000N,液壓缸的活塞桿所承受的載荷為轉向機前軸負荷的1/3,可以算出液壓缸的最大輸出載荷。F=6150/310000/3 N=20503334 N在設計液壓缸的過程中,我們需要選取較高的一個數(shù)值,并在取稍大一些,選取F=3500 N根據(jù)所確定的輸出推力,查表選擇:WY1-FA132B-6.3B-A拉桿式液壓缸。如圖3-2所示。圖3-2 WY1-FA132B-6.3B-A拉桿式液壓缸缸徑:32mm 活塞桿直徑:18mm(強力型) 推力:5.63KN 拉力:3.85KN 額定壓力:6.3mpa 最高工作壓力:10 mpa 允許最高工作速度:300mm/s 最低工作速度:8 mm/s 。3.2.1.3 液壓缸的輸出力校核F=PS= P額定r2 =6.31060.0162=5066 N所計算出的數(shù)值大于所要求的最低數(shù)值3500 N,該液壓缸是合適的。滿足輸出推力的最小壓力Pmin=3500/0.0162=4.35 mpa3.2.1.4 液壓缸額定工作時,流量的計算Q=VSQ:液壓缸的額定流量,m3/rV:液壓缸所要求的驅動力的速度, 0.1m/sS:液壓缸的內腔面積,則:Q=VS=0.10.0162=8.0410-5 m3/ s=4.83 L/min3.2.2 液壓泵的選擇3.2.2.1 液壓泵的流量、壓力計算由于本液壓系統(tǒng)屬于一般系統(tǒng),應該按照一本液壓系統(tǒng)的計算方法計算。Qp=K(Qs)maxQp:液壓泵的流量,L/minQs:同時動作執(zhí)行元件的瞬時流量,L/minK:系統(tǒng)泄露系數(shù),K=1.11.3則:Qp=K(Qs)max=1.1(4.83+0.5)=5.86L/min 其中:設通過溢流閥的流量為1 L/min。泵的額定流量應該與計算所需流量相當,通過所算得的數(shù)據(jù)可以選擇流量略高于5.86 L/min的液壓泵。泵的額定壓力可以比系統(tǒng)工作壓力高25%,P額定Pmin1.25=4.351.25=5.44mpa,所以可以選擇輸出壓力在5.447.87 mpa左右的泵。3.2.2.2 液壓泵的選擇根據(jù)液壓缸所需要的工作流量和使用壓力可以選擇結構簡單、性能穩(wěn)定、排量范圍大、壓力流量脈動小、噪聲低、壽命長的YB-A14B-JL型葉片泵(雙作用)。主要性能參數(shù):理論排量:14.5ml/r 額定壓力:7mpa 額定轉速:1000r/min 輸出流量:11.9L/min,容積效率:80%-94% 總效率:65%82% 重量:10kg。3.2.2.3 液壓泵的轉矩計算輸入轉矩Ti=pq0/2mTi:液壓泵的輸入轉矩,N/mp:液壓泵的工作壓力, paq0:液壓泵的排量,m 3/rm:液壓泵的機械效率,由于在雙作用葉片泵中,總效率=容積效率v機械效率m,(查表得容積效率:80%-94%,總效率:65%-82%),那么,機械效率大約等于總效率/容積效率。m=82/94=0.872當泵的工作壓力為額定壓力、排量為額定排量時:Ti1=pq0/2m=710614.510-6/20.872=18.5 N/m當泵的工作壓力為實際壓力、排量為實際排量時:P=6.3mpa q=5.86 L/min=5.8610-6 m 3/rTi2=pq0/2m=6.31065.8610-6/20.872=6.73N/m當泵的工作壓力為滿足輸出推力的最小壓力Pmin=4.35mpa、排量為實際排量時:Tmin=Pq/2=4.351065.8610-6/20.872=4.65N/m3.2.2.4 液壓泵輸入軸功率的計算驅動泵軸的機械功率:Pi=pQ/ Q= Q泵v/60p:泵的工作的壓力,paQ:泵工作時出口處流量,m 3/s:總效率,62%82%Q= Q泵v/60=5.6810-3/60=9.4710-5m 3/sPi=pQ/=4.351069.4710-5/0.80=514 W=0.514KW3.2.3 電動機的選擇在這里我們著重考慮電動機的轉矩是否能滿足負載的要求,是否能帶動起負載,這是問題的關鍵。其中,電動機輸出的功率是否滿足泵的驅動軸的機械功率是選擇電動機的主要參考因素,電動機的轉矩是否能滿足負載的要求為選擇電動機的參考因素。