CN114636569B - 可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架及其工作方法 - Google Patents

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CN114636569B CN202210320834.5A CN202210320834A CN114636569B CN 114636569 B CN114636569 B CN 114636569B CN 202210320834 A CN202210320834 A CN 202210320834A CN 114636569 B CN114636569 B CN 114636569B
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Abstract

本发明涉及一种可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架及其工作方法，包括底盘、数据采集系统、整车控制器和动态载荷调整装置；底盘通过悬架系统、转向系统、制动系统和驱动系统控制整车运动状态与姿态的变化；动态载荷调整装置安装于底盘上，包括上、下两层载荷调节机构，分别驱动其上的配重块沿横向、纵向移动；数据采集系统包括车轮转角、车速、横摆角速度、整车横向加速度和整车纵向加速度传感器；整车控制器根据设定的模拟工况、采集到的整车动力学参数，控制动态载荷调整装置工作，实时调整动态载荷在各车轴与左右轮间的变化。该实验台架可以真实、可靠地模拟动态载荷，扩大了实验台架的工程适用范围，以及其对整车载荷变化的模拟范围。

Description

可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架及其工作方法
技术领域
本发明属于多轴车辆实验装置技术领域，具体涉及一种可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架及其工作方法。
背景技术
重型多轴车辆广泛应用于大型风电设备安装、大型桥梁施工、重型洲际导弹运输和全路面作战越野等众多领域。多轴重型车辆指车轴数在两轴以上的车辆，其具有多轴承载、车架超长的特点，可以提高整车的载重质量，降低单轴的承载质量，及对行驶路面的破坏，保证大型设备的完整运输与安装。然而，多轴重型车辆行驶路况多变，容易引起行驶过程中的垂直载荷变化，影响轮胎力学性能，甚至导致轮胎脱离地面接触，引发严重安全问题。因此，需要对多轴重型车辆行驶过程中载荷引起的车辆动力学变化进行研究。
近年来，随着重型车辆研究的深入，实验车型的整车试验更贴近真实效果而受到越来越多的公司以及科研机构的关注。然而，由于整车实验系统庞大、实验环境复杂(受季节更替、车辆作用、路面维修等因素影响)，实际使用时难以提供长期、稳定的实验条件。因此，依靠精简可靠的实验台架模拟整车实验技术是目前多轴重型车辆测试技术的一个发展趋势。
目前多轴重型车辆载荷模拟台架主要围绕车辆静态转向方面展开。在车辆静态载荷实验方面：多轴转向实验台架通过调节加载螺栓的紧固力，对车桥或车架进行变载荷加载，并将底座连接板上面的拉压传感器采集的载荷信号传递至LED进行数值直观显示载荷变化(如专利201210394336.1)。或测试多轴车辆转向性能的实验台架通过车桥两侧设置与轮胎相接触的路面模拟板，并通过加载路面模拟板下方固定连接的液压伺服缸以模拟垂直动载荷变化(如专利201610002966.8)。
现有专利有助于解决重型车辆静态转向时的载荷模拟问题，但仍存在一些不足与局限性，主要表现为：(1)传统实验台架难以模拟车辆动态行驶转向及车辆加减速导致的载荷转移特性，实验模拟的可靠性和真实性不足。多轴重型车辆在动态转向过程中，整车载荷由内侧向外侧转移，导致车桥两侧轮胎载荷不一致；并且，多轴重型车辆加减速行驶时，会导致整车载荷前后变化，进而影响整车性能，使多轴车辆在轻载、重载及超重载等工况下的轮胎力学特性差异较大。而传统实验台架难以模拟车辆在动态转向及加减速过程中的载荷转移特性，使实验范围受限，真实性不足。(2)传统实验台架无法模拟车辆由于坑洼路面行驶、运输液体货物等时出现的负载晃动，工程适用性不足。多轴车辆在不平顺路面行驶时，各轮胎接触的地面存在一定高度差，导致负载晃动。此外，多轴车辆在运输液体货物时，液体晃动也将导致车辆载荷发生剧烈变化，进而影响整车动力学，最终影响实验分析结果。传统实验台架难以实现对负载晃动导致的车辆载荷剧烈变化进行有效模拟，导致实验测试效果不佳，测试范围受限。(3)传统实验台架在模拟整车动态姿态变化导致的整车偏载时受到制约。多轴车辆在实际使用过程中，常通过控制主动悬架进行整车姿态调整，导致整车载荷分布不均，部分车轮偏载严重，影响轮胎力分析结果；同时，由于多轴车辆车身长，在有坡度路面行驶时，由于车轮间存在高度差，导致车身发生倾斜，整车垂直载荷偏载严重。