汽車模擬試驗臺的設計與應用

0道路模擬系統的應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60年代，人們發展了一種在室內進行道路模擬測試的方法和設備。隨著現代隨機理論、控制技術和計算機技術的快速發展，該方法和設備日益完善。例如，在模擬車輛行駛時，路面不是平坦的，行駛中的轉向、剎車、環境和研究中的懸掛特征。不斷開發和投資實用平臺。根據道路模擬系統對被試驗車輛的輸入結構形式,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,即輪耦合的模擬試驗系統;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。這些模擬系統試驗功能比較強,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)、液壓控制系統及相關機構等,來實現模擬汽車強化試驗路面的試驗臺,并進行臺架結構設計與分析。1路面控制參數調整設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、載荷等參數要求;(2)模擬的碎石路面比較均勻,碎石高度在15～25mm范圍內可調整;(3)被試驗車輛的行駛速度在設計范圍內(0～40km/h)可以調整;(4)扭曲路面的扭曲高度在設計范圍內(80～100mm)可以調整;(5)搓板路的波距在500～800mm范圍內,波高在25～500mm可以調整(如圖1所示);(6)要求平均連續無故障工作時間;(7)控制參數可根據被試驗車輛的要求在控制中心計算機上修改和調整,控制軟件操作簡單、美觀;(8)試驗中應保障人員、車輛和設備的安全。2試驗平臺框架的設計和分析2.1計算重要參數2.1.1滾動軸承的等效直徑設搓板路的波距為Lw,在滾筒外園上布置“凸緣”的個數為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)根據滾筒等效直徑,使用下式校核模擬搓板路的“凸緣”波距,應在500～800mm范圍內。Lw=πds/p(3)2.1.2齒輪寬度以下簡稱《工作》根據被試驗車輛的輪距數據,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,輪胎兩側的滾筒剩余空長度之和(mm);試驗臺架可以適應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確定城市農車確定面,把成趨勢的地面附著系數如圖2所示,根據被試驗車型參數,設計滾筒安裝中心距Lc、車輪安置角α和產生的附著系數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)。根據式(6)、(7)、(8)計算出滾筒安裝中心距離、安置角和附著系數。同時,應考慮礫石路面平均附著系數參考范圍0.55～0.6,滾筒與車輪之間可產生的附著系數應該大于其最低值,以此確定一對滾筒安裝的中心距。要求可產生的附著系數必須適應各種被試驗車型附著系數的要求,保證車輪在運轉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、安置角和附著系數三參數的計算結果如表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,子午線輪庭G=3.05。2.1.5臺架可調整長度根據被試驗車型的軸距,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。調整方法為:一個臺架固定在基座上,可調整的臺架在基座上前后移動。設計可調整長度計算如下:La=Lmax-Lmin(10)式中,La:前后臺架可調整的長度(mm);Lmax:被試車輛最長軸距(mm);Lmin:被試車輛最短軸距(mm)。根據(10)式計算出的前后臺架可調整長度為最小調整長度,實際的設計調整長度必須大于該計算值,且應有一定余量。2.1.6確定滾動軸荷的旋轉阻力車輪的驅動采用滾筒反力驅動車輪轉動。其布置形式可以是前軸、中(后)軸各使用一組馬達驅動,也可以是每個車輪單獨使用一組馬達驅動,本設計采用后者驅動形式。在被試驗車型中,以最大軸荷的車輛作為計算驅動扭矩和功率的基本依據,驅動馬達驅動滾筒轉動,滾筒帶動車輪旋轉。設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:驅動扭矩(N.m);n:滾筒轉速(r/min);Pe:在轉速n下的功率(kW)。坑洼的卵石路面滾動阻力系數較大,其值為0.035～0.05,因此,取試驗臺上滾筒的阻力系數為0.05。考慮其可靠性,驅動扭矩和功率應該具有一定的儲備能力,扭矩儲備能力應設計在一倍以上。2.2機座層和縱向移動層根據要求,模擬試驗臺設計成幾個不同的子系統來完成各自的功能,各子系統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軌的方向縱向移動,即利用前臺架的移動實現不同車輛軸距的調節,使用一個液壓缸作為動力調整,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、驅動馬達、抗前后串動和抗側滑的機構以及支撐平臺等部件和機構。