CN106092598B - 一种具有转向功能的电动轮实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动汽车测试领域中具有转向功能的电动轮实验装置及方法，具有转向模拟机构，可研究电动轮在转向工况时的受载情况和运动特性，采用伺服电机驱动滚珠丝杠带动多层滑块与电动轮压紧底盘测功机的滚筒表面产生垂向力，以此模拟电动轮组件受到的垂向载荷，并使用主销与电动推杆、多层滑块等部件模拟电动轮组件的轮定位参数，如主销后倾角，能研究该定位参数对电动轮各工况性能测试试验的影响，同时也保证了电动轮进行试验模拟时更加贴近其实际的运行状态，以便获得更准确可靠的试验结果，可完成电动轮受到的载荷的施加、转向模拟、轮胎定位参数的模拟与电动轮各工况的运行等功能，功能齐全且模拟效果符合实际情况。

Description

一种具有转向功能的电动轮实验装置及方法

技术领域

本发明为一种测试试验装置，具体为电动汽车的电动轮专用多功能测试试验台，属于电动汽车测试领域。

背景技术

电动汽车采用电动轮驱动，电动轮性能测试是电动汽车开发过程中的重要环节。当前对电动轮的相关测试试验设备多采用电动轮和转鼓试验台，试验台架以电动轮模块为研究对象，在转鼓试验台上模拟电动轮模块在路面的运动情况并进行数据采集和研究，因此能否准确模拟出电动轮实际的受载状况与运行工况是检验一个电动轮试验台可靠性的关键。

目前，已有一些电动轮试验台的相关设计，如中国专利申请号为CN201420154405.6的文献提出的轮毂电机试验台加载装置，它通过气缸加载模拟电动轮受到的垂向载荷并使电动轮在转鼓上滚动运行试验来模拟电动轮的实际运转状况，但是该装置不具备转向与轮定位参数模拟等功能，无法满足对电动轮多种运行工况功能研究的需求。

中国专利申请号为CN201610120534.7的文献中提出一种具有模拟电动轮的轮定位参数功能的装置，该装置采用伺服电机驱动滚珠丝杠带动滑块与电动轮压紧底盘测功机的滚筒表面，以此模拟垂向载荷的施加，并使用转动块与多层滑块、关节轴承等部件模拟电动轮组件的轮定位参数，如轮胎外倾角、前束等。但该装置也无法进行转向工况的模拟，且仅针对了轮胎的定位参数而忽视了主销的定位参数。

中国专利申请号为CN201420154405.6和CN201420309408.2的两篇文献中提出两种具有转向功能的电动轮多功能实验台架，它们均为通过电机驱动滚珠丝杆带动电动轮压紧转鼓来模拟电动轮受到的垂向载荷，并通过电动推杆与主销结构完成电动轮的转向模拟功能，但其装置的主销轴线均垂直于地面，忽略了电动轮实际运行时主销的定位参数对试验各工况测试的影响，实际的电动汽车的轮胎主销的轴线在纵向平面内与地面的垂线之间呈现一个向后的夹角，即主销后倾角。主销后倾角的存在使车轮的转向轴线与路面的交点在轮胎接地点的前方，可利用路面对轮胎的阻力产生绕主销轴线的回正力矩，使轮胎具有稳定的直线行驶与自动回正的功能，在电动轮直线行驶与转向工况中均起着重要的作用。而这两种试验台均不具备对主销定位参数的模拟，从而使轮胎在运行时的受力情况与运动特性与实际差异较大，致使模拟分析的数据与车轮实际运行工况不符。

发明内容

本发明针对现有电动轮实验装置存在的问题，提供一种既具有垂向载荷施加模拟、转向功能模拟、又具有电动轮主销后倾角的定位参数模拟等多功能的电动轮实验装置,本发明同时还提供该电动轮实验装置的实验方法。

本发明提供的一种具有转向功能的电动轮实验装置采用的技术方案为：电动轮组件压在底盘测功机表面，电动轮组件的中心轴同轴连接电机轴，电机轴与右侧的主销的中间过盈配合连接，主销上下两端各通过一个角接触轴承与主销转动座连接，主销转动座上端面处设有转角编码器；主销上部向右前方伸出一转向臂，转向臂另一端铰接横置电动推杆前端，横置电动推杆后端连接销接主销转动座；主销转动座位于垂向滑块和横向滑块的前方，主销转动座左右两侧面各固定连接一短轴，垂向滑块左右两端各经滚动轴承连接对应的短轴，短轴上同轴装有倾角编码器；横向滑块内设有两根垂向导杆，垂向滑块沿两根垂向导杆上下移动，垂向滑块上表面和横向滑块之间连接垂直的垂向力传感器；横向滑块上部通过销轴连接纵置电动推杆后端，纵置电动推杆前端铰接主销转动座；主滑块上设置两根横向导杆，横向滑块沿横向导杆方向左右运动；主滑块分别与主导杆和电机丝杠组件的丝杠配合，主滑块由电机丝杠组件驱动沿主导杆上下移动，在主滑块和横向滑块之间设置侧向力传感器。