然而，现有实验台架车辆姿态固定，难以模拟由于车辆姿态变化所产生的偏载现象，导致实验测试效果单一，测试结果不全面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架及其工作方法，该实验台架可以真实、可靠地模拟动态载荷，提高了实验台架的工程适用范围，扩大了实验台架对整车载荷变化的模拟范围。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架，包括由悬架系统、转向系统、制动系统、驱动系统以及车架组成的底盘、数据采集系统、整车控制器和动态载荷调整装置；所述底盘通过悬架系统、转向系统、制动系统和驱动系统控制整车运动状态与姿态的变化；所述动态载荷调整装置安装于底盘上，包括分别配设有配重块的上、下两层载荷调节机构，所述配重块用于模拟载荷，上、下两层载荷调节机构分别通过驱动其上的配重块沿横向、纵向移动，调节载荷在底盘上的位置变换；所述数据采集系统包括车轮转角传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、整车横向加速度传感器和整车纵向加速度传感器，各传感器分别与整车控制器连接；所述整车控制器根据上位机设定的模拟工况、采集得到的整车动力学参数，输出控制指令控制动态载荷调整装置工作，实时调整动态载荷在各车轴与左右轮间的变化。
进一步地，上、下两层载荷调节机构均包括配重块、配重驱动模块和支撑模块，所述支撑模块包括承重盘、滑动导轨和限位装置，所述配重驱动模块包括两个伺服缸、移动盘以及安装在移动盘下的滑块，所述配重块包括大质量配重块和小质量配重块，所述大质量配重块固定于移动盘上，所述小质量配重块置于大质量配重块上，所述滑动导轨固定于承重盘中，所述限位装置设置于滑动导轨两端，第一伺服缸固定在承重盘上且其驱动端与移动盘相连，以驱动移动盘、滑块及大质量配重块在滑动导轨上滑动，第二伺服缸也固定在承重盘上且其驱动端与小质量配重块相连，以驱动小质量配重块在大质量配重块上滑动，大、小质量配重块的运动方向一致；上、下两层载荷调节机构上的移动盘分别沿横向、纵向移动，即两者的运动轨迹相互垂直；两个伺服缸的激振频率、振幅根据整车动力学参数和上位机设定的工况进行调节。
进一步地，所述承重盘上设有螺纹孔，所述滑动导轨通过锁紧螺钉固定安装在承重盘中；所述限位装置通过锁紧螺钉固定安装在滑动导轨两端，用于限制滑块在滑动导轨上的滑动距离；所述滑块与滑动导轨相配合，所述滑块上设有螺纹孔，所述移动盘底部通过锁紧螺钉固定安装在滑块上；所述第一、第二伺服缸分别通过螺栓固定连接在承重盘侧面，且其驱动端均设有带有关节轴承的单耳环，所述第一伺服缸上带有关节轴承的单耳环通过销轴与移动盘上的安装吊耳相连，所述第二伺服缸上带有关节轴承的单耳环通过销轴与小质量配重块上的安装吊耳相连。
本发明还提供了上述可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架的工作方法，所述多轴车辆实验台架模拟所需工况时的工作步骤为：
步骤S1：上位机设定多轴车辆所需模拟的路面行驶状态与偏载工况；
步骤S2：数据采集系统中的车轮转角传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、整车横向加速度传感器与整车纵向加速度传感器，实时接收车轮转角、车速、横摆角速度、整车横向加速度与整车纵向加速度信息，整车控制器根据获取得到的工况设定信息和整车动力学参数，计算得到模拟当前工况下配重块的目标运动轨迹；
步骤S3：在获得配重块的目标运动轨迹后，结合动力学参数、车辆的二自由度方程及车辆行驶平衡方程，计算得到控制伺服缸输出的激振频率与振幅，进而控制配重块沿着当前模拟工况下所需的目标运动轨迹运动；
步骤S4：当配重块沿着目标运动轨迹运动，通过控制伺服缸连续改变驱动配重块运动的作用力以及作用方向，控制配重块在运动的过程中给多轴车辆施加设定的路面行驶状态、偏载工况下的载荷转移特性；
步骤S5：当多轴车辆完成所需路面行驶状态和偏载工况的模拟后，整车控制器对伺服缸输出复位指令，控制配重块运动至车辆质心处，并返回步骤S1，等待下一工况模拟信号的到来。
进一步地，当需要模拟车辆处于不同的平顺路面行驶工况时，动态载荷调整装置中伺服缸的工作方式为：
工作方式一：当模拟车辆处于静态工况时，此时伺服缸的控制量为伸出杆长度，在该工况下，伺服缸控制配重块处于车辆质心处，使载荷集中分布于质心处；
工作方式二：当模拟车辆处于转向工况时，此时伺服缸的控制量为控制配重块向左或向右运动的力，在该工况下，上层横向伺服缸控制配重块在两侧车轮间向左或向右移动，且移动方向与车辆转向方向相反，使载荷集中在转向车辆的外侧，并且上层横向伺服缸输出力的大小根据车辆二自由度方程确定；