2.2.1洼/崛起路面系統液壓系統的應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,設計思路為:在臺架中設計各個車輪獨立的垂直升降層,垂直升降層支撐在有導向系統的液壓缸上,各車輪垂直升降頻率及行程依據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實現全方位的控制。2.2.2滑動機構的壓緊由于試驗過程中模擬路面的沖擊及其它力的作用,車輛的運動狀態比較復雜,作用力最終會傳遞到臺架上。根據不同車輛軸距,在臺架上的縱向移動層調整到位之后,設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,液壓系統開始工作克服彈簧力,松開鎖緊機構,使縱向移動層可以移動;移動前臺架的液壓系統工作,前臺架移動到位后,移動和鎖緊液壓系統停止工作,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,可能出現車輛前、后串動和側向移動,為了安全試驗,在車輪的前后部及側面設計了采用液壓缸和杠桿機構組成的阻擋裝置,如圖5所示。試驗前,裝置均處于收縮狀態,試驗過程中,通過液壓控制機構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面,實現對車輪的阻擋功能。與車輪接觸的端頭采用軸承實現旋轉運動,以便于可能與車輪接觸時一起轉動,減小滾動阻力和保護輪胎表面。2.2.4支撐平臺的設計在臺架的設計中,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調節。通過調節該支撐平臺的高度,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,以實現中間軸與后軸的正常約束關系。支撐平臺支撐在有導向系統的液壓缸上。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,利用滾筒的轉動帶動車輪轉動。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,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,與驅動馬達聯結,其主要作用為驅動車輪轉動,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。滾筒的旋轉速度根據需要,通過調節驅動馬達的轉速而進行相應的調節。驅動馬達選用液壓馬達,它們的安裝結構如圖7所示。2.2.6置液壓系統及平板兩滾筒之間的距離較大,汽車駛入和駛出時將會造成一定的困難,因此在滾筒對之間設置了舉升機構,由具有導向系統的液壓系統及平板構成。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上。在試驗開始前或試驗結束后,液壓系統工作,舉升機構上舉平板,制動帶將滾筒環抱制動,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進行控制。3試驗平臺的適應性分析(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參數,如搓板路的搓板高度和搓板頻率等。系統設計時考慮到滾筒直接變換帶來的安裝和路面附著系數變換問題,將滾筒對之間的距離設計為可調的。設計的滾筒有足夠長度以適應不同輪距的汽車。(2)兼職設計成前臺架可以縱向移動以適應不同軸距的車輛進行臺架試驗。(3)單次給藥后,不同轉速時限內連續運行,有利于提高激勵頻率試驗臺設計的最高模擬速度為40km/h,可在0～40km/h范圍內連續調整,這對于模擬路面激勵的頻譜有較好的適應性,在不改變滾筒的情況下直接改變滾筒轉速可以改變模擬路面的激勵頻率。(4)試驗臺控制系統整個試驗臺采用車輪獨立驅動馬達,以減小對每個驅動馬達的功率和扭矩要求。各驅動馬達獨立控制,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。驅動車輪轉速、轉角和起/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動將出現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雜的坑洼/凸起路面,為設備脫離實際路面試驗提供了較完善的模擬條件。(6)動機構的幾何參數調整多量性試驗臺架上的前、后、左、右抗側移和抗串動機構的幾何參數調整余量和范圍大,設計承載能力高;可以適應不同大小、不同寬度的車輪和不同重量的汽車(不需要重新改裝)。(7)驅動能力四個支撐平臺(模擬扭曲路面)的承載能力儲備系數大,對大于被試車型一定重量的車輛仍然可以驅動、承載并試驗。(8)開車上下班對被試驗汽車外型無約束,適應各種外型尺寸的汽車開車上臺架,體現汽車作為運輸工具,其自身具有強運輸能力的特點。(9)該系統的系統部分液壓系統的工作和工作狀態切換與改變被試驗車型沒有直接聯系設計安全系數大,因此,液壓系統對更換被試驗車型的適