本发明提供的具有转向功能的电动轮实验装置的实验方法采用的技术方案是包含有以下步骤：

1）横置电动推杆缩短，横置电动推杆左端拉动转向臂，使主销绕自身轴线向右转动，同时横置电动推杆自身也向后转动，电动轮组件绕主销的轴心线相对底盘测功机转过一个角度，实现电动轮组件的转向模拟，转角编码器实时检测主销的转动角度，该转动角度即为电动轮组件的转角；

2） 转向模拟时，主销将向右的侧向力传递，带动垂向滑块向右压紧垂向导杆，横向滑块压紧侧向力传感器，检测电动轮组件转向时产生的侧向力的大小；

3）纵置电动推杆缩短，拉动主销绕短轴的轴线向后转动，主销的轴心线相对于通过轮胎中心的垂线产生主销的后倾角，倾角编码器实时测得后倾角；

4）转动电机丝杠组件，主滑块沿着主导杆向下移动，横向导杆和横向滑块共同向下移动，横向滑块通过垂向力传感器向下压紧垂向滑块，使垂向滑块向下移动，带动主销向下压紧电机轴，电动轮组件的轮胎向下压紧底盘测功机，模拟电动轮组件受到的垂向载荷，垂向力传感器实时检测垂向载荷大小。

本发明采用上述技术方案后的有益效果是：

1、本发明具有转向模拟机构，可研究电动轮在转向工况时的受载情况和运动特性。采用伺服电机驱动滚珠丝杠带动多层滑块与电动轮压紧底盘测功机的滚筒表面产生垂向力，以此模拟电动轮组件受到的垂向载荷。并使用主销与电动推杆、多层滑块等部件模拟电动轮组件的轮定位参数，如主销后倾角。能研究该定位参数对电动轮各工况性能测试试验的影响，同时也保证了电动轮进行试验模拟时更加贴近其实际的运行状态，以便获得更准确可靠的试验结果。可完成电动轮受到的载荷的施加、转向模拟、轮胎定位参数的模拟与电动轮各工况的运行等功能，功能更加全面。

2、本发明在垂向载荷施加方案的基础上增加了转向与主销定位参数功能模块，可对电动轮的性能进行更全面的研究，装置各机构相互契合，使试验台整体结构结构紧凑、简便，功能齐全且模拟效果符合实际情况。

附图说明

图1为本发明一种具有转向功能的电动轮实验装置的轴测示意图；

图2 为在图1中拆去电动轮组件1与底盘测功机2后的各部件结构的爆炸示意图；

图3 为在图2的基础上主销3与主销转动座4的局部放大图；

图4为图1的前视图；

图5为图4拆去电动轮组件1与底盘测功机2后在主滑块13的阶梯柱13a处的右视剖视图；

图6为图4中垂向滑块7、横向滑块9、主滑块13与传感器等部件的结构示意图；

图7 为本发明电动轮实验装置模拟转向功能的俯视图；

图8 为在图5的基础上，装置模拟后倾角功能的结构示意图；

图9 为在图4的基础上，装置模拟转向功能的结构示意图。

图中：1.电动轮组件；1a.电机轴；2.底盘测功机；3.主销；3a.转向臂；4.主销转动座；4a.销座；4b.短轴；4c.带销孔的方形块；5.转角编码器；6.横置电动推杆；7.垂向滑块；7a.轴承座；8.倾角编码器；9.横向滑块；9a.侧向力传感器；9b.垂向力传感器；9c.滑块销座；10.垂向导杆；11.纵置电动推杆；12.横向导杆；13.主滑块；13a.矩形阶梯柱；14.主导杆；15.电机丝杠组件。

具体实施方式

为了便于理解，现规定空间方位：参见图1，规定以电动轮组件1所在位置为“左”，相应地以倾角编码器8所在位置为“右”；以纵置电动推杆11所在位置为“上”，相应地以横置电动推杆6所在位置为“下”；以主销转动座4为“前”，相应地以主滑块13为“后”；且以“左”、“右”方向为横向，“上”、“下”方向为垂向，“前”、“后”方向为纵向。