工作方式三：当模拟车辆处于加速工况时，此时伺服缸的控制量为控制配重块向后轴运动的力，在该工况下，下层纵向伺服缸控制配重块由前轴向后轴移动，使载荷向后轴转移；当模拟车辆处于减速工况时，此时伺服缸的控制量为控制配重块向前轴运动的力，在该工况下，下层纵向伺服缸控制配重块由后轴向前轴移动，使载荷向前轴转移，同时，当模拟加、减工况时，下层纵向伺服缸输出力大小根据车辆行驶平衡方程确定；
工作方式四：当车辆处于稳态转向及匀速行驶的工况时，此时伺服缸的控制量为伸出杆长度，在该工况下，通过控制伺服缸锁死，使配重块运动状态保持为静止，保证载荷在该工况下的作用位置一致不变。
进一步地，伺服缸控制配重块运动所需的作用力的计算方法为：
FX＝Ft-Ff-Fw-Fi
其中，
式中，FY为车辆沿Y轴方向的合力，FX为车辆沿X轴方向的合力，MZ为车辆绕Z轴方向的横摆力矩，IZ为车辆绕Z轴的转动惯量，wr为整车横摆角速度，M为整车质量，Ft为车辆驱动力，Ff为车辆滚动阻力，Fw为空气阻力，Fi为坡度阻力，K为轮胎侧偏刚度，v为质心速度V在Y轴上的分量，u为质心速度V在X轴上的分量，δi为第i轴转角，k为多轴车辆的轴数，aY为整车的横向加速度，aX为整车的纵向加速度，Li表示车辆质心到第i轴的距离，在质心之前为正，质心之后为负；
Fx1＝(m1+m2)(aX-μg)
Fx2＝m2(aX-μ2g)
Fy1＝(m3+m4)(aY-μg)
Fy2＝m4(aY-μ2g)
式中，Fx1为动态载荷调整装置中与纵向大质量配重块相连的伺服缸作用力，Fx2为动态载荷调整装置中与纵向小质量配重块相连的伺服缸作用力，Fy1为动态载荷调整装置中与横向大质量配重块相连的伺服缸作用力，Fy2为动态载荷调整装置中与横向小质量配重块相连的伺服缸作用力，m1为纵向上大质量配重块质量，m2为纵向上小质量配重块质量，m3为横向上大质量配重块质量，m4为横向上小质量配重块质量，μ为滑块与滑动导轨的摩擦系数，μ2为大、小质量配重块间的摩擦系数，g为重力加速度，aY为整车的横向加速度，aX为整车的纵向加速度。
进一步地，当模拟车辆处于因承重负载晃动而导致载荷剧烈变化的工况，或模拟因不平顺路面行驶而导致载荷波动的工况时，数据采集系统采集实车信号，整车控制器计算出下层纵向配重块与上层横向配重块需要模拟的运动频率与运动幅度，进而控制上、下层伺服缸的激振频率与振幅；并且，通过组合控制各层大、小质量配重块的运动状态，使生成载荷的波动形式可复合叠加。
进一步地，当模拟车辆处于因承重负载晃动而导致载荷剧烈变化的工况，或模拟因不平顺路面行驶而导致载荷波动的工况时，上、下层的大、小质量配重块叠加运动后产生的横、纵向波动载荷为：
F′X＝F1 sin w1t+F2 sin w2t
F′Y＝F3 sin w3t+F4 sinw4t
F1＝(m1+m2)μg
F2＝m2μ2g
F3＝(m3+m4)μg
F4＝m4μ2g
式中，F′X为纵向载荷变化，F′Y为横向载荷变化，F1与w1分别为纵向上控制大质量配重块运动的伺服缸输出力幅值与频率，F2与w2分别为纵向上控制小质量配重块运动的伺服缸的输出力幅值与频率，F3与w3分别为横向上控制大质量配重块运动的伺服缸的输出力幅值与频率，F4与w4分别为横向上控制小质量配重块运动的伺服缸的输出力幅值与频率，m1为纵向上大质量配重块质量，m2为纵向上小质量配重块质量，m3为横向上大质量配重块质量，m4为横向上小质量配重块质量，μ为滑块与滑动导轨的摩擦系数，μ2为大、小质量配重块间的摩擦系数，g为重力加速度。
进一步地，当模拟在有坡度路面行驶时因车身倾斜而导致整车载荷的严重偏载，或模拟多轴车辆姿态调整时，上位机根据整车偏载的大小及方向，通过矢量分解将偏载解耦成横、纵向的载荷移动，并由此得到所需模拟的横、纵向载荷，随后通过控制动态载荷调整装置中的伺服缸伸缩，驱动横、纵向配重块的运动，完成实际横、纵向载荷分布与调整。
进一步地，当整车偏载在横、纵向上解耦后，伺服缸的伸缩长度为：
AX＝L sinα
AY＝L cosα
此时，等效的横、纵向上的载荷为：
MX＝M sinα＝m1+m2
MY＝M cosα＝m3+m4
伺服缸的输出力为：
Fx1＝μMXg
Fx2＝μ2m2g
Fy1＝μMYg
Fy2＝μ2m4g
式中，AX为纵向伺服缸伸缩长度，AY为横向伺服缸伸缩长度，L为设定的偏载坐标点到车辆质心的距离，Fx1为纵向第一伺服缸的输出力，Fy1为横向第一伺服缸的输出力，Fx2为纵向第二伺服缸的输出力，Fy2为横向第二伺服缸的输出力，α为偏载坐标点到质心连线与车辆纵向中心线的夹角，M为设定的偏载大小，μ为滑块与滑动导轨的摩擦系数，μ2为大、小质量配重块间的摩擦系数，m1为纵向上大质量配重块质量，m2为纵向上小质量配重块质量，m3为横向上大质量配重块质量，m4为横向上小质量配重块质量，MX为纵向上大小配重块质量和，MY为横向上大小配重块质量和，g为重力加速度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)通过基于伺服缸控制的动态载荷调整装置，有效解决模拟多轴车辆动态行驶转向及车辆加、减速导致的载荷转移特性。即通过底盘驱动、制动及转向系统实现整车的运动状态变化，并通过整车动力学参数的采集与分析，控制推动配重块的作用力和作用方向，实现整车载荷在各轴间及左右轮间变化，用以模拟多轴车辆的载荷转移特性；并可通过设置不同质量的配重块来模拟多轴车辆在不同负载工况下的载荷大小，以适应多轴车辆在轻载、重载和超重载等工况下的载荷模拟需要，提高实验模拟的多样化以及实验测试的真实性。
