汽車模擬試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

汽車模擬試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

0道路模擬系統(tǒng)的應(yīng)用車輛的道路試驗(yàn)可以充分反映汽車的性能，但需要特定的地點(diǎn)，這需要時(shí)間和財(cái)力。因此，在20世紀(jì)60年代，人們發(fā)展了一種在室內(nèi)進(jìn)行道路模擬測(cè)試的方法和設(shè)備。隨著現(xiàn)代隨機(jī)理論、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，該方法和設(shè)備日益完善。例如，在模擬車輛行駛時(shí)，路面不是平坦的，行駛中的轉(zhuǎn)向、剎車、環(huán)境和研究中的懸掛特征。不斷開發(fā)和投資實(shí)用平臺(tái)。根據(jù)道路模擬系統(tǒng)對(duì)被試驗(yàn)車輛的輸入結(jié)構(gòu)形式,試驗(yàn)臺(tái)主要有輪耦合和軸耦合兩大類。使用比較普遍的平面鋼帶的垂直激振模擬系統(tǒng),即輪耦合的模擬試驗(yàn)系統(tǒng);對(duì)汽車車輪軸頭施加三個(gè)方向的載荷,即軸耦合的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。這些模擬系統(tǒng)試驗(yàn)功能比較強(qiáng),模擬試驗(yàn)與真實(shí)試驗(yàn)比較接近,比較適合用于新開發(fā)的車型和汽車性能試驗(yàn)研究的模擬試驗(yàn),但存在安裝不方便、對(duì)被試驗(yàn)車的安裝時(shí)間長(zhǎng)、成本高等問題。本文作者提出一種使用滾筒(不是平臺(tái))、液壓控制系統(tǒng)及相關(guān)機(jī)構(gòu)等,來實(shí)現(xiàn)模擬汽車強(qiáng)化試驗(yàn)路面的試驗(yàn)臺(tái),并進(jìn)行臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。1路面控制參數(shù)調(diào)整設(shè)計(jì)的路面模擬試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足如下的功能要求。(1)適用于被試驗(yàn)車輛的輪距、軸距、載荷等參數(shù)要求;(2)模擬的碎石路面比較均勻,碎石高度在15～25mm范圍內(nèi)可調(diào)整;(3)被試驗(yàn)車輛的行駛速度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)(0～40km/h)可以調(diào)整;(4)扭曲路面的扭曲高度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)(80～100mm)可以調(diào)整;(5)搓板路的波距在500～800mm范圍內(nèi),波高在25～500mm可以調(diào)整(如圖1所示);(6)要求平均連續(xù)無故障工作時(shí)間;(7)控制參數(shù)可根據(jù)被試驗(yàn)車輛的要求在控制中心計(jì)算機(jī)上修改和調(diào)整,控制軟件操作簡(jiǎn)單、美觀;(8)試驗(yàn)中應(yīng)保障人員、車輛和設(shè)備的安全。2試驗(yàn)平臺(tái)框架的設(shè)計(jì)和分析2.1計(jì)算重要參數(shù)2.1.1滾動(dòng)軸承的等效直徑設(shè)搓板路的波距為L(zhǎng)w,在滾筒外園上布置“凸緣”的個(gè)數(shù)為p,使用雙滾筒,只在主動(dòng)滾筒上布置“凸緣”,則滾筒的基本直徑計(jì)算如下:d=pLw/π(1)對(duì)于模擬比較均勻的碎石路的石子距滾筒基本表面平均高度取20mm,在滾筒的外圓上均勻布置。在滾筒上安裝相應(yīng)的“凸緣”和多個(gè)高度為15～25mm的“碎石”,滾筒的等效直徑變大了,取其“碎石”的平均高度20mm的一半作為滾筒由于“凸緣”和“碎石”而增加的半徑,因此,滾筒的等效平均直徑ds為:ds=d+20(2)根據(jù)滾筒等效直徑,使用下式校核模擬搓板路的“凸緣”波距,應(yīng)在500～800mm范圍內(nèi)。Lw=πds/p(3)2.1.2齒輪寬度以下簡(jiǎn)稱《工作》根據(jù)被試驗(yàn)車輛的輪距數(shù)據(jù),計(jì)算滾筒的最小長(zhǎng)度公式如下:lmin=Bmax?Bmin2+wmax+δmin(4)lmin=Bmax-Bmin2+wmax+δmin(4)式中,lmin:滾筒的最小長(zhǎng)度(mm);Bmin:被試車輛最小輪距(mm);Bmax:被試車輛最大輪距(mm);wmax:被試驗(yàn)車輛中的最寬車輛輪胎寬度值(mm);δmin:最寬輪胎的被試車輛在試驗(yàn)臺(tái)上,輪胎兩側(cè)的滾筒剩余空長(zhǎng)度之和(mm);試驗(yàn)臺(tái)架可以適應(yīng)多種被試驗(yàn)車型的輪距,且有一定的余量。2.1.3部件距離bi為了在試驗(yàn)臺(tái)架中間布置一定的裝備或零部件,需要計(jì)算臺(tái)架左右滾筒內(nèi)邊之間的距離Bi,其計(jì)算公式如式(5)所示。