3.2.3.1 電動機轉速的選擇由于泵的額定轉速:1000r/min ,在這里我們也選擇轉速與其相同的電動機。3.2.3.2 電動機功率的計算由常用電動機計算公式:P=TN/9550得: P:電動機功率,KW T:電動機轉矩,N/m N:電動機轉速,r/minP1=T1N/9550=18.51000/9550=1.85 KWP2=T2N/9550=6.731000/9550=0.673 KW Pmin= TminN/9550=4.651000/9550=0.487 KW3.2.3.3 電動機的選擇可見,當液壓泵額定工作時,所需要的最大功率為1.85 KW,而當系統(tǒng)實際工作時,所需要的最大功率為0.673 KW,兩者有較大的差距。根據(jù)實際情況,電動的功率應該選擇其二者之間的數(shù)值,這樣既能保證不浪費資源,又能保證液壓泵正常工作,系統(tǒng)正常運行。綜上,我們可以選擇三相異步電動機Y90S-6。主要性能參數(shù):額定功率:0.75 KW 額定電流:2.3A 轉速:910r/min效率:0.725 功率因數(shù):0.7. 重量:21Kg電動機的實際輸出功率P實際=0.750.72 KW = 0.54 KWPmin=0.487 KW;P實際Pi=0.514KW,電動機選擇合適。3.3 轉向機輸入端系統(tǒng)設計本實驗臺所測量的轉向機均為小型車輛上所使用的轉向機,所要求的輸入轉矩很小。在車輛的實際行駛中,車輛的轉向系統(tǒng)由方向盤來操作,并由人手動輸入來完成;但為了在測量轉向機性能過程中保證輸入力矩平穩(wěn)、勻速、固定、可靠,在這里采用電機輸入,并利用減速器來達到所要求的轉速和轉矩。其中,需要對輸入的扭矩和轉角進行測量,還要在系統(tǒng)中加上扭矩傳感和轉角傳感器。3.3.1 步進電機的選型和計算3.3.1.1 設計要求最大輸入轉矩:5Nm ; 最大輸入轉速:2030r/ min 3.3.1.2 電動機的選擇本實驗臺所選用的電機為步進電機。3.3.1.3 步進電機的介紹步進電機是根據(jù)組合電磁鐵的理論設計的,是一種把電脈沖信號轉換為相應的角位移或直線位移,并用電脈沖信號進行控制的特殊運行方式的同步電動機,在數(shù)字控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件。它通過專用電源把電脈沖按一定順序供給定子各相控制繞組,在氣隙中產生類似于旋轉磁場的脈沖磁場。每輸入一個脈沖信號,電動機就移動一步。因此,步進電機又稱為脈沖電動機。反應式步進電動機是我國目前應用最廣泛的一種,它具有調速范圍廣,動態(tài)性能好,能快速啟動、制動和反轉等特點。3.3.1.4 步進電機的選擇(1)負載轉矩的折算 根據(jù)最大輸入轉矩:5Nm 得:(2)步進電動機的技術參數(shù)經過計算本設計選用86BYG250B型號永磁感應子式步進電動機。如圖3-3所示。表3-1是電動機技術參數(shù):表 3-1電機型號相數(shù)步距角相電流驅動電壓最大靜轉矩相電阻相電感重量空載啟動頻率/轉速*轉動慣量86BYG250B2/41.85.0AAC40V/60V2.4Nm0.5W5.6mH2.55kg4.6KHZ/276轉/分1.3Kg.cm2圖3-3 86BYG250B型號永磁感應子式步進電動機3.3.1.5 步進電機的控制圖3-4所示為步進電機控制示意圖。它把電脈沖信號變換成角位移或直線位移,其角位移量或直線位移量s與電脈沖數(shù)成正比,其轉速n或線速度v與脈沖頻率f成正比。由步進電動機的控制特性分析可見,在額定負載范圍內,角位移量或直線位移量s、轉速n或線速度v不因電源電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動而變化,因而很適合在開環(huán)系統(tǒng)中作執(zhí)行元件,使控制系統(tǒng)成本下降。當用微電腦進行數(shù)字控制時,它不需要進行D/A轉換,能直接把數(shù)字脈沖信號轉換為角位移,力求定子各繞組間沒有互感,定、轉子都采用凸極結構,不考慮空間磁場諧波的有害影響,盡一切可能去增加定位轉矩的幅值和定位精度,把轉速控制和調節(jié)放在次要地位。