CN202002773U - 动力总成惯性参数测取综合试验台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种改进的动力总成惯性参数测取综合试验台，克服了现有技术中惯性积无法测量的不足，在试验台旁边增设有空间距离测量仪和在下摆盘上配有配重块。空间距离测量仪的大活动关节连接在直线导轨上；小活动关节连接在大活动关节上；百分表测头安装在小活动关节上；大活动关节和小活动关节通过旋钮锁死；固定挡块固定在底座上，并在固定挡块上设有横式数显卡尺，横式数显卡尺上设有读数显示表头。改变动力总成相对于下摆盘的姿态，测量三线摆的扭摆周期，通过距离测量和坐标变换，可以同时测出动力总成的质心位置、转动惯量和惯性积。实现了测量过程的自动化，具有高精度、高效率、易操作等特点，适合不同型号动力总成的测量。

Description

动力总成惯性参数测取综合试验台

技术领域

本实用新型涉及一种改进的动力总成惯性参数测取综合试验台，主要用于不同型号动力总成惯性参数的测量。

背景技术

动力总成的十个惯性参数包括：质量（一个）、质心位置（三个）、转动惯量（三个）和惯性积（三个）。获取精确的动力总成惯性参数，对于动力总成的减振和隔振尤为重要，对后续动力总成悬置系统的设计，以及改善汽车行驶的平顺性和乘坐舒适性都有非常重要的意义。

关于动力总成惯性参数测取的方法有很多，有三线摆法、复摆法、弹簧振动法、计算机软件计算法和动态测试法。其中三线摆法测量精度高且操作简单，但目前的三线摆法由于容易受各种人为因素的干扰，影响了其测试结果的精确度。尤其对于质量较大，外形复杂的大型动力总成，更是难以操作。

中国专利文献公开了一种大型动力设备质量惯性特性参数测取综合实验台，公开号为101281075A，引入了拉力传感器和光电传感器，这样可以很好的避免各种人为因素的干扰，也达到了能够测试大型动力总成转动惯量的目的。但是此实验台不能测量出惯性积，只能测出三个绕质心坐标轴的转动惯量，而惯性积对于动力总成悬置系统的设计一样必不可少。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种改进的动力总成惯性参数测取综合试验台，该试验台可同时测出十个惯性参数，且制造成本低，适合普遍推广。

为此本实用新型的技术方案为，动力总成惯性参数测取综合试验台，包括上固定钢板、拉力传感器、钢丝绳、钢丝绳长度调整机构、下摆盘、光电传感器、光电传感器支架、手动葫芦、数据采集卡、计算机，上固定钢板固定在房屋的横梁上，上固定钢板和下摆盘通过三根钢丝绳连接在一起，三个钢丝绳长度调整机构和三个拉力传感器固定在三根钢丝绳上，手动葫芦固定在上固定钢板上；光电传感器固定在光电传感器支架上，光电传感器的测头对准其中一根钢丝绳，数据采集卡连接在计算机的PCI插槽上，其特征在于：在所述试验台的旁边设有空间距离测量仪，空间距离测量仪包括大活动关节、直线导轨、小活动关节、底座等，大活动关节连接在直线导轨上；小活动关节连接在大活动关节上，百分表测头安装在小活动关节上；大活动关节和小活动关节通过旋钮固定；底座上设有固定挡块，固定挡块上设有横式数显卡尺，横式数显卡尺连接有读数显示表头。

对上述方案的再改进在于：所述的下摆盘上设有配重块，下摆盘上刻有密度均匀的坐标线。

有益效果：

本实用新型中利用空间距离测量仪，可以测出空间任意两点的距离，只是通过距离测量和坐标变换，就完成了对动力总成空间方位的描述，从而可以同时测出动力总成的十个惯性参数：质量（一个）、质心位置（三个）、转动惯量（三个）和惯性积（三个）；同时本实用新型引入了配重块，用于微调三个力传感器读数，使三个力传感器读数相等，并且在下摆盘上刻满了许多密度均匀的网格线，配重块在下摆盘上的坐标可以直接读取；大大减小了测量工作量，提高了测量效率，具有高精度、高效率、易操作等特点。

