CN108414247A - 一种电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架与试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架与试验方法，属于电动汽车试验设备技术领域。试验台架包括：整体框架，实车模拟质量块，实车模拟弹簧，数据采集系统，馈能作动器，路面激励模拟装置，微处理器以及数据处理软件等。路面激励模拟装置输出目标路面不平度激励信号，实车模拟质量块沿着导杆上下振动，通过激光位移传感器测量其位移数据，同时采集馈能作动器输出电流和输出电压。本发明结合了悬架减振性能和能量回馈性能测试功能，流程合理，操作简单，为电动汽车新型能量回馈悬架的设计开发和试验验证提供了可靠的试验手段。

Description

一种电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架与试验 方法

技术领域

本发明属于电动汽车试验设备技术领域，具体涉及一种电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架与试验方法。

背景技术

悬架系统是车架与车桥之间的一切传力连接装置的总称，是汽车行驶系统的重要组成部分，其主要作用是把路面作用于车轮上的垂直、纵向和侧向反力以及由这些反力所造成的力矩传递到车架上，以保证汽车的行驶平顺性。

随着能源短缺和环境污染问题的不断加剧，电动汽车正逐渐成为未来汽车的发展方向，目前电动汽车发展的主要瓶颈在于其续驶里程问题。传统汽车悬架系统通过将机械振动能量转化为热量散失，为了进一步俘获并利用悬架振动能量，通过滚珠丝杠机构以及馈能电机将电动汽车振动的直线位移转化为馈能电机的旋转，从而使馈能电机工作在发电机模式，将发出的电能通过储能系统储存供电动汽车使用可一定程度上改善续驶里程问题。

汽车行驶过程中，由悬架系统承载的车身重量为簧上质量，由车轮等组成的不由悬架系统承载的为簧下质量，由于路面不平，车轮受到来自路面的冲击力，通过悬架系统缓冲起到减振作用，簧上质量和簧下质量按不同的规律振动、振动频率、振幅以及加速度随着路面激励情况的改变而改变。因此，车辆悬架系统是一个复杂的振动系统，悬架系统的建立应根据车辆系统的结构形式，类型等要求进行适当简化。四分之一车辆模型虽然没有体现车辆的整体信息，但其包含了实际问题中车辆性能分析的主要特征且结构简单，是使用较为普遍的基础模型。

综上所述，如何最大程度模拟实际电动汽车，测得悬架系统对不同等级路面激励的响应情况从而获得减振性能，同时测得馈能电机的发电功率获得悬架系统馈能潜力，并通过调整馈能作动器相关参数在较理想减振性能下获得最大馈能功率成为需要解决的关键问题。目前，只有基于传统减振器或磁流变减振器等的一系列需要实际减振器参与的悬架性能试验台架及试验方法，还没有现成的试验台架以及试验方法可对新型能量回馈悬架的减振性能及能量回馈性能进行综合测试及优化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架与试验方法，本发明的试验台架结构涉及合理，简单稳定，测量数据精确可靠，能较准确的测得电动汽车悬架减振及馈能性能并对馈能作动器进行参数优化。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架，包括台架底座以及安装在台架底座上的实车模拟质量块、实车模拟弹簧、数据采集系统、馈能作动器、路面激励模拟装置以及微处理器；在台架底座两端分别垂直固定一根导杆，两根导杆相互平行设置；其中：

所述实车模拟质量块包括簧上质量块、簧下质量块及路面激励质量块，上述三个质量块两端均开设通孔，通过通孔套接安装在两根导杆上且能够沿着导杆上下直线运动；实车模拟弹簧包括第一弹簧和两个第二弹簧，簧上质量块与簧下质量块通过第一弹簧相连，簧下质量块与路面激励质量块通过对称分布的两个第二弹簧相连；

所述馈能作动器包括馈能电机和设置于馈能电机轴下方的滚珠丝杠副，馈能电机固定于簧上质量块上表面，馈能电机轴穿过簧下质量块并固定在其上，馈能作动器能够将台架的直线运动转化为馈能电机轴的旋转运动；所述路面激励模拟装置设置在台架底座与路面激励质量块之间，用来输出预期的路面不平度激励信号；

所述数据采集系统包括位移采集装置和电压电流采集电路，位移采集装置包括三个激光位移传感器和对应设置的三个挡光器，用于实时采集各质量块的位移；电压电流采集电路设置在馈能电机的输出端；所述微处理器，用于收集并传输采集得到的台架位移数据及电流电压数据，同时为路面激励模拟装置提供路面激励信号。

