汽車模擬試驗臺的設(shè)計與應(yīng)用

汽車模擬試驗臺的設(shè)計與應(yīng)用

0道路模擬系統(tǒng)的應(yīng)用車輛的道路試驗可以充分反映汽車的性能，但需要特定的地點，這需要時間和財力。因此，在20世紀(jì)60年代，人們發(fā)展了一種在室內(nèi)進行道路模擬測試的方法和設(shè)備。隨著現(xiàn)代隨機理論、控制技術(shù)和計算機技術(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，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)和投資實用平臺。根據(jù)道路模擬系統(tǒng)對被試驗車輛的輸入結(jié)構(gòu)形式,試驗臺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系統(tǒng);對汽車車輪軸頭施加三個方向的載荷,即軸耦合的模擬試驗系統(tǒng)。這些模擬系統(tǒng)試驗功能比較強,模擬試驗與真實試驗比較接近,比較適合用于新開發(fā)的車型和汽車性能試驗研究的模擬試驗,但存在安裝不方便、對被試驗車的安裝時間長、成本高等問題。本文作者提出一種使用滾筒(不是平臺)、液壓控制系統(tǒng)及相關(guān)機構(gòu)等,來實現(xiàn)模擬汽車強化試驗路面的試驗臺,并進行臺架結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析。1路面控制參數(shù)調(diào)整設(shè)計的路面模擬試驗臺能夠滿足如下的功能要求。(1)適用于被試驗車輛的輪距、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)被試驗車輛的行駛速度在設(shè)計范圍內(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)無故障工作時間;(7)控制參數(shù)可根據(jù)被試驗車輛的要求在控制中心計算機上修改和調(diào)整,控制軟件操作簡單、美觀;(8)試驗中應(yīng)保障人員、車輛和設(shè)備的安全。2試驗平臺框架的設(shè)計和分析2.1計算重要參數(shù)2.1.1滾動軸承的等效直徑設(shè)搓板路的波距為Lw,在滾筒外園上布置“凸緣”的個數(shù)為p,使用雙滾筒,只在主動滾筒上布置“凸緣”,則滾筒的基本直徑計算如下:d=pLw/π(1)對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齒輪寬度以下簡稱《工作》根據(jù)被試驗車輛的輪距數(shù)據(jù),計算滾筒的最小長度公式如下: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臺上,輪胎兩側(cè)的滾筒剩余空長度之和(mm);試驗臺架可以適應(yīng)多種被試驗車型的輪距,且有一定的余量。2.1.3部件距離bi為了在試驗臺架中間布置一定的裝備或零部件,需要計算臺架左右滾筒內(nèi)邊之間的距離Bi,其計算公式如式(5)所示。Bi=Bmin-wmax-δmin(5)2.1.4確定城市農(nóng)車確定面,把成趨勢的地面附著系數(shù)如圖2所示,根據(jù)被試驗車型參數(shù),設(shè)計滾筒安裝中心距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)計算出滾筒安裝中心距離、安置角和附著系數(shù)。同時,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)各種被試驗車型附著系數(shù)的要求,保證車輪在運轉(zhuǎn)過程中不會離開兩個滾筒之中前面一個滾筒的表面。以EQ2082E6D、EQ2102、SX2150K、NJ2045幾種車型為例,對滾筒安裝中心距離、安置角和附著系數(shù)三參數(shù)的計算結(jié)果如表1所示。車輪滾動(工作)半徑rr計算公式如下:rr=FDF2πrr=FDF2π(9)式中,F:計算常數(shù),子午線輪庭G=3.05。2.1.5臺架可調(diào)整長度根據(jù)被試驗車型的軸距,一般采用移動前、后臺架之一,以滿足被試驗車輛的軸距要求。調(diào)整方法為:一個臺架固定在基座上,可調(diào)整的臺架在基座上前后移動。設(shè)計可調(diào)整長度計算如下:La=Lmax-Lmin(10)式中,La:前后臺架可調(diào)整的長度(mm);Lmax:被試車輛最長軸距(mm);Lmin:被試車輛最短軸距(mm)。