Bi=Bmin-wmax-δmin(5)2.1.4確定城市農(nóng)車確定面,把成趨勢(shì)的地面附著系數(shù)如圖2所示,根據(jù)被試驗(yàn)車型參數(shù),設(shè)計(jì)滾筒安裝中心距Lc、車輪安置角α和產(chǎn)生的附著系數(shù)φ,計(jì)算公式如式(6)、(7)、(8)所示。Lc=(D+d)sinα(6)α=sin?1(LcD+d)(7)φ≤tgα(8)α=sin-1(LcD+d)(7)φ≤tgα(8)式中,D:車論工作直徑(mm);d:滾筒直徑(mm)。根據(jù)式(6)、(7)、(8)計(jì)算出滾筒安裝中心距離、安置角和附著系數(shù)。同時(shí),應(yīng)考慮礫石路面平均附著系數(shù)參考范圍0.55～0.6,滾筒與車輪之間可產(chǎn)生的附著系數(shù)應(yīng)該大于其最低值,以此確定一對(duì)滾筒安裝的中心距。要求可產(chǎn)生的附著系數(shù)必須適應(yīng)各種被試驗(yàn)車型附著系數(shù)的要求,保證車輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會(huì)離開兩個(gè)滾筒之中前面一個(gè)滾筒的表面。以EQ2082E6D、EQ2102、SX2150K、NJ2045幾種車型為例,對(duì)滾筒安裝中心距離、安置角和附著系數(shù)三參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表1所示。車輪滾動(dòng)(工作)半徑rr計(jì)算公式如下:rr=FDF2πrr=FDF2π(9)式中,F:計(jì)算常數(shù),子午線輪庭G=3.05。2.1.5臺(tái)架可調(diào)整長(zhǎng)度根據(jù)被試驗(yàn)車型的軸距,一般采用移動(dòng)前、后臺(tái)架之一,以滿足被試驗(yàn)車輛的軸距要求。調(diào)整方法為:一個(gè)臺(tái)架固定在基座上,可調(diào)整的臺(tái)架在基座上前后移動(dòng)。設(shè)計(jì)可調(diào)整長(zhǎng)度計(jì)算如下:La=Lmax-Lmin(10)式中,La:前后臺(tái)架可調(diào)整的長(zhǎng)度(mm);Lmax:被試車輛最長(zhǎng)軸距(mm);Lmin:被試車輛最短軸距(mm)。根據(jù)(10)式計(jì)算出的前后臺(tái)架可調(diào)整長(zhǎng)度為最小調(diào)整長(zhǎng)度,實(shí)際的設(shè)計(jì)調(diào)整長(zhǎng)度必須大于該計(jì)算值,且應(yīng)有一定余量。2.1.6確定滾動(dòng)軸荷的旋轉(zhuǎn)阻力車輪的驅(qū)動(dòng)采用滾筒反力驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。其布置形式可以是前軸、中(后)軸各使用一組馬達(dá)驅(qū)動(dòng),也可以是每個(gè)車輪單獨(dú)使用一組馬達(dá)驅(qū)動(dòng),本設(shè)計(jì)采用后者驅(qū)動(dòng)形式。在被試驗(yàn)車型中,以最大軸荷的車輛作為計(jì)算驅(qū)動(dòng)扭矩和功率的基本依據(jù),驅(qū)動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng),滾筒帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。設(shè)軸荷平均分配在兩個(gè)車輪上,以G表示單個(gè)車論的載荷,車輛輪胎與滾筒之間的滾動(dòng)阻力系數(shù)為f,車輛在試驗(yàn)臺(tái)上行駛克服的主要阻力為滾動(dòng)阻力Ff,忽略其它阻力,則計(jì)算公式如下所示。Ff=2fGcosa(11)Ttq=12dFfΤtq=12dFf(12)Pe=Ttqn9550Ρe=Τtqn9550(13)式中,Ttq:驅(qū)動(dòng)扭矩(N.m);n:滾筒轉(zhuǎn)速(r/min);Pe:在轉(zhuǎn)速n下的功率(kW)?？油莸穆咽访鏉L動(dòng)阻力系數(shù)較大,其值為0.035～0.05,因此,取試驗(yàn)臺(tái)上滾筒的阻力系數(shù)為0.05?？紤]其可靠性,驅(qū)動(dòng)扭矩和功率應(yīng)該具有一定的儲(chǔ)備能力,扭矩儲(chǔ)備能力應(yīng)設(shè)計(jì)在一倍以上。2.2機(jī)座層和縱向移動(dòng)層根據(jù)要求,模擬試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)成幾個(gè)不同的子系統(tǒng)來完成各自的功能,各子系統(tǒng)處于臺(tái)架中不同的平臺(tái)上。模擬試驗(yàn)臺(tái)架總體布置如圖3、圖4所示。整個(gè)臺(tái)架分為三層,各自實(shí)現(xiàn)不同的功能要求。最下面為機(jī)座層,往上依次為縱向移動(dòng)層和支撐車輪的升降層。在最上層的上面裝有防滑蓋板,機(jī)座以上的臺(tái)架層分為前、后兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分。