参见图1、图2，电动轮组件1压在安装于地坑中的底盘测功机2表面。电动轮组件1的中心轴同轴连接电机轴1a。电机轴1a的右侧方有主销3，电机轴1a与主销3的中间过盈配合连接在一起，在初始状态时，两者相互垂直，无周向转动与轴向移动。主销3为圆柱阶梯轴，主销3的上下两端安装在主销转动座4上。主销3的上下两端各通过一个角接触轴承与主销转动座4连接，角接触轴承将主销3限制在主销转动座4上，使主销3只能绕自身轴线转动而无垂向移动的自由度。角接触轴承安装在轴承座中，轴承座设在主销转动座4左侧。在主销3的上段阶梯轴端面中心处开有轴孔，在主销转动座4上端面处安装转角编码器5，转角编码器5与主销3的上段阶梯轴端面中心处开有的轴孔配合，转角编码器5用于检测主销3绕自身轴线转动的角度。

主销3中部有轴孔与加强轴套，在上部的阶梯部位向右前方伸出一转向臂3a，转向臂3a的另一端带有销孔，通过销孔活动铰接于横置电动推杆6前端，横置电动推杆6的后端朝向右后方，并连接主销转动座4。在初始状态时，转向臂3a、横置电动推杆6均水平。

参见图3，主销转动座4是U型板结构，U型板开口朝向主销3，主销3的上下两端分别经角接触轴承连接主销转动座4的上下板。主销转动座4的U型左右两侧面各固定安装有水平的短轴4b，主销转动座4的顶部向上凸出有带销孔的方形块4c。在主销转动座4的上板面下方连接销座4a，用于与横置电动推杆6的后端销接。

参见图1-3，主销转动座4位于垂向滑块7和横向滑块9的前方，垂向滑块7为一平板结构。在纵向方向上，初始状态时，主销转动座4的U型底面与垂向滑块7相平行。垂向滑块7的左右两端各设有一个轴承座7a，轴承座7a中安装滚动轴承，滚动轴承用于连接主销转动座4上的短轴4b，使主销转动座4以其上的短轴4b通过滚动轴承安装在垂向滑块7上，这样，主销3可随主销转动座4在滚动轴承支撑下绕短轴4b的轴线转动一定角度，为模拟主销3的倾角变化提供基础。

在垂向滑块7的一个轴承座7a上固定了倾角编码器8，倾角编码器8与主销转动座4的短轴4b同轴安装，用于检测主销转动座4绕短轴4b转动的角度。

横向滑块9为中部带有矩形槽的平板，垂向滑块7位于横向滑块9的矩形槽内。矩形槽内安装有两根垂向导杆10，两根垂向导杆10的上下两端都固定连接横向滑块9，两根垂向导杆10垂直穿过垂向滑块7中的通孔，将垂向滑块7限制在横向滑块9的矩形槽内，使垂向滑块7只能在横向滑块9的矩形槽内沿垂向导杆10上下移动。

在前后纵向方向上，垂向滑块7位于横向滑块9前部且两者的前部板面平齐。垂向滑块7与横向滑块9不直接接触。垂向滑块7的上表面通过垂向力传感器9b与横向滑块9矩形槽的上表面连接，垂向力传感器9b垂直布置。当横向滑块9向下移动时则会通过垂向力传感器9b向下压紧垂向滑块7，垂向力传感器9b分别与垂向滑块7和横向滑块9挤压产生的压力，压力由横向滑块9传递至垂向力传感器9b，再由垂向力传感器9b传递给垂向滑块7，垂向力传感器9b则可测出垂向力大小。

在上下垂向方向上，垂向力传感器9b两端通过螺纹分别连接垂向滑块7与横向滑块9；电动轮组件1、主销3、主销转动座4、垂向滑块7、垂向力传感器9b、横向滑块9等部件之间无垂向方向上的相对移动自由度，当该整体向下移动使电动轮组件1压紧底盘测功机2时，相接触部件间会传递垂向压力即系统的垂向力，垂向力大小可由连接垂向滑块7与横向滑块9的垂向力传感器9b实时测取。

参见图5、图6，在横向滑块9上部设有滑块销座9c，滑块销座9c通过销轴连接纵置电动推杆11后端，纵置电动推杆11前端与主销转动座4上的带销孔的方形块4c铰接。

参见图1、图2，主滑块13为带有矩形阶梯柱13a的平板，主滑块13的左端向向前方凸出一凸台，右端向前方凸出一矩形阶梯柱13a。在凸台和矩形阶梯柱13a之间固定连接两根横向导杆12，两根横向导杆12上下布置并且水平，并且两横向导杆12均穿过横向滑块9上的相应孔，如此通过两横向导杆12将横向滑块9安装在主滑块13上。横向导杆12既为横向滑块9提供垂直支撑，又可以限制横向滑块9只能沿横向导杆12方向左右运动，为侧向力的测量提供了条件。在前后纵向方向上，横向滑块9位于主滑块13之前，两者的板面相互平行且无接触。