2)通过对动态载荷调整装置中的伺服缸施加基于频率与振幅的复合控制，结合层级配重块叠加运动的规律形式，可模拟多轴车辆因负载晃动或在不平顺路面行驶导致的载荷变化。即根据整车控制器对配重块目标运动轨迹规划的结果，通过伺服缸输出的激振频率和振幅，组合控制各层大、小质量的配重块运动，对多轴车辆施加叠加形式的波动载荷，用以模拟车辆在运输液体货物时因负载晃动导致的车辆载荷剧烈变化的复杂工况；同时，该动态载荷调整装置也可在非负载晃动的使用场合下，激励伺服缸用以模拟多轴车辆在不平顺路面行驶过程中所受波动载荷，突破了传统实验台架仅能在实际场合才能进行实验的局限性，有效提高了实验台架的工程适用范围。
3)通过动态载荷调整装置中的横、纵向伺服缸控制配重块的移动，实现了整车载荷变化在横、纵向的解耦，有效解决模拟多轴车辆动态行驶时姿态变化导致的偏载现象。即通过矢量分解将偏载解耦成横、纵向的载荷移动，并同步控制动态载荷调整装置中横、纵向伺服缸的伸缩，进而控制上、下两层配重块运动，实现对多轴车辆姿态变化和在有坡度路面行驶时因车身倾斜导致整车载荷的严重偏载的有效模拟，扩大了实验台架对整车载荷变化的模拟范围。
附图说明
图1是本发明实施例中多轴车辆实验台架的整体结构示意图。
图2是本发明实施例中多轴车辆实验台架的组成结构爆炸示意图。
图3是本发明实施例中载荷调节机构的结构示意图。
图4是本发明实施例中多轴车辆实验台架的控制原理图。
图5是本发明实施例中多轴车辆实验台架在模拟工况时的工作流程图。
图6是本发明实施例中配重块在平顺路面行驶状态下的运动轨迹示意图。
图7是本发明实施例中配重块在非平顺路面或运载液体货物工况下的运动轨迹示意图。
图8是本发明实施例中配重块在非平顺路面或运载液体货物工况下所产生的载荷变化示意图。
图9是本发明实施例中配重块在模拟整车倾斜或姿态发生变化时的运动轨迹示意图。
图中：1、车架，2、电池，3、立柱，4、上叉臂，5、下叉臂，6、球铰，7、减振器，8、轮毂电机，9、轮辋，10、轮胎，11、转向伺服推杆，12、转向拉杆，13、转向摇臂，14、制动伺服拉杆，15、连接件，16、制动主缸，17、制动轮缸，18、制动盘，19、承重盘，20、滑动导轨，21、限位装置，22、伺服缸，23、移动盘，24、滑块，25、大质量配重块，26、带有关节轴承的单耳环，27、整车控制器，28、轮毂电机控制器，29、转向伺服推杆控制器，30、制动伺服拉杆控制器，31、小质量配重块。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1、2所示，本实施例提供了一种可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架，包括由悬架系统、转向系统、制动系统、驱动系统以及车架1组成的底盘、数据采集系统、整车控制器和动态载荷调整装置；所述底盘通过悬架系统、转向系统、制动系统和驱动系统控制整车运动状态与姿态的变化；所述动态载荷调整装置安装于底盘上，包括分别配设有配重块的上、下两层载荷调节机构，所述配重块用于模拟载荷，上、下两层载荷调节机构分别通过驱动其上的配重块沿横向、纵向移动，调节载荷在底盘上的位置变换；所述数据采集系统包括车轮转角传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、整车横向加速度传感器和整车纵向加速度传感器，各传感器分别与整车控制器连接；所述整车控制器根据上位机设定的模拟工况、采集得到的整车动力学参数，输出控制指令控制动态载荷调整装置工作，实时调整动态载荷在各车轴与左右轮间的变化。
其中，悬架系统包括立柱3、上叉臂4、下叉臂5、球铰6及减振器7，转向系统包括转向伺服推杆11、转向拉杆12、转向摇臂13，制动系统包括制动伺服拉杆14、连接件15、制动主缸16、制动轮缸17、制动盘18及液压管路，驱动系统采用轮毂电机8驱动。
图3(a)、3(b)为本实施例中载荷调节机构的整体结构及爆炸示意图。如图3(a)、3(b)所示，上、下两层载荷调节机构均包括配重块、配重驱动模块和支撑模块，所述支撑模块包括承重盘19、滑动导轨20和限位装置21，所述配重驱动模块包括两个伺服缸22、移动盘23以及安装在移动盘23下的滑块24，所述配重块包括大质量配重块25和小质量配重块31，所述大质量配重块25固定于移动盘23上，所述小质量配重块31置于大质量配重块25上，所述滑动导轨20固定于承重盘19中，所述限位装置21设置于滑动导轨20两端，第一伺服缸固定在承重盘19上且其驱动端与移动盘23相连，以驱动移动盘23、滑块24及大质量配重块25在滑动导轨20上滑动，第二伺服缸也固定在承重盘19上且其驱动端与小质量配重块31相连，以驱动小质量配重块31在大质量配重块25上滑动，大、小质量配重块的运动方向一致；上、下两层载荷调节机构上的移动盘分别沿横向、纵向移动，即两者的运动轨迹相互垂直；两个伺服缸的激振频率、振幅根据整车动力学参数和上位机设定的工况进行调节。