目前,步進電動機的功率做的越來越大,已經生產出功率步進電動機,它可以不通過傳動齒輪等力矩放大裝置,直接由功率步進電動機來帶動機床運動,從而簡化結構,提高系統(tǒng)精度。圖3-4 步進電機控制示意圖3.3.2 減速器的選擇根據(jù)選擇的步進電機,在本實驗臺中選擇XB-50-100-1-6/6型單級諧波傳動減速器。3.3.2.1 主要性能參數(shù):輸入轉速3000r/min輸入轉速1500r/min輸入轉速1000r/min傳動比100100100輸出轉矩/Nm303333.6輸出轉速/rmin-1301510輸入功率/KW0.1180.0620.041表3-2 所選減速器的主要性能參數(shù)見表3-2,由于所選的電動機的轉速與減速器的額定轉速有較大的差距,因此無法根據(jù)減速器的性能參數(shù)表格來判斷減速器所輸出的轉矩;但經過經驗及其他試驗臺所選型號和實驗數(shù)據(jù)所得,選此減速器可以達到預定要求。輸出轉速小于2030r/ min;輸出轉矩小于最大輸入轉矩:5Nm。所以減速器選擇合適。3.3.2.2 諧波傳動減速器的介紹諧波傳動減速器是一種結構簡單、重量輕、體積小、傳動比范圍大的減速器。它具有承載能力高、損耗小、效率高等特點;此外,減速器本身的齒輪摩擦小且均勻、運動平穩(wěn)、無沖擊,可以向密封空間傳遞動力。3.4 其他機械結構的設計3.4.1 臺架總成的設計臺架是支撐轉向機實驗臺的實體和安裝實驗臺臺下裝置的空間。其空間的大小和臺面的高度及面積都與臺下設備的安裝和臺上設備的裝卡、操作人員的操作有很大的關系。因此設計的一定要合理。本實驗臺所設計的臺架為一個長方體(長:1600mm、寬:1100mm、高:760mm),臺架由四根臺架立柱(方鋼4040)所支撐。支撐臺面的由兩根臺架長橫梁(方鋼4040)和兩根臺架短橫梁(方鋼4040)所連接而成的長方形支架。此外還有臺架底座總成等部件組成(具體見零件圖XSA301)。3.4.2 油箱總成的設計油箱是實驗臺液壓系統(tǒng)的油源,其空間的大小關系到系統(tǒng)的油量是否夠用、是否省油、節(jié)省空間,達到最優(yōu)化效果。本實驗臺所設計的油箱也是一個長方體(長:1000mm、寬:500mm、高:600mm),板厚0.75 mm(詳見總裝圖XSA300).3.5 傳感器的選擇各參數(shù)的測量和采集主要靠各種傳感器來實現(xiàn),傳感器是借助于檢測元件(敏感元件)接收一種形式的信息,并按一定的規(guī)律將它轉換成另一種信息的裝置。它獲取的信息,可以是各種物理量、化學量和生物量,而轉換后的信號也有各種形式。無論何種傳感器,作為測量與控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié),通常都必須具有快速、準確、可靠且又經濟的實現(xiàn)信息轉換的基本要求。因此,對傳感器有以下要求:(1) 足夠的容量。傳感器的工作范圍或量程足夠大;具有一定過載能力。(2) 與測量或控制系統(tǒng)相匹配性好,轉換靈敏度高,線性程度好。(3) 反應快,工作可靠性高。(4) 精度適當且穩(wěn)定性好,即傳感器的靜態(tài)響應與動態(tài)響應的準確度能滿足要求,并長期穩(wěn)定。(5) 適用性和適應性強,即動作能量小,對被測量的狀態(tài)影響小;內部噪聲小而又不易受外界干擾的影響,使用安全等。(6) 使用經濟。即成本低、壽命長,且易于使用、維修和校準。所選的傳感器的型號如表3-3所示:表3-3 所選傳感器的型號及性能參數(shù)型號性能指標數(shù)量備注扭矩傳感器T34FN0-20 Nm1線位移傳感器CWY2000-200mm1壓力傳感器C9B20KN1角度變化檢出器CP-5UY輸出感度: Min.0.5/10 1直線性%(FS): 1(300)3.5.1 位移傳感器CWY系列導電塑料直線位移傳感器,小量程測量長度30-300mm,壽命1000萬次,分辨率無窮小 , 適用于工程機械,宇宙裝置、導彈、飛機雷達天線的伺服系統(tǒng)以及注塑機,木工機械,印刷機,電子尺,機器人,工程監(jiān)測,電腦控制運動器械等需要精確測量位移的場合。