CN102507218A - 机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，包括机座滑轨装置、机械臂动作执行机构、动力传动集成装置、制动驱动装置、路面模拟装置、液压加载装置、力和力矩传感器、声音采集装置、测速和变形装置、数据处理系统等。该机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台可以1∶1模拟多自由度下车辆的各个动作来执行轮胎运动，模拟轮胎在各种工况下的使用情况；模拟轮胎与整车、悬架系统的运动匹配和轮胎各向受力、力矩的耦合。本发明结构紧凑、科学合理、精度高，不仅能实现车辆多自由度下轮胎的各种运行工况，而且能精确地测量轮胎的力和力矩、变形、磨损等综合性能，提供一种全面、精确的轮胎综合性能仿真试验平台。

Description

机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台

技术领域

本发明涉及一种车辆多体系动力学的轮胎综合性能仿真试验平台，具体来说是一种在多自由度下模拟轮胎、车辆综合性能的仿真试验平台，它可以模拟轮胎在各种工况下运动参数及其与车辆配合的力学特性，并实现轮胎综合性能的测试。

背景技术

轮胎的力学特性是进行车辆动力学分析与设计的基础，精确地模拟、分析、测量轮胎与车辆的力学匹配特性是进行轮胎设计和整车开发的关键。现有的试验平台都将焦点放在轮胎单一的各向受力或车辆动力学的测试上，大都是通过假设和设定与环境相关的固定参数，来进行试验模拟。有的试验台能实现轮胎多向自由度运动的同时模拟，也有的能实现轮胎运动路面可变模拟和可变载荷模拟，但都是在基于某一设定工况条件下，通过控制轮胎和路面姿态进行各种运动方式的合成，有关轮胎与整车综合性能的匹配尚未受到重视，这主要受到诸多因素的限制，如路面环境、使用场合等，主要原因还是受限于试验台只能实现简单方向上的运动模拟，不能精确地实现车辆复杂的全自由度运动、动力的有效传递和匹配耦合，以及路面环境和载荷的不确定性变化。所以，现有的轮胎试验台很难准确地模拟轮胎复杂的运动工况。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术所存在的不足，设计一种结构紧凑、科学合理、高精度的轮胎综合性能仿真试验平台，能实现车辆多自由度下轮胎的各种运行工况，模拟轮胎与整车、悬架系统的运动匹配，以及轮胎的各向受力和力矩的耦合。

本发明采用的技术方案是：机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，主要包括机座、机械臂动作执行机构、动力传动集成装置、制动驱动装置、路面模拟装置、液压加载装置、力和力矩传感器、声音采集装置、速度测量装置、变形测量装置、数据处理系统，所述的机座与机械臂动作执行机构共同构成试验台运动主体，机械臂动作执行机构能在机座上做往返水平运动，动力传动集成装置与机械臂动作执行机构的“腕关节”回转部连接，主要实现轮胎与整车在各个自由度下的运动和动力的传递，轮胎安装在动力传动集成装置上，制动驱动装置安装在机械臂动作执行机构和动力传动集成装置上，实现机械臂动作执行机构、动力传动集成装置、轮胎旋转运动的动作指令，路面模拟装置固定安装在地基上，并设有高度调节装置，可实现工作路面高度的调节，液压加载装置固定安装在地基上，并设置有距离调整机构，可实现与动力传动集成装置距离的调整，力和力矩传感器安装在轮胎的轮辋上，声音采集装置安装在动力传动集成装置上，速度测量装置安装在转向部件安装架上，变形测量装置和数据处理系统固定安装在地基上，用于控制轮胎运动，同时对采集的信号进行处理。

本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，所述的机座包括机座电机丝杠、机座滑轨、机械臂支承座，机座滑轨固定安装在地基上，机械臂支承座与机座滑轨连接，在机座电机作用下可沿轨道来回运动，可以模拟轮胎运动过程中，在制动和抱死工况下沿水平方向上的滑移情况。

本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，所述的机械臂动作执行机构包括机械臂“腰部”、下机械臂、上机械臂、“腕关节”回转部，机械臂“腰部”与机械臂支承座连接，可以绕竖直方向旋转，模拟轮胎在各种角度下的转向特性，下机械臂安装在机械臂“腰部”上，由下机械臂驱动电机带动，可在竖直平面内上下运动，上机械臂安装在下机械臂的末端，可在水平平面内前后运动，通过上机械臂和下机械臂的联合运动可以模拟轮胎在竖直平面内和水平平面内的联合工况，“腕关节”回转部安装在上机械臂的末端，可以通过设定不同角度模拟轮胎在不同侧倾角和侧偏角下的运动。