优选地，所述路面激励模拟装置包括固定在台架底座上的伺服电机及由其拖动的伺服电动缸，伺服电动缸的一端与伺服电机连接，另一端与路面激励质量块相连。

进一步优选地，伺服电机通过底部安装耳与台架底座固接，伺服电动缸输出轴与路面激励质量块通过球铰链连接，将伺服电动缸的输出传递给路面激励质量块。

优选地，在台架底座上设有两块方钢，两根导杆通过分别固定在两块方钢上，方钢上还设有一块限位板。

进一步优选地，三个激光位移传感器设置于限位板的侧面，能够使发射的光束平行于导杆，沿着三个激光位移传感器发射的光束分别在簧上质量块、簧下质量块以及路面激励质量块上各安装一个挡光器。

优选地，三个激光位移传感器的信号线通过数据采集电路接入微处理器，微处理器与PC端相连。

优选地，簧上质量块的上表面开设有若干螺纹孔，用于固定不同质量的配重块，用于改变簧上质量块与簧下质量块的质量比。

优选地，所述微处理器为基于ARM内核的STM32F103控制器。

本发明还公开了采用上述的电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在试验台架静止的情况下对激光位移传感器进行较零，保证静止状态测得各个质量块的位移为0；

步骤2：通过处理器控制路面激励模拟装置输出目标的路面激励信号，通过路面激励质量块将路面激励信号传递给簧下质量块和簧上质量块，即传递给整个台架系统；同时，激光位移传感器与电流电压采集电路开始采集相关数据；

步骤3：重复步骤2操作2-3次，微处理器将采集到的位移、电流及电压数据通过串口实时发送给PC并存储，经数据处理得到各质量块的位移图线，以及馈能电机的输出电流、输出电压以及输出功率参数；

步骤4：通过调整馈能电机的各项参数或改变滚珠丝杠参数后重复步骤1～3直至获得理想的馈能作动器参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的电动汽车新型馈能悬架性能试验台架，包括台架底座、实车模拟质量块、实车模拟弹簧、数据采集系统、馈能作动器、路面激励模拟装置及微处理器等。馈能作动器由一套滚珠丝杠副及一个馈能电机组成，可将悬架系统直线振动转化为电机轴旋转运动；路面激励模拟装置输出目标路面不平度激励信号，实车模拟质量块沿着导杆上下振动，通过激光位移传感器测量其位移数据，同时采集馈能作动器输出电流和输出电压。本发明采用实车按比例缩小模拟的方式，不需要实际的减振器参与，结构较简单稳定，测量数据精确可靠，能较准确的测得电动汽车悬架减振及馈能性能并对馈能作动器进行参数优化。

本发明公开的试验方法，结合了悬架减振性能和能量回馈性能测试功能，流程合理，操作简单，为电动汽车新型能量回馈悬架的设计开发和试验验证提供了可靠的试验手段。

附图说明

图1为本发明电动汽车新型能量回馈悬架试验台架的组装示意图；

图2为本发明所述馈能作动器结构示意图；

图3为本发明一个具体实施例的试验台架结构示意图；

图4为本发明所述电动汽车新型能量回馈悬架试验台架试验方法流程示意图。

图中，10为馈能电机；111,112为导杆；12为簧上质量块；13为簧下质量块；14为路面激励质量块；151为伺服电动缸；152为伺服电机；16为轴承；17为第一弹簧；18为滚珠丝杠副；181为滚珠丝杠；182为丝杠螺母；183为丝杠轴承；184为联轴器；185为作动器壳体；191,192为第二弹簧；21为限位板；22为台架底座；201为挡光器；202为激光位移传感器；

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例，对依据本发明提出的电动汽车馈能悬架性能试验台架及试验方法的具体实施方式，结构，特征及其功效，详细说明如后。

参见图1，为本发明的一种电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架组装示意图，包括台架底座22以及安装在台架底座22上的实车模拟质量块、实车模拟弹簧、数据采集系统、馈能作动器、路面激励模拟装置以及微处理器；

在台架底座22两端分别垂直固定一根导杆111和112，两导杆外部为两块方钢焊接于台架底座22上，用于支撑整个试验台架，铝合金限位板21置于方钢上，用于保证两导杆的平行；两导杆上通过轴承安装实车模拟质量块，包括簧上质量块12、簧下质量块13以及路面激励质量块14，各个质量块两端分别开孔，通过轴16套接在两导杆上实现上下直线运动；簧上质量块12和簧下质量块13之间通过第一弹簧17相连，其相对位移改变第一弹簧17压缩和伸张情况，第一弹簧17用来模拟实际电动汽车馈能悬架系统中弹簧；簧下质量块13和路面激励质量块14通过两个对称分布的第二弹簧191,192相连，用来模拟实际汽车的轮胎刚度，将路面激励质量块14的路面信号传递给簧下质量块13。所述微处理器，用于收集并传输采集得到的台架位移数据及电流电压数据，同时为路面激励模拟装置提供路面激励信号。

