汽车模拟试验台的设计与应用

汽车模拟试验台的设计与应用

0道路模拟系统的应用车辆的道路试验可以充分反映汽车的性能，但需要特定的地点，这需要时间和财力。因此，在20世纪60年代，人们发展了一种在室内进行道路模拟测试的方法和设备。随着现代随机理论、控制技术和计算机技术的快速发展，该方法和设备日益完善。例如，在模拟车辆行驶时，路面不是平坦的，行驶中的转向、刹车、环境和研究中的悬挂特征。不断开发和投资实用平台。根据道路模拟系统对被试验车辆的输入结构形式,试验台主要有轮耦合和轴耦合两大类。使用比较普遍的平面钢带的垂直激振模拟系统,即轮耦合的模拟试验系统;对汽车车轮轴头施加三个方向的载荷,即轴耦合的模拟试验系统。这些模拟系统试验功能比较强,模拟试验与真实试验比较接近,比较适合用于新开发的车型和汽车性能试验研究的模拟试验,但存在安装不方便、对被试验车的安装时间长、成本高等问题。本文作者提出一种使用滚筒(不是平台)、液压控制系统及相关机构等,来实现模拟汽车强化试验路面的试验台,并进行台架结构设计与分析。1路面控制参数调整设计的路面模拟试验台能够满足如下的功能要求。(1)适用于被试验车辆的轮距、轴距、载荷等参数要求;(2)模拟的碎石路面比较均匀,碎石高度在15～25mm范围内可调整;(3)被试验车辆的行驶速度在设计范围内(0～40km/h)可以调整;(4)扭曲路面的扭曲高度在设计范围内(80～100mm)可以调整;(5)搓板路的波距在500～800mm范围内,波高在25～500mm可以调整(如图1所示);(6)要求平均连续无故障工作时间;(7)控制参数可根据被试验车辆的要求在控制中心计算机上修改和调整,控制软件操作简单、美观;(8)试验中应保障人员、车辆和设备的安全。2试验平台框架的设计和分析2.1计算重要参数2.1.1滚动轴承的等效直径设搓板路的波距为Lw,在滚筒外园上布置“凸缘”的个数为p,使用双滚筒,只在主动滚筒上布置“凸缘”,则滚筒的基本直径计算如下:d=pLw/π(1)对于模拟比较均匀的碎石路的石子距滚筒基本表面平均高度取20mm,在滚筒的外圆上均匀布置。在滚筒上安装相应的“凸缘”和多个高度为15～25mm的“碎石”,滚筒的等效直径变大了,取其“碎石”的平均高度20mm的一半作为滚筒由于“凸缘”和“碎石”而增加的半径,因此,滚筒的等效平均直径ds为:ds=d+20(2)根据滚筒等效直径,使用下式校核模拟搓板路的“凸缘”波距,应在500～800mm范围内。Lw=πds/p(3)2.1.2齿轮宽度以下简称《工作》根据被试验车辆的轮距数据,计算滚筒的最小长度公式如下:lmin=Bmax−Bmin2+wmax+δmin(4)lmin=Bmax-Bmin2+wmax+δmin(4)式中,lmin:滚筒的最小长度(mm);Bmin:被试车辆最小轮距(mm);Bmax:被试车辆最大轮距(mm);wmax:被试验车辆中的最宽车辆轮胎宽度值(mm);δmin:最宽轮胎的被试车辆在试验台上,轮胎两侧的滚筒剩余空长度之和(mm);试验台架可以适应多种被试验车型的轮距,且有一定的余量。2.1.3部件距离bi为了在试验台架中间布置一定的装备或零部件,需要计算台架左右滚筒内边之间的距离Bi,其计算公式如式(5)所示。Bi=Bmin-wmax-δmin(5)2.1.4确定城市农车确定面,把成趋势的地面附着系数如图2所示,根据被试验车型参数,设计滚筒安装中心距Lc、车轮安置角α和产生的附着系数φ,计算公式如式(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:车论工作直径(mm);d:滚筒直径(mm)。根据式(6)、(7)、(8)计算出滚筒安装中心距离、安置角和附着系数。同时,应考虑砾石路面平均附着系数参考范围0.55～0.6,滚筒与车轮之间可产生的附着系数应该大于其最低值,以此确定一对滚筒安装的中心距。