具体地，所述承重盘19上设有螺纹孔，所述滑动导轨20通过锁紧螺钉固定安装在承重盘19中；所述限位装置21通过锁紧螺钉固定安装在滑动导轨20两端，用于限制滑块24在滑动导轨20上的滑动距离；所述滑块24与滑动导轨20相配合，所述滑块24上设有螺纹孔，所述移动盘23底部通过锁紧螺钉固定安装在滑块24上；所述第一、第二伺服缸22分别通过螺栓固定连接在承重盘19侧面，且其驱动端均设有带有关节轴承的单耳环，所述第一伺服缸上带有关节轴承的单耳环通过销轴与移动盘23上的安装吊耳相连，所述第二伺服缸上带有关节轴承的单耳环通过销轴与小质量配重块31上的安装吊耳相连。
如图4所示，整车控制器用以规划配重块目标运动轨迹和设定配重块运动状态，控制驱动系统中的轮毂电机、转向系统中的转向伺服推杆、制动系统中的制动伺服拉杆，实现多轴车辆驱动、转向、制动，并通过数据采集模块采集整车动力学参数；同时，整车控制器根据采集到的整车动力学参数和上位机设定的模拟工况，使动态载荷调整装置中的伺服缸驱动控制单元控制伺服缸的作用力和作用方向、激振频率与振幅，进一步控制配重块移动。
本实施例还提供了上述可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架的工作方法，如图5所示，所述多轴车辆实验台架模拟所需工况时的工作步骤为：
步骤S1：上位机设定多轴车辆所需模拟的路面行驶状态与偏载工况；
步骤S2：数据采集系统中的车轮转角传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、整车横向加速度传感器与整车纵向加速度传感器，实时接收车轮转角、车速、横摆角速度、整车横向加速度与整车纵向加速度信息，整车控制器根据获取得到的工况设定信息和整车动力学参数，计算得到模拟当前工况下配重块的目标运动轨迹；
步骤S3：在获得配重块的目标运动轨迹后，结合动力学参数、车辆的二自由度方程及车辆行驶平衡方程，计算得到控制伺服缸输出的激振频率与振幅，进而控制配重块沿着当前模拟工况下所需的目标运动轨迹运动；
步骤S4：当配重块沿着目标运动轨迹运动，通过控制伺服缸连续改变驱动配重块运动的作用力以及作用方向，控制配重块在运动的过程中给多轴车辆施加设定的路面行驶状态、偏载工况下的载荷转移特性；
步骤S5：当多轴车辆完成所需路面行驶状态和偏载工况的模拟后，整车控制器对伺服缸输出复位指令，控制配重块运动至车辆质心处，并返回步骤S1，等待下一工况模拟信号的到来。
图6为本实施例中配重块在平顺路面行驶状态下的运动轨迹示意图。以图6中多轴车辆处于加速且右转向状态为例，此时动态载荷调整装置中的伺服缸因车辆加速状态而推动下层纵向配重块向后轴移动(即图中所示为向左方向)，因右转向而推动上层横向配重块向转向内侧移动(即图中所示为向上方向)，以完成当前工况下的载荷模拟。
在本实施例中，当需要模拟车辆处于不同的平顺路面行驶工况时，动态载荷调整装置中伺服缸的工作方式为：
工作方式一：当模拟车辆处于静态工况时，此时伺服缸的控制量为伸出杆长度，在该工况下，伺服缸控制配重块处于车辆质心处，使载荷集中分布于质心处；
工作方式二：当模拟车辆处于转向工况时，此时伺服缸的控制量为控制配重块向左或向右运动的力，在该工况下，上层横向伺服缸控制配重块在两侧车轮间向左或向右移动，且移动方向与车辆转向方向相反，使载荷集中在转向车辆的外侧，并且上层横向伺服缸输出力的大小根据车辆二自由度方程确定；
工作方式三：当模拟车辆处于加速工况时，此时伺服缸的控制量为控制配重块向后轴运动的力，在该工况下，下层纵向伺服缸控制配重块由前轴向后轴移动，使载荷向后轴转移；当模拟车辆处于减速工况时，此时伺服缸的控制量为控制配重块向前轴运动的力，在该工况下，下层纵向伺服缸控制配重块由后轴向前轴移动，使载荷向前轴转移，同时，当模拟加、减工况时，下层纵向伺服缸输出力大小根据车辆行驶平衡方程确定；
工作方式四：当车辆处于稳态转向及匀速行驶的工况时，此时伺服缸的控制量为伸出杆长度，在该工况下，通过控制伺服缸锁死，使配重块运动状态保持为静止，保证载荷在该工况下的作用位置一致不变。
具体地，伺服缸控制配重块运动所需的作用力的计算方法为：
FX＝Ft-Ff-Fw-Fi
其中，
式中，FY为车辆沿Y轴方向的合力，FX为车辆沿X轴方向的合力，MZ为车辆绕Z轴方向的横摆力矩，IZ为车辆绕Z轴的转动惯量，wr为整车横摆角速度，M为整车质量，Ft为车辆驱动力，Ff为车辆滚动阻力，Fw为空气阻力，Fi为坡度阻力，K为轮胎侧偏刚度，v为质心速度V在Y轴上的分量，u为质心速度V在X轴上的分量，δi为第i轴转角，k为多轴车辆的轴数，aY为整车的横向加速度，aX为整车的纵向加速度，Li表示车辆质心到第i轴的距离，在质心之前为正，质心之后为负；