根據(jù)(10)式計算出的前后臺架可調(diào)整長度為最小調(diào)整長度,實際的設(shè)計調(diào)整長度必須大于該計算值,且應(yīng)有一定余量。2.1.6確定滾動軸荷的旋轉(zhuǎn)阻力車輪的驅(qū)動采用滾筒反力驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。其布置形式可以是前軸、中(后)軸各使用一組馬達驅(qū)動,也可以是每個車輪單獨使用一組馬達驅(qū)動,本設(shè)計采用后者驅(qū)動形式。在被試驗車型中,以最大軸荷的車輛作為計算驅(qū)動扭矩和功率的基本依據(jù),驅(qū)動馬達驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動,滾筒帶動車輪旋轉(zhuǎn)。設(shè)軸荷平均分配在兩個車輪上,以G表示單個車論的載荷,車輛輪胎與滾筒之間的滾動阻力系數(shù)為f,車輛在試驗臺上行駛克服的主要阻力為滾動阻力Ff,忽略其它阻力,則計算公式如下所示。Ff=2fGcosa(11)Ttq=12dFfΤtq=12dFf(12)Pe=Ttqn9550Ρe=Τtqn9550(13)式中,Ttq:驅(qū)動扭矩(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動阻力系數(shù)較大,其值為0.035～0.05,因此,取試驗臺上滾筒的阻力系數(shù)為0.05?？紤]其可靠性,驅(qū)動扭矩和功率應(yīng)該具有一定的儲備能力,扭矩儲備能力應(yīng)設(shè)計在一倍以上。2.2機座層和縱向移動層根據(jù)要求,模擬試驗臺設(shè)計成幾個不同的子系統(tǒng)來完成各自的功能,各子系統(tǒng)處于臺架中不同的平臺上。模擬試驗臺架總體布置如圖3、圖4所示。整個臺架分為三層,各自實現(xiàn)不同的功能要求。最下面為機座層,往上依次為縱向移動層和支撐車輪的升降層。在最上層的上面裝有防滑蓋板,機座以上的臺架層分為前、后兩個相對獨立的部分。前臺架的縱向移動層在機座上可以沿著導(dǎo)軌的方向縱向移動,即利用前臺架的移動實現(xiàn)不同車輛軸距的調(diào)節(jié),使用一個液壓缸作為動力調(diào)整,液壓缸安置在前、后臺架之間的空間段,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)動馬達、抗前后串動和抗側(cè)滑的機構(gòu)以及支撐平臺等部件和機構(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,即車輪在不同的時刻駛過一定的坑洼/凸起路面,設(shè)計思路為:在臺架中設(shè)計各個車輪獨立的垂直升降層,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)實現(xiàn)全方位的控制。2.2.2滑動機構(gòu)的壓緊由于試驗過程中模擬路面的沖擊及其它力的作用,車輛的運動狀態(tài)比較復(fù)雜,作用力最終會傳遞到臺架上。根據(jù)不同車輛軸距,在臺架上的縱向移動層調(diào)整到位之后,設(shè)計的鎖緊裝置利用杠桿和強力彈簧完成壓緊,使縱向移動層與機座連接為一體。其工作過程為:需要移動時,液壓系統(tǒng)開始工作克服彈簧力,松開鎖緊機構(gòu),使縱向移動層可以移動;移動前臺架的液壓系統(tǒng)工作,前臺架移動到位后,移動和鎖緊液壓系統(tǒng)停止工作,由強力彈簧壓緊移動層,使縱向移動層緊緊地固定在機座上。2.2.3b試驗裝置試驗過程中,車輛行駛在惡劣的模擬路面上,可能出現(xiàn)車輛前、后串動和側(cè)向移動,為了安全試驗,在車輪的前后部及側(cè)面設(shè)計了采用液壓缸和杠桿機構(gòu)組成的阻擋裝置,如圖5所示。試驗前,裝置均處于收縮狀態(tài),試驗過程中,通過液壓控制機構(gòu)的運動使其到達前輪的前部和后輪的后部以及每個車輪的側(cè)面,實現(xiàn)對車輪的阻擋功能。與車輪接觸的端頭采用軸承實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動,以便于可能與車輪接觸時一起轉(zhuǎn)動,減小滾動阻力和保護輪胎表面。2.2.4支撐平臺的設(shè)計在臺架的設(shè)計中,考慮到三軸汽車的中間軸以及后軸之間的距離比較小,為簡化起見,將汽車后軸上的車輪直接放置在一個支撐平臺上(見圖3),支撐平臺的高度由液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)該支撐平臺的高度,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,以實現(xiàn)中間軸與后軸的正常約束關(guān)系。