参见图1，主滑块13上下贯通有一个内螺纹通孔与两个平行的通孔，分别与电机丝杠组件15的丝杠和主导杆14配合，电机丝杠组件15位于两根主导杆14之间。主滑块13由电机丝杠组件15驱动沿主导杆14上下移动，为装置的垂向载荷施加提供了基础。

参见图2、图6，在横向滑块9横向方向上有两个通孔，右侧面凸起的侧壁上安装有侧向力传感器9a，侧向力传感器9a另一端固定在主滑块13右端的矩形阶梯柱13a左侧面上。

下面详细介绍装置的转向、后倾角模拟与垂直载荷模拟的实施步骤：

装置模拟电动轮组件1的转向功能时，参见图7和图9，横置电动推杆6开始工作，横置电动推杆6缩短，当横置电动推杆6的长度变短时，横置电动推杆6左端拉动主销3的转向臂3a，使主销3绕自身轴线向右转动一定角度，同时横置电动推杆6左端由于随转向臂3a产生了向后的摆动，横置电动推杆6自身也绕销座4a向后转动一个角度。同时，电动轮组件1绕主销3的轴线相对底盘测功机2转过一个角度Φ（如图7），以此实现电动轮组件1的转向模拟功能。同时，与主销3同轴转动的转角编码器5实时检测主销3的转动角度，该转动角度即为电动轮组件1的转角。

参见图7，对汽车转向功能进行模拟时，当车轮产生一个转角后，由于底盘测功机2转鼓的转动方向是固定不变的，则轮胎的中心端面相对底盘测功机2转鼓的端面则会产生一个向右的夹角即轮胎转角，该轮胎转角也为Φ，进而产生向右的侧向力。

参见图6、图9，车轮转向后产生一个水平向右指向主销3的侧向力并推动主销3，主销3将向右的侧向力传递至主销转动座4，进而带动与主销转动座4配合的垂向滑块7向右压紧垂向导杆10，垂向导杆10将侧向力传递至横向滑块9，从而压紧固定在横向滑块9与主滑块13的矩形阶梯柱13a之间的侧向力传感器9a，以此实时检测电动轮组件1产生转向时产生侧向力的大小。

参见图7，纵置电动推杆11工作，纵置电动推杆11缩短，当纵置电动推杆11的长度变短时，纵置电动推杆11的前端拉动主销转动座4与主销3绕短轴4b的轴线向后转动一个角度。参见图8，在纵向平面内，主销转动座4与主销3向后转动一个角度时，为主销3的后倾角改变提供动力，主销3的轴心线A相对通过轮胎中心的垂线B产生一个向后的夹角，即为主销3的后倾角。纵置电动推杆11的长度决定了主销3后倾角的大小，该倾角由倾角编码器8实时测得，当纵置电动推杆11的长度保持不变时，电动轮组件1就可在该确定的主销3后倾角下进行各工况的测试工作，实现模拟电动轮组件1的主销后倾角及其角度的检测。

参见图1、图2，转动电机丝杠组件15的丝杠，使主滑块13沿着主导杆14向下移动，进而使固定在主滑块13上的横向导杆12、安装在横向导杆12上的横向滑块9也共同向下移动。参见图1、图6，横向滑块9通过垂向力传感器9b向下压紧垂向滑块7，使垂向滑块7向下移动，同时通过垂向滑块7两侧的轴承座7a将向下的压力传递至主销转动座4上，使主销转动座4带动其上的主销3向下压紧电机轴1a，进一步使电动轮组件1的轮胎向下压紧底盘测功机2的滚筒，以此模拟电动轮组件1受到的垂向载荷。垂向力传感器9b实时检测到的压力大小即为电动轮组件1受到的垂向载荷大小，实现电动轮组件1受到的垂向载荷模拟。

Claims (7)