Fx1＝(m1+m2)(aX-μg)
Fx2＝m2(aX-μ2g)
Fy1＝(m3+m4)(aY-μg)
Fy2＝m4(aY-μ2g)
式中，Fx1为动态载荷调整装置中与纵向大质量配重块相连的伺服缸作用力，Fx2为动态载荷调整装置中与纵向小质量配重块相连的伺服缸作用力，Fy1为动态载荷调整装置中与横向大质量配重块相连的伺服缸作用力，Fy2为动态载荷调整装置中与横向小质量配重块相连的伺服缸作用力，m1为纵向上大质量配重块质量，m2为纵向上小质量配重块质量，m3为横向上大质量配重块质量，m4为横向上小质量配重块质量，μ为滑块与滑动导轨的摩擦系数，μ2为大、小质量配重块间的摩擦系数，g为重力加速度，aY为整车的横向加速度，aX为整车的纵向加速度。
图7、8分别为本实施例中配重块在非平顺路面或运载液体货物工况下的运动轨迹示意图和所产生的载荷变化示意图。
本实施例中，以图7为例，若横向上的大、小质量配重块m3、m4以相同的幅值和频率沿横向(Y轴)运动，纵向上的大、小质量配重块m1、m2固定在A处，此时车辆质心O点处垂直方向上的载荷FZ如图8(a)所示；若横向上的大、小质量配重块m3、m4以相同的幅值和频率沿横向(Y轴)运动，纵向上的大、小质量配重块m1、m2以相同的幅值和频率沿纵向(X轴)运动，此时车辆质心O点处垂直方向上的载荷FZ如图8(b)所示；若横向上的大、小质量配重块m3、m4以不同的幅值和频率沿横向(Y轴)运动，纵向上的大、小质量配重块m1、m2固定在A处，此时车辆质心O点处垂直方向上的载荷FZ如图8(c)所示。
在本实施例中，当模拟车辆处于因承重负载晃动而导致载荷剧烈变化的工况，或因不平顺路面行驶而导致载荷波动的工况时，数据采集系统采集实车信号，整车控制器计算出下层纵向配重块与上层横向配重块需要模拟的运动频率与运动幅度，进而控制上、下层伺服缸的激振频率与振幅；并且，通过组合控制各层大、小质量配重块的运动状态，使生成载荷的波动形式可复合叠加。
具体地，当模拟车辆处于因承重负载晃动而导致载荷剧烈变化的工况，或模拟因不平顺路面行驶而导致载荷波动的工况时，上、下层的大、小质量配重块叠加运动后产生的横、纵向波动载荷为：
F′X＝F1 sin w1t+F2 sin w2t
F′Y＝F3 sin w3t+F4 sin w4t
F1＝(m1+m2)μg
F2＝m2μ2g
F3＝(m3+m4)μg
F4＝m4μ2g
式中，F′X为纵向载荷变化，F′Y为横向载荷变化，F1与w1分别为纵向上控制大质量配重块运动的伺服缸输出力幅值与频率，F2与w2分别为纵向上控制小质量配重块运动的伺服缸的输出力幅值与频率，F3与w3分别为横向上控制大质量配重块运动的伺服缸的输出力幅值与频率，F4与w4分别为横向上控制小质量配重块运动的伺服缸的输出力幅值与频率，m1为纵向上大质量配重块质量，m2为纵向上小质量配重块质量，m3为横向上大质量配重块质量，m4为横向上小质量配重块质量，μ为滑块与滑动导轨的摩擦系数，μ2为大、小质量配重块间的摩擦系数，g为重力加速度。
图9为本实施例中配重块在模拟整车倾斜或姿态发生变化时的运动轨迹示意图。
本实施例中，当设定偏载点为图中A点处时，横向伺服缸控制配重块由质心O点处移动到B点处，纵向伺服缸控制配重块由质心O点处移动到C点处，运动距离OB、OC及横、纵向配重块的质量大小根据A点位置及偏载大小确定。
在本实施例中，当模拟在有坡度路面行驶时因车身倾斜而导致整车载荷的严重偏载，或模拟多轴车辆姿态调整时，上位机根据整车偏载的大小及方向，通过矢量分解将偏载解耦成横、纵向的载荷移动，并由此得到所需模拟的横、纵向载荷，随后通过控制动态载荷调整装置中的伺服缸伸缩，驱动横、纵向配重块的运动，完成实际横、纵向载荷分布与调整。
具体地，当整车偏载在横、纵向上解耦后，伺服缸的伸缩长度为：
AX＝L sinα
AY＝L cosα
此时，等效的横、纵向上的载荷为：
MX＝M sinα＝m1+m2
MY＝M cosα＝m3+m4
伺服缸的输出力为：
Fx1＝μMXg
Fx2＝μ2m2g
Fy1＝μMYg
Fy2＝μ2m4g
式中，AX为纵向伺服缸伸缩长度，AY为横向伺服缸伸缩长度，L为设定的偏载坐标点到车辆质心的距离，Fx1为纵向第一伺服缸的输出力，Fy1为横向第一伺服缸的输出力，Fx2为纵向第二伺服缸的输出力，Fy2为横向第二伺服缸的输出力，α为偏载坐标点到质心连线与车辆纵向中心线的夹角，M为设定的偏载大小，μ为滑块与滑动导轨的摩擦系数，μ2为大、小质量配重块间的摩擦系数，m1为纵向上大质量配重块质量，m2为纵向上小质量配重块质量，m3为横向上大质量配重块质量，m4为横向上小质量配重块质量，MX为纵向上大小配重块质量和，MY为横向上大小配重块质量和，g为重力加速度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架，其特征在于，包括由悬架系统、转向系统、制动系统、驱动系统以及车架组成的底盘