支撐平臺支撐在有導(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臺架中,滾筒與車輪耦合,利用滾筒的轉(zhuǎn)動帶動車輪轉(zhuǎn)動。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”來實現(xiàn),如圖6所示。圖6(a)為帶2個模擬搓板路“凸緣”和多個“碎石”的主動滾筒,與驅(qū)動馬達聯(lián)結(jié),其主要作用為驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動,并支撐車輪;圖6(b)為只布置有多個“碎石”的從動滾筒,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)動馬達的轉(zhuǎn)速而進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。驅(qū)動馬達選用液壓馬達,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將會造成一定的困難,因此在滾筒對之間設(shè)置了舉升機構(gòu),由具有導(dǎo)向系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)及平板構(gòu)成。滾筒制動采用帶式制動,制動帶的一端固定在兩滾筒外側(cè)的機架上,穿過滾筒下部,另一端固定在兩滾筒之間的舉升機構(gòu)上。在試驗開始前或試驗結(jié)束后,液壓系統(tǒng)工作,舉升機構(gòu)上舉平板,制動帶將滾筒環(huán)抱制動,平板支撐車輪,使得汽車順利駛過滾筒,駛下試驗臺。舉升高度由液壓控制系統(tǒng)進行控制。3試驗平臺的適應(yīng)性分析(1)擴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)計時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,將滾筒對之間的距離設(shè)計為可調(diào)的。設(shè)計的滾筒有足夠長度以適應(yīng)不同輪距的汽車。(2)兼職設(shè)計成前臺架可以縱向移動以適應(yīng)不同軸距的車輛進行臺架試驗。(3)單次給藥后,不同轉(zhuǎn)速時限內(nèi)連續(xù)運行,有利于提高激勵頻率試驗臺設(shè)計的最高模擬速度為40km/h,可在0～40km/h范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整,這對于模擬路面激勵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頻率。(4)試驗臺控制系統(tǒng)整個試驗臺采用車輪獨立驅(qū)動馬達,以減小對每個驅(qū)動馬達的功率和扭矩要求。各驅(qū)動馬達獨立控制,以使試驗臺模擬在單輪或兩輪工作,其余車輪暫時不工作的工況。驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和起/停等的同步/不同步性由試驗臺控制中心控制。需要說明的是,各車輪之間的轉(zhuǎn)動可以不要求作到完全同步。在實際強化路面上行駛的車輛,由于路面原因各車輪的轉(zhuǎn)動將出現(xiàn)較嚴重的不同步情況。(5)模擬水井和凸面四個車輪可以獨立模擬更加復(fù)雜的坑洼/凸起路面,為設(shè)備脫離實際路面試驗提供了較完善的模擬條件。(6)動機構(gòu)的幾何參數(shù)調(diào)整多量性試驗臺架上的前、后、左、右抗側(cè)移和抗串動機構(gòu)的幾何參數(shù)調(diào)整余量和范圍大,設(shè)計承載能力高;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)動能力四個支撐平臺(模擬扭曲路面)的承載能力儲備系數(shù)大,對大于被試車型一定重量的車輛仍然可以驅(qū)動、承載并試驗。(8)開車上下班對被試驗汽車外型無約束,適應(yīng)各種外型尺寸的汽車開車上臺架,體現(xiàn)汽車作為運輸工具,其自身具有強運輸能力的特點。(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)切換與改變被試驗車型沒有直接聯(lián)系設(shè)計安全系數(shù)大,因此,液壓系統(tǒng)對更換被試驗車型的適