1.一种具有转向功能的电动轮实验装置，电动轮组件（1）压在底盘测功机（2）表面，电动轮组件（1）的中心轴同轴连接电机轴（1a），电机轴（1a）与右侧的主销（3）的中间过盈配合连接，其特征是：主销（3）上下两端各通过一个角接触轴承与主销转动座（4）连接，主销转动座（4）上端面处设有转角编码器（5）；主销（3）上部向右前方伸出一转向臂（3a），转向臂（3a）另一端铰接横置电动推杆（6）前端，横置电动推杆（6）后端连接销接主销转动座（4）；主销转动座（4）位于垂向滑块（7）和横向滑块（9）的前方，主销转动座（4）左右两侧面各固定连接一短轴（4b），垂向滑块（7）左右两端各经滚动轴承连接对应的短轴（4b），短轴（4b）上同轴装有倾角编码器（8）；横向滑块（9）内设有两根垂向导杆（10），垂向滑块（7）沿两根垂向导杆（10）上下移动，垂向滑块（7）上表面和横向滑块（9）之间连接垂直的垂向力传感器（9b）；横向滑块（9）上部通过销轴连接纵置电动推杆（11）后端，纵置电动推杆（11）前端铰接主销转动座（4）；主滑块（13）上设置两根横向导杆（12），横向滑块（9）沿横向导杆（12）方向左右运动；主滑块（13）分别与主导杆（14）和电机丝杠组件（15）的丝杠配合，主滑块（13）由电机丝杠组件（15）驱动沿主导杆（14）上下移动，在主滑块（13）和横向滑块（9）之间设置侧向力传感器（9a）。

2.根据权利要求1所述一种具有转向功能的电动轮实验装置，其特征是：在初始状态时，电机轴（1a）与主销（3）相互垂直，无周向转动与轴向移动；转向臂（3a）、横置电动推杆（6）均水平。

3.根据权利要求1所述一种具有转向功能的电动轮实验装置，其特征是：主销转动座（4）是U型板结构，U型板开口朝向主销（3），主销（3）的上下两端分别经角接触轴承连接主销转动座（4）的上下板，主销转动座（4）的顶部向上凸出有带销孔的方形块（4c），带销孔的方形块（4c）铰接纵置电动推杆（11）前端，在主销转动座（4）的上板面下方连接销座（4a），销座（4a）销接横置电动推杆（6）的后端。

4.根据权利要求1所述一种具有转向功能的电动轮实验装置，其特征是：横向滑块（9）为中部带有矩形槽的平板，垂向滑块（7）位于横向滑块（9）的矩形槽内，矩形槽内装有两根垂向导杆（10），垂向滑块（7）的上表面通过垂向力传感器（9b）与横向滑块（9）的矩形槽的上表面连接。

5.根据权利要求1所述一种具有转向功能的电动轮实验装置，其特征是：在前后方向上，垂向滑块（7）位于横向滑块（9）前部且两者的前部板面平齐，垂向滑块（7）与横向滑块（9）不接触。

6.根据权利要求1所述一种具有转向功能的电动轮实验装置，其特征是：主滑块（13）的左端向前方凸出一凸台，右端向前方凸出一矩形阶梯柱（13a），在凸台和矩形阶梯柱（13a）之间固定连接两根上下布置且水平的横向导杆（12），两根横向导杆（12）均穿过横向滑块（9）上的相应孔，侧向力传感器（9a）固定在主滑块（13）矩形阶梯柱（13a）左侧面上。

7.权利要求1所述一种具有转向功能的电动轮实验装置的实验方法，其特征是包含有以下步骤：

1）横置电动推杆（6）缩短，横置电动推杆（6）左端拉动转向臂（3a），使主销（3）绕自身轴线向右转动，同时横置电动推杆（6）自身也向后转动，电动轮组件（1）绕主销（3）的轴心线相对底盘测功机（2）转过一个角度，实现电动轮组件（1）的转向模拟，转角编码器（5）实时检测主销（3）的转动角度，该转动角度即为电动轮组件（1）的转角；

2） 转向模拟时，主销（3）将向右的侧向力传递，带动垂向滑块（7）向右压紧垂向导杆（10），横向滑块（9）压紧侧向力传感器（9a），检测电动轮组件（1）转向时产生的侧向力的大小；

3）纵置电动推杆（11）缩短，拉动主销（3）绕短轴（4b）的轴线向后转动，主销（3）的轴心线相对于通过轮胎中心的垂线产生主销（3）的后倾角，倾角编码器（8）实时测得后倾角；

4）转动电机丝杠组件（15），主滑块（13）沿着主导杆（14）向下移动，横向导杆（12）和横向滑块（9）共同向下移动，横向滑块（9）通过垂向力传感器（9b）向下压紧垂向滑块（7），使垂向滑块（7）向下移动，带动主销（3）向下压紧电机轴（1a），电动轮组件（1）的轮胎向下压紧底盘测功机（2），模拟电动轮组件（1）受到的垂向载荷，垂向力传感器（9b）实时检测垂向载荷大小。