如圖3-5所示。圖3-5 線位移傳感器CWY2003.5.2 扭矩傳感器圖3-6 扭矩傳感器T34FNT34FN 扭矩法蘭專為靜態(tài)和動態(tài)的扭矩測量和速度測量設計的,可以應用于實驗室,測試部門以及生產監(jiān)控和質量管理。 由于轉子可單獨安裝,因此靈活性大大增加。如圖3-6所示。3.5.3 壓力傳感器在對轉向機輸出端進行性能試驗中,壓力傳感器C9B,當液壓缸輸出端活塞桿與轉向機輸出端活塞桿相向輸出時,采用電阻應變片式壓力傳感器,將它裝置在兩活塞桿同一軸向內,利用應變片的變形測量轉向機輸出端的輸出力的大小。3.5.3.1 電阻應變片的工作原理工作時,將應變片用粘合劑粘貼在彈性體上,彈性體受外力作用變形所產生的應變就會傳遞到應變片上,從而使應變片電阻值發(fā)生變化,通過測量阻值的變化,就能得知外界被測量的大小。在傳感器中實際采用多個電阻絲片,一般把四個測量應變片,兩片貼在正應變片區(qū),并將接在電橋兩個相對的臂上;另兩個貼在負應變區(qū),接在另兩個相對臂上,以使一個應變片的電阻溫度效應為另一個相鄰應變片所抵消。這樣的電路不但補償了溫度效應,而且可以得到較大輸出信號,這種補償電路稱全橋連接。3.6 其他主要元器件的選取通過電阻應變片式壓力傳感器傳出的微小電壓再經過放大和濾波,經A/D轉換卡轉換成數(shù)字量后送入計算機中。名稱型號性能指標數(shù)量備注空氣濾清器EF1-251低壓溢流閥P-B25B1單向節(jié)流閥DRVP-122調速閥Q-25B1吸油過濾器WU-160010-J63L/min80u2直回式回油過濾器RFA-160010-C1電磁換向閥34DY-B10H-T1壓力表LHGAM141.560MPa2先導式溢流閥DB10A-1-30/31.5UW220-50N/1表 3-4 其他主要元器件的選取4 控制及檢測系統(tǒng)設計4.1 液壓式轉向機實驗臺系統(tǒng)控制及檢測系統(tǒng)4.1.1 實驗臺控制及檢測系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的由以下主要器件組成:單片機8051、址鎖存器74LS373、譯碼器74L138、程序存儲器2764、數(shù)據(jù)存儲器6264、I/O口擴展芯片8255、模數(shù)轉換器A/D0809、數(shù)模轉換器D/A0832、鍵盤、LED顯示部分電路、扭矩傳感器T34FN、壓力傳感器C9B、線位移傳感器CWY200、角位移傳感器CP-5UY及相關電路等。液壓式轉向機性能實驗臺控制及檢測系統(tǒng)框圖如圖4-1所示:圖4-1 控制及檢測系統(tǒng)框圖4.2 控制及檢測系統(tǒng)系統(tǒng)設計4.2.1 單片機的選擇單片機選用:MCS-51系列的8051單片機,理由如下:MCS-51單片機集成度高,可靠性好,功能強,速度快,具有很高的性能價格比。小巧靈活、成本低、易于產品化,它能方便的組裝成各種智能式測控設備。適應的溫度范圍寬。易擴展、控制功能強。便于實現(xiàn)多機和分布式控制。即用8051外接2764、6264及8255等芯片擴展成一個較簡單的微機控制系統(tǒng)。編程的用戶程序由鍵盤盤輸入,修改程序也由鍵盤來完成。程序存入外部RAM,如果系統(tǒng)需要保存該程序,可以把錄音機接在錄音輸出口上將程序錄下來,每段程序輸入都可以顯示。系統(tǒng)中有時鐘電路模塊、復位電路、數(shù)碼顯示接口電路。4.2.1.1 時鐘電路和復位電路的設計時鐘是單片機的心臟,各部分都以時鐘頻率為基準,有條不紊地一拍一拍地工作。因此,時鐘頻率直接影響單片機的速度,時鐘電路的質量也直接影響微機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由此,在本次設計中選用:內部時鐘電路,即晶振電路。圖形見電氣原理圖。其中,振蕩頻率:60MHz,電容器C1,C2在30Pf左右。單片機在接通電源啟動或出現(xiàn)故障后,程序需從頭開始執(zhí)行,機器內部全部寄存器I/O接口等都必須重新復位,所以要求接復位電路。