要求可产生的附着系数必须适应各种被试验车型附着系数的要求,保证车轮在运转过程中不会离开两个滚筒之中前面一个滚筒的表面。以EQ2082E6D、EQ2102、SX2150K、NJ2045几种车型为例,对滚筒安装中心距离、安置角和附着系数三参数的计算结果如表1所示。车轮滚动(工作)半径rr计算公式如下:rr=FDF2πrr=FDF2π(9)式中,F:计算常数,子午线轮庭G=3.05。2.1.5台架可调整长度根据被试验车型的轴距,一般采用移动前、后台架之一,以满足被试验车辆的轴距要求。调整方法为:一个台架固定在基座上,可调整的台架在基座上前后移动。设计可调整长度计算如下:La=Lmax-Lmin(10)式中,La:前后台架可调整的长度(mm);Lmax:被试车辆最长轴距(mm);Lmin:被试车辆最短轴距(mm)。根据(10)式计算出的前后台架可调整长度为最小调整长度,实际的设计调整长度必须大于该计算值,且应有一定余量。2.1.6确定滚动轴荷的旋转阻力车轮的驱动采用滚筒反力驱动车轮转动。其布置形式可以是前轴、中(后)轴各使用一组马达驱动,也可以是每个车轮单独使用一组马达驱动,本设计采用后者驱动形式。在被试验车型中,以最大轴荷的车辆作为计算驱动扭矩和功率的基本依据,驱动马达驱动滚筒转动,滚筒带动车轮旋转。设轴荷平均分配在两个车轮上,以G表示单个车论的载荷,车辆轮胎与滚筒之间的滚动阻力系数为f,车辆在试验台上行驶克服的主要阻力为滚动阻力Ff,忽略其它阻力,则计算公式如下所示。Ff=2fGcosa(11)Ttq=12dFfΤtq=12dFf(12)Pe=Ttqn9550Ρe=Τtqn9550(13)式中,Ttq:驱动扭矩(N.m);n:滚筒转速(r/min);Pe:在转速n下的功率(kW)。坑洼的卵石路面滚动阻力系数较大,其值为0.035～0.05,因此,取试验台上滚筒的阻力系数为0.05。考虑其可靠性,驱动扭矩和功率应该具有一定的储备能力,扭矩储备能力应设计在一倍以上。2.2机座层和纵向移动层根据要求,模拟试验台设计成几个不同的子系统来完成各自的功能,各子系统处于台架中不同的平台上。模拟试验台架总体布置如图3、图4所示。整个台架分为三层,各自实现不同的功能要求。最下面为机座层,往上依次为纵向移动层和支撑车轮的升降层。在最上层的上面装有防滑盖板,机座以上的台架层分为前、后两个相对独立的部分。前台架的纵向移动层在机座上可以沿着导轨的方向纵向移动,即利用前台架的移动实现不同车辆轴距的调节,使用一个液压缸作为动力调整,液压缸安置在前、后台架之间的空间段,居左、右两边的中间。在支撑车轮的升降层上布置有滚筒、驱动马达、抗前后串动和抗侧滑的机构以及支撑平台等部件和机构。2.2.1洼/崛起路面系统液压系统的应用为模拟车辆在扭曲路面上行驶的试验,即车轮在不同的时刻驶过一定的坑洼/凸起路面,设计思路为:在台架中设计各个车轮独立的垂直升降层,垂直升降层支撑在有导向系统的液压缸上,各车轮垂直升降频率及行程依据路面情况和车辆的行驶速度通过控制中心和液压控制系统实现全方位的控制。2.2.2滑动机构的压紧由于试验过程中模拟路面的冲击及其它力的作用,车辆的运动状态比较复杂,作用力最终会传递到台架上。根据不同车辆轴距,在台架上的纵向移动层调整到位之后,设计的锁紧装置利用杠杆和强力弹簧完成压紧,使纵向移动层与机座连接为一体。其工作过程为:需要移动时,液压系统开始工作克服弹簧力,松开锁紧机构,使纵向移动层可以移动;移动前台架的液压系统工作,前台架移动到位后,移动和锁紧液压系统停止工作,由强力弹簧压紧移动层,使纵向移动层紧紧地固定在机座上。2.2.3b试验装置试验过程中,车辆行驶在恶劣的模拟路面上,可能出现车辆前、后串动和侧向移动,为了安全试验,在车轮的前后部及侧面设计了采用液压缸和杠杆机构组成的阻挡装置,如图5所示。