本实用新型适合不同型号的汽车动力总成惯性参数的测量，对质量超过五百千克的大型商用车动力总成，优势更加明显，最大承载为两吨，且制造成本低，很容易普及推广。

附图说明

附图1为本实用新型试验台架结构简图。

附图2为本实用新型空间距离测量仪结构简图。

附图3为本实用新型四点定位法原理示意图。

附图4为本实用新型下摆盘上表面圆盘坐标系建立示意图。

附图5为本实用新型动力总成相对于下摆盘的一种姿态示意图。

附图6为本实用新型动力总成相对于下摆盘的另一种姿态示意图。

附图7为本实用新型实验软件界面示意图。

附图8为本实用新型实验系统示意图。

附图9为本实用新型动力总成上测量坐标系建立示意图。

附图10为本实用新型动力总成坐标系建立示意图。

附图11为本实用新型质心坐标系建立示意图。

图中1. 上固定钢板，2. 拉力传感器，3. 钢丝绳， 4.钢丝绳长度调整机构，5. 下摆盘，6. 光电传感器 ，7. 光电传感器支架，8. 手动葫芦，9. 数据采集卡，10. 大活动关节，11. 直线导轨，12. 旋钮，13. 小活动关节，14. 百分表测头，15. 底座，16. 固定挡块，17. 横式数显卡尺，18. 读数显示表头。

具体实施方式

如附图1所示，改进的动力总成惯性参数测取综合试验台，包括上固定钢板1、拉力传感器2、钢丝绳3、钢丝绳长度调整机构4、下摆盘5、光电传感器6、光电传感器支架7、手动葫芦8、数据采集卡9、计算机、空间距离测量仪、配重块等。试验台高8米，试验台的顶部是上固定钢板1，上面开设有径向延伸且互成120度的五组不同直径的孔，可用来改变动力总成扭摆半径。下摆盘直径为1.6米，组成结构及具体的连接方式为：所述的上固定钢板1固定在房屋的横梁上，上固定钢板1和下摆盘5通过三根钢丝绳3连接在一起，三个钢丝绳长度调整机构4和三个拉力传感器2固定在三根钢丝绳上。所述的光电传感器6固定在光电传感器支架7上，光电传感器6的测头对准其中一根钢丝绳。所述的手动葫芦8固定在上固定钢板1上，用于动力总成姿态的调整。所述的拉力传感器2测取的是钢丝绳的拉力，用于动力总成的质心对中的标准。所述的光电传感器6测取的是三线摆的扭摆周期。所述的数据采集卡9连接在计算机的PCI插槽上。数据采集卡9用于采集三个拉力传感器2和光电传感器6的电信号，通过MATLAB的硬件接口，将数据自动导入到相关软件中，从而可以大大减小测量工作量，提高测量效率。

如附图2所示，本实用新型设计了一种新型的空间距离测量仪，用来测量空间任意两点的距离，只是通过距离测量和坐标变换，就完成了对动力总成空间方位的描述，从而可以同时求出转动惯量和惯性积。空间距离测量仪包括大活动关节10、直线导轨11、旋钮12、小活动关节13、百分表测头14、底座15、固定挡块16、横式数显卡尺17、读数显示表头18等。组成结构和具体的连接方式为：大活动关节10连接在直线导轨11上，可以绕着直线导轨11三百六十度旋转，也可以沿着直线导轨11滑动。小活动关节13连接在大活动关节10上，可以绕大活动关节10 三百六十度旋转，百分表测头14安装在小活动关节13上，可随小活动关节13一起运动。大活动关节10和小活动关节13可通过旋钮12一键锁死。固定挡块16固定在底座15上，用来固定横式数显卡尺17。读数显示表头18连接在横式数显卡尺17上，可以沿着横式数显卡尺17滑动。使用的过程中，将百分表测头14对准空间任意两点，通过旋钮12将大活动关节10和小活动关节13一键锁死，再将百分表测头14对准横式数显卡尺17的定位点，从读数显示表头18中便可以读出空间任意两点的距离。其中横式数显尺使用的是广陆横式数显卡尺，测量范围为0~2000mm，测量精度为0.01mm。

如附图3所示，对空间距离测量仪的工作原理进行说明。

T1、T2、T3和T4为四个坐标已知的点，由空间距离测量仪分别测出空间任意一点P_i到T1、T2、T3和T4的距离，然后通过数值方法，便可以得出空间任意一点P_i的坐标。此种方法称为四点定位法。