、数据采集系统、整车控制器和动态载荷调整装置；所述底盘通过悬架系统、转向系统、制动系统和驱动系统控制整车运动状态与姿态的变化；所述动态载荷调整装置安装于底盘上，包括分别配设有配重块的上、下两层载荷调节机构，所述配重块用于模拟载荷，上、下两层载荷调节机构分别通过驱动其上的配重块沿横向、纵向移动，调节载荷在底盘上的位置变换；所述数据采集系统包括车轮转角传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、整车横向加速度传感器和整车纵向加速度传感器，各传感器分别与整车控制器连接；所述整车控制器根据上位机设定的模拟工况、采集得到的整车动力学参数，输出控制指令控制动态载荷调整装置工作，实时调整动态载荷在各车轴与左右轮间的变化；
上、下两层载荷调节机构均包括配重块、配重驱动模块和支撑模块，所述支撑模块包括承重盘、滑动导轨和限位装置，所述配重驱动模块包括两个伺服缸、移动盘以及安装在移动盘下的滑块，所述配重块包括大质量配重块和小质量配重块，所述大质量配重块固定于移动盘上，所述小质量配重块置于大质量配重块上，所述滑动导轨固定于承重盘中，所述限位装置设置于滑动导轨两端，第一伺服缸固定在承重盘上且其驱动端与移动盘相连，以驱动移动盘、滑块及大质量配重块在滑动导轨上滑动，第二伺服缸也固定在承重盘上且其驱动端与小质量配重块相连，以驱动小质量配重块在大质量配重块上滑动，大、小质量配重块的运动方向一致；上、下两层载荷调节机构上的移动盘分别沿横向、纵向移动，即两者的运动轨迹相互垂直；两个伺服缸的激振频率、振幅根据整车动力学参数和上位机设定的工况进行调节；
所述多轴车辆实验台架模拟所需工况时的工作步骤为：
步骤S1：上位机设定多轴车辆所需模拟的路面行驶状态与偏载工况；
步骤S2：数据采集系统中的车轮转角传感器、车速传感器、横摆角速度传感器、整车横向加速度传感器与整车纵向加速度传感器，实时接收车轮转角、车速、横摆角速度、整车横向加速度与整车纵向加速度信息，整车控制器根据获取得到的工况设定信息和整车动力学参数，计算得到模拟当前工况下配重块的目标运动轨迹；
步骤S3：在获得配重块的目标运动轨迹后，结合整车动力学参数、车辆的二自由度方程及车辆行驶平衡方程，计算得到控制伺服缸输出的激振频率与振幅，进而控制配重块沿着当前模拟工况下所需的目标运动轨迹运动；
步骤S4：当配重块沿着目标运动轨迹运动，通过控制伺服缸连续改变驱动配重块运动的作用力以及作用方向，控制配重块在运动的过程中给多轴车辆施加设定的路面行驶状态、偏载工况下的载荷转移特性；
步骤S5：当多轴车辆完成所需路面行驶状态和偏载工况的模拟后，整车控制器对伺服缸输出复位指令，控制配重块运动至车辆质心处，并返回步骤S1，等待下一工况模拟信号的到来；
当需要模拟车辆处于不同的平顺路面行驶工况时，动态载荷调整装置中伺服缸的工作方式为：
工作方式一：当模拟车辆处于静态工况时，此时伺服缸的控制量为伸出杆长度，在该工况下，伺服缸控制配重块处于车辆质心处，使载荷集中分布于质心处；
工作方式二：当模拟车辆处于转向工况时，此时伺服缸的控制量为控制配重块向左或向右运动的力，在该工况下，横向两个伺服缸控制配重块在两侧车轮间向左或向右移动，且移动方向与车辆转向方向相反，使载荷集中在转向车辆的外侧，并且横向两个伺服缸输出力的大小根据车辆二自由度方程确定；
工作方式三：当模拟车辆处于加速工况时，此时伺服缸的控制量为控制配重块向后轴运动的力，在该工况下，纵向两个伺服缸控制配重块由前轴向后轴移动，使载荷向后轴转移；当模拟车辆处于减速工况时，此时伺服缸的控制量为控制配重块向前轴运动的力，在该工况下，纵向两个伺服缸控制配重块由后轴向前轴移动，使载荷向前轴转移，同时，当模拟加、减工况时，纵向两个伺服缸输出力大小根据车辆行驶平衡方程确定；
工作方式四：当车辆处于稳态转向及匀速行驶的工况时，此时伺服缸的控制量为伸出杆长度，在该工况下，通过控制伺服缸锁死，使配重块运动状态保持为静止，保证载荷在该工况下的作用位置一致不变；
伺服缸控制配重块运动所需的作用力的计算方法为：
FX＝Ft-Ff-Fw-Fp
其中，
式中，FY为车辆沿Y轴方向的合力，FX为车辆沿X轴方向的合力，MZ为车辆绕Z轴方向的横摆力矩，IZ为车辆绕Z轴的转动惯量，wr为整车横摆角速度，M为整车质量，Ft为车辆驱动力，Ff为车辆滚动阻力，Fw为空气阻力，Fp为坡度阻力，K为轮胎侧偏刚度，v为质心速度V在Y轴上的分量，u为质心速度V在X轴上的分量，δi为第i轴转角，k为多轴车辆的轴数，aY为整车的横向加速度，aX为整车的纵向加速度，Li表示车辆质心到第i轴的距离，在质心之前为正，质心之后为负；
Fx1＝(m1+m2)(aX-μg)
Fx2＝m2(aX-μ2g)
Fy1＝(m3+m4)(aY-μg)
Fy2＝m4(aY-μ2g)