本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，所述的动力传动集成装置包括“腕关节”电机丝杠、“腕关节”摆动滑块、转向部件安装架、水平横向滑块导轨、水平纵向滑块导轨、模拟转向架，“腕关节”电机丝杠安装在“腕关节”驱动电机上，传递“腕关节”驱动电机的动力，“腕关节”摆动滑块安装在“腕关节”电机丝杠上，执行机械臂动作执行机构的动作，转向部件安装架安装在“腕关节”摆动滑块上，可沿“腕关节”摆动滑块上下滑动，模拟轮胎在竖直平面内的振动，水平横向滑块导轨安装在转向部件安装架的下端，可以实现轮胎侧向受力，水平纵向滑块导轨安装在水平横向滑块导轨上，可以实现轮胎的纵向受力，模拟转向架安装在转向部件安装架上，可以模拟轮胎运动时的转向操作，通过水平横向滑块导轨、水平纵向滑块导轨和模拟转向架的联合运动，可以模拟车辆对轮胎的操纵特性。

本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，所述的制动驱动装置包括机座电机丝杠、“腕关节”驱动电机、轮胎旋转驱动电机、电动推杆、下机械臂驱动电机、上机械臂驱动电机，机座电机丝杠安装在基座滑轨里面，“腕关节”驱动电机安装在“腕关节”回转部，轮胎旋转驱动电机和电动推杆安装在动力传动集成装置的末端，下机械臂驱动电机安装在机械臂动作执行机构的“腰部”位置上，上机械臂驱动电机安装在下机械臂的末端上。

本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，所述的液压加载装置固定安装在地基上，并设置有距离调整机构，可实现与路面模拟装置距离的调整，通过液压加载装置在动力传动集成装置上加载，可以模拟轮胎所受的径向载荷和纵向力。

本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，所述的路面模拟装置固定安装在地基上，并设有高度调节装置，可实现工作路面高度和崎岖度的调节，实现轮胎工作路面环境的真实模拟。

本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，所述的数据处理系统控制着机械臂动作执行机构完成车辆多自由度的运动模拟；数据处理系统控制着动力传动装置模拟悬架系统的动力传递和运动受力变化；数据处理系统控制着制动驱动装置完成动作命令的执行，数据处理系统控制着液压加载装置模拟车辆所受的静载荷和连续动态可变载荷；数据处理系统根据力和力矩传感器、声音采集装置、测速和变形装置采集的信息采集完成分析计算。

本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，上述所提到的力和力矩传感器是公知的，可以测量标准笛卡尔直角坐标系下的3个方向的受力和绕3个方向旋转地扭矩。

本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，上述所提到的声音采集装置也是公知的，可以将声信号转化成电信号，准确测量轮胎运动过程中的噪声。

本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，上述所提到的速度测量装置和变形测量装置也是公知的，可以测量轮胎运动时的速度大小和变形程度。

本发明的有益效果是：

1、使用本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，通过机械臂动作执行机构，可以实现车辆对轮胎的操纵动作，模拟标准坐标系下轮胎的受力和运动，比传统试验台更能精确合理地描述轮胎运动特性；通过动力传动集成装置的多方向滑块运动机构将轮胎运动时各方向运动进行叠加，更能完整地表征轮胎的运动工况；并且本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，具有操纵灵敏、后期易改进的特点，比传统试验台结构紧凑、占用空间小。

2、使用本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，通过机械臂动作执行机构、动力传动集成装置、制动驱动装置，可以设置轮胎的运动参数来描述轮胎与整车、悬架系统的运动匹配关系，以及轮胎各向受力、力矩等各种工况的耦合，获得轮胎运动时与悬架、整车的耦合特性和运动刚度特性，实现轮胎在实际运动过程中的多自由度运动，比传统试验台更能全面、准确地模拟轮胎和车辆的关系。

3、使用本发明能够将实际轮胎安装在测试平台上，可以1∶1模拟轮胎在各种环境下的实际运动，模拟轮胎与路面的接触情况，精确采集轮胎在各种环境下的运行数据。

4、使用本发明液压加载装置、力和力矩传感器、速度测量装置、变形测量装置，可以模拟轮胎运动过程中的稳态和非稳态载荷，精确地测量轮胎的六向受力、运动速度、变形、磨损等综合性能，提供一种全面、精确的轮胎综合性能仿真试验平台。