试验前,装置均处于收缩状态,试验过程中,通过液压控制机构的运动使其到达前轮的前部和后轮的后部以及每个车轮的侧面,实现对车轮的阻挡功能。与车轮接触的端头采用轴承实现旋转运动,以便于可能与车轮接触时一起转动,减小滚动阻力和保护轮胎表面。2.2.4支撑平台的设计在台架的设计中,考虑到三轴汽车的中间轴以及后轴之间的距离比较小,为简化起见,将汽车后轴上的车轮直接放置在一个支撑平台上(见图3),支撑平台的高度由液压系统调节。通过调节该支撑平台的高度,使得车辆中间轴上的车轮和后轴上的车轮处于同一高度上,以实现中间轴与后轴的正常约束关系。支撑平台支撑在有导向系统的液压缸上。2.2.5单装置模拟分析在模拟试验台架中,滚筒与车轮耦合,利用滚筒的转动带动车轮转动。滚筒必须能够模拟不同的路面特征,如碎石路面和搓板路面等,模拟利用镶嵌在滚筒表面不同的“碎石”和“凸缘”来实现,如图6所示。图6(a)为带2个模拟搓板路“凸缘”和多个“碎石”的主动滚筒,与驱动马达联结,其主要作用为驱动车轮转动,并支撑车轮;图6(b)为只布置有多个“碎石”的从动滚筒,主要起支撑作用。滚筒的旋转速度根据需要,通过调节驱动马达的转速而进行相应的调节。驱动马达选用液压马达,它们的安装结构如图7所示。2.2.6置液压系统及平板两滚筒之间的距离较大,汽车驶入和驶出时将会造成一定的困难,因此在滚筒对之间设置了举升机构,由具有导向系统的液压系统及平板构成。滚筒制动采用带式制动,制动带的一端固定在两滚筒外侧的机架上,穿过滚筒下部,另一端固定在两滚筒之间的举升机构上。在试验开始前或试验结束后,液压系统工作,举升机构上举平板,制动带将滚筒环抱制动,平板支撑车轮,使得汽车顺利驶过滚筒,驶下试验台。举升高度由液压控制系统进行控制。3试验平台的适应性分析(1)扩大基于模拟路面的路面尺寸路面模拟采用灵活的滚筒可拆卸方式,通过更换“凸缘”、“碎石”可得到不同的模拟路面,并改变模拟路面的相关参数,如搓板路的搓板高度和搓板频率等。系统设计时考虑到滚筒直接变换带来的安装和路面附着系数变换问题,将滚筒对之间的距离设计为可调的。设计的滚筒有足够长度以适应不同轮距的汽车。(2)兼职设计成前台架可以纵向移动以适应不同轴距的车辆进行台架试验。(3)单次给药后,不同转速时限内连续运行,有利于提高激励频率试验台设计的最高模拟速度为40km/h,可在0～40km/h范围内连续调整,这对于模拟路面激励的频谱有较好的适应性,在不改变滚筒的情况下直接改变滚筒转速可以改变模拟路面的激励频率。(4)试验台控制系统整个试验台采用车轮独立驱动马达,以减小对每个驱动马达的功率和扭矩要求。各驱动马达独立控制,以使试验台模拟在单轮或两轮工作,其余车轮暂时不工作的工况。驱动车轮转速、转角和起/停等的同步/不同步性由试验台控制中心控制。需要说明的是,各车轮之间的转动可以不要求作到完全同步。在实际强化路面上行驶的车辆,由于路面原因各车轮的转动将出现较严重的不同步情况。(5)模拟水井和凸面四个车轮可以独立模拟更加复杂的坑洼/凸起路面,为设备脱离实际路面试验提供了较完善的模拟条件。(6)动机构的几何参数调整多量性试验台架上的前、后、左、右抗侧移和抗串动机构的几何参数调整余量和范围大,设计承载能力高;可以适应不同大小、不同宽度的车轮和不同重量的汽车(不需要重新改装)。(7)驱动能力四个支撑平台(模拟扭曲路面)的承载能力储备系数大,对大于被试车型一定重量的车辆仍然可以驱动、承载并试验。(8)开车上下班对被试验汽车外型无约束,适应各种外型尺寸的汽车开车上台架,体现汽车作为运输工具,其自身具有强运输能力的特点。(9)该系统的系统部分液压系统的工作和工作状态切换与改变被试验车型没有直接联系设计安全系数大,因此,液压系统对更换被试验车型的适