式中，Fx1为动态载荷调整装置中与纵向大质量配重块相连的纵向第一伺服缸的作用力，Fx2为动态载荷调整装置中与纵向小质量配重块相连的纵向第二伺服缸的作用力，Fy1为动态载荷调整装置中与横向大质量配重块相连的横向第一伺服缸的作用力，Fy2为动态载荷调整装置中与横向小质量配重块相连的横向第二伺服缸的作用力，m1为纵向大质量配重块质量，m2为纵向小质量配重块质量，m3为横向大质量配重块质量，m4为横向小质量配重块质量，μ为滑块与滑动导轨的摩擦系数，μ2为横向或纵向大、小质量配重块间的摩擦系数，g为重力加速度，aY为整车的横向加速度，aX为整车的纵向加速度。
2.根据权利要求1所述的可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架，其特征在于，所述承重盘上设有螺纹孔，所述滑动导轨通过锁紧螺钉固定安装在承重盘中；所述限位装置通过锁紧螺钉固定安装在滑动导轨两端，用于限制滑块在滑动导轨上的滑动距离；所述滑块与滑动导轨相配合，所述滑块上设有螺纹孔，所述移动盘底部通过锁紧螺钉固定安装在滑块上；所述第一、第二伺服缸分别通过螺栓固定连接在承重盘侧面，且其驱动端均设有带有关节轴承的单耳环，所述第一伺服缸上带有关节轴承的单耳环通过销轴与移动盘上的安装吊耳相连，所述第二伺服缸上带有关节轴承的单耳环通过销轴与小质量配重块上的安装吊耳相连。
3.根据权利要求1所述的可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架，其特征在于，当模拟车辆处于因承重负载晃动而导致载荷剧烈变化的工况，或模拟因不平顺路面行驶而导致载荷波动的工况时，数据采集系统采集实车信号，整车控制器计算出纵向两个配重块与横向两个配重块需要模拟的运动频率与运动幅度，进而控制横向或纵向两个伺服缸的激振频率与振幅；并且，通过组合控制横、纵向的大、小质量配重块的运动状态，使生成载荷的波动形式可复合叠加。
4.根据权利要求3所述的可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架，其特征在于，当模拟车辆处于因承重负载晃动而导致载荷剧烈变化的工况，或模拟因不平顺路面行驶而导致载荷波动的工况时，横、纵向的大、小质量配重块叠加运动后产生的横、纵向波动载荷为：
F′X＝F1sin w1t+F2sin w2t
F′Y＝F3sin w3t+F4sin w4t
F1＝(m1+m2)μg
F2＝m2μ2g
F3＝(m3+m4)μg
F4＝m4μ2g
式中，F′X为纵向载荷变化，F′Y为横向载荷变化，F1与w1分别为纵向上控制纵向大质量配重块运动的纵向第一伺服缸输出力幅值与频率，F2与w2分别为纵向上控制纵向小质量配重块运动的纵向第二伺服缸的输出力幅值与频率，F3与w3分别为横向上控制横向大质量配重块运动的横向第一伺服缸的输出力幅值与频率，F4与w4分别为横向上控制横向小质量配重块运动的横向第二伺服缸的输出力幅值与频率，m1为纵向大质量配重块质量，m2为纵向小质量配重块质量，m3为横向大质量配重块质量，m4为横向小质量配重块质量，μ为滑块与滑动导轨的摩擦系数，μ2为横向或纵向大、小质量配重块间的摩擦系数，g为重力加速度。
5.根据权利要求1所述的可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架，其特征在于，当模拟在有坡度路面行驶时因车身倾斜而导致整车载荷的严重偏载，或模拟多轴车辆姿态调整时，上位机根据整车偏载的大小及方向，通过矢量分解将偏载解耦成横、纵向的载荷移动，并由此得到所需模拟的横、纵向载荷，随后通过控制动态载荷调整装置中的伺服缸伸缩，驱动横、纵向两个配重块的运动，完成实际横、纵向载荷分布与调整。
6.根据权利要求5所述的可实现动态载荷模拟的多轴车辆实验台架，其特征在于，当整车偏载在横、纵向上解耦后，横向或纵向上任一伺服缸的伸缩长度为：
AX＝Lsinα
AY＝Lcosα
此时，等效的横、纵向上的载荷为：
MX＝Mpsinα＝m1+m2
MY＝Mpcosα＝m3+m4
伺服缸的输出力为：
Fx1＝μMXg
Fx2＝μ2m2g
Fy1＝μMYg
Fy2＝μ2m4g
式中，AX为纵向任一伺服缸伸缩长度，AY为横向任一伺服缸伸缩长度，L为设定的偏载坐标点到车辆质心的距离，Fx1为动态载荷调整装置中与纵向大质量配重块相连的纵向第一伺服缸的作用力，Fy1为动态载荷调整装置中与横向大质量配重块相连的横向第一伺服缸的作用力，Fx2为动态载荷调整装置中与纵向小质量配重块相连的纵向第二伺服缸的作用力，Fy2为动态载荷调整装置中与横向小质量配重块相连的横向第二伺服缸的作用力，α为偏载坐标点到质心连线与车辆纵向中心线的夹角，Mp为设定的偏载大小，μ为滑块与滑动导轨的摩擦系数，μ2为横向或纵向大、小质量配重块间的摩擦系数，m1为纵向大质量配重块质量，m2为纵向小质量配重块质量，m3为横向大质量配重块质量，m4为横向小质量配重块质量，MX为纵向上大、小质量配重块质量和，MY为横向上大、小质量配重块质量和，g为重力加速度。
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