实验过程中，需要调整动力总成的姿态，在姿态变化的过程中，动力总成上的点与已知点之间可能被动力总成上的附件所阻挡，通过一般方法不能测出这两点之间的直线距离。而且在实验过程中，要反复不断测量空间任意两点之间的直线距离，因此必须使用空间距离测量仪。

理论上，动力总成的摆绳是无质量、无弹性、无阻尼的绳。但在实际应用中，钢丝绳作为摆绳，其质量会对扭摆空摆的质量M₀与转动惯量J₀有一定的影响。同时，由于摆长（L）较长，测试上下两个安装点的距离会产生误差。因此，为了准确的确定空摆的质量M₀和摆长（L），提高实验台测试精度，进行测试之前，必须要对空摆的质量M₀和摆长L应进行标定。

标定完成后，首先通过钢丝绳长度调整机构4调整下摆盘5水平，以三个拉力传感器2的读数相同为准。将动力总成以某一种姿态放到下摆盘5上，如附图5所示。先初步调整动力总成相对于下摆盘5的位置，使三个拉力传感器2的读数基本相等，然后再通过砝码微调，使三个拉力传感器2的读数相等，此时便可以得知动力总成的质心位于扭摆轴线上，在下摆盘上刻满了许多密度均匀的网格线，如附图5所示，读取配重块在下摆盘上的坐标。

为了描述动力总成相对于下摆盘的空间方位，首先，需要建立四个坐标系，它们分别是圆盘坐标系Oc-XcYcZc、测量坐标系O₁-X₁Y₁Z₁、动力总成坐标系O₂-X₂Y₂Z₂、质心坐标系O₀-X₀Y₀Z₀。各坐标系的具体建立方法为。

1）圆盘坐标系Oc-XcYcZc，坐标原点Oc为下摆盘上表面圆心，OcZc轴垂直于圆盘表面竖直向上，OcXc轴和OcYc轴落在托盘表面。圆盘上有一些特征点，如附图4所示。

2）测量坐标系O₁-X₁Y₁Z₁，由动力总成上的三个标记点P₁、P₂、P₃形成，如附图9所示。三个标记点形成一个与刚体固连的坐标系O₁-X₁Y₁Z₁，用于描述动力总成及转轴的空间方位。

3）动力总成坐标系O₂-X₂Y₂Z₂，动力总成坐标系是用来描述动力总成质心位置的坐标系。动力总成缸体后端面与曲轴中心线的交点为坐标原点O₂，曲轴指向发动机前端的方向为正O₂X₂方向，由油底壳指向发动机盖的方向为正O₂ Z₂方向，正O₂Y₂方向由右手法则确定，如附图10所示。

4）质心坐标系O₀-X₀Y₀Z₀，以动力总成的质心为坐标原点，各坐标轴平行于动力总成坐标系O₂-X₂Y₂Z₂，如附图11所示。

其次，在圆盘上确定一些特征点，用来确定动力总成表面上三个标记点P_i的坐标，这些特征点尽量沿圆盘圆周均匀分布，12个点为宜，特征点应尽量清晰可辨认，且记号不易被擦除，特征点的坐标在圆盘坐标系Oc-XcYcZc中是已知的。

最后，为了便于描述动力总成的空间方位，应用了四点定位法原理，具体原理见附图3所示。由四点定位法原理，可以通过已知点的坐标求取未知点的坐标。

四个坐标系建立好后，开始第一次测量。将下摆盘5扭转一个小角度，让下摆盘5做自由扭摆振动，通过光电传感器6测取三线摆的扭摆周期。由拉力传感器2测出动力总成的质量。由转动惯量的计算公式，便可以得出其相对于转轴的转动惯量。在动力总成上取三个点，建立一个测量坐标系O₁-X₁Y₁Z₁，如附图9所示。由空间距离测量仪测出动力总成上三个点的坐标，便可以得出此种姿态下，测量坐标系O₁-X₁Y₁Z₁的方位，进而可得到动力总成相对于下摆盘5的方位。由坐标转化公式，便可以得出测量坐标系O₁-X₁Y₁Z₁与圆盘坐标系Oc-XcYcZc的坐标转换关系，从而可以将转轴方位由圆盘坐标系Oc-XcYcZc转换到测量坐标系O₁-X₁Y₁Z₁。