附图说明

图1是本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台整体结构三维示意图。

图2是图1中A方向的投影视图。

图3是图1中B方向的局部投影视图

图4是图1中C方向的局部投影放大视图

图5是本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台中安装轮胎处用以模拟汽车悬架实施方式的结构示意图。

图6是本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台模拟转向部的放大视图。

图中，1-机座，2-机械臂动作执行机构，3-动力传动集成装置，4-路面模拟装置，5-数据处理系统，6-机座电机丝杠，7-机座滑轨，8-机械臂支承座，9-机械臂“腰部”，10-下机械臂，11-上机械臂，12-水平横向滑块导轨，13-水平纵向滑块导轨，14-“腕关节”回转部，15-“腕关节”驱动电机，16-“腕关节”摆动滑块，17-“腕关节”电机丝杠，18-转向部件安装架，19-速度测量装置，20-声音采集装置，21-轮胎旋转驱动电机，22-电动推杆，23-模拟转向架，24-轮胎安装架，25-轮胎，26-力和力矩传感器，27-变形测量装置，28-液压加载装置，29-下机械臂驱动电机，30-上机械臂驱动电机。

具体实施方式，

本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，如图1和图2所示，该试验平台包括机座1、机械臂动作执行机构2、动力传动集成装置3、路面模拟装置4、液压加载装置28、力和力矩传感器26、声音采集装置20、速度测量装置19、变形测量装置27、数据处理系统5，所述的机座1与机械臂动作执行机构2共同构成试验台运动主体，机械臂动作执行机构2能在机座1上做往复水平运动，动力传动集成装置3与机械臂动作执行机构2的“腕关节”回转部14连接，主要实现轮胎与整车在各个自由度下的运动和动力的传递，轮胎25安装在动力传动集成装置3上，路面模拟装置4固定安装在地基上，设有高度调节装置，可实现工作路面高度的调节，液压加载装置28固定安装在地基上，设置有水平距离调整机构，可实现与动力传动集成装置3之间距离的调整，通过液压加载装置28在动力传动集成装置3上加载，可以模拟轮胎所受的径向载荷和纵向力，力和力矩传感器26安装在轮胎25的轮辋上，声音采集装置20安装在动力传动集成装置3上，速度测量装置19安装在件转向部安装架18上，变形测量装置27安装在地基上，数据处理系统5采集来自力和力矩传感器26、速度测量装置19、变形测量装置27的信号，通过对采集的信号进行处理来控制机械臂动作执行机构2、动力传动集成装置3、液压加载装置28的动作，从而实现轮胎各种工况。

本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，如图2和图3所示，机械臂动作执行机构2是由机械臂“腰部”9、下机械臂10、上机械臂11、“腕关节”回转部14组成，机械臂“腰部”9与机械臂支承座8连接，其下伸出与旋转轴插入机械臂支承座8的轴承孔内，由电机带动可以绕其旋转轴轴线完成360°的旋转运动，从而模拟轮胎在各种角度下的转向特性，下机械臂10安装在“机械臂“腰部”9上，由下机械臂驱动电机29带动，可在竖直平面内进行摆动，上机械臂11安装在下机械臂10的末端，通过上机械臂11和下机械臂10的联合运动可以模拟轮胎在竖直平面内的运动，“腕关节”回转部14安装在上机械臂11的末端，通过“腕关节”驱动电机15带动其进行旋转，可以通过设定不同的角度来模拟轮胎在不同侧倾角和侧偏角下的运动。