参见图2，上述馈能作动器由一套滚珠丝杠副18和一个馈能电机10组成，馈能作动器外套设有作动器壳体185，如图1所示，馈能电机10通过法兰固定于簧上质量块12的上表面，馈能电机轴穿过簧上质量块12上的通孔并通过联轴器184、丝杠轴承183与滚珠丝杠轴连接，滚珠丝杠轴穿过簧下质量块13上的通孔并固定在其上，滚珠丝杠轴包括滚珠丝杠181和套设在其上的丝杠螺母182组成。结合图1及图2，可见滚珠丝杠副18将簧上质量块12和簧下质量块13之间的直线相对位移转化为滚珠丝杠轴的转动，从而带动馈能电机轴转动，实现能量回馈。

参见图3，优选地，簧上质量块12上表面开有一系列螺纹孔，可以用于固定一定质量的配重块，从而改变簧上质量块12与簧下质量块13的质量比，实现对不同型号电动汽车的模拟。

优选地，参见图3，在本发明的一个实施例中，路面激励模拟装置采用一台伺服电机152及其拖动的伺服电动缸151，伺服电机152通过底部安装耳与台架底座22固接，伺服电动缸151输出轴与路面激励质量块14通过球铰链连接，将伺服电动缸151输出传递给路面激励质量块14；通过给伺服电机152驱动器一定的输入信号，驱动伺服电动缸输出目标路面不平度信号，激励台架各质量块产生相应振动。其中，如图3所示，xs为簧上质量块的垂直方向位移，xu为簧下质量块的垂直方向位移，xg为路面激励质量块垂直方向上的位移。这三个位移数据均可通过激光位移传感器测出。xs和xu的位移差由于滚珠丝杠结构的作用可转化为滚珠丝杠轴的转动。

参考图1，本发明所述数据采集系统由三个激光位移传感器202及挡光器201、电压电流采集电路组成，在如图3的一个实施例中，三个激光位移传感器202安装在限位板21的侧面，并保证其发射的光束平行于导杆，沿着激光位移传感器202光束分别在簧上质量块12、簧下质量块13以及路面激励质量块14上分别安装挡光器201，保证挡光器201可以阻挡激光位移传感器202发射的光束，从而实时采集试验台架各质量块的位移；同时，在馈能电机10输出端接入电流、电压采集电路，实时采集馈能电机10电流以及电压输出，从而计算馈能功率。

优选地，本发明所用的微处理器为基于ARM内核的STM32F103控制器，用于采集并传输台架位移数据及电流电压数据，同时为所述伺服电动机及电动缸提供路面激励信号输入。

参见图4，本发明公开的基于上述试验台架的试验方法，包括步骤如下：

步骤一：将三个激光位移传感器202的电源线接入额定的电源，将信号线接入数据采集电路并接入微处理器；在馈能电机10输出端连接电流和电压采集电路，并接入微处理器，将微处理器连接至PC；将伺服电机驱动器连接至控制电路，并接入微处理器；

步骤二：供电及试验准备：具体包括：接通相应电源为激光位移传感器202以及伺服电机152上电，保持台架静止状态将激光位移传感器较零，保证静止时测得各质量块位移为0，将路面激励信号程序，以及数据采集程序写入微处理器，并给微处理器供电，打开PC上串口工具，使试验台架以及数据采集系统准备就绪；

步骤三：测试，具体包括：使烧录到微处理器中的程序开始运行，首先电动缸输出轴上升一段距离，为路面激励质量块留出足够距离；接着伺服电动缸开始输出目标的路面激励信号，通过第二弹簧191,192和第一弹簧17分别将振动传递给簧下质量块13和簧上质量块12，同时激光位移传感器202与电流电压采集电路开始采集相关数据；

步骤四：数据采集和处理，

按照步骤三所述操作重复2-3次，下位机微处理器将采集到的位移，电流以及电压数据通过串口实时发送给PC并存储，使用数据处理软件得到各所述质量块的位移图线，以及馈能电机的输出电流，输出电压以及输出功率；