由此,在本次設計中選用:復位電路。圖形見電氣原理圖。其中,電阻阻值為82K,電容為10f。4.2.1.2 Mccs-51系列單片機的引腳及其功能Mcs-51系列單片機是一個具有40根引腳的雙列直插式器件。:編程和正常操作時的電源電壓為+5V。:地電平。:一個8位開漏雙向I/O口,它訪問外部存儲器的低8位地址和數(shù)據(jù)總線,在程序檢驗時它也輸出指令字節(jié),口能吸入8個LSTTL輸入??冢壕哂刑嵘娮璧?位雙向I/O口,專供用戶使用,在程序檢驗時它也接收低位地址字節(jié),口能吸入/輸出3個LSTTL輸入。口:具有提升電阻為8位雙向I/O口,供系統(tǒng)擴展時作高8位地址線用。在沒有外部存儲器擴展時,它也可以為用戶I/O口線使用。在程序檢驗時,它也接收高位地址和控制信號??谀芪?輸出3個LSTTL輸入??冢壕哂刑嵘娮铻?位雙向I/O口,該口的每一位單元可以獨立地定義為第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時,口的結構與操作與口完全相同,第二功能如下所示: 口引腳 第二功能 (串行輸入口) (串行輸出口) (外部中斷) (外部中斷) (定時器0外部輸入) (定時器1外部輸入) (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)口能吸入/放出3個LSTTL輸入。:訪問外部存儲器時,用于鎖存地址低字節(jié)的地址鎖存允許輸出。ALE主要是提供一個定時信號,在從外部程序存儲器取指時把口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的鎖存器中,每一個機器周期ALE二次有效這個引腳也是EPROM編程時的編程脈沖輸入。:程序存儲器允許輸出,是外部程序存儲器的讀選通信號。在工外部程序存儲器取指時,每個周期有效二次,在從內部程序存儲器取指時,無脈沖。:EA為高電平時,CPU執(zhí)行北部程序存儲器的指令。為低電平時,CPI僅執(zhí)行外部程序存儲器的指令。使用8051時,必須接地。8751EPROM編程時,這個引腳為21V編程電源輸入端。:震蕩器的反相放大器輸入,使用外部震蕩器時必須接地。:震蕩器反相放大器輸入和內部時鐘發(fā)生器的輸入,使用外部震蕩器時用于輸入外部震蕩信號。:復位控制,在震蕩器運行時,使RST腳至少保持兩個機器周期為高電平,可實現(xiàn)復位操作。CPU通過執(zhí)行內部復位來響應,在RST為高的第二周期時執(zhí)行內部復位。在關斷前加上VPD,RAM的內容將不變4.2.2 程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的選用試驗臺系統(tǒng)采用MCS-51系列中的8051作為主控制器。對于不同的單片機進行比較:首先要選擇合適的存儲器。單片機內部有兩種存儲器:一種是專門用來存放用戶程序和常數(shù)的程序存儲器;另一種是專門用來存放數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲器。兩者是嚴格分開的,不同的單片機這兩種存儲器的容量也不一致。一般選用片內無程序存儲器的單片機,通過片外擴展組成單片機最小系統(tǒng)。這種最小系統(tǒng)使用靈活,改寫程序方便。(1)選擇單片機還應注意接口能力、指令系統(tǒng)、尋址方式及功耗等問題。(2)必須具備配套的開發(fā)系統(tǒng)。(3)選擇市場上的主流產品。綜合以上因素,在與MCS-51系列的8051單片機相配合的眾多器件中可以選用:程序存儲器:2764如圖4-2所示 ;程序存儲器擴展為8K,數(shù)據(jù)存儲器:6264,數(shù)據(jù)存儲器擴展為8K。如圖4-3所示。圖4-2 程序存儲器2764引腳圖圖4-3 數(shù)據(jù)存儲器74LS373引腳圖4.2.3 地址鎖存器和譯碼器的選用由于MCS-51單片機的口是分時復用的地址/數(shù)據(jù)總線,因此在進行程序存儲器擴展時,必須利用地址鎖存器將地址信號從地址/數(shù)據(jù)總線中分離開來。