前臺(tái)架的縱向移動(dòng)層在機(jī)座上可以沿著導(dǎo)軌的方向縱向移動(dòng),即利用前臺(tái)架的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同車輛軸距的調(diào)節(jié),使用一個(gè)液壓缸作為動(dòng)力調(diào)整,液壓缸安置在前、后臺(tái)架之間的空間段,居左、右兩邊的中間。在支撐車輪的升降層上布置有滾筒、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、抗前后串動(dòng)和抗側(cè)滑的機(jī)構(gòu)以及支撐平臺(tái)等部件和機(jī)構(gòu)。2.2.1洼/崛起路面系統(tǒng)液壓系統(tǒng)的應(yīng)用為模擬車輛在扭曲路面上行駛的試驗(yàn),即車輪在不同的時(shí)刻駛過一定的坑洼/凸起路面,設(shè)計(jì)思路為:在臺(tái)架中設(shè)計(jì)各個(gè)車輪獨(dú)立的垂直升降層,垂直升降層支撐在有導(dǎo)向系統(tǒng)的液壓缸上,各車輪垂直升降頻率及行程依據(jù)路面情況和車輛的行駛速度通過控制中心和液壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全方位的控制。2.2.2滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的壓緊由于試驗(yàn)過程中模擬路面的沖擊及其它力的作用,車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較復(fù)雜,作用力最終會(huì)傳遞到臺(tái)架上。根據(jù)不同車輛軸距,在臺(tái)架上的縱向移動(dòng)層調(diào)整到位之后,設(shè)計(jì)的鎖緊裝置利用杠桿和強(qiáng)力彈簧完成壓緊,使縱向移動(dòng)層與機(jī)座連接為一體。其工作過程為:需要移動(dòng)時(shí),液壓系統(tǒng)開始工作克服彈簧力,松開鎖緊機(jī)構(gòu),使縱向移動(dòng)層可以移動(dòng);移動(dòng)前臺(tái)架的液壓系統(tǒng)工作,前臺(tái)架移動(dòng)到位后,移動(dòng)和鎖緊液壓系統(tǒng)停止工作,由強(qiáng)力彈簧壓緊移動(dòng)層,使縱向移動(dòng)層緊緊地固定在機(jī)座上。2.2.3b試驗(yàn)裝置試驗(yàn)過程中,車輛行駛在惡劣的模擬路面上,可能出現(xiàn)車輛前、后串動(dòng)和側(cè)向移動(dòng),為了安全試驗(yàn),在車輪的前后部及側(cè)面設(shè)計(jì)了采用液壓缸和杠桿機(jī)構(gòu)組成的阻擋裝置,如圖5所示。試驗(yàn)前,裝置均處于收縮狀態(tài),試驗(yàn)過程中,通過液壓控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)使其到達(dá)前輪的前部和后輪的后部以及每個(gè)車輪的側(cè)面,實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪的阻擋功能。與車輪接觸的端頭采用軸承實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),以便于可能與車輪接觸時(shí)一起轉(zhuǎn)動(dòng),減小滾動(dòng)阻力和保護(hù)輪胎表面。2.2.4支撐平臺(tái)的設(shè)計(jì)在臺(tái)架的設(shè)計(jì)中,考慮到三軸汽車的中間軸以及后軸之間的距離比較小,為簡(jiǎn)化起見,將汽車后軸上的車輪直接放置在一個(gè)支撐平臺(tái)上(見圖3),支撐平臺(tái)的高度由液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)該支撐平臺(tái)的高度,使得車輛中間軸上的車輪和后軸上的車輪處于同一高度上,以實(shí)現(xiàn)中間軸與后軸的正常約束關(guān)系。支撐平臺(tái)支撐在有導(dǎo)向系統(tǒng)的液壓缸上。2.2.5單裝置模擬分析在模擬試驗(yàn)臺(tái)架中,滾筒與車輪耦合,利用滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。滾筒必須能夠模擬不同的路面特征,如碎石路面和搓板路面等,模擬利用鑲嵌在滾筒表面不同的“碎石”和“凸緣”來實(shí)現(xiàn),如圖6所示。圖6(a)為帶2個(gè)模擬搓板路“凸緣”和多個(gè)“碎石”的主動(dòng)滾筒,與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)聯(lián)結(jié),其主要作用為驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng),并支撐車輪;圖6(b)為只布置有多個(gè)“碎石”的從動(dòng)滾筒,主要起支撐作用。滾筒的旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)需要,通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)選用液壓馬達(dá),它們的安裝結(jié)構(gòu)如圖7所示。