步骤五：通过调整馈能电机参数或改变滚珠丝杠参数后重复上述步骤，直至获得较理想的馈能作动器参数。

本发明通过改变电动缸输入路面激励信号的频率模拟实际路面情况，采用高精度，高采样频率的激光位移传感器采集唯一信号，保证了试验台架所测数据的精确性。

以上所述仅是本发明的一较佳实施例，并非对本发明作任何形，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架，其特征在于，包括台架底座(22)以及安装在台架底座(22)上的实车模拟质量块、实车模拟弹簧、数据采集系统、馈能作动器、路面激励模拟装置以及微处理器；在台架底座(22)两端分别垂直固定一根导杆，两根导杆相互平行设置；其中：

所述实车模拟质量块包括簧上质量块(12)、簧下质量块(13)及路面激励质量块(14)，上述三个质量块两端均开设通孔，通过通孔套接安装在两根导杆上且能够沿着导杆上下直线运动；实车模拟弹簧包括第一弹簧(17)和两个第二弹簧，簧上质量块(12)与簧下质量块(13)通过第一弹簧(17)相连，簧下质量块(13)与路面激励质量块(14)通过对称分布的两个第二弹簧相连；

所述馈能作动器包括馈能电机(10)和设置于馈能电机轴下方的滚珠丝杠副(18)，馈能电机(10)固定于簧上质量块(12)上表面，馈能电机轴穿过簧下质量块(13)并固定在其上，馈能作动器能够将台架的直线运动转化为馈能电机轴的旋转运动；所述路面激励模拟装置设置在台架底座(22)与路面激励质量块(14)之间，用来输出预期的路面不平度激励信号；

所述数据采集系统包括位移采集装置和电压电流采集电路，位移采集装置包括三个激光位移传感器(202)和对应设置的三个挡光器(201)，用于实时采集各质量块的位移；电压电流采集电路设置在馈能电机(10)的输出端；所述微处理器，用于收集并传输采集得到的台架位移数据及电流电压数据，同时为路面激励模拟装置提供路面激励信号。

2.根据权利要求1所述的电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架，其特征在于，所述路面激励模拟装置包括固定在台架底座(22)上的伺服电机(152)及由其拖动的伺服电动缸(151)，伺服电动缸(151)的一端与伺服电机(152)连接，另一端与路面激励质量块(14)相连。

3.根据权利要求2所述的电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架，其特征在于，伺服电机(152)通过底部安装耳与台架底座(22)固接，伺服电动缸(151)输出轴与路面激励质量块(14)通过球铰链连接，将伺服电动缸(151)的输出传递给路面激励质量块(14)。

4.根据权利要求1所述的电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架，其特征在于，在台架底座(22)上设有两块方钢，两根导杆通过分别固定在两块方钢上，方钢上还设有一块限位板(21)。

5.根据权利要求4所述的电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架，其特征在于，三个激光位移传感器(202)设置于限位板(21)的侧面，能够使发射的光束平行于导杆，沿着三个激光位移传感器(202)发射的光束分别在簧上质量块(12)、簧下质量块(13)以及路面激励质量块(14)上各安装一个挡光器(201)。

6.根据权利要求1所述的电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架，其特征在于，三个激光位移传感器(202)的信号线通过数据采集电路接入微处理器，微处理器与PC端相连。

7.根据权利要求1所述的电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架，其特征在于，簧上质量块(12)的上表面开设有若干螺纹孔，用于固定不同质量的配重块，用于改变簧上质量块(12)与簧下质量块(13)的质量比。

8.根据权利要求1所述的电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架，其特征在于，所述微处理器为基于ARM内核的STM32F103控制器。

9.采用权利要求1～8中任意一项所述的电动汽车能量回收悬架性能与参数设计试验台架的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在试验台架静止的情况下对激光位移传感器(202)进行较零，保证静止状态测得各个质量块的位移为0；

步骤2：通过处理器控制路面激励模拟装置输出目标路面不平度激励信号，通过路面激励质量块(14)将目标路面不平度激励信号传递给簧下质量块(13)和簧上质量块(12)，即传递给整个台架系统；同时，激光位移传感器(202)与电流电压采集电路开始采集相关数据；

步骤3：重复步骤2操作2-3次，微处理器将采集到的位移、电流及电压数据通过串口实时发送给PC并存储，经数据处理得到各质量块的位移图线，以及馈能电机(10)的输出电流、输出电压以及输出功率参数；

步骤4：通过调整馈能电机(10)的各项参数或改变滚珠丝杠参数后重复步骤1～3直至获得理想的馈能作动器参数。