通常,地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373或8282,也可以使用帶清除端的八D鎖存器74LS273,地址鎖存信號為74LS373ALE。綜合以上因素,結合所選用的單片機8051,從以上器件中選用鎖存器74LS373如圖(4-3),譯碼器74L138。4.2.4 并行I/O擴展接口的選用本試驗臺系統(tǒng)中所檢測得到的數(shù)據(jù)需要用顯示器顯示,并且用鍵盤輸入。因此需要與I/O擴展接口相連接。在眾多器件中我選用8255。8255的A口為控制試驗臺輸入電機的接口。為防止功率放大器高雅的干擾,步進電機及接口與功率放大器之間采用光電隔離。鍵盤與顯示設計在一起,8255的PC口擔任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制;PB口的PB0PB3為鍵盤的行線;8051的P1口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用4X5共20個列式鍵盤和五位八段共陰極顯示器。在軟件設計上8255的PA口、PC口設置為輸出,PB口設置為輸入。4.2.4.1 8255的工作方式8255有三種基本工作方式:方式0:基本輸入輸出方式1:選通輸入輸出方式2:雙向傳送表4-1 8255接口工作狀態(tài)選擇表 0 00 11 00 1 00 1 00 1 0A口數(shù)據(jù):數(shù)據(jù)總線B口數(shù)據(jù):數(shù)據(jù)總線C口數(shù)據(jù):數(shù)據(jù)總線0 00 11 01 11 0 01 0 01 0 01 0 0總線數(shù)據(jù):A口總線數(shù)據(jù):B口總線數(shù)據(jù):C口總線數(shù)據(jù):控制字寄存器 1 1 10 1 01 1 0數(shù)據(jù)總線:三態(tài)非法狀態(tài)數(shù)據(jù)總線:三態(tài)三種工作方式由工作方式控制字來決定。方式控制字的格式由CPU通過輸入/輸出指令來提供。三個端口中C口被分為兩個部分,上半部分隨A口稱為A組,下半部分隨B口稱為B口。其中A口可工作于方式0、1和2,而B口只能工作在方式0和1。另外,C口還具有位控制功能,它可通過工作方式控制字將其任意一位置“1”或者清“0”。 4.2.5 模數(shù)轉型A/D轉換器的選用圖4-4 ADC0809引腳圖A/D轉換器是將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數(shù)字信號,以便于計算機進行處理。它與D/A轉換器一樣,是微型機應用系統(tǒng)的一種重要接口,常用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在本實驗臺系統(tǒng)中具體應用到與傳感器的連接中,并選用A/D0809。4.2.5.1 A/D0809轉換器的工作原理逐位反饋使次高位置1,進行相同的過程直到SAR的所有位都被確定。轉換過程結束后,SAR寄存器中的二進制碼就是A/D轉換器的輸入。如圖4-4所示。主要特性:(1)8路8位AD轉換器,即分辨率8位。(2)具有轉換起??刂贫恕#?)轉換時間為100s。(4)單個5V電源供電 。(5)模擬輸入電壓范圍05V,不需零點和滿刻度校準。 (6)工作溫度范圍為-4085攝氏度 。(7)低功耗,約15mW。4.2.5.2 A/D0809轉換器的程序設計方法中斷方式:圖4-5 DAC0832引腳圖無論CPU暫停與否,實際上對控制過程來說都是處于等待狀態(tài),等待A/D轉換結束后再讀入數(shù)據(jù),因此速度慢,為了發(fā)揮計算機的效率,又是采用中斷方式。在這種方式中,CPU啟動A/D轉換后,即可轉而處理其他事情(如執(zhí)行主程序),一旦A/D轉換結束,則由A/D轉換器發(fā)一轉換結束信號到單片機的管腳,CPU相應中斷后,便讀入數(shù)據(jù)。這樣,在整個系統(tǒng)中CPU與A/D轉換器是并行工作的,所以提高了工作效率。