本发明机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，如图4-6所示，动力传动集成装置3包括“腕关节”电机丝杠17、“腕关节”摆动滑块16、转向部件安装架18、水平横向滑块导轨12、水平纵向滑块导轨13、模拟转向架23，“腕关节”电机丝杠17安装在“腕关节”驱动电机15上，传递“腕关节”驱动电机15的动力，“腕关节”摆动滑块16安装在“腕关节”电机丝杠17上，执行机械臂动作执行机构2的动作，转向部件安装架18安装在“腕关节”摆动滑块16上，可沿“腕关节”摆动滑块16上下滑动，模拟轮胎在竖直平面内的振动，水平横向滑块导轨12安装在转向部件安装架18的下端，可以实现轮胎侧向受力，水平纵向滑块导轨13安装在水平横向滑块导轨12上，可以实现轮胎的纵向受力，模拟转向架23安装在转向部件安装架18上，可以模拟轮胎运动时的转向操作，通过水平横向滑块导轨12、水平纵向滑块导轨13和模拟转向架23的联合运动，可以模拟车辆对轮胎的操纵特性，在这里对称布置着两个电动推杆22，其安装方式为一端铰接在转向部件安装架18下端伸出的连接杆上，另一端则与模拟转向架23铰接，这样通过在水平平面内对称布置一对电动推杆22实现互为反向的进给运动，能够实现模拟转向架23绕安装轴在竖直平面内旋转，从而模拟车辆对轮胎25的转向操作，轮胎25安装在轮胎旋转驱动电机21上，轮胎旋转驱动电机21与轮胎安装架24通过联轴器相连可以带动轮胎旋转。在动力传动集成装置3中所有的运动都只是小范围的精确运动，能够较准确地定位轮胎25的位置与运动姿态。

在转向部件安装架18上还安装有速度测量装置19以及声音采集装置20，这样可以实时地监测轮胎25运动时的速度大小运动，同时对噪声进行采集；如图4所示，变形测量装置27可以实时对轮胎25运动时的胎体变形进行测量，力和力矩传感器26可以用来测试轮胎25在运转过程中所产生的力及力矩；如图2所示，数据处理系统5控制机械臂动作执行机构2、动力传动集成装置3、液压加载装置28的动作指令，并采集路面模拟装置4、力和力矩传感器26、声音采集装置20、速度测量装置19、变形测量装置27、动力传动集成装置3的信息数据，并生成实验报告。这些测试设备或加载设备可根据需求添加到测试平台上。

Claims (5)

1.机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，其特征在于：主要包括机座、机械臂动作执行机构、动力传动集成装置、制动驱动装置、路面模拟装置、液压加载装置、力和力矩传感器、声音采集装置、速度测量装置、变形测量装置、数据处理系统，所述的机座与机械臂动作执行机构共同构成试验台运动主体，机械臂动作执行机构能在机座上做往返水平运动，动力传动集成装置与机械臂动作执行机构的“腕关节”回转部连接，轮胎安装在动力传动集成装置上，制动驱动装置安装在机械臂动作执行机构和动力传动集成装置上，路面模拟装置固定安装在地基上，并设有高度调节装置，液压加载装置固定安装在地基上，并设置有距离调整机构，力和力矩传感器安装在轮胎的轮辋上，声音采集装置安装在动力传动集成装置上，速度测量装置安装在转向部件安装架上，变形测量装置和数据处理系统固定安装在地基上。

2.根据权利要求1所述的机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，其特征在于：所述的机座包括机座电机丝杠、机座滑轨、机械臂支承座，机座滑轨固定安装在地基上，机械臂支承座与机座滑轨连接。

3.根据权利要求1所述的机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，其特征在于：所述的机械臂动作执行机构包括机械臂“腰部”、下机械臂、上机械臂、“腕关节”回转部，机械臂“腰部”与机械臂支承座连接，下机械臂安装在机械臂“腰部”上，上机械臂安装在下机械臂的末端，“腕关节”回转部安装在上机械臂的末端。

4.根据权利要求1所述的机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，其特征在于：所述的动力传动集成装置包括“腕关节”电机丝杠、“腕关节”摆动滑块、转向部件安装架、水平横向滑块导轨、水平纵向滑块导轨、模拟转向架，“腕关节”电机丝杠安装在“腕关节”驱动电机上，传递“腕关节”驱动电机的动力，“腕关节”摆动滑块安装在“腕关节”电机丝杠上，执行机械臂动作执行机构的动作，转向部件安装架安装在“腕关节”摆动滑块上，水平横向滑块导轨安装在转向部件安装架的下端，水平纵向滑块导轨安装在水平横向滑块导轨上，模拟转向架安装在转向部件安装架上。

5.根据权利要求1所述的机械臂式轮胎综合性能仿真试验平台，其特征在于：所述的制动驱动装置包括机座电机丝杠、“腕关节”驱动电机、轮胎旋转驱动电机、电动推杆、下机械臂驱动电机、上机械臂驱动电机，机座电机丝杠安装在基座滑轨里面，“腕关节”驱动电机安装在“腕关节”回转部，轮胎旋转驱动电机和电动推杆安装在动力传动集成装置的末端，下机械臂驱动电机安装在机械臂动作执行机构的“腰部”位置上，上机械臂驱动电机安装在下机械臂的末端上。

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