2.2.6置液壓系統(tǒng)及平板兩滾筒之間的距離較大,汽車駛?cè)牒婉偝鰰r(shí)將會(huì)造成一定的困難,因此在滾筒對(duì)之間設(shè)置了舉升機(jī)構(gòu),由具有導(dǎo)向系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)及平板構(gòu)成。滾筒制動(dòng)采用帶式制動(dòng),制動(dòng)帶的一端固定在兩滾筒外側(cè)的機(jī)架上,穿過滾筒下部,另一端固定在兩滾筒之間的舉升機(jī)構(gòu)上。在試驗(yàn)開始前或試驗(yàn)結(jié)束后,液壓系統(tǒng)工作,舉升機(jī)構(gòu)上舉平板,制動(dòng)帶將滾筒環(huán)抱制動(dòng),平板支撐車輪,使得汽車順利駛過滾筒,駛下試驗(yàn)臺(tái)。舉升高度由液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。3試驗(yàn)平臺(tái)的適應(yīng)性分析(1)擴(kuò)大基于模擬路面的路面尺寸路面模擬采用靈活的滾筒可拆卸方式,通過更換“凸緣”、“碎石”可得到不同的模擬路面,并改變模擬路面的相關(guān)參數(shù),如搓板路的搓板高度和搓板頻率等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到滾筒直接變換帶來的安裝和路面附著系數(shù)變換問題,將滾筒對(duì)之間的距離設(shè)計(jì)為可調(diào)的。設(shè)計(jì)的滾筒有足夠長(zhǎng)度以適應(yīng)不同輪距的汽車。(2)兼職設(shè)計(jì)成前臺(tái)架可以縱向移動(dòng)以適應(yīng)不同軸距的車輛進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。(3)單次給藥后,不同轉(zhuǎn)速時(shí)限內(nèi)連續(xù)運(yùn)行,有利于提高激勵(lì)頻率試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的最高模擬速度為40km/h,可在0～40km/h范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整,這對(duì)于模擬路面激勵(lì)的頻譜有較好的適應(yīng)性,在不改變滾筒的情況下直接改變滾筒轉(zhuǎn)速可以改變模擬路面的激勵(lì)頻率。(4)試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)采用車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)馬達(dá),以減小對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的功率和扭矩要求。各驅(qū)動(dòng)馬達(dá)獨(dú)立控制,以使試驗(yàn)臺(tái)模擬在單輪或兩輪工作,其余車輪暫時(shí)不工作的工況。驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和起/停等的同步/不同步性由試驗(yàn)臺(tái)控制中心控制。需要說明的是,各車輪之間的轉(zhuǎn)動(dòng)可以不要求作到完全同步。在實(shí)際強(qiáng)化路面上行駛的車輛,由于路面原因各車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)將出現(xiàn)較嚴(yán)重的不同步情況。(5)模擬水井和凸面四個(gè)車輪可以獨(dú)立模擬更加復(fù)雜的坑洼/凸起路面,為設(shè)備脫離實(shí)際路面試驗(yàn)提供了較完善的模擬條件。(6)動(dòng)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)調(diào)整多量性試驗(yàn)臺(tái)架上的前、后、左、右抗側(cè)移和抗串動(dòng)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)調(diào)整余量和范圍大,設(shè)計(jì)承載能力高;可以適應(yīng)不同大小、不同寬度的車輪和不同重量的汽車(不需要重新改裝)。(7)驅(qū)動(dòng)能力四個(gè)支撐平臺(tái)(模擬扭曲路面)的承載能力儲(chǔ)備系數(shù)大,對(duì)大于被試車型一定重量的車輛仍然可以驅(qū)動(dòng)、承載并試驗(yàn)。(8)開車上下班對(duì)被試驗(yàn)汽車外型無約束,適應(yīng)各種外型尺寸的汽車開車上臺(tái)架,體現(xiàn)汽車作為運(yùn)輸工具,其自身具有強(qiáng)運(yùn)輸能力的特點(diǎn)。(9)該系統(tǒng)的系統(tǒng)部分液壓系統(tǒng)的工作和工作狀態(tài)切換與改變被試驗(yàn)車型沒有直接聯(lián)系設(shè)計(jì)安全系數(shù)大,因此,液壓系統(tǒng)對(duì)更換被試驗(yàn)車型的適