為此,有時多回路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,我們不得不采用雙重中斷的辦法來解決(第一重中斷是定時采樣,第二重中斷是A/D轉換)。4.2.6 數(shù)模轉型D/A轉換器的選用D/A轉換器的任務是把計算機輸出的數(shù)字量轉換成模擬量。進行D/A轉換時,將需要轉換的數(shù)碼加在D/A轉換器的數(shù)據(jù)輸入端,D/A芯片的輸出端就建立起相應的電流和電壓。在本實驗臺系統(tǒng)中具體應用到與調速閥的連接中,并選用D/A0832(DAC0832)。如圖4-5所示。D/A0832是一種雙緩沖型D/A芯片。其內部結構如圖所示。她被分成三部分:由8位輸出寄存器和8位DAC0832寄存器組成的二次緩沖;一個8位D/A轉換器實現(xiàn)數(shù)/模轉換;控制電路完成對兩個鎖存器的寫入控制。4.2.7 矩陣式鍵盤接口設計4.2.7.1 矩陣式鍵盤工作原理 鍵盤設置在行、列線交點上,行、列線分別連接到按鍵開關的兩端。行線通過上拉電阻接到+5V上。平時無按鍵動作時,行線處于高電平狀態(tài),而當有按鍵按下時,行線電平狀態(tài)將由此行線相連接的列線電平決定。列線電平如果為低,則行線電平為低;列線電平如果為高,則行線電平亦為高。這一點是識別矩陣鍵盤按鍵是否被按下的關鍵所在。由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用,各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。因此各按鍵彼此將相互發(fā)生影響,所以必須將行、列線信號配合起來并作適當?shù)奶幚?,才能確定閉合鍵的位置。矩陣鍵盤的優(yōu)點是可以節(jié)省很多的I/O接口。4.2.7.2 按鍵的識別方法掃描法:此方法分兩部進行:第一步,識別鍵盤有無鍵被按下;第二步,如果有鍵被按下,識別出具體的按鍵。分述如下:識別鍵盤有無鍵被按下:讓所有列線均置為0電平,檢查各行線電平是否有變化,如果有變化,則說明有鍵被按下,如果沒有變化,則說明無鍵被按下。識別具體按鍵的方法:逐列置零電平,其余各列置為高電平,檢查各行線電平的變化,如果某行電平由高電平變?yōu)榱汶娖?,則可確定此行列交叉點處的按鍵被按下。4.2.7.3 鍵盤工作方式單片機應用系統(tǒng)中,鍵盤掃描只是CPU工作的內容之一。CPU在忙于各項工作時,如何兼顧鍵盤的輸入,取決于鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式的選取應根據(jù)實際應用系統(tǒng)中CPU工作的忙、閑情況而定。其原則是既要保證能及時響應鍵盤操作,又要不過多占用CPU的工作時間。通常,鍵盤的工作方式有三種,即:程序掃描,定時掃描和中斷掃描。本實驗臺所用電氣控制系統(tǒng)的鍵盤工作方式為定時掃描工作方式具體介紹見(5.2)。4.2.8 步進電機的驅動電路步進電機的控制完全可以通過各種邏輯電路來實現(xiàn),但這樣做的缺點是線路復雜、缺乏靈活性。隨著微機技術的發(fā)展,越來越多的系統(tǒng)采用微機對步進電機進行控制。微機對步進電機的控制有兩種方案:一種是所謂的串行法,即環(huán)行分配部分由邏輯電路組成,微機只提供頻率可調的脈沖信號、方向信號和勵磁方式信號。另一種是并行發(fā),即由微機軟件來完成脈沖分配的任務。圖4-6 步進電機的微機控制系統(tǒng)的組成微機控制的步進電機系統(tǒng)主要利用微機的I/O口進行脈沖的環(huán)形分配,并配備相應的驅動電路,如圖(4-6)為兩相步進電機的微機控制系統(tǒng)組成原理圖。當相應端的端口出現(xiàn)高電平時,驅動電路的輸入端產生步進脈沖。5 程序設計5.1 程序設計技術由于該檢測實驗的程序設計較為復雜,現(xiàn)以鍵盤掃描方式的程序設計為例來介紹。定時掃描方式程序流程圖(5-1)如下:鍵盤定時掃描方式:定時掃描方式就是每隔一段時間對鍵盤掃描一次,它利用單片機內部的定時器產生一定時間(例如10 ms)的定時,當定時時間到就產生定時器溢出中斷。