由于动力总成的质心是在动力总成坐标系O₂-X₂Y₂Z₂中描述的，而转动惯量和惯性积是在质心坐标系O₀-X₀Y₀Z₀中描述的，为了得到动力总成在动力总成坐标系O₂-X₂Y₂Z₂中的质心坐标，以及动力总成在质心坐标系O₀-X₀Y₀Z₀中绕转轴的转动惯量和惯性积，还需进行两次坐标转化。由于测量坐标系O₁-X₁Y₁Z₁与动力总成坐标系的位置固定，由坐标转化公式，将转轴方位由测量坐标系O₁-X₁Y₁Z₁转换到动力总成坐标系O₂-X₂Y₂Z₂中。由于动力总成坐标系O₂-X₂Y₂Z₂和质心坐标系O₀-X₀Y₀Z₀的坐标轴是平行的，因此转轴方位由动力总成坐标系O₂-X₂Y₂Z₂转换到质心坐标系O₀-X₀Y₀Z₀也很容易得出。记录下动力总成在质心坐标系O₀-X₀Y₀Z₀中绕转轴的转动惯量以及转轴在质心坐标系O₀-X₀Y₀Z₀中的方位。

完成该组姿态的测量后，通过手动葫芦8，改变动力总成相对于下摆盘5的方位，开始下一组姿态的测量，如附图6所示。重复上述过程，理论上，为了得到动力总成的十个惯性参数，至少要做6组试验，一般要做9到12组试验为宜。

附图7为本实用新型的软件界面，此软件是在MATLAB平台上开发的，软件操作简单，能够进行实验过程记录、实验数据总处理和结果误差分析，可一键自动生成实验报告，并将结果以Excel格式文件导出，大大减少了实验的工作量。

本试验台由试验台架、数据采集系统和计算软件三部分组成，具体见附图8。

动力总成的质量，可以通过记录N组拉力传感器2的读数，然后求平均值作为计算结果。

理论上，N次实验有N个转轴，几个转轴应相交于质心。但由于存在测量误差和数字误差，实验中计算所得的转轴相互之间为异面直线，无公共交点。此时求出两条轴线的公垂线中点作为测试质心，通过N组测试求均值作为计算结果，可以有效地减小测试误差。

对于转动惯量和惯性积，需要通过坐标变换，即上述四个坐标系之间的变换，由转动惯量的转轴定理，然后再通过最小二乘法即可得出结果。坐标变换中的数据由测量的坐标点的坐标得到，坐标点的坐标由四点点定位法得到。

测试工作完成以后，将数据采集器9采集的数据，通过MATLAB的硬件接口，导入到相关软件中，便可以得出动力总成的质量，以及动力总成在动力总成坐标系O₂-X₂Y₂Z₂下的质心坐标，同时也可以得出动力总成在质心坐标系O₀-X₀Y₀Z₀中绕转轴的转动惯量和惯性积。

Claims (2)

1.动力总成惯性参数测取综合试验台，包括上固定钢板、拉力传感器、钢丝绳、钢丝绳长度调整机构、下摆盘、光电传感器、光电传感器支架、手动葫芦、数据采集卡、计算机，上固定钢板固定在房屋的横梁上，上固定钢板和下摆盘通过三根钢丝绳连接在一起，三个钢丝绳长度调整机构和三个拉力传感器固定在三根钢丝绳上，手动葫芦固定在上固定钢板上；光电传感器固定在光电传感器支架上，光电传感器的测头对准其中一根钢丝绳，数据采集卡连接在计算机的PCI插槽上，其特征在于：在所述试验台的旁边设有空间距离测量仪，空间距离测量仪包括大活动关节、直线导轨、小活动关节、底座等，大活动关节连接在直线导轨上；小活动关节连接在大活动关节上，百分表测头安装在小活动关节上；大活动关节和小活动关节通过旋钮固定；底座上设有固定挡块，固定挡块上设有横式数显卡尺，横式数显卡尺连接有读数显示表头。

2.根据权利要求1所述的动力总成惯性参数测取综合试验台，其特征在于：所述的下摆盘上设有配重块，下摆盘上刻有密度均匀的坐标线。

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