CPU響應中斷后對鍵盤進行掃描,并在有鍵按下時識別出該鍵,再執(zhí)行該鍵的功能程序。定時掃描方式的硬件電路與編程掃描方式相同,程序流程圖如圖(5-1)所示。圖5-1 定時掃描方式程序流程圖圖中,標志1和標志2是在單片機內部RAM的位尋址區(qū)設置的兩個標志位,標志1為去抖動標志位,標志2為識別完按鍵的標志位。初始化時將這兩個標志位設置為0,執(zhí)行中斷服務程序時,首先判別有無鍵閉合,若無鍵閉合,將標志1和標志2置0后返回;若有鍵閉合,先檢查標志1,當標志1為0時,說明還未進行去抖動處理,此時置位標志1,并中斷返回。由于中斷返回后要經過10 ms后才會再次中斷,相當于延時了10 ms,因此,程序無須再延時。下次中斷時,因標志1為1,CPU再檢查標志2,如標志2為0說明還未進行按鍵的識別處理,這時,CPU先置位標志2,然后進行按鍵識別處理,再執(zhí)行相應的按鍵功能子程序,最后,中斷返回。如標志2已經為1,則說明此次按鍵已做過識別處理,只是還未釋放按鍵。當按鍵釋放后,在下一次中斷服務程序中,標志1和標志2又重新置0,等待下一次按鍵。5.2 程序設計說明下面為鍵輸入程序的清單,從該程序返回后輸入鍵的鍵號在累加器中。程序請單:KEY1: MOV A, #03HMOV DPTR, #7F00HMOVX DPTR, A ;8255初始化A口、B口為輸出口,C口為輸入口ACALL KS1 ;調用判斷有無鍵閉合子程序JNZ LK1ACALL DIR ;調用顯示子程序,延遲5msAJMP KEY1 LK1: ACALL DIR ;延遲10msACALL DIR ACALL KS1 ; 調用判斷有無鍵閉合子程序JNZ LK2ACALL DIR ;調用顯示子程序,延遲5msAJMP KEY1LK2: MOV R2, #OFEH ;掃描模式R2MOV R4 ,#0 LK4: MOV DPRT, #7F01H ; 掃描模式8255A口MOV A, R2MOVX DPRT, AINC DPTRINC DPTRMOVX A, DPTR ;讀8255C口JB Acc.0, LONE MOV A, #00H ;0行有鍵閉合,首鍵號0-AAJMP LKPLKP: ADD A, R4 ;求鍵號PUSH ACC ;鍵號進行保護LK3: ACALL DIR ;判斷鍵釋放否?ACALL KS1JNZ LK3POP ACC ;鍵號-ARETNEXT: INC R4 ;列計數(shù)加1MOV A, R2 ;判斷是否已掃描到最后列JNB Acc0, KND ; 若仍無鍵入,轉KNDRL A MOV R2, AAJMP LK4KND: AJMP KEY1KS1: MOV DPTR, #7F01H ;全“0”掃描口MOV A, #00HMOVX DPTR, AINC DPTR INC DPTRMOVX A, DPTR ;讀鍵入狀態(tài)CPL AANL A, #OF ;屏蔽高位RET 結 論通過畢業(yè)設計及本次論文的研究,可得如下結論:(1)選用電動變量軸向輸入,經過扭矩傳感器加載的方式。這樣更加容易實現(xiàn)轉矩輸入的平穩(wěn)性和均勻性,可以得到持續(xù)穩(wěn)定的輸入扭矩。(2)被試件的輸出端采用液壓系統(tǒng)進行驅動和加載,更容易實現(xiàn)兩者之間的協(xié)調關系。既可以正
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上傳時間:2021-04-22
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液壓式轉向機實驗臺系統(tǒng)設計
液壓式
轉向
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試驗
系統(tǒng)
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液壓式轉向機實驗臺系統(tǒng)設計,液壓式轉向機實驗臺系統(tǒng)設計,液壓式,轉向,實驗,試驗,系統(tǒng),設計
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